宇宙台阶：从无限大到无限小

凡心

谁能计算出一个分子的行程呢？我们怎么能知道星体不是陨落的沙粒形成的呢？谁又能够了解无限大和无限小的相反相成呢？在这永无穷尽的整体中，从太阳到蚜虫，谁也不能藐视谁，即使飞鸟的爪子也系着无限世界的绳索……望远镜丧失效力之处，显微镜则开始起作用。哪一种视野最广呢？选择吧！

——维克多·雨果

从人开始

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1.392×109米，一个分子的直径则大约是10-9米，人的大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到了重要作用。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的键盘都会黏在一起，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，人类正是有了这样的大小，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，可能就倒地不起。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跷那么危险。

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双螺旋分子居然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，只有在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，它们的大小是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！

100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关。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”，这正是用我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，长度也总在1米上下。

101米（10米）  最大的动物

当代活着的最大的动物是鲸魚，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到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。

102米（100 米）  最高的植物

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个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。

103米（1千米）  一个社区

在1千米见方的城市里，我们可以看到一个典型的社区：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。

104米（10千米）最高的山峰

地球上最高的山峰无法超越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1万米的高度，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。

中子星的直径一般只有10千米左右。质量在太阳1.4～3倍之间的恒星，其演化的结局就是中子星。

105米（100千米）  特大型城市

一个特大型城市方圆可达上百千米。

106米（1000 千米）  中等国家

一个中等国家的边长大约有1000千米，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，最大的小行星（谷神星）直径有1000千米，月球的直径则近3500千米。

107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1万千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。

白矮星的大小和地球差不多。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。

108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多倍，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。

109米（100万千米）  地月系统

在这个尺度下，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大。

1010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。

1011米（1亿千米）  日地系统

地球到太阳的平均距离约为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。

1012米（10亿千米）  超巨星

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。

1013米（100 亿千米）  太阳系

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

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际空间的稀薄气体和尘埃等物质。

1014米（1000亿千米）  柯伊伯带

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。

1015米（1万亿千米）  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，这里是太阳系遥远的边疆。

1016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星。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。

1017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，所含的恒星数从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星云的痕迹。

1018米（约100光年）  球状星团

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，中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，由最古老的恒星组成，一般年龄在120亿岁以上。

1019米（约1000光年）  矮星系

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运动，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。

1020米（约1万光年）  太阳在银河系中

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，其运行一周需要2.25亿年（即一个宇宙年）。

1021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、橙矮星和白矮星。

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。

1022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。

1023米（约1000万光年）  星系团

在这样的尺度下，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。

1024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。本超星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—英仙座超星系團和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。

1025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10亿光年的天文照片，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。因为从遥远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，当光线离开这些天体时，地球上的生命还处于原始的细菌状态呢！

1026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，它产生于约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。

10-1米（1分米）  手掌

伸开你的手，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。

10-2米（1厘米）  小昆虫

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。

10-4米（1丝米）  显微镜下

把0.1 毫米见方的画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泥，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，对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，代表着地球生命潜能的极限。

10-5米（1忽米）  细胞

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，每一个细胞都包含全套遗传信息，能独立生存，表现出各种生命特征。

10-6米（1微米）  细胞核

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。

10-7米（100纳米）  病毒

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。

10-8米（10纳米）  DNA、RNA和蛋白质

这三者都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的核糖体上，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子，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。

10-9米（1纳米）  分子

分子是物质中能够独立存在并保持本物质一切化学性质的最小微粒，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）。

10-10米（1埃）  原子

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。

从比例上来说，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有确定的轨道，而是遵循着概率原则。

10-11～10-13米（10微微米～100飞米）  原子内部

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，不管是火焰、冲击波还是化学攻击等都不能影响它们。

10-14米（10飞米）  原子核

原子核由质子和中子组成，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）  质子和中子

20世纪前50年，人们一直把质子和中子当作基本粒子，后来人们发现它们都有内部结构，由夸克构成。质子由2个上夸克、1个下夸克组成，中子由1个上夸克、2个下夸克组成。质子带有正电荷，中子不带电荷，比质子质量稍大。它们都比电子的质量大近2000倍。

10-18米（1阿米）～10-19米  基本粒子家族

這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、轻子和媒介粒子。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，但间接证据表明，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中子这样的强子中;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。

10-20～10-34米  物理大沙漠

其间的物理事件我们了解甚少。

10-35米  普朗克长度

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，这是空间的起点。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。这是我们无从了解的世界，也是理论物理学家正在纷纷猜测的世界。