宇宙的尺度到底有多大？

極小到極大

1.616255×10⁻³⁵米，這個極小的長度被稱為普朗克長度。今天，我們就從這一尺度說起，沿途你將會遇到原子、細胞、人類、地球、太陽、銀河系...... 在這趟從極小到極大的旅途中，你也將看到2020年諾貝爾獎得主的研究領域所在的尺度。

普朗克尺度

一些理論認為，在普朗克長度下時空不再是平滑的，許多不同的形狀會像泡沫一樣，隨機出現，又隨機消失。這些時空中的漲落被稱為量子泡沫，在量子漲落中還會形成小通道，即所謂的蟲洞。

其實，更精確地說，普朗克長度不一定是最短的距離。但可以肯定的是，已知的物理定律會在這一尺度下失效。物理學家需要一個能統一廣義相對論和量子理論的萬有理論，才能更好的描述在這個尺度下發生的事情。

弦論是萬有理論的候選理論之一，它假設萬物都是由振動的弦構成的。在弦論的世界中，時空不再是我們熟悉的四維，而是十維！額外的六個維度會捲曲成極小的空間，即卡拉比-丘空間。但由於現代科技無法探測如此小的尺度，因此我們並不清楚這些假想是否正確。

基本粒子世界

基本粒子是指那些無法由更小的粒子組成的粒子，比如夸克和電子。我們並不確切地知道夸克和電子的大小，但它們應當小於10⁻¹⁹米。

上個世紀70年代，物理學家建立了粒子物理學的標準模型，描述了基本粒子以及它們之間的相互作用。

從1897年發現電子，到2012年發現希格斯玻色子。目前所有標準模型中的粒子都已被發現。

但這並不意味著我們已經對它們了如指掌，比如中微子就包含了許多謎題：為什麼它們具有質量？它們的反粒子是自身嗎？是否存在第四種中微子？

若能揭開中微子的重重謎題，或許就能夠幫助我們回答一個重大的未解之謎：

為什麼宇宙是由物質構成的？

元素周期表

膠子會將夸克緊緊地束縛在一起，形成質子或中子。它們的大小約為10⁻¹⁵米。

質子和中子的內部實際上非常複雜，儘管物理學家早已發現它們，但仍然有許多問題等待被解決，比如質子的半徑是多少？質子的自旋從何而來？以及質子是否會發生衰變？

質子和中子會與電子結合，形成大小約為10⁻¹⁰米的原子，在元素周期表中，質子、中子和電子的數量、構型決定了化學元素的性質。

目前已確認發現的元素有118個，但化學家並不知道還有多少個元素等待被發現，以及最後一個元素又會是什麼。

在所有的元素中，碳、氫、氮、氧、磷和硫是構成生命的關鍵，人體中超過97%的質量都是由這六種元素構成。

DNA、蛋白質、病毒......

DNA是生物界的遺傳物質，它是由核苷酸重複排列組成的長鏈聚合物，寬度約為2.2到2.4納米。

基因是DNA中的一些片段，埃馬紐埃爾·卡彭蒂耶和詹妮弗·杜德娜發現了基因最銳利的工具之一——CRISPR/Cas9基因「魔剪」，利用這種工具，研究人員能以極其精確地方式改變動物、植物和微生物的DNA。這項技術對生命科學產生了革命性的影響，並正在為發展新的癌症療法做出貢獻，且有望使得治癒遺傳性疾病的夢想成為現實。她們也因此榮獲了2020年的諾貝爾化學獎。（詳見：《一個重寫生命密碼的工具》。）

基因負責編碼蛋白質的信息，一個基因編碼一個蛋白質。蛋白質是由胺基酸鏈構成的，這些胺基酸鏈會在三維空間中摺疊，形成各種複雜的形態，從而參與幾乎所有生命活動。但蛋白質究竟是如何摺疊的一直是未解的大難題。

病毒都含有遺傳物質（DNA或RNA），其遺傳物質由蛋白質構成的衣殼所包裹和保護

根據巴爾的摩分類法，新冠病毒屬於正單鏈RNA病毒，同類型的病毒還包括C肝病毒。C肝病毒的大小為55至65納米，可以通過血液傳播。2020年，諾貝爾生理學或醫學獎授予了C肝病毒的發現者哈維·阿爾特、麥可·霍頓和查爾斯·賴斯。（詳見：《抗擊C型肝炎》）

比病毒更大尺度的世界包括了染色體、細菌、細胞、線粒體......

多樣的物種

經歷了約40億的演化，今天的地球上包含著數以萬億計的物種。但這些複雜又多樣化的物種是如何形成的？物種又是什麼呢？這些都問題都極其複雜。

在所有物種中，人類無疑是最具有智慧的，但與人類自身有關的謎題也非常多：比如成熟的大腦有多可塑？意識的生物學基礎是什麼？為什麼我們會睡覺和做夢？為什麼我們會衰變？等等。

神秘又緻密的天體

有一天，給予我們溫暖的太陽會走向生命的盡頭。當它耗盡燃料時，終將在一場絢麗的「煙火」中結束自己的生命。而它的核心也將在引力的作用下，坍縮形成緻密的白矮星。這是銀河系中絕大多數恆星的宿命

那麼比太陽的質量大十倍或數十倍的大質量恆星呢？

中子星擁有極高的密度，典型的中子星質量約為太陽的1.4倍但其半徑卻只有11千米左右。

近年來，科學家探測到了雙中子星併合輻射出的引力波，使科學家有機會進一步探索中子的內部構造，以及宇宙膨脹等謎題。

那麼黑洞呢？

早在1916年，在愛因斯坦發表廣義相對論的不久後，卡爾·史瓦西就求解了廣義相對論的方程，並給出了一個球狀對稱、靜態又不帶電的黑洞解：假設太陽和地球也能夠坍縮成黑洞，那麼它們的史瓦西半徑分別約為3千米和9毫米。

但黑洞在宇宙中是真實存在的嗎？

到了1965年，羅傑·彭羅斯從理論上給出了肯定的答案。他計算出了任何足夠緻密的天體都必須形成黑洞，證明了黑洞是廣義相對論的直接結果。彭羅斯也因這一成就榮獲了2020年的諾貝爾物理學獎。（詳見：《揭開宇宙中最黑暗的秘密》）

幾十年過去了，黑洞仍然是宇宙中最神秘的天體。特別是落入黑洞的信息的命運，仍然是未知的。

地球與系外行星

目前，地球是已知宇宙中唯一擁有智慧生命的星球。這顆半徑約為6371千米的星球充滿了生機。但究竟是一系列什麼樣的事件才造就了一個可以使生命茁壯成長的世界？

今天，我們也面臨著一系列的難題，比如，在維持地球的宜居性的同時，要如何滿足人類對能源和自然資源的需求？在我們研究地球的氣候變化、海洋酸化，以及地震等事件時，我們同樣把目光放著了尋找其他星球上，太陽系之外的行星是否可以孕育出生命？生命在宇宙中究竟有多普遍？

目前，天文學家通過凌星法等技術，已確認發現了4000多顆系外行星，其中有一些與地球很相似。

夜空中的繁星

並不是所有的行星,都繞著像太陽這樣的恆星旋轉，有一些繞著脈衝星轉，而有一些則繞著雙星系統旋轉。

天狼星是大犬座中最明亮的恆星，它實際上就是一個雙星系統，包含了一顆昏暗的白矮星天狼星B，和一顆主序星天狼星A。天狼星B的大小比地球略小一點，但天狼星A卻比太陽還要大，直徑約為2381000千米，而太陽的直徑為1391400千米。

NGC2359，也被稱為雷神的頭盔，是位於大犬座中的一個發射星雲，大小約為30光年（一光年約等於9.46×10¹²千米），這個星雲包含了數百個太陽質量的電離物質，以及數千倍太陽質量的未電離氣體。

星系的中心

無論是太陽、天狼星，還是雷神的頭盔，都屬於銀河系的一員。在直徑約為17萬至20萬光年內的銀河系，包含了大量的氣體和塵埃，以及上千億顆恆星。太陽位於距銀心26000光年的旋臂上。

從上個世紀90年代開始，賴因哈德·根策爾和安德烈婭·米婭·蓋茲開始觀測繞著銀河系中心旋轉的恆星。經過十幾年的觀測，他們最終確認了超大質量黑洞的存在，其質量約為太陽質量的400萬倍。他們與彭羅斯共享了今年的諾貝爾物理學獎。（詳見：《揭開宇宙中最黑暗的秘密》）

看不見的物質

除了恆星、氣體等，這些看得見的物體之外，銀河系中還有什麼？

天文觀測表明，銀河系可能被一個直徑約為200萬光年的暗物質暈所包圍著。然而暗物質的本質完全是個謎，大多數人認為它是由未知的粒子組成的，也有人認為它可能是原初黑洞。

假設暗物質暈真的存在，那麼當地球穿過暗物質暈的時候，有可能會與暗物質粒子發生作用。所以一些地下實驗正在尋找暗物質粒子和普通物質相互作用的信號。但到目前為止，任何實驗都還未找到暗物質粒子存在的證據。

大尺度結構

銀河系的周圍有一些衛星星系，受到銀河系的引力束縛，比如大、小麥哲倫星系。它們比銀河系小，都屬於本星系群的一部分，本星系群又屬於更大的室女座超星系團。

2014年，天文學家定義了一個新的超星系團，名為拉尼亞凱亞（Laniakea），這個詞來自夏威夷語，意為「無盡的天堂」。

按照新的定義，以往我們所熟悉的室女座超新星團，其實只是拉尼亞凱亞超星系團的一部分。

拉尼亞凱亞超星系團包含了約10萬個星系，分布在一個約橫跨了5億光年的區域。在可觀測宇宙中，像超星系團這樣的大尺度結構大約有1000萬個。

可觀測宇宙

以地球為中心，我們所能觀測到的最大範圍約為8.8×10²⁶米。在這個範圍內包含了至少2萬億個星系。

可觀測宇宙就是最大尺度了嗎？

事實上，我們並不知道宇宙的真正大小，可觀測宇宙之外有什麼？是否存在多重宇宙？我們不知道這些問題是否有答案，但隨著理論、實驗和觀測的齊頭並進，我們將掌握越來越多的線索！

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圖片素材來源：

Wikimedia Commons

紅巨星：Daniel Huber

紅巨星背景：Norval Glover

黑洞：ESA/HUBBLE, ESO, M. KORNMESSER

Trappist-1：NASA/JPL-Caltech

超大質量黑洞：Scott Woods

拉尼亞凱亞超星系團：Nature Vedio

本文來自微信公眾號：新原理研究所