女朋友问宇宙有多大,你可以带她去篮球馆看看(图)

中科院物理所 0

宇宙很大,这个我们都知道。

宇宙具体有多大,我们也可以给一个数字——如果是指可观测宇宙,这个数字是930亿光年。



可观测宇宙

图源 [email protected] Z. Colvin


但直接丢出一个数字似乎没有真正解决问题,我们还是没法理解宇宙究竟有多大。有没有可能用日常事物来比喻一下呢?

930亿光年,换算成米,大概是1E+27米,也就是1后面要跟27个零,一定要写出来的话,那就是

1000000000000000000000000000米

我们再来看看一些常见的长度:大多数人的身高不会超过2米,小轿车大约长4~5米,篮球场长约30米,足球场长约100米,目前世界上的最高建筑——哈利法塔,也不超过1000米。再往上,就有点超出一般人的认知范围了。

宇宙的大小和人类的认知范围之间相差多少呢?

1000000000000000000000000倍


或者

24个数量级

想让人脑直接消化24个数量级的差距是不太可能了,于是我设计了一个思想实验,尝试展现如此巨大的数量级差距意味着什么,同时尽可能让整个过程贴合日常生活,方便一般人理解。

准备工作

在进行实验以前,我们首先要在脑海里把自己抽离现在这个世界,成为一名观察者,这样子接下来我们对这个世界做的任何改动都不会对作为观察者的我们造成影响。



斯坦·李就是一名观察者

图源 电影《银河护卫队2》


准备好以后,我们回过头来重新审视这个世界。

一阶世界

我们不妨把现实世界称为一阶世界。在一阶世界,肉眼是有分辨极限的,这个极限大概是一根头发的厚度——0.1毫米。接下来我们要做第一个操作:把一个正常的成年男性缩小至一根头发厚度的大小。

成年男性的身高我们取1.8米,那么换算比例就是1:18000,正常人缩小了18000倍以后,整个世界也会跟着缩小18000倍。我们把缩小以后的世界称为二阶世界。

二阶世界


在这个二阶世界里,所有人都只有一根头发丝那么高(姚明大概是1.3根头发丝)。

长颈鹿有三根头发丝那么高,你的书桌能够放下一座城市的三维地图,一场马拉松的距离相当于2.3米,而地球的直径大概是700米,和一阶世界中的哈利法塔(828米)相当。

哈利法塔

图源 [email protected]

应该说二阶世界会相当有趣,但这远没有达到我们的最终目的。我们要继续前进,再把整个世界缩小18000倍,进入三阶世界。

三阶世界

这时候一场马拉松的距离也就是一根头发丝的厚度了,地球直径仅为4厘米。月球的大小是1厘米,木星是43厘米,太阳直径大约4.3米,相当于一阶世界中小轿车的长度。

三阶世界是恒星的乐园,说几个著名恒星的尺寸:北极星的个头是123米,参宿七300米,著名电灯泡天津四接近1000米,非常亮瞎眼了;著名红超巨星参宿四是个直径4000米的大块头,快赶上一阶世界的珠穆朗玛峰一半高。

看上去地球已经足够小了,这时候的可观测宇宙又有多大呢?

2870000000000000000米


或者

约300光年

依然是一个大到无法想象的数字。而且我们现在只走过了8个数量级,仅仅是旅程的三分之一。现在继续把三阶世界缩小18000倍,进入四阶世界。

四阶世界



好了,在四阶世界里面我们终于可以把太阳系放进屋子里了,当然,这里指的是一阶世界的屋子。

这时太阳只有两根头发丝那么大,水星距离太阳1厘米,金星距离太阳2厘米,地球距离太阳2.6厘米,火星距离太阳差不多4厘米。

再往外,木星距离太阳13厘米,土星是24厘米,差不多是1台iPad的长度。天王星50厘米,海王星77厘米。

目前飞的最远人造物体——旅行者1号距离地球接近4米。



旅行者1号

图源 公有领域

4米差不多也是光走上一天的距离(4.5米),至于1光年,在四阶世界相当于1600米,这意味着如果想要在四阶世界找到除了太阳以外的另一颗恒星,你至少要走上一个小时。

别要求太多,起码走路就能到,电影里还要两千多年呢。

五阶世界



图源 [email protected]


进入五阶世界,包括柯伊柏带在内的整个太阳系(直径100AU)会被压缩至一根头发丝的大小。

五阶世界和一阶世界已经相差了17个数量级,最巨大的恒星也已经无法分辨出大小,但即便如此我们能感受到的也还只是银河系的一角。

何以见得?

整个银河系在五阶世界是直径超过10千米的存在。这在一阶世界里也算是一座小城的规模了。

在这座小城里,有20厘米大的马头星云:



图源 ESO


有1米宽的蟹状星云,这是1000年前宋代天文官看到的「天关客星」遗留下来的痕迹。





图源 NASA

还有和姚明一样高的美丽的猎户座大星云:



图源 NASA


六阶世界



在六阶世界,直径24光年的猎户座大星云被压缩成一根头发丝的大小——准确来说,是1.3根。

重点是你终于可以把银河系捧在手心了。银河系看着就像是一个直径64厘米的大圆盘,仙女座大星系稍大一些,有80厘米。两者相距大约11米。

以银河系为中心的方圆25米的范围(大概半个足球场),属于本星系群,包含大约50个星系,银河系和仙女座星系是其中的核心成员。



本星系群成员

图源 [email protected] Powell,汉化:[email protected]

以本星系群为中心方圆300米的范围,属于本超星系团(Local Supercluster),这个星系团包含至少100个星系团和星系群。



本超星系团成员

图源 [email protected] Powell




广州塔高600米,图中球形区域相当于本超星系团范围

图源 兹基派德


在六阶世界,可观测宇宙有多大呢?

500千米

看来我们需要更上一层楼。

七阶世界



先说说七阶世界的可观测宇宙有多大。

27米

这相当于一个标准篮球场的长度,一阶世界的一个篮球馆就能装下七阶世界的可观测宇宙。



丰田中心球馆

图源 公有领域


走进这个篮球馆,空气中飘荡的每一颗灰尘,都是一个星系。这些灰尘还会发光,想想就很梦幻。

不过我还是建议带上口罩,因为篮球馆里的空气......可能有些浑浊,毕竟灰尘总数高达2万亿,可能一不小心就会把好多银河系(约35微米)吸进肺里了。

直径不到3万光年的星系可以算是PM10,至于更小的,比如直径只有7000光年的小麦哲伦云,甚至可以归入PM2.5的行列。

馆内的灰尘还不是均匀分布,而是呈纤维状,有些地方多,有些地方几乎没有。



电脑模拟的宇宙大尺度结构,图中覆盖范围超过5000万光年

图源 Andrew Pontzen and Fabio Governato

你可能好奇一阶世界的篮球能在七阶世界占据多少空间。

篮球的直径我们取24厘米,相当于8.16E+24米,几乎是本超星系团(1.10E+24米)的8倍,和一个叫「双鱼-鲸鱼座超星系团复合体」(1E+25米)的宇宙大尺度结构相当。



一个篮球,就是10亿光年。

至于七阶世界的地球有多大呢?

0.000000000000000000373米

仅仅是质子(1E-15米)的万分之一,这是一个如今没有办法进行测量的长度。

来源:逐星基本法

编辑:Quanta Yuan 阅读原文

文章来源: 留园 查看原文
https://news.toutiaoabc.com/newspark/view.php?app=news&act=view&nid=346100
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