人在宇宙中渺如塵埃,卻在「幽靈」粒子前巨如銀河

黑洞，一直走著神秘又熱門的路線。藉助 #人類首張黑洞照片面世#，始終戴著朦朧面紗的黑洞前兩天又高調了一把。此前有過關於黑洞的問答和文章，很多網友評論或私信問黑洞為何如此難以理解。

黑洞其實不難理解，只是因為距離太遠又難見真容，以致帶有許多神秘色彩。其實真正難以理解的，卻是圍繞在我們身邊所有物質的微觀世界，包括人類自身的構造。

你有沒有想過，當物質細分到分子、原子、夸克等，微觀粒子還能不能繼續分割下去？若能，更小的粒子是什麼樣子？

或者換個角度思考，如果把這些微觀粒子比作肉眼可見的事物，那同樣比例的人類將是什麼樣的龐然大物？

帶著這兩個問題，我們一層一層，走馬觀花的看一看微觀世界的「樣子」！

(本文有少量數據演算，可能略有枯燥，全文共計約3千字，閱讀需耗時5~10分鐘，敬請耐心瀏覽。)

微觀世界入門

人類與地球之比，相當於一粒芝麻之於55個鄱陽湖(水容量)或15個青海湖(水容量)的比率；而地球與太陽對比，則是一粒芝麻與足球的大小；再拿太陽與銀河系比較呢？那又是一粒芝麻與地球的關係......

每當我們仰望浩瀚星空，都不禁要感嘆人類的渺小。然而我們換一個方向去比，又將是另一番場景。

一個成年人大約有40萬億~60萬億個細胞，一個常規細胞又可以裝下1.6萬億~12.5萬億個水分子。

計算1：常規細胞直徑10~20μm，水分子直徑4×10^-4μm。根據V∝R，有 ◆10/(4×10^-4)=1.5625x10^13；◆(2×10)/(4×10^-4)=1.25×10^14

我們知道一個水分子是由2個氫原子和1個氧原子構成。一個氧原子約3.2個氫原子大小(質量相差16倍)，那麼一個水分子就相當於5.2個氫原子體積。

如果把一個成年人與一個氫原子相比，同樣把氫原子比作一粒芝麻，那麼人差不多就是半個水星至半個火星大小。人的大小直接與行星同級別，不得不算龐然大物了吧！

計算2：V人：V原子=(4.0×10^14 ×1.6×10^13 ×5.2)~(6.0×10^14 ×1.25×10^14 × 5.2)：1=(3.33×10^28)~(3.9×10^29)：1。補充(選擇瀏覽)：一粒芝麻大約0.85mm，為方便計算假設芝麻為整數1mm。地球體積約1.1×10^12km，則 V地球：V芝麻=(1.1×10^12)：(1.0×10^-18)=1.1×10^30：1，另外地球：金星：火星：水星=1：0.86：0.15：0.056。

顯然，這還沒有完全進入微觀領域，「分子」頂多著微觀世界的大門口。我們再稍微細究下原子。

原子是由核外電子和內部原子核構成，質量佔比超過99.95%的原子核，其大小卻只有整個原子的幾千億分之一。

補充：原子核是由質子和中子組成。從質量方面來說，質子質量比中子還略小0.1%，但質子質量卻高達電子質量的1836.5倍。拿電子質量佔比最大的氫原子(只有一個質子，沒有中子)為例，電子質量佔比只有約0.054%。事實上，除了氫氣原子外，其他元素的原子核都含有中子，也就是說電子質量的平均佔比只會比0.054%小更多。

那麼，如果把原子核大小比作芝麻的話，一個人的體積將幾乎充滿地球公轉半徑的所有空間。這是一個什麼概念呢？簡單點說，此時人的大小勝過1百億個地球，與太陽相比至少也是太陽的1萬倍。

計算3：由於數據龐大，我們只考慮數量級。則V人：V原子核=10^29V原子：V原子核≈10^29 ：10^-12=10^41：1。而V地-日：V芝麻=(10^8)：(10^-6)=10^42：1

此時，你還感覺人很渺小嗎？

微觀世界正廳

1、繼續深扒

宏觀物質的特性，微觀到分子或原子就已足夠。然而科學的探索，遠遠不止停留在物質特性的原子層級。

如上述，小小的原子核又是由p個質子和n個中子構成(p為正整數，n為自然數)。其實質子和中子又都可以再細分，質子是由2個上夸克和1個下夸克通過膠子的強相互作用構成，中子則是由1個上夸克和2個下夸克通過膠子連接構成。

質子的粒子構成

夸克和膠子都是構成物質的基本粒子。質量屬於費米子，有靜止質量。膠子屬於玻色子，無靜止質量。

補充：夸克常見的有六味，根據電荷、色荷(紅/綠/藍三色)和自旋的不同，又分為正/反共計36種。由於除上/下兩味夸克的質量最小、性質最穩定外，其他夸克最終都會衰變成這兩味，故在此就不一一羅列。可參考後文的粒子列表截圖。

在真正的微觀粒子世界，由於粒子間不像分子、原子那樣具有較大比例的空白(活動)區域，且半徑/體積等數據幾乎無法準確測量，也沒有太大實際意義。此時比較兩者大小，主要依據是粒子的靜止質量。如上質量最小的上/下兩味夸克中，上夸克又比下夸克質量更小，只有2.01±0.14兆電子伏(eV/c)。

補充：什麼是電子伏？電子伏又如何表示質量？電子伏又稱電子伏特，是能量的單位。1 eV ≈ 1.6022×10^-19J。根據愛因斯坦質能方程E=mc，可以將質量與能量相互轉化，所以 1 eV/c≈ 1.783×10^-36kg。電子伏是利於簡單計數的一種方式。

現在我們幾乎無法用體積之比，將夸克類比為芝麻。但是我們還是可以在質量這一物理量上看看他們的數量級大小。

氫原子核質量為1.673×10^-27kg，上夸克的質量為3.584×10^-30kg，也就是說一個氫原子核(一個質子)是一個上夸克的近500倍。太陽質量是地球質量的33萬倍。以一個60kg的人為例，地球質量是人的1,000萬億億倍，而人又是氫原子核的3,586萬億億億倍。是不是有點暈？

換個簡單點的說法，如果把夸克按質量比率放大到人的大小，則人同比率放大後將是太陽系質量總和500倍。

計算4：用m表示人同比例放大後的質量，有m：m人=m人：m夸克 m=1.0 × 10^33kg。而太陽系總質量約2.0 × 10^30kg。

對，沒錯，是整個太陽系的500倍。不過留意，此時討論是質量比，不是半徑或體積大小。

2、微觀粒子

構成物質的基本粒子分為費米子和規範玻色子兩種，規範玻色子在費米子之間通過強/弱核力起連接作用，形成不同的複合粒子。質子和中子就是複合粒子中的一種，也正是構成物質世界的基本單元。

複合粒子一般都是比複合前的基本粒子質量要大，故複合粒子和其他大質量的基本粒子就不逐一闡述，大家可以參考下圖大致了解下種類和分類。我們接下來的重點是繼續選擇更小粒子。

規範玻色子種類比費米子要少很多，表面看似乎比較簡單，其實不然。其一是規範玻色子像彈簧一樣在費米子間起連接作用，自身形態顯得更「虛無」。其二是規範玻色子質量差異範圍非常大。如光子，其質量一般不超過10^-54kg，只有電子質量的千萬億億分之一。而Z玻色子質量卻有約為91.2GeV，是電子質量的近2萬倍。

如果說世界的盡頭是「空無」，是「0」，很顯然光子、膠子都不負眾望。然而光子和膠子由於各自都有一些特殊性質，相對還是比較容易被感知或被探測到。這個世界真正的「幽靈」，其實是中微子。

當一個中子通過弱相互作用衰變，可以產生一個質子+一個電子+一個中微子。這個叫電子中微子，因為它總是喜歡伴隨在電子周圍。電子中微子最初是由奧地利物理學家泡利提出的預言，過了26年才最終得到證實，且在2013年首次捕捉到太陽系外的高能中微子。

我們已經知道電子質量是非常小的了，而中微子的質量更小離譜，只有電子的百萬分之一，是氫原子核(一個質子)質量的十億分之一。同夸克的質量類比法，一個成年人同比例放大後將是整個銀河系的質量。

計算5：此處只取數量級計算，中微子質量約10^-38kg，由m=(m人)/(m中微子) m=10^41kg。銀河系總質量約4.2 × 10^41kg。

質量之小還完全是中微子的全部特色，同時中微子運行速度又極快，接近於光速。中微子還有一個特點是自身不帶電，與其他物質(粒子)相互作用極其微弱，故而幾乎沒有辦法探測到它的存在，號稱宇宙間的「隱身人」。

由於個頭小，隨意穿越任意空間不會被幹擾或發生碰撞，加之速度又極快，中微子可以輕鬆穿越整個地球而幾乎沒有損耗。

我們每個人每秒鐘都要受到大約1,000萬億個太陽產生的中微子穿越人體，即使你再地球的另一端也是一樣。如果你把大拇指豎起來，每秒也有700億中微子從你的拇指中穿過。對此，你卻毫無感知！

這就好比人類的飛行器「旅行者一號」，一直在宇宙中穿梭，而「宇宙」可能對此並沒有任何感覺！

寫在最後的三個疑問？1、從電子中微子總是喜歡伴隨電子周圍來看，人們以為是單純粒子的電子，會不會最終也如原子構成那樣，是個組合體呢？2、組合體如此廣泛存在，那這個宇宙到底有沒有不可再分割的例子？3、人類在宏觀世界是滄海一粟，而在微觀世界又巨如銀河，人類到底是怎樣的一個角色存在？

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