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當我們用顯微鏡觀測微觀世界時,就會發現宇宙中存在著結構極其微小的物體。當我們用天文望遠鏡觀測太空時,就會發現宇宙中存在著結構極其龐大的天體。那麼,宇宙中的最小結構有多小?最大結構有多大?
對於微觀尺度,以人的結構為例,人的身體是由各種微小的細胞組成,細胞中還有更小的染色體,染色體則是由各種原子排列組合而成。原子並不是組成物質的最小結構,它們還能進一步分割。
原子的結構有兩大部分,一部分是中心的原子核,還有一部分是在特定軌道上運行的核外電子。根據粒子物理標準模型,電子已經是無法進一步分割的基本粒子,而原子核還能進一步分割。
除了H-1氕原子核沒有中子外,其他原子核都包含了質子和中子,這兩種粒子還不是基本粒子。如果能夠敲開質子和中子的結構,就會發現它們都是由兩種夸克組成。就像電子那樣,夸克是無法進一步分割的基本粒子。不過,夸克很特殊,它們不能單獨存在,必然會與其他夸克通過強核力結合成複合粒子。
那麼,電子和夸克有多小呢?
在現代物理學看來,作為基本粒子的電子和夸克,它們都是質點,也就意味著沒有大小。通過粒子加速器中的高能碰撞,物理學家沒有發現電子和夸克有內部結構,這有可能是碰撞能級還不夠。
據估計,電子的半徑可能要小於10^-20米,也就是1萬億億分之一米。夸克的尺寸也非常小,此前物理學家給出的夸克半徑上限為4.3×10^-19米。
電子和夸克非常小,這是目前已知組成物質的最小結構。沙子的半徑為DNA雙螺旋半徑的100萬倍,DNA雙螺旋半徑為氫原子半徑的40倍,氫原子半徑為質子半徑的6萬倍,質子半徑又是電子和夸克半徑的2000倍。
根據現有的理論,長度不能無限小,普朗克長度被認為是最短的距離。因為在測量小於普朗克長度的物體時,測量所用的光子能量極高,它們與被測量物體發生碰撞,就會製造出黑洞,導致光子被吸收,阻止了這種長度測量。1普朗克長度非常小,僅為1.6×10^-35米,電子和夸克的半徑相當於1000萬億普朗克長度。
雖然電子和夸克非常小,但它們卻能組成極其龐大的宏觀物體。小到人類,大到行星、恆星,甚至星系,它們的基本組成都是電子和夸克。
對於星系這的巨大結構,描述它們的大小通常需要使用極為巨大的長度單位——光年。1光年將近10萬億公裡,而星系的直徑一般為幾萬至幾十萬光年,我們所在的銀河系直徑估計超過10萬光年。
星系之間還會通過引力作用聚集在一起,形成更龐大的宇宙結構,分別是星系群、星系團、超星系團、宇宙纖維狀結構、宇宙長城。就目前所知,除了宇宙本身之外,最大的宇宙結構為武仙-北冕座長城,其寬度達到了100億光年。在這之上更大的結構是可觀測宇宙,半徑為465億光年,而在這之外的不可觀測宇宙有多大目前不得而知。
對比宇宙中最大的結構和最小的結構,兩者的尺寸相差數量級可達10^45。也就是說,武仙-北冕座長城的大小是電子的10萬億億億億億倍。