天文太空

跨尺度壯遊:小原子到大宇宙

從宇宙邊緣到次原子領域,穿越所有已知事物的尺度, 走一趟望見大千世界極限的偉大巡禮。

撰文/沙爾夫(Caleb Scharf)、繪圖/米勒(Ron Miller)
翻譯/李沃龍

天文太空

跨尺度壯遊:小原子到大宇宙

從宇宙邊緣到次原子領域,穿越所有已知事物的尺度, 走一趟望見大千世界極限的偉大巡禮。

撰文/沙爾夫(Caleb Scharf)、繪圖/米勒(Ron Miller)
翻譯/李沃龍


想聽世界上最偉大的故事嗎?


很久很久以前,你體內的原子散佈於橫亙億兆公里的廣闊太空。在過去數十億年根本毫無跡象顯示,它們最終會組成你的眼睛、皮膚、毛髮、骨頭或腦子裡的860億個神經元。這些原子當中,有許多來自某個或幾個可能原本就相隔億兆公里的恆星內部深處。當這些恆星爆炸,它們把自身早已四分五裂的殘骸奮力向外拋擲。於是,高溫炙熱的氣體便如波濤洶湧的洪水般,在宇宙中不同時空區塊且彼此間距億兆公里的數千億個星系之一的小角落橫流。


其中一部份原子或許曾經在某隻或千百隻三葉蟲的甲殼中出現。自那時起,它們便混入了昆蟲的觸鬚、植物的根莖、動物的四肢、翅膀、血液,以及其間數以千兆計的細菌。億萬年之前,有些原子漂浮在眺望大地的動物眼中,有些則寄身於恐龍蛋的蛋黃內,或處於冰河時期深淵一隅為生存奮力掙扎的生物惶惶不安的喘息裡。對於其他原子而言,這可是化成億兆粒雨滴或雪片、在海洋和雲氣間浮沉了無盡歲月以後,首次進入活生生的生物體內。現在,就在此刻,它們全都匯聚於此,造就了你的身體。


從原子啟程


每個原子都是僅一億分之一公尺大小的複合物,介於我們所感知的真實世界與量子世界之間,處於宇宙劇烈落差的邊際。電子佔據了原子中大部份空間;質子與中子則由夸克和膠子這類驚人的微小粒子構成,聚集在比原子還小10萬倍的原子核裡。電子的尺寸或許不是很有意義的物理性質,但可設想它們的大小還不及原子核的千萬分之一。


若把宇宙中所有可辨識的物質全加起來,包含質子、中子、電子和其他次原子粒子,總共大約有1080個粒子。那雖然是非常大的數字,若與呼嘯穿梭宇宙間的光子數目相比,則僅是其10億分之一,顯得微不足道。事實上,已知物質只佔空間中所包含總質能的5%。天文觀測證據指出,絕大部份的宇宙由神秘未知的次原子粒子與基本作用力構成,這股由尚未偵測到的暗物質和暗能量所構成的「幽暗勢力」,基本上宰制了宇宙的整體命運。


此外,無論是可見或不可見的所有物質,包括我們與遠在數十億光年外的結構,在138億年前全壓縮到一個極微小的區域裡,成為時間與空間超高能量的起源。就此而論,即使到了今日,所有東西並非毫無關聯。


如此誇誇其談,豈非荒謬絕倫?事實上,這些都是我們目前對宇宙及其歷史的認識,並不是純屬虛構的故事。


有個可靠有效的方法,可以檢驗我們對整體宇宙有多少認識:簡單假設以10倍數縮放檢視,來一趟宇宙巡禮,從最細微的真實存在,到可觀測宇宙邊緣的所有結構。無論是以最原始的手腳並用方式來數數,或以現代數學技巧測量,我們都明白把真實尺寸擴大或縮減10倍時所展現的10倍數威力。若在三維空間與所謂的時間軸上,連結這些可縮放的尺標,我們便獲得表述自然關係與連續性的語言,藉此拓展而超越我們的共同經驗。10倍數的威力讓我們得以聚焦解析宇宙間幾乎一切事物。


當然,縮放概觀無法詳述宇宙內容與歷史的精確細節。不過,這可帶領我們造訪重要地標:穿梭次原子世界的量子構件,前往把行星當成冰凍礦物微粒的恆星國度,向外進入廣闊未知區域,其中成群移動的星系有如宇宙視界上閃爍的塵埃,橫跨整整62個數量級的宇宙!


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