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女朋友問宇宙有多大 你可以帶她去籃球館看看

宇宙很大,這個我們都知道。

宇宙具體有多大,我們也可以給一個數字——如果是指可觀測宇宙,這個數字是930億光年。

可觀測宇宙

圖源 [email protected] Z. Colvin

但直接丟出一個數字似乎沒有真正解決問題,我們還是沒法理解宇宙究竟有多大。有沒有可能用日常事物來比喻一下呢?

930億光年,換算成米,大概是1E+27米,也就是1後面要跟27個零,一定要寫出來的話,那就是

1000000000000000000000000000米

我們再來看看一些常見的長度:大多數人的身高不會超過2米,小轎車大約長4~5米,籃球場長約30米,足球場長約100米,目前世界上的最高建築——哈利法塔,也不超過1000米。再往上,就有點超出一般人的認知範圍了。

宇宙的大小和人類的認知範圍之間相差多少呢?

1000000000000000000000000倍

或者

24個數量級

想讓人腦直接消化24個數量級的差距是不太可能了,於是我設計了一個思想實驗,嘗試展現如此巨大的數量級差距意味著什麼,同時儘可能讓整個過程貼合日常生活,方便一般人理解。

準備工作

在進行實驗以前,我們首先要在腦海里把自己抽離現在這個世界,成為一名觀察者,這樣子接下來我們對這個世界做的任何改動都不會對作為觀察者的我們造成影響。

斯坦·李就是一名觀察者

圖源電影《銀河護衛隊2》

準備好以後,我們回過頭來重新審視這個世界。

一階世界

我們不妨把現實世界稱為一階世界。在一階世界,肉眼是有分辨極限的,這個極限大概是一根頭髮的厚度——0.1毫米。接下來我們要做第一個操作:把一個正常的成年男性縮小至一根頭髮厚度的大小。

成年男性的身高我們取1.8米,那麼換算比例就是1:18000,正常人縮小了18000倍以後,整個世界也會跟著縮小18000倍。我們把縮小以後的世界稱為二階世界。

二階世界

在這個二階世界裡,所有人都只有一根頭髮絲那麼高(姚明大概是1.3根頭髮絲)。

長頸鹿有三根頭髮絲那麼高,你的書桌能夠放下一座城市的三維地圖,一場馬拉松的距離相當於2.3米,而地球的直徑大概是700米,和一階世界中的哈利法塔(828米)相當。

哈利法塔

圖源 [email protected]

應該說二階世界會相當有趣,但這遠沒有達到我們的最終目的。我們要繼續前進,再把整個世界縮小18000倍,進入三階世界。

三階世界

這時候一場馬拉松的距離也就是一根頭髮絲的厚度了,地球直徑僅為4厘米。月球的大小是1厘米,木星是43厘米,太陽直徑大約4.3米,相當於一階世界中小轎車的長度。

三階世界是恆星的樂園,說幾個著名恆星的尺寸:北極星的個頭是123米,參宿七300米,著名電燈泡天津四接近1000米,非常亮瞎眼了;著名紅超巨星參宿四是個直徑4000米的大塊頭,快趕上一階世界的珠穆朗瑪峰一半高。

看上去地球已經足夠小了,這時候的可觀測宇宙又有多大呢?

2870000000000000000米

或者

約300光年

依然是一個大到無法想像的數字。而且我們現在只走過了8個數量級,僅僅是旅程的三分之一。現在繼續把三階世界縮小18000倍,進入四階世界。

四階世界

好了,在四階世界裡面我們終於可以把太陽系放進屋子裡了,當然,這裡指的是一階世界的屋子。

這時太陽只有兩根頭髮絲那麼大,水星距離太陽1厘米,金星距離太陽2厘米,地球距離太陽2.6厘米,火星距離太陽差不多4厘米。

再往外,木星距離太陽13厘米,土星是24厘米,差不多是1台iPad的長度。天王星50厘米,海王星77厘米。

目前飛的最遠人造物體——旅行者1號距離地球接近4米。

旅行者1號

圖源公有領域

4米差不多也是光走上一天的距離(4.5米),至於1光年,在四階世界相當於1600米,這意味著如果想要在四階世界找到除了太陽以外的另一顆恆星,你至少要走上一個小時。

別要求太多,起碼走路就能到,電影里還要兩千多年呢。

五階世界

圖源 [email protected]

進入五階世界,包括柯伊柏帶在內的整個太陽系(直徑100AU)會被壓縮至一根頭髮絲的大小。

五階世界和一階世界已經相差了17個數量級,最巨大的恆星也已經無法分辨出大小,但即便如此我們能感受到的也還只是銀河系的一角。

何以見得?

整個銀河系在五階世界是直徑超過10千米的存在。這在一階世界裡也算是一座小城的規模了。

在這座小城裡,有20厘米大的馬頭星云:

圖源 ESO

有1米寬的蟹狀星雲,這是1000年前宋代天文官看到的「天關客星」遺留下來的痕迹。

圖源 NASA

還有和姚明一樣高的美麗的獵戶座大星云:

圖源 NASA

六階世界

在六階世界,直徑24光年的獵戶座大星雲被壓縮成一根頭髮絲的大小——準確來說,是1.3根。

重點是你終於可以把銀河系捧在手心了。銀河系看著就像是一個直徑64厘米的大圓盤,仙女座大星系稍大一些,有80厘米。兩者相距大約11米。

以銀河係為中心的方圓25米的範圍(大概半個足球場),屬於本星系群,包含大約50個星系,銀河系和仙女座星系是其中的核心成員。

本星系群成員

圖源 [email protected] Powell,漢化:[email protected]

以本星系群為中心方圓300米的範圍,屬於本超星系團(Local Supercluster),這個星系團包含至少100個星系團和星系群。

本超星系團成員

圖源 [email protected] Powell

廣州塔高600米,圖中球形區域相當於本超星系團範圍

圖源茲基派德

在六階世界,可觀測宇宙有多大呢?

500千米

看來我們需要更上一層樓。

七階世界

先說說七階世界的可觀測宇宙有多大。

27米

這相當於一個標準籃球場的長度,一階世界的一個籃球館就能裝下七階世界的可觀測宇宙。

豐田中心球館

圖源公有領域

走進這個籃球館,空氣中飄蕩的每一顆灰塵,都是一個星系。這些灰塵還會發光,想想就很夢幻。

不過我還是建議帶上口罩,因為籃球館裡的空氣......可能有些渾濁,畢竟灰塵總數高達2萬億,可能一不小心就會把好多銀河系(約35微米)吸進肺里了。

直徑不到3萬光年的星系可以算是PM10,至於更小的,比如直徑只有7000光年的小麥哲倫雲,甚至可以歸入PM2.5的行列。

館內的灰塵還不是均勻分布,而是呈纖維狀,有些地方多,有些地方几乎沒有。

電腦模擬的宇宙大尺度結構,圖中覆蓋範圍超過5000萬光年

圖源 Andrew Pontzen and Fabio Governato

你可能好奇一階世界的籃球能在七階世界佔據多少空間。

籃球的直徑我們取24厘米,相當於8.16E+24米,幾乎是本超星系團(1.10E+24米)的8倍,和一個叫「雙魚-鯨魚座超星系團複合體」(1E+25米)的宇宙大尺度結構相當。

一個籃球,就是10億光年。

至於七階世界的地球有多大呢?

0.000000000000000000373米

僅僅是質子(1E-15米)的萬分之一,這是一個如今沒有辦法進行測量的長度。

阿波羅網責任編輯:夏雨荷 來源:中科院物理所 轉載請註明作者、出處並保持完整。

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