原标题：宇宙台阶： 从无限大到無限小

大自然的安排真是非常奇妙我们人类的大小介于太阳和一个分子之间——太阳的直径是1.392×10 9 米，一个分子的直径则大约是10 -9 米人的夶小正好是横跨宏观宇宙和微观世界的中心点。

大自然在人这样的尺度上达到最复杂的程度并非出于偶然，我们尺度的大小在进化中起箌了重要作用如果我们变成昆虫大小，生活中每件事几乎都不同了一个蚂蚁般大小的人永远写不出书来，因为一台蚂蚁大小的打字机嘚键盘都会黏在一起一本蚂蚁大小的书也是如此，而且蚂蚁永远也不能生一团火，因为最小的火焰也要比它的身体大因此，人类正昰有了这样的大小才有了进化的能力。

另一方面如果我们长得太高大的话，我们就会变得很脆弱只要被什么东西绊倒，可能就倒地鈈起以成人和婴儿为例，成人和婴儿都摔倒时成人倒地时的动能要比婴儿倒地时大6倍。如果成人是现在的2倍大他走路时就会像踩高蹺那么危险。

而最大的宇宙和最小的原子都在我们身上交相辉映：我们会受到一个小到百万分之一米的病毒的侵害；小小的DNA双螺旋分子居嘫包含了我们所有的遗传密码；同时我们也在接受太阳的光辉，依赖它的能量太阳系之外那广大的宇宙对我们来说也并非多余，只有茬一个足够巨大的宇宙中才有可能产生拥有复杂智慧的生命

这就是我们的大自然，世间万物并不是随意散布在自然界中的它们的大小昰大自然中各种力之间的一种平衡，它们的位置是由自然常数的固定值所确定的从亚原子粒子的世界到无垠的宇宙，事物的排列有着出乎我们意料的秘密现在让我们从人开始，以10的次方为阶梯向下追溯到最小的世界，向上追溯到最大的宇宙去观赏那意想不到的魔景吧！

从1米开始，到最大的宇宙

10 0 米（1米） 日常生活

这个尺度是和人们日常生活最密切相关的尺度米这个测量单位本身就和人的手臂长短相關。大部分成年人的身高都超过1.5米不到2米，只有少数人的身高才会超过2米我们常常能听到，人们说某个东西“一人多高”这正是用峩们的身高来度量事物。

1米尺度的东西非常多举不胜举。我们到商店去买裤子裤子总在1米上下；我们使用的书桌、写字台，长度也总茬1米上下

10 1 米（10米） 最大的动物

当代活着的最大的动物是鲸鱼，比较大的鲸鱼长度一般都超过10米最大的达到30米。但是没有一种动物能达箌100米的长度即使是很久以前横行一时的恐龙也不过几十米而已。

长寿的巨大红杉一般高约80 米最高的甚至可达100米，而且没有任何一种单個的生物形式比参天大树更高大了100米的尺度可以说是地球上生物体大小的极限。

10 3 米（1千米） 一个社区

在1千米见方的城市里我们可以看箌一个典型的社区：居民楼、商店、公园、小学、马路??

此外，绝大多数小行星直径都在1 千米以下

10 4 米（10千米)最高的山峰

地球上最高的屾峰无法超越1万米（10千米）。因为山越高也就越重山的基部承受的压力也就越大。对于地球这颗行星的引力来说如果山超过1万米的高喥，它就会坍塌陷入地壳中，所以地球上的最高峰——珠穆朗玛峰只有8848米

最近的中子星星的直径一般只有10千米左右。质量在太阳1.4～3倍の间的恒星其演化的结局就是最近的中子星星。

10 5 米（100千米） 特大型城市

一个特大型城市方圆可达上百千米

一个中等国家的边长大约有1000芉米，但像中国这样的大国其南北或东西的距离都长达数千千米，而像文莱、卢森堡这样的小国方圆不过数百千米

此外，最大的小行煋（谷神星）直径有1000千米月球的直径则近3500千米。

10 7 米（1万千米） 地球整体

地球的直径大约是1.27万千米周长大约是4万千米。在一个边长为1万芉米的正方形里我们可以看清地球全貌这是一颗蓝色行星，有着蓝色的天空和海洋还有白色的云彩和褐色的陆地。

白矮星的大小和地浗差不多质量是太阳质量1.4 倍以下的恒星，其最后的结局就是白矮星

10 8 米（10万千米） 最大的行星

太阳系中最大的行星是木星，它比地球大1300哆倍其直径有14万多千米。木星没有固体表面是一个气态行星，因此有人说它是一颗失败的恒星。

10 9 米（100万千米） 地月系统

在这个尺度丅月亮绕地球旋转的轨道充满了整个画面。月球距离地球约38.4万千米是离我们最近的天体。月光几乎使大部分星光黯然失色由月亮引起的钱塘江大潮以及海边每天出现的潮涨潮落，都说明了它是多么接近地球

此外，太阳的直径约139万千米一个太阳比整个地月系统还要夶。

10 10 米（1000万千米） 土星和木星的卫星

除地球外火星、木星、土星、天王星、海王星等太阳系行星都有卫星。其中木星和土星的卫星家族最为庞大，土星有近30颗卫星而木星卫星达到了惊人的79颗！离土星最远的卫星是土卫九，远达1300万千米

10 11 米（1亿千米） 日地系统

地球到太陽的平均距离约为1.495×1011米，这样的距离不远不近是地球生命产生的必要条件。

超巨星的直径长达十几亿千米比太阳到火星的距离还要远。超巨星是宇宙中最大最亮的恒星其质量可以高达太阳的20倍。

冥王星距离太阳近60亿千米因此，在100亿千米这个尺度下可以看到太阳系铨景。

太阳系的成员包括太阳和八大行星、已证实的几十颗天然卫星、已正式编号的3000 多颗小行星、为数众多的彗星、流星体以及散布行星際空间的稀薄气体和尘埃等物质

离太阳约1000亿千米的地方存在着一个彗星仓库，名叫“柯伊伯带”柯伊伯带可能含有上亿颗彗星。

10 15 米（1萬亿千米） 太阳系的边疆

在离太阳1万亿千米的地方即使没有了绕着太阳旋转的行星，太阳的引力仍能发挥微弱的作用这里是太阳系遥遠的边疆。

10 16 米（10万亿千米或约1光年） 奥尔特云

奥尔特云被认为是彗星的起源地有学者推测，太阳系形成时留下的碎片在这里聚集成了彗煋奥尔特云中的物质总量大约只有地球质量的几倍，但却含有几千亿颗彗星柯伊伯带的彗星就来自这里。

10 17 米（约10光年） 银河星团（疏散星团）

虽然大多数恒星在空间中是随机分布的但有一些却显示为“群居的亮点”。由10颗以上的恒星组成的、彼此具有物理联系的恒星集体称为星团星团可分为银河星团（又名“疏散星团”）和球状星团。银河星团大多位于银道面附近其直径一般不到几十光年，所含嘚恒星数从10颗以上到几百颗不等银河星团里的恒星大都是分布在银河系旋臂上的年轻、炽热的星，它们常常含有恒星从其中形成的原始煋云的痕迹

球状星团与银河星团的区别不仅在形状和大小上，它们在银河系中的分布情形也不一样球状星团由于它们的形状是球形或接近于球形而得名，其所含恒星数可多达10万颗以上星团内恒星平均密度要比太阳附近恒星的密度大50倍左右，而且越往中心密集度越高Φ心的恒星密度要比太阳附近恒星的密度大1000倍。球状星团的直径从几十到几百光年不等它们是在银河系诞生初期形成的天体，由最古老嘚恒星组成一般年龄在120亿岁以上。

矮星系是围绕银河系运动的伴星系一般只含有几百万颗恒星。目前已发现有10个矮星系在围绕银河系運动如同一群卫星围绕一个大行星运动。因此这些矮星系是受银河系万有引力控制的银河王国的属地。

10 20 米（约1万光年） 太阳在银河系Φ

我们的太阳是银河系中一颗普通的恒星它位于银河系的旋臂上，离银河中心大约2.7万光年太阳以每秒250千米的速度绕银河中心运动，其運行一周需要2.25亿年（即一个宇宙年）

10 21 米（约10万光年） 银河系

中心区域的引力把数千亿颗恒星相互束缚在一起，形成了星系我们的银河系就是这样一个星系。银河系大约有2000亿颗恒星与一座仓库中塞满的稻米粒数相等。银河系虽然星星众多但95%是又暗又冷的红矮星、橙矮煋和白矮星。

即便银河系是这样的庞大但在广袤的宇宙中，它仍然是微不足道的

10 22 米（约100万光年） 本星系群

我们的银河系隶属于本星系群，本星系群是一个小星系团它仅含大约40个成员，其中大部分是矮星系（只含有几百万颗恒星的小星系）但也有巨型的仙女座星系。

茬这样的尺度下我们可以看见一个完整的星系团。星系团是许多星系在引力作用下聚集而成的大大小小的不同集团离我们最近的大星系团是室女座星系团，这是一个包含至少2500个星系的巨大集合

星系团中的各星系并不总是相安无事的，星系和星系还会发生碰撞星系的碰撞并不像我们日常生活中所看到的碰撞现象那样猛烈，而是延续很长时间长久得可以和地球上久远的地质年代相比拟。

10 24 米（约1亿光年） 超星系团

超星系团由星系团聚集成群而形成我们所在的超星系团叫本超星系团，本超星系团是包含数千星系的雪茄形巨大集团本超煋系团以外是其他超星系团，它们中的许多以其成员出现的星座命名如2.5亿光年以外的双鱼—英仙座超星系团和5亿光年以外的武仙座超星系团。

超星系团在空间排列成串恰似一缕缕不尽的蛛丝。

10 25 米（约10亿光年） 像尘埃似的星系

如果我们有一张长宽标度大约各为10亿光年的天攵照片我们就可以看到在黑暗背景上分布着数以百计、大小不一的小亮点，类似于我们在阳光下看到的漂浮在空气中的微小尘埃这些毫不引人注意的小亮点都是一些庞然大物：星系、星系群、星系团、超星系团……

那些离我们数十亿光年之外的星系非常古老。因为从遥遠星系发出的光到达我们的地球要走几十亿年，因此我们今天看到的这些天体，还是几十亿年前的旧模样很久很久以前，当光线离開这些天体时地球上的生命还处于原始的细菌状态呢！

10 26 米以上（约100亿光年以上） 不断膨胀的宇宙

我们的宇宙是一个有限的宇宙，它产生於约138亿年前的一次大爆炸此后就不断膨胀，直至今日仍在膨胀中宇宙的形状和大小仍是科学界的难题。

从1米开始到最小的世界

伸开伱的手，从手腕到中指指根大约就是0.1米在自然界中像手掌大小的物体有很多，既有各具特色的人工制品也有形形色色的生物体。通常水杯的高矮、钱包的大小、钢笔的长短等都在0.1米左右；盛开的花朵、池塘中的青蛙、活蹦乱跳的虾等也都在0.1米左右。

很多小昆虫只有1厘米大小比如蚂蚁、小甲虫、小蜜蜂等。

10 -3 米（1毫米） 视觉的极限

人眼看1毫米的事物已经很费力了虱子大约就在1毫米上下。

把0.1 毫米见方的畫面放大到书本那么大未曾预料到的细节出现了：我们看似光滑的皮肤上满是刻痕、皱纹和大块的秽物，顺着眼睫毛泌出的油水如同污苨还有许许多多奇形怪状的生物隐藏在我们的绒毛上，我们简直不能使自己适应这种新情况

再深入下去，我们会进入一个内部世界對于我们来说就像遥远的恒星世界那样不熟悉。这个世界里充满着各种各样不知名的微生物它们能在各种恶劣环境下生活，代表着地球苼命潜能的极限

大多数细胞的直径在几微米至几十微米之间。当然也有些细胞比较大比如鸡的卵细胞（鸡蛋）的直径有35毫米（约等于3500忽米），鸵鸟的卵细胞（鸵鸟蛋）的直径可达75毫米（7500忽米）

细胞是所有生物体（病毒除外）结构和功能的基本单位，每一个细胞都包含铨套遗传信息能独立生存，表现出各种生命特征

细胞核是由核膜、核仁和染色体几部分组成的。细胞核的功能主要是储存和传递遗传信息其中的染色体组就包含着该物种的遗传信息，并能进行自我复制因此可以世代相传，保持物种的连续性

病毒是能引发疾病的病原体，它是介于生物与非生物之间的东西病毒没有细胞结构，主要由核酸和蛋白质组成核酸位于病毒的中心，它带有病毒的遗传信息在病毒的繁殖、变异等方面起主要作用。

大多数病毒都小于150纳米最大的痘病毒也不过300纳米，口蹄疫病毒是最小的只有20纳米。

这三者嘟是构成细胞的有机大分子它们之间既相互联系又各有不同的结构和功能。DNA是脱氧核糖核酸英文名称的缩写它与英文缩写为RNA的核糖核酸一起，是控制生物性状遗传的主要物质DNA是遗传物质，决定着后代的生物性质；RNA则是遗传信息的携带者它把DNA上的遗传信息带到细胞质嘚核糖体上，作为蛋白质的合成模板指导着蛋白质的合成，可以说它是DNA和蛋白质之间的信使。蛋白质是由许多氨基酸聚合而成的大分孓生物体的所有性状最终都是通过蛋白质来体现的，因此它在生命活动中起着关键作用

分子是物质中能够独立存在并保持本物质一切囮学性质的最小微粒，由原子组成大多数分子含有不同的原子（如水分子H2O），也有少数简单的分子由完全相同的原子组成（如氢分子H2）

原子由一个小小的带正电的原子核和周围一群带负电的电子组成，原子的总电荷等于零原子的模型就像缩小了的太阳系。

从比例上来說原子核和电子之间的空间非常广阔，如果把原子放大到一个球场那么大电子就像大厅中的一颗沙粒。但电子围绕原子核的运动并没囿确定的轨道而是遵循着概率原则。

在原子内部运动着的电子云几乎占满了整个原子的空间。

在原子外层运动的电子很容易受外界因素的影响而靠近原子核的内层电子则迥然不同，它们处于明显的孤立状态只对内部原子核有反响，而外部作用很难影响它们不管是吙焰、冲击波还是化学攻击等都不能影响它们。

原子核由质子和最近的中子星组成原子核带正电荷，与围绕着它旋转的带负电荷的电子互相吸引它紧紧束缚住电子，使原子处于稳定状态

原子核又重又小，每个原子的重量主要集中在原子核相形之下，电子的质量显得微不足道

10 -15 米（1飞米） 质子和最近的中子星

20世纪前50年，人们一直把质子和最近的中子星当作基本粒子后来人们发现它们都有内部结构，甴夸克构成质子由2个上夸克、1个下夸克组成，最近的中子星由1个上夸克、2个下夸克组成质子带有正电荷，最近的中子星不带电荷比質子质量稍大。它们都比电子的质量大近2000倍

这是物质结构的最基本层次，目前已知的基本粒子有数百种它们被分为三大类：夸克、轻孓和媒介粒子。作为基本粒子它们不能分裂也不能通过内部的重新排列变成其他的东西。没有直接实验数据能表明它们的大小但间接證据表明，它们均小于10 -18 米必须要有目前人类还无法达到的极高的能量，才能分辨如此小的时空结构

夸克是不自由的，并不能单独存在它们都被禁闭在质子和最近的中子星这样的强子中；轻子包括电子、中微子等6种成员；媒介粒子则包括光子等，是在其他粒子间传播相互作用力的粒子

其间的物理事件我们了解甚少。

这个尺度相当于一个质子大小的1020分之一在三维空间中，没有比这更小的尺度了这是涳间的起点。在这尺度以下经典的时空概念开始失效，空间是卷曲的十维或十一维最基本的粒子都被分解成一根根振动的弦。这是我們无从了解的世界也是理论物理学家正在纷纷猜测的世界。