夸克之上，宇宙之下

作者：Natalie Wolchover & Olena Shmahalo

翻譯：Nothing

審校：山寺小沙彌

我們所知道的最大的物體是宇宙，最小的粒子是夸克，從宇宙到夸克需要跨越宇宙、超星系團、星系、恆星、行星、生物體、原子、原子核、質子、夸克等結構，從尺度上講要跨越數十個數量級，如此大的跨度包含令人眼花繚亂的現象。今天我們用九張圖帶大家領略下在不同的尺度下我們能看到什麼。

在大約10^27米的尺度內，可觀測宇宙看起來是充滿泡沫和顆粒的。有點像殘留在水池或者浴室的肥皂泡，這些泡沫的輪廓被明亮的或不發光的物質組成的網連接起來。時空被引力覆蓋的地方網路顯得更稠密。到處都是由大量星系組成的跨度達到億萬米的超星系團。超星系團內是星系組成的團簇。巨大的引力勢阱把成百上千的星系束縛在一起，星系連同大量的熱氣體和暗物質一起在中心內外進行軌道運動。

宇宙中星系之間的間隔都非常大。比如，從銀河的中心到Andromeda（仙女座）中心，中間至少距離2.5*10^22米。

在大爆炸之後最初的幾億年中，第一代的大型恆星和早期的星繫結構開始形成。這些早期的恆星對於產生最早的重元素是至關重要的，在恆星老化、膨脹、爆炸的階段，它們會把形成的重元素拋入太空。

在生命體之後，行星大概是宇宙中最多變最複雜的物體。Proxima Centauri b（比鄰星b）是已知最近的外星系行星，它可能具有一個布滿極光的天空，這些極光是由燃燒的紅矮星引起的。

圖中畫的是40億年前太古宙時期的地球，它是一個強大的、熱力學的、化學的、布滿輻射的機器。許多現象被時間刻進了地球的表面和內部。我們現在從大氣和石油中取得的東西，都是幾十億年里很多偶然事件的結果。

在肯亞，穿越大自然的旅行把我們從真空空間中帶到了一群大象的上空。它們在觀察周圍的同時也被一群開著吉普車的緊張的人觀察。再擰幾下鏡頭我們就能看到一隻獨行的厚皮類動物。一隻牛椋鳥在大象皺巴巴的硬皮上啄著一隻多汁的寄生蟲。

牛椋鳥嘴裡的這隻寄生蟲是4.8億年前形成的無翼昆蟲中的一種。這樣看，這種寄生蟲和鳥類以及大象相比更加的怪異更加成功，儘管他們現在處於食物鏈的底端。

生命，據我們所知，是以碳元素為基礎組成的。碳原子就像樂高積木中你最喜歡的那塊，這塊積木總是能幫你完成最宏偉的計劃。碳原子擁有6個電子，其中4個容易被其他原子所吸引並和其他原子共用。在量子的語言中，這些電子在空間中的分布使得它們和其他原子聯繫在一起，或者說，形成化學鍵。

一般來說，一個原子核佔有整個原子質量的99.9%，但它只佔原子體積的萬億分之一。所有的虛空意味著宇宙在10^-11到10^-15米的尺度內看起來是很空的。

原子核由質子和中子構成，它們被核力束縛在一起。

質子內部的結構比我們想像的還要混亂。儘管這個組合物被外部世界所熟知因為它僅包含兩個上夸克和一個下夸克，但這僅僅是我們要講的故事的一部分。在質子尺度以下，我們似乎要重新修改我們的世界由粒子和波所組成的想法。取而代之是「場」和「量子」。就像是池塘中的漣漪。

原文地址：

https://www.quantamagazine.org/a-tour-of-the-zoomable-universe-by-caleb-scharf-and-ron-miller-20171106/

圖文節選自：From the edge of the universe to the inside of a proton