從十億光年到0.1飛米的世界(41P)

侯爵 | 2011-5-20 18:56:30

1樓

十億光年，是一個什麼概念呢？
　　
　　光年，光走一年的路程。光速！它是速度公認的極限，每秒299792458米，能在眨眼間繞地球七圈半。看見麼，就這麼快的光，讓他跑個一年，所度量出來的距離就是一光年了。都來動手算算它，這一年是31536000秒，一秒跑299792458米，乘出來就9454254955488000米，約等於十萬億公里吧。至於飛米，則是最小的長度單位，1000000000000(一兆)飛米才會等於1公釐(mm)∼！飛米的世界又是如何的呢？

普遍認為宇宙誕生到現在有150億年。所以我們可能觀察到的最廣闊宇宙空間的直徑只可能在150億光年這樣的範圍之內。150億光年遠的地方的光被我們看到時已經在宇宙間穿越了150億年，那是宇宙誕生時的影像。
　　
　　當我們看到十億光年以外的星星時，映入我們眼簾的那束星光已經在茫茫宇宙間飛奔了十億年。換句話說，我們現在看到的僅僅是它十億年之前的樣子！現在的它究竟如何我們只有再等待十億年才能看到…… 下面這張圖是在十億光年這樣的數量級下觀測宇宙，上面的每一個象素點所表現的事物都是無比古遠的。宇宙的無窮無盡，停留在紙上，今天，讓我們用自己的眼睛來體驗！
十億光年

現在我們把視野縮小10倍，宇宙看起來還是空空如也，「星」光點點。可是，那些點點斑斑的真的是星麼？你將會大吃一驚！
　　一億光年

把眼光再降低一個數量級，那些點點看起來依然像是星星一千萬光年

一百萬光年近些，再近些。我靠！什麼呀，這麼面熟？這就是你所說的「星星」麼？是星星，一堆星星。我們管它叫銀河系

十萬光年在10萬光年這樣的數量級下，我們就看見了整個的銀河系。事實上，銀河系的直徑就是十萬光年。真有哪位能發明個跟光速一邊快的飛船，從銀河系的這邊飛到對面來個大吊角，就要十萬年的時間！我靠，在這樣漫長的旅程來看，人生不過朝生暮死，蜉蝣一般。但這只是對相對於銀河系靜止的觀測者而言，船上的人員感受到的旅程其實只有數分鐘。相對論呀，深了去了。

一萬光年由此就能夠大致估計出我們的位置，如果把銀河視為一個巨大的扁盤子，我們就是應該在這張扁盤子的平面上。否則如果不是這樣的話，我們高於或低於它，那麼看到的夜空就會顯得一半亮一半暗，而不是像現在這樣銀河光帶般亙在天幕中，星星比較均勻地分佈兩側了。
事實上現代研究也得出這種結論：我們的太陽系位於銀河系螺旋翼內側的邊緣，距離銀河系中心大約2.5萬光年。於是，我們把視野收回到1萬光年的等級，聚焦在銀河系若干觸角般螺旋翼中的一條上面。

一千光年還是密密麻麻的

一百光年

一光年等等，這個是什麼？

一萬億公里

一千億公里看出來了，是太陽系，翻山越嶺的，不容易啊。

100億公里
放大十倍來觀察以繁星為背景的太陽系。說是繁星，其實與太陽最近的恆星——半人馬座比鄰星都是在4.22光年開外的。圖中的亮點僅僅只是背景上離得八丈遠的星星呢，並不是太陽系的一部分。

10億公里
數數看，下圖裡被藍框子圈上的是誰的軌道？水、金、地……原來是地球的軌道呀！

一億公里找找看地球在哪裡

一千萬公里可以看到了，地球，月球呵呵

一百萬公里這個是什麼？

十萬公里啊，地球！Home，Sweet home。

一萬公里怎麼會這麼巧涅？從10億光年一路看下來正對著的竟是美國。用一萬公里的視野看地球，這是神的視角。Google Earth 也能有這種效果，起始時對著的也是美國^_^ （不用奇怪了，這套圖片本身就是老美拍的！）

1000公里如果地理不錯的話應該看的出來吧，這是北美五大湖區中的密歇根湖，框住的城市就是芝加哥。

100公里芝加哥鳥瞰。由此開始了我們人類所能夠理解的數量級，開始了我們熟悉的世界。深呼吸...

10公里
雖然還是密密麻麻，不過可以看見房屋和街道了，這是我們一般常用的GPRS等級。

1公里
在放大看，清楚的房子屋頂和街道。

100米
草地上那一堆是什麼呀？

10米
原來是一個人呀，睡得正香吶。

1米醒醒嘿，都被偷窺啦還不知道吶

0.1米一米的十分之一，我們手所能把握的尺度。相信人類所接觸的大部分物體都是在這樣一個數量級的。看看你的周圍，鍵盤、滑鼠、手機、杯子、碗...... 仔細一看這哥們手上的毛還挺重的...

一厘米這是手上的皺紋細部。興許你放大了還沒他細皮嫩肉呢。做好準備，我們即將進入另一個陌生的領域--微觀世界

1毫米手上的毛孔，就是沒有毛，毛呢？

100微米
再放大十倍，可見皮膚的組織結構。

10微米一個細胞的數量級就是10微米，當然這只是一般來說。插句嘴，世界上最大的細胞是鴕鳥蛋，它是一個單獨的卵細胞，數量級是分米級的，厲害吧。

1微米疑似生物課上學過的細胞核膜，細部。

0.1微米一看這麼高度螺旋的結構就知道是染色體了。底下的洋文說：但凡人類的細胞，裡面都會有23對染色體

100埃
埃是一種長度單位，指10的-10次方米。用字母「A」頂上加個小圓圈來表示。100埃的數量級就能度量某些有機大分子的物質了。
看到這個規則的等距雙螺旋結構，我想你一定能夠脫口而出了。沒錯，這種物質就叫做脫氧核糖核酸，也就是常說的DNA。分子結構清晰可見。

1奈米
我們管10的-9次方米叫一奈米。現在為材料科學炒得火熱的奈米技術就是說很多物質精細到奈米級後將表現出很多在常規等級上所表現不出的性質來。在奈米這樣的等級，我們連原子都可以數清了。因此，奈米級又叫原子級。
下圖是組成DNA分子的原子們，它們以共價鍵和氫鍵彼此結合成龐大的有機分子。生命就在這種複雜的結合中得以體現。

1埃
接著放大看，是不是感覺好像又回到宇宙的銀河裡了呢？在那密密麻麻的點點間。
原子是由原子核和電子組成的。下圖中所表示的是密佈的電子雲，我們能看到原子核外圍的電子雲比較濃。
所謂電子雲，其實並不是說一個原子擁有無數個電子，像雲霧般的瀰漫四圍。每個原子擁有的電子數都是固定的，有數的，具體依元素種類而定。這些電子行蹤飄忽不定，在原子核外部亂竄。一個電子，無數法身。就把這些電子「團團轉」的特點用電子雲來形容了。離核近的地方出現的機率大些，雲就密；離核遠的地方出現的機率小些，雲就稀。

10皮米
原子核外圍的濃密電子雲。彷彿又回到了浩瀚無邊的宇宙。這樣來看每個原子都像是個小宇宙，我們的世界就這樣的週而復始著……

1皮米
穿過最濃的電子雲，發現更近核的地方反倒清淨。原來離得遠了要吸引，離得近了也會排斥呢，保持一個最佳的距離才好。
什麼？你說電子陰性，原子核陽性，異性相吸，應該越近核越密才對？別逗了！真要那樣越近越吸，越吸越近，電子還不都撞到核上去，最後誰也動彈不得！

0.1皮米
走近點，這就是傳說中的原子核了。10的-12次方米叫做一皮米。在0.1皮米的等級下看原子核就可以看出很多個球球來，它們是帶正電的質子和不帶電的中子。

10飛米
一個原子核的特寫。

1飛米（10的-15次方米）
質子（也可能是中子）的細部，亂七八糟一大片。未知的結構，未知的領域，那裡屬於另一個小宇宙，說不定裡面還有另一個等級的星球呢？

0.1飛米
現在我們進入下一個層次，我們將會看到什麼，我們又將會知道什麼呢？是進入一個更微觀的小宇宙？而我們這個宇宙說不定是更大宇宙的一個「原子核」的一部分？人類的科技還在不斷的尋找與解釋著未知得的答案•••飛米(femtometer或fm)是長度單位，1飛米相當於10的負15次冪米。

宇宙中有上千億的星系，平均每一星系又約有上千億的恆星及各類天體。

仰望浩瀚星河，心中浮現的問題常是宇宙有多大？有其他的宇宙嗎？台灣大學梁震次宇宙學與粒子天文物理學研究中心主任陳丕燊說，現在有科學家認為，我們所處的宇宙並非唯一，而是有不斷的分身。
而我們所處的宇宙為什麼會是這樣的形態，陳丕燊說，從超弦的觀念來看，有各種各樣可能的宇宙存在，人類存在的宇宙是因為暗質（dark matter）和暗能（dark energy）配合的成分剛剛好適合人居住。就是所謂的「人本原理」─宇宙之所以如此，是因為其條件恰適合人類存在。

不均勻性拉扯出星系

陳丕燊說，宇宙是從一個非常小的「奇點」從大霹靂（Big Bang）誕生的。宇宙形成的前40萬年，相當均勻，只有10萬分之一的不均勻性；由於萬有引力的牽引，經過137億年，慢慢演變成宇宙現在的形態。

他舉例，總統府前原本整整齊齊站了10萬人，但其中有一人不舒服離開，出現不均勻。但那裡比較空，被其他地方拉扯，空的地方變更空，擠的地方更擠，結果變得愈來愈不均勻，才能生成星球、星系、更聚集成星系群。

但是總的來說，宇宙仍是非常均勻。可是浩瀚宇宙的不同角落怎麼能夠互相遘通，使得性質如此相近？為了解釋這個均質性，宇宙學家提出「超膨脹」理論。

大霹靂後突加速膨脹

「超膨脹」理論主張在大霹靂後非常短時間，在10的負35次方秒中，宇宙突然膨脹了10的48次方倍，把所有不均勻都拉平了。

宇宙未來會如何？1998年科學家發現，宇宙膨脹速率不但沒有慢下來，反而加速遠離，這是20世紀末最重大的科學發現。許多宇宙學家相信，宇宙加速膨脹，表示宇宙中充滿一種暗能，提供「反重力」，把星系互相推開。

20世紀出現很多偉大的科學成就，但到了世紀末，科學家才發現，我們已知的所有物質，只占宇宙總成分的5%。其他95%又是什麼？陳丕燊說，其中20%為暗質，75%是暗能。沒有如此多的暗質，就無法解釋觀測到的星球運行；也就無法解釋宇宙的加速膨脹。暗質和暗能目前科學界知道的不多，也成為21世紀科學家最想解釋的現象。

宇宙有什麼成分？夸克是目前已知的最小物質結構。但是夸克又是什麼組成的？是「超弦」（Superstrings）嗎？

超弦理論宇宙有分身

陳丕燊說，宇宙中有四種基本作用力：萬有引力、強作用力、電磁力與弱作用力。現代物理學殿堂有三大支柱：其中量子力學結合狹義相對論，成功地建構了強作力、電磁力與弱作用力的理論基礎。廣義相對論則成功地描述了萬有引力。但是要把四種基本作用力完全結合起來，還需要有個橫梁。有了橫梁，才能架構起宇宙學這個屋頂。超弦理論（弦論，String Theory）會是這塊橫梁嗎？

長久以來，物理學家面對一困惑：萬有引力為什麼比其他3種基本作用力弱得太多？超弦理論基於理論建構的需要，必須引進額外維度空間。陳丕燊說，提出超弦理論的科學家主張，重力是唯一延伸至額外維度空間的基本作用力，所以它被稀釋得比其他作用力弱很多。

他解釋，人生活的4維空間，像是多維空間中的一張紙，其他3種作用力都只存在這個平面上，重力卻可無所不在，卻也因此變弱了。此外超弦理論主張的多維空間，可讓不同成分暗能存在，提供多重宇宙存在的可能性。

「超膨脹」理論的發明人之一Andrei Linde認為，超膨脹理論中不可避免的量子不確定性，必然導致宇宙不斷分身，就好像有不同的山頭不斷冒出來一樣。這個世界因此可能有很多生生不息的多重宇宙。

宇宙定位永遠的追尋

最後，陳丕燊引用了高更著名的最後遺作：「我們從哪兒來？我們是誰？我們往哪裡去？」來反思。他說，藝術家用畫筆問這個人類亙古以來的問題。科學家則用望遠鏡和實驗器材、用數學公式和計算機，來追求同樣的大問題。但不論是用藝術、科學或文學的手段，人類對自我在宇宙間定位的追尋是貫通的，且永不止息。

宇宙的歷史

現代物理宇宙學一般認為宇宙起源於大爆炸，即約137.3億（±1%）年前由一個密度極大，溫度極高的狀態膨脹而來。對於大爆炸以前的宇宙，目前只有一些猜測性的理論。而最新的研究則認為宇宙年齡為156億年，但是這個說法還未得到公認。對於大爆炸以後的宇宙，則可以用較成熟的理論加以描述。一種典型的理論是：

10-43秒：宇宙從量子背景出現。
10-35秒：宇宙由夸克-膠子等離子體構成，強相互作用、引力與電磁相互作用/弱相互作用分開。
10-5秒：電子形成，宇宙主要包括光子、電子和中微子，溫度約1000億度。
10秒：質子和中子結合成氘、氦等原子核，溫度30億度。
35分鐘：形成原子核的過程（核融合，nucleosynthesis）停止，溫度3億度。
30萬年：電子和原子核結合成為原子。物質和輻射脫耦，大爆炸輻射的殘餘成為今天的3K微波背景輻射。
4億年：第一批恆星形成。
20億年：星系形成。
50億年：太陽系形成。
目前宇宙還在繼續膨脹之中，這在觀測上為哈勃定律所概括。

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