宇宙臺(tái)階：從無(wú)限大到無(wú)限小

凡心

誰(shuí)能計(jì)算出一個(gè)分子的行程呢？我們?cè)趺茨苤佬求w不是隕落的沙粒形成的呢？誰(shuí)又能夠了解無(wú)限大和無(wú)限小的相反相成呢？在這永無(wú)窮盡的整體中，從太陽(yáng)到蚜蟲，誰(shuí)也不能藐視誰(shuí)，即使飛鳥的爪子也系著無(wú)限世界的繩索……望遠(yuǎn)鏡喪失效力之處，顯微鏡則開始起作用。哪一種視野最廣呢？選擇吧！

——維克多·雨果

從人開始

大自然的安排真是非常奇妙，我們?nèi)祟惖拇笮〗橛谔?yáng)和一個(gè)分子之間——太陽(yáng)的直徑是1.392×109米，一個(gè)分子的直徑則大約是10-9米，人的大小正好是橫跨宏觀宇宙和微觀世界的中心點(diǎn)。

大自然在人這樣的尺度上達(dá)到最復(fù)雜的程度，并非出于偶然，我們尺度的大小在進(jìn)化中起到了重要作用。如果我們變成昆蟲大小，生活中每件事幾乎都不同了，一個(gè)螞蟻般大小的人永遠(yuǎn)寫不出書來，因?yàn)橐慌_(tái)螞蟻大小的打字機(jī)的鍵盤都會(huì)黏在一起，一本螞蟻大小的書也是如此，而且，螞蟻永遠(yuǎn)也不能生一團(tuán)火，因?yàn)樽钚〉幕鹧嬉惨人纳眢w大。因此，人類正是有了這樣的大小，才有了進(jìn)化的能力。

另一方面，如果我們長(zhǎng)得太高大的話，我們就會(huì)變得很脆弱。只要被什么東西絆倒，可能就倒地不起。以成人和嬰兒為例，成人和嬰兒都摔倒時(shí)，成人倒地時(shí)的動(dòng)能要比嬰兒倒地時(shí)大6倍。如果成人是現(xiàn)在的2倍大，他走路時(shí)就會(huì)像踩高蹺那么危險(xiǎn)。

而最大的宇宙和最小的原子都在我們身上交相輝映：我們會(huì)受到一個(gè)小到百萬(wàn)分之一米的病毒的侵害;小小的DNA雙螺旋分子居然包含了我們所有的遺傳密碼;同時(shí)，我們也在接受太陽(yáng)的光輝，依賴它的能量。太陽(yáng)系之外那廣大的宇宙對(duì)我們來說也并非多余，只有在一個(gè)足夠巨大的宇宙中才有可能產(chǎn)生擁有復(fù)雜智慧的生命。

這就是我們的大自然，世間萬(wàn)物并不是隨意散布在自然界中的，它們的大小是大自然中各種力之間的一種平衡，它們的位置是由自然常數(shù)的固定值所確定的。從亞原子粒子的世界到無(wú)垠的宇宙，事物的排列有著出乎我們意料的秘密?，F(xiàn)在讓我們從人開始，以10的次方為階梯，向下追溯到最小的世界，向上追溯到最大的宇宙，去觀賞那意想不到的魔景吧！

100米（1米）? 日常生活

這個(gè)尺度是和人們?nèi)粘Ｉ钭蠲芮邢嚓P(guān)的尺度。米這個(gè)測(cè)量單位本身就和人的手臂長(zhǎng)短相關(guān)。大部分成年人的身高都超過1.5米，不到2米，只有少數(shù)人的身高才會(huì)超過2米。我們常常能聽到，人們說某個(gè)東西“一人多高”，這正是用我們的身高來度量事物。

1米尺度的東西非常多，舉不勝舉。我們到商店去買褲子，褲子總在1米上下;我們使用的書桌、寫字臺(tái)，長(zhǎng)度也總在1米上下。

101米（10米）? 最大的動(dòng)物

當(dāng)代活著的最大的動(dòng)物是鯨魚，比較大的鯨魚長(zhǎng)度一般都超過10米，最大的達(dá)到30米。但是沒有一種動(dòng)物能達(dá)到100米的長(zhǎng)度，即使是很久以前橫行一時(shí)的恐龍也不過幾十米而已。

102米（100 米）? 最高的植物

長(zhǎng)壽的巨大紅杉一般高約80 米，最高的甚至可達(dá)100米，而且沒有任何一種單個(gè)的生物形式比參天大樹更高大了。100米的尺度可以說是地球上生物體大小的極限。

103米（1千米）? 一個(gè)社區(qū)

在1千米見方的城市里，我們可以看到一個(gè)典型的社區(qū)：居民樓、商店、公園、小學(xué)、馬路……

此外，絕大多數(shù)小行星直徑都在1 千米以下。

104米（10千米）最高的山峰

地球上最高的山峰無(wú)法超越1萬(wàn)米（10千米）。因?yàn)樯皆礁咭簿驮街兀降幕砍惺艿膲毫σ簿驮酱?。?duì)于地球這顆行星的引力來說，如果山超過1萬(wàn)米的高度，它就會(huì)坍塌，陷入地殼中，所以地球上的最高峰——珠穆朗瑪峰只有8848米。

中子星的直徑一般只有10千米左右。質(zhì)量在太陽(yáng)1.4～3倍之間的恒星，其演化的結(jié)局就是中子星。

105米（100千米）? 特大型城市

一個(gè)特大型城市方圓可達(dá)上百千米。

106米（1000 千米）? 中等國(guó)家

一個(gè)中等國(guó)家的邊長(zhǎng)大約有1000千米，但像中國(guó)這樣的大國(guó)，其南北或東西的距離都長(zhǎng)達(dá)數(shù)千千米，而像文萊、盧森堡這樣的小國(guó)方圓不過數(shù)百千米。

此外，最大的小行星（谷神星）直徑有1000千米，月球的直徑則近3500千米。

107米（1萬(wàn)千米）? 地球整體

地球的直徑大約是1.27萬(wàn)千米，周長(zhǎng)大約是4萬(wàn)千米。在一個(gè)邊長(zhǎng)為1萬(wàn)千米的正方形里我們可以看清地球全貌。這是一顆藍(lán)色行星，有著藍(lán)色的天空和海洋，還有白色的云彩和褐色的陸地。

白矮星的大小和地球差不多。質(zhì)量是太陽(yáng)質(zhì)量1.4 倍以下的恒星，其最后的結(jié)局就是白矮星。

108米（10萬(wàn)千米）? 最大的行星

太陽(yáng)系中最大的行星是木星，它比地球大1300多倍，其直徑有14萬(wàn)多千米。木星沒有固體表面，是一個(gè)氣態(tài)行星，因此，有人說它是一顆失敗的恒星。

109米（100萬(wàn)千米）? 地月系統(tǒng)

在這個(gè)尺度下，月亮繞地球旋轉(zhuǎn)的軌道充滿了整個(gè)畫面。月球距離地球約38.4萬(wàn)千米，是離我們最近的天體。月光幾乎使大部分星光黯然失色，由月亮引起的錢塘江大潮以及海邊每天出現(xiàn)的潮漲潮落，都說明了它是多么接近地球。

此外，太陽(yáng)的直徑約139萬(wàn)千米，一個(gè)太陽(yáng)比整個(gè)地月系統(tǒng)還要大。

1010米（1000萬(wàn)千米）? 土星和木星的衛(wèi)星

除地球外，火星、木星、土星、天王星、海王星等太陽(yáng)系行星都有衛(wèi)星。其中，木星和土星的衛(wèi)星家族最為龐大，土星有近30顆衛(wèi)星，而木星衛(wèi)星達(dá)到了驚人的79顆！離土星最遠(yuǎn)的衛(wèi)星是土衛(wèi)九，遠(yuǎn)達(dá)1300萬(wàn)千米。

1011米（1億千米）? 日地系統(tǒng)

地球到太陽(yáng)的平均距離約為1.495×1011米，這樣的距離不遠(yuǎn)不近，是地球生命產(chǎn)生的必要條件。

1012米（10億千米）? 超巨星

超巨星的直徑長(zhǎng)達(dá)十幾億千米，比太陽(yáng)到火星的距離還要遠(yuǎn)。超巨星是宇宙中最大最亮的恒星，其質(zhì)量可以高達(dá)太陽(yáng)的20倍。

1013米（100 億千米）? 太陽(yáng)系

冥王星距離太陽(yáng)近60億千米，因此，在100億千米這個(gè)尺度下，可以看到太陽(yáng)系全景。

太陽(yáng)系的成員包括太陽(yáng)和八大行星、已證實(shí)的幾十顆天然衛(wèi)星、已正式編號(hào)的3000 多顆小行星、為數(shù)眾多的彗星、流星體以及散布行星際空間的稀薄氣體和塵埃等物質(zhì)。

1014米（1000億千米）? 柯伊伯帶

離太陽(yáng)約1000億千米的地方存在著一個(gè)彗星倉(cāng)庫(kù)，名叫“柯伊伯帶”。柯伊伯帶可能含有上億顆彗星。

1015米（1萬(wàn)億千米）? 太陽(yáng)系的邊疆

在離太陽(yáng)1萬(wàn)億千米的地方，即使沒有了繞著太陽(yáng)旋轉(zhuǎn)的行星，太陽(yáng)的引力仍能發(fā)揮微弱的作用，這里是太陽(yáng)系遙遠(yuǎn)的邊疆。

1016米（10萬(wàn)億千米或約1光年）? 奧爾特云

奧爾特云被認(rèn)為是彗星的起源地，有學(xué)者推測(cè)，太陽(yáng)系形成時(shí)留下的碎片在這里聚集成了彗星。奧爾特云中的物質(zhì)總量大約只有地球質(zhì)量的幾倍，但卻含有幾千億顆彗星，柯伊伯帶的彗星就來自這里。

1017米（約10光年）? 銀河星團(tuán)（疏散星團(tuán)）

雖然大多數(shù)恒星在空間中是隨機(jī)分布的，但有一些卻顯示為“群居的亮點(diǎn)”。由10顆以上的恒星組成的、彼此具有物理聯(lián)系的恒星集體稱為星團(tuán)，星團(tuán)可分為銀河星團(tuán)（又名“疏散星團(tuán)”）和球狀星團(tuán)。銀河星團(tuán)大多位于銀道面附近，其直徑一般不到幾十光年，所含的恒星數(shù)從10顆以上到幾百顆不等，銀河星團(tuán)里的恒星大都是分布在銀河系旋臂上的年輕、熾熱的星，它們常常含有恒星從其中形成的原始星云的痕跡。

1018米（約100光年）? 球狀星團(tuán)

球狀星團(tuán)與銀河星團(tuán)的區(qū)別不僅在形狀和大小上，它們?cè)阢y河系中的分布情形也不一樣。球狀星團(tuán)由于它們的形狀是球形或接近于球形而得名，其所含恒星數(shù)可多達(dá)10萬(wàn)顆以上。星團(tuán)內(nèi)恒星平均密度要比太陽(yáng)附近恒星的密度大50倍左右，而且越往中心密集度越高，中心的恒星密度要比太陽(yáng)附近恒星的密度大1000倍。球狀星團(tuán)的直徑從幾十到幾百光年不等，它們是在銀河系誕生初期形成的天體，由最古老的恒星組成，一般年齡在120億歲以上。

1019米（約1000光年）? 矮星系

矮星系是圍繞銀河系運(yùn)動(dòng)的伴星系，一般只含有幾百萬(wàn)顆恒星。目前已發(fā)現(xiàn)有10個(gè)矮星系在圍繞銀河系運(yùn)動(dòng)，如同一群衛(wèi)星圍繞一個(gè)大行星運(yùn)動(dòng)。因此，這些矮星系是受銀河系萬(wàn)有引力控制的銀河王國(guó)的屬地。

1020米（約1萬(wàn)光年）? 太陽(yáng)在銀河系中

我們的太陽(yáng)是銀河系中一顆普通的恒星，它位于銀河系的旋臂上，離銀河中心大約2.7萬(wàn)光年。太陽(yáng)以每秒250千米的速度繞銀河中心運(yùn)動(dòng)，其運(yùn)行一周需要2.25億年（即一個(gè)宇宙年）。

1021米（約10萬(wàn)光年）? 銀河系

中心區(qū)域的引力把數(shù)千億顆恒星相互束縛在一起，形成了星系，我們的銀河系就是這樣一個(gè)星系。銀河系大約有2000億顆恒星，與一座倉(cāng)庫(kù)中塞滿的稻米粒數(shù)相等。銀河系雖然星星眾多，但95%是又暗又冷的紅矮星、橙矮星和白矮星。

即便銀河系是這樣的龐大，但在廣袤的宇宙中，它仍然是微不足道的。

1022米（約100萬(wàn)光年）? 本星系群

我們的銀河系隸屬于本星系群，本星系群是一個(gè)小星系團(tuán)，它僅含大約40個(gè)成員，其中大部分是矮星系（只含有幾百萬(wàn)顆恒星的小星系），但也有巨型的仙女座星系。

1023米（約1000萬(wàn)光年）? 星系團(tuán)

在這樣的尺度下，我們可以看見一個(gè)完整的星系團(tuán)。星系團(tuán)是許多星系在引力作用下聚集而成的大大小小的不同集團(tuán)。離我們最近的大星系團(tuán)是室女座星系團(tuán)，這是一個(gè)包含至少2500個(gè)星系的巨大集合。

星系團(tuán)中的各星系并不總是相安無(wú)事的，星系和星系還會(huì)發(fā)生碰撞。星系的碰撞并不像我們?nèi)粘Ｉ钪兴吹降呐鲎铂F(xiàn)象那樣猛烈，而是延續(xù)很長(zhǎng)時(shí)間，長(zhǎng)久得可以和地球上久遠(yuǎn)的地質(zhì)年代相比擬。

1024米（約1億光年）? 超星系團(tuán)

超星系團(tuán)由星系團(tuán)聚集成群而形成。我們所在的超星系團(tuán)叫本超星系團(tuán)，本超星系團(tuán)是包含數(shù)千星系的雪茄形巨大集團(tuán)。本超星系團(tuán)以外是其他超星系團(tuán)，它們中的許多以其成員出現(xiàn)的星座命名，如2.5億光年以外的雙魚—英仙座超星系團(tuán)和5億光年以外的武仙座超星系團(tuán)。

超星系團(tuán)在空間排列成串，恰似一縷縷不盡的蛛絲。

1025米（約10億光年）? 像塵埃似的星系

如果我們有一張長(zhǎng)寬標(biāo)度大約各為10億光年的天文照片，我們就可以看到在黑暗背景上分布著數(shù)以百計(jì)、大小不一的小亮點(diǎn)，類似于我們?cè)陉?yáng)光下看到的漂浮在空氣中的微小塵埃，這些毫不引人注意的小亮點(diǎn)都是一些龐然大物：星系、星系群、星系團(tuán)、超星系團(tuán)……

那些離我們數(shù)十億光年之外的星系非常古老。因?yàn)閺倪b遠(yuǎn)星系發(fā)出的光到達(dá)我們的地球，要走幾十億年，因此，我們今天看到的這些天體，還是幾十億年前的舊模樣。很久很久以前，當(dāng)光線離開這些天體時(shí)，地球上的生命還處于原始的細(xì)菌狀態(tài)呢！

1026米以上（約100億光年以上）? 不斷膨脹的宇宙

我們的宇宙是一個(gè)有限的宇宙，它產(chǎn)生于約138億年前的一次大爆炸，此后就不斷膨脹，直至今日仍在膨脹中。宇宙的形狀和大小仍是科學(xué)界的難題。

10-1米（1分米）? 手掌

伸開你的手，從手腕到中指指根大約就是0.1米。在自然界中像手掌大小的物體有很多，既有各具特色的人工制品，也有形形色色的生物體。通常，水杯的高矮、錢包的大小、鋼筆的長(zhǎng)短等都在0.1米左右;盛開的花朵、池塘中的青蛙、活蹦亂跳的蝦等也都在0.1米左右。

10-2米（1厘米）? 小昆蟲

很多小昆蟲只有1厘米大小，比如螞蟻、小甲蟲、小蜜蜂等。

10-3米（1毫米）? 視覺的極限

人眼看1毫米的事物已經(jīng)很費(fèi)力了，虱子大約就在1毫米上下。

10-4米（1絲米）? 顯微鏡下

把0.1 毫米見方的畫面放大到書本那么大，未曾預(yù)料到的細(xì)節(jié)出現(xiàn)了：我們看似光滑的皮膚上滿是刻痕、皺紋和大塊的穢物，順著眼睫毛泌出的油水如同污泥，還有許許多多奇形怪狀的生物隱藏在我們的絨毛上，我們簡(jiǎn)直不能使自己適應(yīng)這種新情況。

再深入下去，我們會(huì)進(jìn)入一個(gè)內(nèi)部世界，對(duì)于我們來說就像遙遠(yuǎn)的恒星世界那樣不熟悉。這個(gè)世界里充滿著各種各樣不知名的微生物。它們能在各種惡劣環(huán)境下生活，代表著地球生命潛能的極限。

10-5米（1忽米）? 細(xì)胞

大多數(shù)細(xì)胞的直徑在幾微米至幾十微米之間。當(dāng)然也有些細(xì)胞比較大，比如雞的卵細(xì)胞（雞蛋）的直徑有35毫米（約等于3500忽米），鴕鳥的卵細(xì)胞（鴕鳥蛋）的直徑可達(dá)75毫米（7500忽米）。

細(xì)胞是所有生物體（病毒除外）結(jié)構(gòu)和功能的基本單位，每一個(gè)細(xì)胞都包含全套遺傳信息，能獨(dú)立生存，表現(xiàn)出各種生命特征。

10-6米（1微米）? 細(xì)胞核

細(xì)胞核是由核膜、核仁和染色體幾部分組成的。細(xì)胞核的功能主要是儲(chǔ)存和傳遞遺傳信息，其中的染色體組就包含著該物種的遺傳信息，并能進(jìn)行自我復(fù)制，因此可以世代相傳，保持物種的連續(xù)性。

10-7米（100納米）? 病毒

病毒是能引發(fā)疾病的病原體，它是介于生物與非生物之間的東西。病毒沒有細(xì)胞結(jié)構(gòu)，主要由核酸和蛋白質(zhì)組成。核酸位于病毒的中心，它帶有病毒的遺傳信息，在病毒的繁殖、變異等方面起主要作用。

大多數(shù)病毒都小于150納米，最大的痘病毒也不過300納米，口蹄疫病毒是最小的，只有20納米。

10-8米（10納米）? DNA、RNA和蛋白質(zhì)

這三者都是構(gòu)成細(xì)胞的有機(jī)大分子，它們之間既相互聯(lián)系又各有不同的結(jié)構(gòu)和功能。DNA是脫氧核糖核酸英文名稱的縮寫，它與英文縮寫為RNA的核糖核酸一起，是控制生物性狀遺傳的主要物質(zhì)。DNA是遺傳物質(zhì)，決定著后代的生物性質(zhì);RNA則是遺傳信息的攜帶者，它把DNA上的遺傳信息帶到細(xì)胞質(zhì)的核糖體上，作為蛋白質(zhì)的合成模板，指導(dǎo)著蛋白質(zhì)的合成，可以說，它是DNA和蛋白質(zhì)之間的信使。蛋白質(zhì)是由許多氨基酸聚合而成的大分子，生物體的所有性狀最終都是通過蛋白質(zhì)來體現(xiàn)的，因此它在生命活動(dòng)中起著關(guān)鍵作用。

10-9米（1納米）? 分子

分子是物質(zhì)中能夠獨(dú)立存在并保持本物質(zhì)一切化學(xué)性質(zhì)的最小微粒，由原子組成。大多數(shù)分子含有不同的原子（如水分子H2O），也有少數(shù)簡(jiǎn)單的分子由完全相同的原子組成（如氫分子H2）。

10-10米（1埃）? 原子

原子由一個(gè)小小的帶正電的原子核和周圍一群帶負(fù)電的電子組成，原子的總電荷等于零。原子的模型就像縮小了的太陽(yáng)系。

從比例上來說，原子核和電子之間的空間非常廣闊，如果把原子放大到一個(gè)球場(chǎng)那么大，電子就像大廳中的一顆沙粒。但電子圍繞原子核的運(yùn)動(dòng)并沒有確定的軌道，而是遵循著概率原則。

10-11～10-13米（10微微米～100飛米）? 原子內(nèi)部

在原子內(nèi)部，運(yùn)動(dòng)著的電子云幾乎占滿了整個(gè)原子的空間。

在原子外層運(yùn)動(dòng)的電子很容易受外界因素的影響，而靠近原子核的內(nèi)層電子則迥然不同，它們處于明顯的孤立狀態(tài)，只對(duì)內(nèi)部原子核有反響，而外部作用很難影響它們，不管是火焰、沖擊波還是化學(xué)攻擊等都不能影響它們。

10-14米（10飛米）? 原子核

原子核由質(zhì)子和中子組成，原子核帶正電荷，與圍繞著它旋轉(zhuǎn)的帶負(fù)電荷的電子互相吸引，它緊緊束縛住電子，使原子處于穩(wěn)定狀態(tài)。

原子核又重又小，每個(gè)原子的重量主要集中在原子核，相形之下，電子的質(zhì)量顯得微不足道。

10-15米（1飛米）? 質(zhì)子和中子

20世紀(jì)前50年，人們一直把質(zhì)子和中子當(dāng)作基本粒子，后來人們發(fā)現(xiàn)它們都有內(nèi)部結(jié)構(gòu)，由夸克構(gòu)成。質(zhì)子由2個(gè)上夸克、1個(gè)下夸克組成，中子由1個(gè)上夸克、2個(gè)下夸克組成。質(zhì)子帶有正電荷，中子不帶電荷，比質(zhì)子質(zhì)量稍大。它們都比電子的質(zhì)量大近2000倍。

10-18米（1阿米）～10-19米? 基本粒子家族

這是物質(zhì)結(jié)構(gòu)的最基本層次，目前已知的基本粒子有數(shù)百種，它們被分為三大類：夸克、輕子和媒介粒子。作為基本粒子，它們不能分裂也不能通過內(nèi)部的重新排列變成其他的東西。沒有直接實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)能表明它們的大小，但間接證據(jù)表明，它們均小于10-18米，必須要有目前人類還無(wú)法達(dá)到的極高的能量，才能分辨如此小的時(shí)空結(jié)構(gòu)。

夸克是不自由的，并不能單獨(dú)存在，它們都被禁閉在質(zhì)子和中子這樣的強(qiáng)子中;輕子包括電子、中微子等6種成員;媒介粒子則包括光子等，是在其他粒子間傳播相互作用力的粒子。

10-20～10-34米? 物理大沙漠

其間的物理事件我們了解甚少。

10-35米? 普朗克長(zhǎng)度

這個(gè)尺度相當(dāng)于一個(gè)質(zhì)子大小的1020分之一，在三維空間中，沒有比這更小的尺度了，這是空間的起點(diǎn)。在這尺度以下，經(jīng)典的時(shí)空概念開始失效，空間是卷曲的十維或十一維，最基本的粒子都被分解成一根根振動(dòng)的弦。這是我們無(wú)從了解的世界，也是理論物理學(xué)家正在紛紛猜測(cè)的世界。