從十億光年到0.1飛米，帶你重新認識我們的世界
你此時正在看手機，如果這時候我讓你抬頭看看你的周圍，你看到的是一個你所熟知的稀鬆平常的世界，所有的一切都那麼普通。也許你所在的城市因為光污染已經基本看不到什麼星星了，而和微觀世界對你來說只不過是每次飯前洗去的手上的灰塵。
我們太習慣於現在這個世界，以至於忘記了我們這個世界的神奇之處，從宇宙的尺度看來，在直徑有150億光年的宇宙中，至少到目前為止我們所在還是唯一的被證明存在生命的星球。而在這個星球上，我們正在創造一個輝煌燦爛文明。
如果這時候有一個神級文明，他們在十億光年外用一架超級望遠鏡對準了我們的地球，望遠鏡的精度可以看到這個星球上最小的結構，那個神級文明的觀察者不斷地按照10倍的比利放大。那麼他看到的會是怎樣的一番景象呢？今天就讓我們也做一回神級文明的觀察者，來看看我們所熟知的這個世界吧~
十億光年
大部分的宇宙空間看起來都像這張圖一樣空空如也，遙遠星系發出的光亮看上去像是聚在一起的灰塵。在如此空曠的宇宙空間中，我們所在的星系群反倒是格外的擁擠一些。即便再放大十倍，宇宙的結構看上去也和現在一樣。在這樣的一個尺度上，能夠讓給我們帶來一些新意的並不在空間跨度上，而在時間上。
【此圖所示區域的邊長約為10億光年。1光年即光在1年中走過的距離，約為9.5×1015米，大致相當於10萬億公里。而10億光年就大約是10的25次方米。由於光速的不可超越性，1光年之外的星星發出的光，需要1年才能到達我們這裡。依此類推，我們所看到的10億光年之外的，如圖中所示的星系的星光，其實只是它們在10億年前的影像。我們似乎是在朝遠處看，實際上是在朝過去看。這就是說明中那句「存在時間之中，而不在空間之中」的意思。現在人類能觀測的最遠距離約為150億光年，那已經是非常接近宇宙大爆炸初期的影像了，因為大爆炸就發生在約150億年前。也就是說，上面這張照片的邊長如果再擴大4倍的話，就是我們人類有可能觀測到的全部宇宙。宇宙的全部歷史就在其中。另外，由於宇宙中所有物質的總質量，現在看來還達不到相對論所要求的下限，所以宇宙的膨脹將無止境地繼續下去，所以說明中最後強調了各星團將繼續「分散」下去。】
一億光年
在這個尺度上我們看不清我們的銀河系，只能看到銀河系所在的室女座星系團。我們的銀河系在這個星系團中只是眾多星系中的普通一員。
【此圖所示區域的邊長約為1億光年，即10的24次方米。室女座星團（Virgo cluster），由於從地球上看位於黃道上的室女星座而得名，由不到2000個星系組成（銀河系即為其中之一）。它本身又是所謂「本超星團」（Local supercluster）的一部分。室女座星團的中心地帶離銀河系約5千萬光年。】
一千萬光年
這裡看到的是我們所在的宇宙空間，每一個兩點代表的不是一顆星星，而是有無數星星組成的星系。星星之間相互的引力讓他們具體成了星系。
【此圖所示區域的邊長約為1千萬光年，即10的23次方米。離銀河系最近的是仙女座星系（Andromeda Galaxy），約在250萬光年之外，應該就是圖中小框框之外，左下邊的那個。由於從地球上看該星系位於仙女星座，故有此名。著名的「仙女座大星雲」（仙女座聖鬥士瞬的武器的典故？）是其舊名。現在已經證實該星系的中心有一個黑洞。另外，圖中小框框之外，右下邊的那個應該是三角座星系（Triangulum Galaxy），那是離銀河系第二近的星系，約在260萬光年之外。它是地球上能用肉眼觀察到的最遠的天體。】
一百萬光年
這個扁扁的餅就是我們的星系——銀河系，可以看到它的旋臂結構。在空間中運行時，銀河系還帶著它的兩個衛星星系——大小麥哲倫星系。比我們的銀河系更大的星系並不多，而比兩個麥哲倫星系更小的星系似乎也不多。
【此圖所示區域的邊長約為1百萬光年，即10的22次方米。大小麥哲倫星系，由首次完成環球航行的葡萄牙航海家麥哲倫於1519年發現，故得名。它們就是圖中框框之外，左下邊的那兩個不規則亮點。由於它們的位置從地球上看非常靠南，北半球的觀測者很難直接觀察，所以只有接近赤道或者到達南半球時（如麥哲倫的航行那樣）才能被發現。不過有些阿拉伯的天文學家在公元10世紀就記載了它們的存在，可能這些學者和來往於非洲和阿拉伯的水手們有過接觸。銀河系和兩個麥哲倫星系的關係，就象地球和自己的衛星月球一樣，所以它們被叫做衛星星系。大小麥哲倫星系是圍繞著銀河系運動的，一般不被視為獨立的星系。所以，離銀河系最近的星系一般都認為是前面提到的仙女座星系。兩個麥哲倫星系離銀河系的距離約為20萬光年。它們的大小是銀河系的1/10，直徑約1萬光年。】
十萬光年
在10萬光年這樣的數量級下，我們就看見了整個的銀河系。事實上，銀河系的直徑就是十萬光年。我們的太陽系每三億年繞銀河系運行一圈。
【此圖所示區域的邊長約為10萬光年，即10的21次方米。銀河系的直徑約為10萬光年，其中最核心的直徑約3萬光年的一部分被稱為「銀核」，是恆星較集中的區域。銀河系包含的恆星總數約2千億－4千億顆，大致按照4條旋臂分布。】
一萬光年
我們的太陽系就在圖片的正中間，在銀河系一條懸臂的邊緣地帶。
【此圖所示區域的邊長約為1萬光年，即10的20次方米。太陽系處在銀河系4條旋臂之一的附近，距離銀河系的中心約2.5萬光年。太陽系圍繞「銀核」旋轉的速度是每秒217米。】
一千光年
在這張照片里，我們已經深入了銀河系內部，周圍是一群群的恆星，它們已經可以被單獨地分辨出來了。幾乎所有的上千顆被古代觀天者定位並歸納為星座的恆星，都在這裡，它們就是我們的銀河系鄰居。這裡還有上千顆另外的恆星，只是由於太暗而看不見。
【此圖所示區域的邊長約為1000光年，即10的19次方米。在太陽系周圍的這些恆星——當然都是銀河系的一員——是我們在地球上看到的星空的主要部分。由於它們比較集中在銀河系的「餅狀結構」之中，所以從地球上看它們在一個方向上才那麼集中，才形成所謂「銀河」的形狀。只是因為它們離我們這麼近，所以它們的光我們看起來這麼亮。】
一百光年
滿天的星星中，我們的太陽系在圖片的中心區域。雖然在這個尺度上你還是分辨不出它，但它就在那閃耀著，為地球帶來溫暖和生命。圖中最亮的那個點是大角星，離我們已經算很近了。
【此圖所示區域的邊長約為100光年，即10的18次方米。大角星（Arcturus），位於牧夫座（Bo鰐es），沿「北斗七星」（即大熊座，Ursa Major）的斗柄三星的延長線，可以找到的一顆紅色亮星。大角星是全天第3亮星（不算日、月以及太陽系內的各行星），僅次於天狼星（Sirius）和「南極老人星」（Canopus）。由於另兩顆主要在南半球才可看到，所以大角星是北半球常見的最亮的星。它離太陽約36光年，其直徑是太陽的10倍，絕對亮度比太陽亮190倍。】
十光年
我們所知的絕大部分物質都形成了恆星——內部的核火焰蘊育出的氣體團，通常可以持續燃燒很長的時間。在旅程的這個階段，附近是沒有恆星的，我們在圖片中看到的星星都是距離非常遙遠的恆星背景，和我們在地球上看到的景象沒有區別。前後好幾張圖片的恆星背景都沒有變化。由於它們在背景很遠的地方，而我們一步一步前進的步伐相比之下又太小，所以它們的位置沒有明顯的移動。
【此圖所示區域的邊長約為10光年，即10的17次方米。很可惜這裡沒看到天狼星。天狼星是全天第一亮星，位於大犬座（Canis Major，南天的著名星座），距離太陽約8.7光年，體積比太陽大2倍，亮度比太陽亮20倍。另外，離太陽最近的恆星是比鄰星（Proxima Centauri），位於半人馬座（Centaurus），距離太陽約4.2光年，直徑約為太陽的1/7，地球上肉眼不可見。】
一光年
在中心有一顆比其他星星都更亮的星，僅僅是因為它現在離我們最近，它就是太陽。現在的我們知道，其實它和其他千千萬萬顆星星並沒有什麼區別。
【此圖所示區域的邊長約為1光年，即10萬億公里，10的16次方米。】
一萬億公里
太陽比上一張亮了一些，在這個區域里，已經是圍繞太陽的彗星能到的邊緣了。我們並不能常常看到彗星，因為他們總是每隔幾十年才回到我們能夠看到的區域。
一千億公里
這就是太陽系，所有太陽系的行星就在這個小圈圈中圍繞太陽運轉。
一百億公里
這個區域中看到軌道是太陽系外圈的那幾顆行星軌道，最外圈那個和其他軌道相比有一點歪的軌道就是冥王星的軌道。其他的從外到里一次是海王星，天王星，土星和木星，以及圍繞他們運行的衛星。
【此圖所示區域的邊長約為1百億公里，即10的13次方米。著名的哈雷彗星應該就在這張圖片中，雖然無法辨別。因為哈雷彗星的遠日點距離太陽約50億公里，就在海王星和冥王星之間。另外，哈雷彗星的近日點離太陽僅約5千萬公里，比金星還接近太陽。】
十億公里
越過巨大的木星，內圈的是更小一些的太陽系行星：火星，地球，金星，水星。木星和火星之間還有一條很難觀測到的小行星帶。
【此圖所示區域的邊長約為10億公里，即10的12次方米。】
一億公里
現在我們看到的是內太陽系的一部分。這段綠色的弧線是地球在九、十月間的大概6個星期內走過的路程。
【此圖所示區域的邊長約為1億公里，即10的11次方米。】
一千萬公里
可以看到地球了。
在圖中綠色線段展示的長度相當於地球在十月份走過的四天的距離。圖中的那個黃色的橢圓就是月球的軌道。
【此圖所示區域的邊長約為1千萬公里，即10的10次方米。】
一百萬公里
我們人類所訪問的最遠的地方，就是地球的伴侶：月球——離我們最近的天體鄰居。明亮的月光、還有潮汐，見證著它有多近。
【此圖所示區域的邊長約為1百萬公里，即10的9次方米。以上都是天文學研究的領域，以下是航天科學的主要研究領域。】
十萬公里
地球的全身照：看上去那麼孤獨、優雅、脆弱。我們看到我們的地球是孤懸在太空中的，就象一艘太空飛船，沒有神話中的阿特拉斯或者大海龜馱著它。它平穩、迅速地圍繞著太陽運動，每1小時就越過這張圖片所顯示的這麼一大片空間。
【此圖所示區域的邊長約為10萬公里，即10的8次方米。地球自轉的速度（赤道附近）是每秒0.5公里，地球圍繞太陽公轉的速度是每秒30公里。圍繞地球的各種人造衛星中，離地球最遠的恐怕是所謂「地球同步衛星」，它們的軌道半徑約為3萬6千公里，是月球軌道半徑的約1/10。】
一萬公里
地球的近照：藍天、白雲、深色的海洋、褐色的大地，一個向東旋轉的大球體。地圖繪製者們為了給我們提供這樣一張圖，準備了3個世紀，但是要等到1967年，這一場景才被人類目睹，並隨之深入人心。
【此圖所示區域的邊長約為1萬公里，即10的7次方米。地球的直徑約1.2萬公里，所以超出了此圖的範圍。從這個尺度往下是航空科學、氣象學、地質學等等的研究領域。】
1000公里
從低軌道拍攝的這一張照片所示的區域，展現的是密歇根湖的全貌。大陸冰川孕育出這一大片水域，以及其周圍的淤積平原，是距今最近的一次地質事件，發生在幾萬年前。排列成行、累積成塊的雲決定了這一天的天氣。雖然我們俯視著上千萬人的居住地，但出自人手的建築幾乎看不見。
【此圖所示區域的邊長約為1千公里，即10的6次方米。低軌道即普通的衛星，以及載人航空器飛行的軌道，距地面約200－300公里。而大氣現象主要發生在對流層，即距地面不到10公里的一層大氣。從這個尺度往下，是我們日常的各種科學的主要研究領域，其中最重要的可能是物理學。】
100公里
芝加哥的市中心就坐落在密歇根湖的南端。在這樣的一天里，街上的行人也許會抬頭看看藍天，但拍照的飛機飛得太高，幾乎不可能被發現。在那麼多模糊的街道中，我們可以看見一些格子，那些是一英里見方的芝加哥林蔭大道網路。
【此圖所示區域的邊長約為1百公里，即10的5次方米。芝加哥是美國第三大城市，位於伊利諾斯州，市區面積約600平方公里，人口約400萬。】
10公里
城市的心臟出現在我們眼前，這裡是幾百萬人工作和居住的地方。照片所展示的城區、公園、港口，對於他們是很熟悉的。被1871年芝加哥大火所燒毀的木製房屋，原先就處於本圖所包括的區域里。圖中所示的絕大部分細節都是後來的建築物，不過街道和鐵路在大火中倖存了下來，它們也將比大部分私人建築使用壽命更長。
【此圖所示區域的邊長約為10公里，即10的4次方米。1871年10月8日晚開始燃燒的芝加哥大火，是美國歷史上最令人恐怖的災難之一。大火整整燃燒了30個小時，造成約300人死亡，10萬人無家可歸，全城2/3的房屋被燒毀，最後撲滅這場大火的是一場遲來的大雨。】
一公里
現在我們看到的可不是地圖上的那些個符號。這裡是城市裡很平常的一副場景：湖邊的快車道、士兵的駐地、一段飛機跑道、泊船的碼頭以及博物館。
【此圖所示區域的邊長約為1公里，即1000米。從這個尺度往下是我們日常生活的尺度。】
100米
公園中的野餐距離喧囂的高速公路和碼頭上的遊艇都不太遠。野餐的人盡可以自得其樂，因為附近沒有什麼人。如果地球上的所有人全部平均分布到所有陸地上的話，這兩位能分到的大約是本圖所示土地的6倍。而要為他們提供穀物的話，他們只需耕種圖中的草地部分就行了。
10米
一男一女正在公園中野餐。這場野餐是以上從外太空開始的所有照片的中心。
1米
這就是人類交往、談話、接觸的尺度。一個男人在10月里的溫暖一天中小睡。他周圍是滿足其身心需要和愉悅的生活用品。在這一張照片和下一張照片之間，照片本身的尺度和它們拍攝對象的尺度唯一一次大小相當。「人是萬物的尺度」，智者普羅泰戈拉如是寫到。
【此圖所示區域的邊長約為1米。普羅泰戈拉（Protagoras）是古希臘哲學中「智者派」的代表人物之一，生活的年代大約在481 BC到411 BC之間。】
0.1米
現在這個尺度就有點個人化了。這是你的手背的照片，有點放大。手，這個生機勃勃的結構，在大腦和眼睛的指導下，時不時還得到人體其他部分的幫助，創造了我們在這個世界上所有代表性的成就，包括這張拍攝它自己的照片。
【此圖所示區域的邊長約為1分米，即1/10米。從這個尺度開始，生物學（包括醫學）是最重要的科學。】
1厘米
放大了很多倍的皮膚表面。這些褶皺可以讓皮膚有彈性。
1毫米
這裡，我們進入了那些揭開許多自然之迷的顯微鏡使用者們的世界。對於比這張照片更逼近終點的後面每張照片來說，我們向著內部的旅程已走過了9/10。我們的終點在這人的皮膚之下，是在一根毛細血管中流通的細胞內部。
100微米
這樣的細節和我們平時對自己的認知很不一樣。這個未知的微觀世界對我們來說就像那些遙遠的星星一樣陌生。
【此圖所示區域的邊長約為100微米（micron，μm），即10-4次方米。】
10微米
穿過表皮，我們進入了一根有血液進出的毛細血管。大多數血紅細胞都是小小的、不完整的、短命的餅狀結構，血液的顏色其實是它們的顏色。這個白色的細胞叫淋巴細胞，它的壽命較長，而且是免疫系統——抵禦細菌感染的一種細胞及化學策略——的一份子。
【此圖所示區域的邊長約為10微米，即10-5次方米。生物體內大多數細胞的大小都在10微米上下。當然也有例外。人體內部個頭最大的單個細胞是女性的卵子，直徑約0.1毫米，即100微米。而世界上最大的單個細胞是鴕鳥的蛋，直徑是分米量級的。】
1微米
我們現在位於多褶的淋巴細胞內部，卻發現了另一個表面，這是在細胞內部包裹著細胞核的一層膜，起保護作用的。這些微小的孔隙允許裡面的物質流到外面更大的細胞內部空間。每一個完整的細胞都有這樣一個細胞核，它發出的分子指令控制著細胞的一生。一個人體內的細胞數目，比一個星系內的恆星數目要多一百倍。
0.1微米
在細胞核內部被緊緊地包裹起來的，是大量的長鏈狀分子，這些繞在一起的DNA卷，在細胞核內狹窄的空間內巧妙地絞纏、摺疊在一起。每次細胞分裂時這些至關重要的指令都會被精確地複製。人體中每個細胞的細胞核內都有46個（23對）染色體，每個染色體都由這樣一大段DNA卷摺疊而成，如果全部伸開的話，該DNA分子鏈將有幾厘米長。
【此圖所示區域的邊長約為0.1微米，也可以說是1000埃（Angstrom），即10-7次方米。一條DNA分子鏈的直徑約為20埃，而它自己繞在一起形成的一段DNA卷，直徑約100埃。】
100埃
埃是一種長度單位，指10的－8次方米。這個規則的等距雙螺旋結構物質就叫做脫氧核糖核酸，也就是常說的DNA。
【此圖所示區域的邊長約為100埃，即10-8次方米。DNA內的生命信息是用4種核苷酸來記錄的：腺嘌呤（deoxyAdenosine monophosphate，A）、胸腺嘧啶（deoxyThymidine monophosphate，T）、鳥嘌呤（deoxyGuanosine monophosphate，G）和胞嘧啶（deoxyCytidine monophosphate，C）。核苷酸的配對規則是A－T，G－C。在指導細胞的活動時，DNA先將需要表達的信息轉給一種「信使RNA」，而「信使RNA」上每3個核苷酸代表一種蛋白質。蛋白質共有20種，而4種核苷酸，3個一起就有43，共64種可能性，足以代表所有種類的蛋白質。】
1納米
這些「磚塊」是分子「印刷版」，書寫基因信息的字母。那捲帙浩繁的信息就是由它們之間的特定順序來決定的。這些形式是化學結構，普通的、穩定的原子，它們對於生命現象一無所知。中間的那個是碳原子，和它相連的是旁邊的3個氫原子（底下還有1個，被擋住了）。與此相似的碳原子和氫原子的連接，在外太空冰冷的星系間分子雲中也能找到。
【此圖所示區域的邊長約為10埃，也可以說是1納米（nanometer，nm），即10-9次方米。圖中間的應該是一個甲基，即－CH3，有機化學中最常見的分子團之一。從這裡往下，是化學的主要研究領域。】
1埃
原子尺度上的量子定律所描述的電子運動，和日常經驗中運動的粒子相比，要更為精細，也更不連續。相應來說，圖中所示的那些點並不代表單個的電子；實際上，那表示的是電子云：電子在進行對稱的，然而不可追蹤的量子運動時留下的痕迹。靠外面的電子云是由結合在一起的原子共享的。
【此圖所示區域的邊長約為1埃，即10-10次方米。很明顯這不是真實的照片，因為電子云是拍不到的。】
10皮米
原子核外圍的濃密電子云。彷彿又回到了浩瀚無邊的宇宙。這樣來看每個原子都像是個小宇宙，我們的世界就這樣的周而復始著...
【此圖所示區域的邊長約為0.1埃，也可以說是10皮米（picometer，pm，合10-12米），即10-11次方米。原子的能級理論指出碳的6個核外電子是分層排布的。2個在裡面，4個在外面。碳的主要化學反應都是外面的4個電子和其他原子相互作用的結果。】
1皮米
原子緊密的核開始出現了。原子間的力量平衡就是由原子核決定的，它的強烈電磁吸引力還影響著電子的運動。要拉住6個帶負電的電子，核裡面就需要不多不少6個帶正點的質子。6這個數字（即原子序數）決定了這是碳元素。我們現在已經知道百來種彼此不同的象這樣微小的質子團，就是說元素。分子的種類就多了去了，它們決定著這個物質的宇宙。
【此圖所示區域的邊長約為1皮米，即10-12次方米。從這裡往下是原子物理、核物理的主要研究領域。碳的同位素共3種：碳12、碳13、碳14。其中碳14會穩定地衰變成氮14，半衰期約5700年，可以用來測定文物的年代。】
0.1皮米
我們能清楚地看到這個渺小然而結實的核，這一個碳原子的原子核。其緊密的組成部分正在做劇烈的量子運動，然而這裡的運動受到了嚴格的限制，看上去好像是流體。核子之間的非電磁力（即所謂核力、「強相互作用」）強度大得可怕，然而作用的距離卻很短。6個中子和6個質子好像緊貼在一起了。由於有12個核子，這種原子核就被稱為碳12。這是最常見的碳同位素，也是原子量的標準。
【此圖所示區域的邊長約為100飛米（femtometer，fm，合10-15米），即10-13次方米。「強相互作用」是4種基本相互作用之一，另外3種是萬有引力、電磁力、「弱相互作用」。宇宙中已知的各種力都可以被歸納到這4種基本相互作用中。其中萬有引力和電磁力的作用距離都是無窮大，強相互作用在1飛米的距離上才起作用，弱相互作用要到1/1000飛米的距離上才起作用。在力的強度上，如果以強相互作用的強度為1，則電磁力的強度為1/10，弱相互作用的強度為10-4，萬有引力的強度為10-37。如何將這4種基本相互作用統一到一個理論（即所謂「統一場理論」）里，是現代物理學的前沿課題之一。】
10飛米
永不停止運動但又十分穩定的碳12原子核的一張快照。中子和質子結合的方式在全宇宙都是通用的。單個的質子存在於自然界的氫中。單個的中子可以在鈾裂變時的劇烈原子反應中被釋放出來。對這些獨立的核子的研究揭示了它們和化學相似的另一面：在以足夠高的能量運動時，它們如果相撞將產生一些新的粒子，通常是極不穩定的粒子。
【此圖所示區域的邊長約為10飛米，即10-14次方米。這裡提到的各種高能粒子相互間的碰撞，其實就是高能粒子對撞機的工作原理。核物理的很多重要發現都是在對撞機上實現的。】
1飛米
即使質子也有內部結構：對稱、移動迅速、仍然不可追蹤。在這裡「強相互作用」依然在更短的距離上起作用。這讓那些快速運動的夸克彼此間產生了強烈的相互影響。這些有顏色的點並不是光，而是一些抽象的物理符號，對於它們的意義我們現在才剛剛開始了解。
【此圖所示區域的邊長約為1飛米，即10-15次方米。現在已知的夸克有6種：上夸克、下夸克、魅夸克、奇夸克、頂夸克、底夸克。最後一個被發現的是頂夸克（1994年）。理論上夸克被賦予了「色」的特性，並不是說夸克有顏色，只是用「色」來表示它們的某種物理特性而已。夸克的「色」有3種：紅、綠、藍。】
0.1飛米
一旦我們進入下一個層次，我們將會看到什麼，我們又將會知道什麼？
【此圖所示區域的邊長約為0.1飛米，即10-16次方米。】
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