令人震撼的宏观宇宙和微观世界图示

看完这篇文章会拓展我们的视野、开阔我们的想象,有一种说不出的令人不可思议的感觉,震撼!相信各位看完后也会有无限的遐思……宇宙之宏观,宇宙之微观,无边无际,我们人生活在茫茫宇宙之中一个非常非常非常之微不足道的极其狭小的令人不敢相信的一个时空之中……宇宙中究竟有些什么?人在宇宙中算的了什么?仅仅是我们的眼睛看到的、感官感受到的、仪器能够探测到的吗?看看下面的这些现代科学已经证实的图片和描述可能会让你对宇宙有一个大致的概念,而这也仅仅是无穷无尽之宇宙之尘埃中的尘埃中的小小小小一部份的小小小小一部份……非常发人深省!
第一部份:宏观宇宙 (10亿光年 ~10亿公里)
10亿光年
十亿光年,是一个什么概念呢?10亿光年就大约是10的25次方米。
我们先来了解光速的概念。
光年,现代物理学认为是光走一年的距离;光速,它是速度被认为是最快的,每秒299792458米,能在眨眼间绕地球七圈半。看见么,就这么快的光,让他跑吧,跑个一年,所度量出来的距离就是一光年了。现在各位把鼠标移到屏幕的左下角,点“开始”-“程序”-“附件”-“计算器”,都来动手算算它,这一年是31536000秒,一秒跑299792458米,乘出来就是9454254955488000米,约等于十万亿公里吧。你说什么,简直天文数字?~~~~但这也仅仅只不过是一光年的长度。所以光年给了我们一个遥远的距离概念。
换个角度说,当我们看到十亿光年以外的星球时,映入到我们眼帘的那束星光、那个星球、那个星云已经是在茫茫宇宙间飞奔了十亿光年才能到我们的眼前,也就是说,我们现在看到的仅仅是它十亿光年之前的样子!现在的它究竟如何?我们只有再等待十亿光年才能看的到了,也就是说光年也给了我们一个遥远的时间概念。
所以,光年既有距离也有时间的概念。
太遥远的天体已经超出人的探测水平,下面的描述仅仅从很小很小的一个宇宙范围说起。
先看看10亿光年的境况:
令人震撼的宏观宇宙和微观世界图示

绝大部分空间都如此图所示那样好象是空无一物,什么也看不出来,遥远的星系发出的光芒就象是一个小小的光点。
【此图所示区域的边长约为10亿光年。由于光速的不可超越性,1光年之外的星星发出的光,需要1年才能到达我们这里。依此类推,我们所看到的10亿光年之外的,如图中所示的星系的星光,其实只是它们在10亿年前的影像。我们似乎是在朝远处看,实际上是在朝过去看。这就是说明中那句“存在时间之中,而不在空间之中”的意思。现在人类能观测的最远距离约为150亿光年,那已经是非常接近宇宙大爆炸初期的影像了,因为现代科学认为大爆炸就发生在约150亿年前。】
1亿光年
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向着我们在银河系中的遥远家乡,我们再前进一步看看。但我们至多只看到一个大一些的,很多星系纠缠在一起的星团,这是处女座星团。星系按规则是围绕着星团或星群运动的。有理由相信我们的银河系自身就是处女座大星团的一个组成部分,受到它的持续不断的引力的拉动;处女座星团自身又是一个超星团的组成部分。银河系周围,在一个较大范围的空间里没有值得注意的星系。
【此图所示区域的边长约为1亿光年,即10的24次方米。处女座星团(Virgo cluster),由于从地球上看位于黄道上的处女星座而得名,由不到2000个星系组成(银河系即为其中之一)。它本身又是所谓“本超星团”(Local supercluster)的一部分。处女座星团的中心地带离银河系约5千万光年。】
1000万光年
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这些就是我们的宇宙区域内的星系,银河系,每一个亮点都是由几十亿颗恒星发出的光芒汇集而成。恒星间相互的引力把它们聚集为星系,每一个星系都是由运动的恒星组成的复杂的集团。
【此图所示区域的边长约为1千万光年,即10的23次方米。离银河系最近的是仙女座星系(Andromeda Galaxy),约在250万光年之外,应该就是图中小框框之外,左下边的那个。由于从地球上看该星系位于仙女星座,故有此名。著名的“仙女座大星云”(仙女座圣斗士瞬的武器的典故?)是其旧名。现在已经证实该星系的中心有一个黑洞。另外,图中小框框之外,右下边的那个应该是三角座星系(Triangulum Galaxy),那是离银河系第二近的星系,约在260万光年之外。它是地球上能用肉眼观察到的最远的天体。】
100万光年
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这个扁扁的饼就是我们的星系——银河系,可以看到它的旋臂结构。在空间中运行时,银河系还带着它的两个卫星星系——大小麦哲伦星系。比我们的银河系更大的星系并不多,而比两个麦哲伦星系更小的星系似乎也不多。
【此图所示区域的边长约为1百万光年,即10的22次方米。大小麦哲伦星系,由首次完成环球航行的葡萄牙航海家麦哲伦于1519年发现,故得名。它们就是图中框框之外,左下边的那两个不规则亮点。由于它们的位置从地球上看非常靠南,北半球的观测者很难直接观察,所以只有接近赤道或者到达南半球时(如麦哲伦的航行那样)才能被发现。不过有些阿拉伯的天文学家在公元10世纪就记载了它们的存在,可能这些学者和来往于非洲和阿拉伯的水手们有过接触。银河系和两个麦哲伦星系的关系,就象地球和自己的卫星月球一样,所以它们被叫做卫星星系。大小麦哲伦星系是围绕着银河系运动的,一般不被视为独立的星系。所以,离银河系最近的星系一般都认为是前面提到的仙女座星系。两个麦哲伦星系离银河系的距离约为20万光年。它们的大小是银河系的1/10,直径约1万光年。】
10万光年
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我们正在俯视银河系。一千亿颗恒星由于彼此引力的吸引而围绕着银河系中心区域旋转,有些比较靠里,有些靠外。我们的太阳,和其他恒星一起围绕着“银心”做顺时针运动,每3亿年环绕一周。图片的背景中还有其他星系,和我们的银河系一样,它们一边在漂移,一边也在缓慢地旋转。
这是银河系,我们的家园。银河系的直径就是十万光年。真有哪位能发明个跟光速一边快的飞船,从银河系的这边飞到对面来个大吊角,就要十万年的时间!天呀,在这样漫长的旅程来看,人生不过朝生暮死,蜉蝣一般。但这只是对相对于银河系静止的观测者而言,船上的人员感受到的旅程其实只有数分钟。相对论呀,深了去了。
【此图所示区域的边长约为10万光年,即10的21次方米。银河系的直径约为10万光年,其中最核心的直径约3万光年的一部分被称为“银核”,是恒星较集中的区域。银河系包含的恒星总数约2千亿-4千亿颗,大致按照4条旋臂分布。】
1万光年
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恒星的星云和发光的气体,以及一小块一小块的暗尘,组成了变化缓慢的、银河系“饼状结构”的旋臂。我们的太阳尚在很远之外,这里看不见,但它就在图片的中心,靠近一条旋臂。
【此图所示区域的边长约为1万光年,即10的20次方米。太阳系处在银河系4条旋臂之一的附近,距离银河系的中心约2.5万光年。太阳系围绕“银核”旋转的速度是每秒217米。】
2005年11月6日在日照市后村镇的一个小山村看南金牛流星雨时又一次如此清晰的看见了银河,一条黯淡的光带横亘夜空,如此清晰的银河上一次看到是8月12日晚在森林公园的海边上看英仙座流星雨时,那是夏天的银河,比深秋初冬的银河更具有震撼力。
由此就能够大致估计出我们的位置,如果把银河视为一个巨大的扁盘子(饥饿者也可把它视为大饼,麻酱白糖的)我们就是应该在这张扁盘子的平面上。否则如果不是这样的话,我们高于或低于它,那么看到的夜空就会显得一半亮一半暗,而不是象现在这样银河光带般亘在天幕中,星星比较均匀地分布两侧了。
事实上现代研究也得出这种结论:我们的太阳系位于银河系螺旋翼内侧的边缘,距离银河系中心大约2.5万光年。于是,我们把视野收回到1万光年的数量级,聚焦在银河系若干触角般螺旋翼中的一条上面。
1千光年
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在这张照片里,我们已经深入了银河系内部,周围是一群群的恒星,它们已经可以被单独地分辨出来了。几乎所有的上千颗被古代观天者定位并归纳为星座的恒星,都在这里,它们就是我们的银河系邻居。这里还有上千颗另外的恒星,只是由于太暗而看不见。
【此图所示区域的边长约为1000光年,即10的次方米。在太阳系周围的这些恒星——当然都是银河系的一员——是我们在地球上看到的星空的主要部分。由于它们比较集中在银河系的“饼状结构”之中,所以从地球上看它们在一个方向上才那么集中,才形成所谓“银河”的形状。只是因为它们离我们这么近,所以它们的光我们看起来这么亮。】
100光年
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满天的点点繁星。它们之中的一个,在正中间,不过由于太暗而看不到,就是我们的太阳。在北半球的天空很显著的大角星,在这里闪耀着。大角星本来就比我们的太阳更亮,而且我们在这里离它也更近。
【此图所示区域的边长约为100光年,即10的次方米。大角星(Arcturus),位于牧夫座(Boötes),沿“北斗七星”(即大熊座,Ursa Major)的斗柄三星的延长线,可以找到的一颗红色亮星。大角星是全天第3亮星(不算日、月以及太阳系内的各行星),仅次于天狼星(Sirius)和“南极老人星”(Canopus)。由于另两颗主要在南半球才可看到,所以大角星是北半球常见的最亮的星。它离太阳约36光年,其直径是太阳的10倍,绝对亮度比太阳亮190倍。】
10光年
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我们所知的绝大部分物质都形成了恒星——内部的核火焰蕴育出的气体团,通常可以持续燃烧很长的时间。在旅程的这个阶段,附近是没有恒星的,我们在图片中看到的星星都是距离非常遥远的恒星背景,和我们在地球上看到的景象没有区别。前后好几张图片的恒星背景都没有变化。由于它们在背景很远的地方,而我们一步一步前进的步伐相比之下又太小,所以它们的位置没有明显的移动。
【此图所示区域的边长约为10光年,即10的17次方米。很可惜这里没看到天狼星。天狼星是全天第一亮星,位于大犬座(Canis Major,南天的著名星座),距离太阳约8.7光年,体积比太阳大2倍,亮度比太阳亮20倍。另外,离太阳最近的恒星是比邻星(Proxima Centauri),位于半人马座(Centaurus),距离太阳约4.2光年,直径约为太阳的1/7,地球上肉眼不可见。】
1光年
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在这里,我们看到中心有一颗比其他恒星都亮的星,只是因为它离我们近得多。那就是太阳。昼与夜,冷冷的星空与赐予我们生命的温暖,都源于我们的行星坐落于一颗中等的恒星附近。一旦我们离开太阳远一点,就会认识到它只是一颗普通的恒星,那些遥远的恒星在某种意义上都是太阳。
【此图所示区域的边长约为1光年,即10万亿公里,10的16次方米。】

1万亿公里
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在和上一张相比更黯淡的恒星背景下,只有太阳可以看见。曾经我们以为太阳系的边界就是这样的。我们现在知道这里有一大群由冰组成的彗星在缓慢地围绕太阳运行,不过由于阳光太微弱我们看不见。我们只是在年复一年的等待中看到几颗彗星进入地球附近的更亮一些的区域。在那里我们瞥见它们,象临时的行星,太阳的火焰为它们烤出了长长的、微弱的尾巴。
【此图所示区域的边长约为1万亿公里,即10的15次方米。】

1千亿公里
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这回看清楚了吧,原来是太阳系!我们在密密麻麻的星星中跋山涉水,翻山越岭认出了它,不易呀!
太阳系所有的行星都在图中的小框框内运行。在地球上看行星总是能把它们分辨出来:在满天的一成不变的程式下,这几个永不停歇的游荡者。从外太空的这里看过去,行星们表现出哥白尼学说指出的特性:它们沿着同心椭圆轨道(已用彩色线条标出)围绕着太阳运动。
【此图所示区域的边长约为1千亿公里,即10的14次方米。人类的飞行器中,已知的飞行距离最远的,是美国的NASA在1977年发射的旅行者1号飞船(Voyager 1,其使命就是飞出太阳系,飞向外太空)。发射近30年后的今天,它离开我们大约有150亿公里,大概就在图中的框框外附近的地方。】
100亿公里
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放大十倍来观察以繁星为背景的太阳系。说是繁星,其实与太阳最近的恒星——半人马座比邻星都是在4.22光年开外的。图中的亮点仅仅只是背景上离得八丈远的星星呢,并不是太阳系的一部分。
外行星的轨道占据了这张图片。那严重倾斜的轨道属于小而怪异的冥王星。另外4条轨道(由外向内)分别属于海王星、天王星、土星、木星,以及它们各自的众多卫星。在木星轨道和太阳之间是沿更小的轨道运行的内行星。行星在这里都是逆时针旋转的,基本上都在同一平面上(照片不是垂直俯拍下去的):除了冥王星之外,整个行星系统就好像一张薄饼那么平。
【此图所示区域的边长约为1百亿公里,即10的13次方米。著名的哈雷彗星应该就在这张图片中,虽然无法辨别。因为哈雷彗星的远日点距离太阳约50亿公里,就在海王星和冥王星之间。另外,哈雷彗星的近日点离太阳仅约5千万公里,比金星还接近太阳。】
10亿公里
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数数看,下图里被蓝框子圈上的是谁的轨道?水、金、地……原来是地球的轨道呀!
被庞大的木星的轨道所包围的,是小一些的类地近日行星的轨道(从外向内):火星、地球、金星、水星。还有一大群天体由于太小而且太暗,除了用望远镜就无法观察到,不过它们也在这里:小行星带和流星带让木星和火星轨道之间的空间变暗了。
【此图所示区域的边长约为10亿公里,即10的12次方米。】

第二部份:人类生活的空间 (1亿公里 ~1厘米)
1亿公里
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地球在哪里?现在我们看到的是内太阳系的一部分。这段绿色的弧线是地球在九、十月间的大概6个星期内走过的路程。
【此图所示区域的边长约为1亿公里,即10的11次方米。】

1000万公里
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哦呦~~~大圈套小圈呢,月球围地球转的轨道。这一段是地球在十月的4天内走过的路程,而月球相对于地球的轨道也标出了。月球一直在那个小小的椭圆轨道上和地球一起运动。
【此图所示区域的边长约为1千万公里,即10的10次方米。】

100万公里
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是什么?飞机?还是鸟?是超人?都不是……
我们人类所访问的最远的地方,就是地球的伴侣:月球——离我们最近的天体邻居。明亮的月光、还有潮汐,见证着它有多近。
【此图所示区域的边长约为1百万公里,即10的9次方米。以上都是天文学研究的领域,以下是航天科学的主要研究领域。】

10万公里
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是地球 Home,Sweet home
地球的全身照:看上去那么孤独、优雅、脆弱。我们看到我们的地球是孤悬在太空中的,就象一艘太空飞船,没有神话中的阿特拉斯或者大海龟驮着它。它平稳、迅速地围绕着太阳运动,每1小时就越过这张图片所显示的这么一大片空间。
【此图所示区域的边长约为10万公里,即10的8次方米。地球自转的速度(赤道附近)是每秒0.5公里,地球围绕太阳公转的速度是每秒30公里。围绕地球的各种人造卫星中,离地球最远的恐怕是所谓“地球同步卫星”,它们的轨道半径约为3万6千公里,是月球轨道半径的约1/10。】

1万公里
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地球的近照:蓝天、白云、深色的海洋、褐色的大地,一个向东旋转的大球体。地图绘制者们为了给我们提供这样一张图,准备了3个世纪,但是要等到1967年,这一场景才被人类目睹,并随之深入人心。
怎么会这么巧涅?从10亿光年一路看下来正对着的竟是美国。用一万公里的视野看地球,这是神的视角。Google Earth也能有这种效果,起始时对着的也是美国1000公里如果我记得不错的话,地理课上教过,这是北美五大湖区中的密歇根湖,框住的城市就是芝加哥。
【此图所示区域的边长约为1万公里,即10的7次方米。地球的直径约1.2万公里,所以超出了此图的范围。从这个尺度往下是航空科学、气象学、地质学等等的研究领域。】
1000公里
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从低轨道拍摄的这一张照片所示的区域,展现的是密歇根湖的全貌。大陆冰川孕育出这一大片水域,以及其周围的淤积平原,是距今最近的一次地质事件,发生在几万年前。排列成行、累积成块的云决定了这一天的天气。虽然我们俯视着上千万人的居住地,但出自人手的建筑几乎看不见。
【此图所示区域的边长约为1千公里,即10的6次方米。低轨道即普通的卫星,以及载人航空器飞行的轨道,距地面约200-300公里。而大气现象主要发生在对流层,即距地面不到10公里的一层大气。从这个尺度往下,是我们日常的各种科学的主要研究领域,其中最重要的可能是物理学。】

100公里
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不看不知道,世界真奇妙。芝加哥鸟瞰。并由此开始了我们人类所能够理解的数量级,开始了我们熟悉的世界。
芝加哥的市中心就坐落在密歇根湖的南端。在这样的一天里,街上的行人也许会抬头看看蓝天,但拍照的飞机飞得太高,几乎不可能被发现。在那么多模糊的街道中,我们可以看见一些格子,那些是一英里见方的芝加哥林荫大道网络。
【此图所示区域的边长约为1百公里,即10的5次方米。芝加哥是美国第三大城市,位于伊利诺斯州,市区面积约600平方公里,人口约400万。】

10公里
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密密麻麻,房屋,湖边的房屋。小二,上瓶啤酒,哥几个先喝着1公里我有一所房子,面朝大海,春暖花开。
城市的心脏出现在我们眼前,这里是几百万人工作和居住的地方。照片所展示的城区、公园、港口,对于他们是很熟悉的。被1871年芝加哥大火所烧毁的木制房屋,原先就处于本图所包括的区域里。图中所示的绝大部分细节都是后来的建筑物,不过街道和铁路在大火中幸存了下来,它们也将比大部分私人建筑使用寿命更长。
【此图所示区域的边长约为10公里,即10的4次方米。1871年10月8日晚开始燃烧的芝加哥大火,是美国历史上最令人恐怖的灾难之一。大火整整燃烧了30个小时,造成约300人死亡,10万人无家可归,全城2/3的房屋被烧毁,最后扑灭这场大火的是一场迟来的大雨。】
1000米
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现在我们看到的可不是地图上的那些个符号。这里是城市里很平常的一副场景:湖边的快车道、士兵的驻地、一段飞机跑道、泊船的码头以及博物馆。
【此图所示区域的边长约为1公里,即1000米。从这个尺度往下是我们日常生活的尺度。】

100米
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呦!草地上这是什么呀?
公园中的野餐距离喧嚣的高速公路和码头上的游艇都不太远。野餐的人尽可以自得其乐,因为附近没有什么人。如果地球上的所有人全部平均分布到所有陆地上的话,这两位能分到的大约是本图所示土地的6倍。而要为他们提供谷物的话,他们只需耕种图中的草地部分就行了。
【此图所示区域的边长约为100米。】

10米
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原来是一傻哥们睡得正香呐。
【此图所示区域的边长约为10米。从这里往下是生物学的主要研究领域。】

1米
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这就是人类交往、谈话、接触的尺度。一个男人在10月里的温暖一天中小睡。他周围是满足其身心需要和愉悦的生活用品。在这一张照片和下一张照片之间,照片本身的尺度和它们拍摄对象的尺度唯一一次大小相当。
【此图所示区域的边长约为1米。普罗泰戈拉(Protagoras)是古希腊哲学中“智者派”的代表人物之一,生活的年代大约在481 BC到411 BC之间。】

0.1米
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一米的十分之一,也叫分米,我们手所能把握的尺度。相信人类所接触的大部分物体都是在这样一个数量级的。看看你的周围,键盘、鼠标、手机、杯子、碗……
现在这个尺度就有点个人化了。这是手背的照片,有点放大。手,这个生机勃勃的结构,在大脑和眼睛的指导下,时不时还得到人体其他部分的帮助,创造了我们在这个世界上所有代表性的成就,包括这张拍摄它自己的照片。
【此图所示区域的边长约为1分米,即1/10米。从这个尺度开始,生物学(包括医学)是最重要的科学。】

1厘米
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这是他手上的皱纹细部。兴许你放大了还没他细皮嫩肉呢。做好准备,我们即将进入另一个陌生的领域——微观世界。
【此图所示区域的边长约为1厘米,即1/100米。】

第三部份:微观世界 (1毫米 ~0.1飞米)
1毫米
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这里,我们进入了那些揭开许多自然之迷的显微镜使用者们的世界。对于比这张照片更逼近终点的后面每张照片来说,我们向着内部的旅程已走过了9/10。我们的终点在这人的皮肤之下,是在一根毛细血管中流通的细胞内部。
【此图所示区域的边长约为1毫米,即1/1000米。】

100微米
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再放大十倍,依稀可见皮肤的组织结构。还好学过生物的,以前也看过,见怪不怪了。
出人意料的细节出现了,我们几乎认不出来了。在那更深的地方,我们将进入一个人体内部的世界,我们对于它和对遥远的恒星一样陌生。
【此图所示区域的边长约为100微米(micron,μm,1μm=10的-6次方米),即10的-4次方米。】

10微米
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一个细胞的数量级就是10微米,当然这只是一般来说。插句嘴,世界上最大的细胞是鸵鸟蛋,它是一个单独的卵细胞,数量级是分米级的,厉害吧。这个世界真奇妙,无奇不有吧!
穿过表皮,我们进入了一根有血液进出的毛细血管。大多数血红细胞都是小小的、不完整的、短命的饼状结构,血液的颜色其实是它们的颜色。这个白色的细胞叫淋巴细胞,它的寿命较长,而且是免疫系统——抵御细菌感染的一种细胞及化学策略——的一份子。
【此图所示区域的边长约为10微米,即10的-5次方米。生物体内大多数细胞的大小都在10微米上下。当然也有例外。人体内部个头最大的单个细胞是女性的卵子,直径约0.1毫米,即100微米。而世界上最大的单个细胞是鸵鸟的蛋,直径是分米量级的。】
1微米
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我们现在位于多褶的淋巴细胞内部,却发现了另一个表面,这是在细胞内部包裹着细胞核的一层膜,起保护作用的。这些微小的孔隙允许里面的物质流到外面更大的细胞内部空间。每一个完整的细胞都有这样一个细胞核,它发出的分子指令控制着细胞的一生。一个人体内的细胞数目,比一个星系内的恒星数目要多一百倍。
【此图所示区域的边长约为1微米,即10的-6次方米。】

0.1微米
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一看这么高度螺旋的结构就知道是染色体了。在细胞核内部被紧紧地包裹起来的,是大量的长链状分子,这些绕在一起的DNA卷,在细胞核内狭窄的空间内巧妙地绞缠、折叠在一起。每次细胞分裂时这些至关重要的指令都会被精确地复制。人体中每个细胞的细胞核内都有46个(23对)染色体,每个染色体都由这样一大段DNA卷折叠而成,如果全部伸开的话,该DNA分子链将有几厘米长。
【此图所示区域的边长约为0.1微米,也可以说是1000埃(Angstrom,Å,原子物理中常用的长度单位,合10的-10次方米),即10的-7次方米。一条DNA分子链的直径约为20埃,而它自己绕在一起形成的一段DNA卷,直径约100埃。】

100埃
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埃是一种长度单位,指10的-10次方米。用字母“A”顶上加个小圆圈来表示。100埃的数量级就能度量某些有机大分子的物质了。
看到这个规则的等距双螺旋结构,我想你一定能够脱口而出了。没错,这种物质就叫做脱氧核糖核酸,也就是常说的DNA。分子结构清晰可见。
仔细看DNA卷,我们看到的是扭曲的、长长的分子梯,即双螺旋结构。各个器官的特性都储存在不同位置的连续分子段中。那些化学信息是用4个字母的分子语言连篇累牍地写出来的。一套语言,使用终身;但在各人身体内的细胞里被复述的故事,彼此又不完全相同。分子梯的双链在细胞复制时分开,作为复制全新的分子梯时的模板。
【此图所示区域的边长约为100埃,即10的-8次方米。DNA内的生命信息是用4种核苷酸来记录的:腺嘌呤(deoxyAdenosine monophosphate,A)、胸腺嘧啶(deoxyThymidine monophosphate,T)、鸟嘌呤(deoxyGuanosine monophosphate,G)和胞嘧啶(deoxyCytidine monophosphate,C)。核苷酸的配对规则是A-T,G-C。在指导细胞的活动时,DNA先将需要表达的信息转给一种“信使RNA”,而“信使RNA”上每3个核苷酸代表一种蛋白质。蛋白质共有20种,而4种核苷酸,3个一起就有43,共64种可能性,足以代表所有种类的蛋白质。】
搞清楚这个结构可不是我们现在描述的这么简单哟,人类在上世纪50年代才搞清楚呀,人多么的可怜呀!当年要是你先搞清楚了这个结构,那么发现这个结构的诺贝尔奖就是你的了^_^

1纳米
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我们管10的-9次方米叫一纳米。现在为材料科学炒得火热的纳米技术就是说很多物质精细到纳米级后将表现出很多在常规数量级上所表现不出的性质来。在纳米这样的数量级下,我们连原子都可以数清了。因此,纳米级又叫原子级。
下图是组成DNA分子的原子们,它们以共价键和氢键彼此结合成庞大的有机分子。生命就在这种复杂的结合中得以体现。生命就是这样十分精妙的结构!
这些“砖块”是分子“印刷版”,书写基因信息的字母。那卷帙浩繁的信息就是由它们之间的特定顺序来决定的。这些形式是化学结构,普通的、稳定的原子,它们对于生命现象一无所知。中间的那个是碳原子,和它相连的是旁边的3个氢原子(底下还有1个,被挡住了)。与此相似的碳原子和氢原子的连接,在外太空冰冷的星系间分子云中也能找到。
【此图所示区域的边长约为10埃,也可以说是1纳米(nanometer,nm),即10的-9次方米。图中间的应该是一个甲基,即-CH3,有机化学中最常见的分子团之一。从这里往下,是化学的主要研究领域。】

1埃
令人震撼的宏观宇宙和微观世界图示
上过中学的就都应该知道:原子是由原子核和电子组成的。下图中所表示的是密布的电子云,我们能看到原子核外围的电子云比较浓。
所谓电子云,其实并不是说一个原子拥有无数个电子,象云雾般的弥漫四围。每个原子拥有的电子数都是固定的,有数的,具体依元素种类而定。这些电子行踪飘忽不定,在原子核外部乱窜。一个电子,无数法身。就把这些电子“团团转”的特点用电子云来形容了。离核近的地方出现的几率大些,云就密;离核远的地方出现的几率小些,云就希10皮米原子核外围的浓密电子云。仿佛又回到了浩瀚无边的宇宙。这样来看每个原子都像是个小宇宙,我们的世界就这样的周而复始着,不寒而栗着……1皮米穿过最浓的电子云,发现更近核的地方反倒清净。原来离得远了要吸引,离得近了也会排斥呢,保持一个最佳的距离才好。(挺象谈恋爱呦)什么?你说电子阴性,原子核阳性,异性相吸,应该越近核越密才对?别逗了!真要那样越近越吸,越吸越近,电子还不都撞到核上去,最后谁也动弹不得!可是为什么不是这样呢?国家机密!就不告诉你,吼吼。
【此图所示区域的边长约为1埃,即10的-10次方米。很明显这不是真实的照片,因为电子云是拍不到的。】

0.1埃
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现在我们和碳原子最内层的2个电子在一起。它们的运动留下了球形电子云。外面的4个电子时来时去,要看这个碳原子是在火焰中,是在钻石中,还是是在DNA中而定。但里面的这2个电子对于一般的外在影响无动于衷,它们只听命于内部的原子核。
【此图所示区域的边长约为0.1埃,也可以说是10皮米(picometer,pm,合10的-12次方米),即10的-11次方米。原子的能级理论指出碳的6个核外电子是分层排布的。2个在里面,4个在外面。碳的主要化学反应都是外面的4个电子和其他原子相互作用的结果。】

1皮米
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原子紧密的核开始出现了。原子间的力量平衡就是由原子核决定的,它的强烈电磁吸引力还影响着电子的运动。要拉住6个带负电的电子,核里面就需要不多不少6个带正点的质子。6这个数字(即原子序数)决定了这是碳元素。我们现在已经知道百来种彼此不同的象这样微小的质子团,就是说元素。分子的种类就多了去了,它们决定着这个物质的宇宙。
【此图所示区域的边长约为1皮米,即10的-12次方米。从这里往下是原子物理、核物理的主要研究领域。碳的同位素共3种:碳12、碳13、碳14。其中碳14会稳定地衰变成氮14,半衰期约5700年,可以用来测定文物的年代。】

0.1皮米(100飞米)
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走近点,这就是传说中的原子核了。10的-12次方米叫做一皮米。在0.1皮米的数量级下看原子核就可以看出很多个球球来,它们是带正电的质子和不带电的中子。
我们能清楚地看到这个渺小然而结实的核,这一个碳原子的原子核。其紧密的组成部分正在做剧烈的量子运动,然而这里的运动受到了严格的限制,看上去好像是流体。核子之间的非电磁力(即所谓核力、“强相互作用”)强度大得可怕,然而作用的距离却很短。6个中子和6个质子好像紧贴在一起了。由于有12个核子,这种原子核就被称为碳12。这是最常见的碳同位素,也是原子量的标准。
【此图所示区域的边长约为100飞米(femtometer,fm,合10的-15次方米),即10的-13次方米。“强相互作用”是4种基本相互作用之一,另外3种是万有引力、电磁力、“弱相互作用”。宇宙中已知的各种力都可以被归纳到这4种基本相互作用中。其中万有引力和电磁力的作用距离都是无穷大,强相互作用在1飞米的距离上才起作用,弱相互作用要到1/1000飞米的距离上才起作用。在力的强度上,如果以强相互作用的强度为1,则电磁力的强度为1/10,弱相互作用的强度为10的-4次方,万有引力的强度为10的-37次方。如何将这4种基本相互作用统一到一个理论(即所谓“统一场理论”)里,是现代物理学的前沿课题之一。】

10飞米
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原子核的特写。永不停止运动但又十分稳定的碳12原子核的一张快照。中子和质子结合的方式在全宇宙都是通用的。单个的质子存在于自然界的氢中。单个的中子可以在铀裂变时的剧烈原子反应中被释放出来。对这些独立的核子的研究揭示了它们和化学相似的另一面:在以足够高的能量运动时,它们如果相撞将产生一些新的粒子,通常是极不稳定的粒子。
【此图所示区域的边长约为10飞米,即10的-14次方米。这里提到的各种高能粒子相互间的碰撞,其实就是高能粒子对撞机的工作原理。核物理的很多重要发现都是在对撞机上实现的。】

1飞米(10的-15次方米)
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中子也有内部结构:对称、移动迅速、仍然不可追踪。在这里“强相互作用”依然在更短的距离上起作用。这让那些快速运动的夸克彼此间产生了强烈的相互影响。这些有颜色的点并不是光,而是一些抽象的物理符号,对于它们的意义我们现在才刚刚开始了解。
【此图所示区域的边长约为1飞米,即10的-15次方米。现在已知的夸克有6种:上夸克、下夸克、魅夸克、奇夸克、顶夸克、底夸克。最后一个被发现的是顶夸克(1994年)。理论上夸克被赋予了“色”的特性,并不是说夸克有颜色,只是用“色”来表示它们的某种物理特性而已。夸克的“色”有3种:红、绿、蓝。】

0.1飞米
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当我们进入到下一个层次之后,我们将看到什么?我们将认识到什么?也许又是茫茫无际的新宇宙!另外的时空!另外的生命!据说那是上帝管辖的范围了!
【此图所示区域的边长约为0.1飞米,即10的-16次方米。】

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网 友 留 言

4条评论 in “令人震撼的宏观宇宙和微观世界图示”
  1. Yong says:

    突然感觉人太太太渺小了,以前怎么没有想过呢,哈哈

  2. Yong says:

    注解详细,大开眼界呀。

  3. 网友 says:

    哇哈哈

  4. zhenzhen says:

    的确是震撼,这样一看人实在是太渺小了

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