宇宙的尺度:從無窮小到無窮大

關於作者 

大衛·布拉特納,曾經寫過10多本各種各樣主題的書,涉及的領域包括數字成像、航空、科學等等。他特別擅長把一個技術層面、或者一個科學方面的問題用通俗易懂的方式寫出來。他的科普書籍在全球已經被翻譯成10多種語言,銷量超過百萬冊。 

 

關於本書 

在這本書里,大衛·布拉特納從數字、尺寸、溫度、時間和聲音等多個維度,為我們展示了宇宙不為人知的真正尺度。人類由於長久的進化,很難理解超出自己生活環境的尺度,所以在認識宇宙的時候,經常會出現理解上的障礙。布拉特納在這本書里,用了大量精確的數據和形象的例子,去幫助人們認識宇宙的尺度到底是什麼樣的。 

 

核心內容 

本書的思想核心是:宇宙的真正尺度極為浩瀚,超過絕大多數人的想象範圍,這就導致人們往往對宇宙不夠了解。布拉特納認為,通過介紹數字、尺寸、溫度、時間和聲音這幾個維度的宇宙尺度,能夠幫助人們認識自己生活的宇宙。  

 一、尺寸維度的宇宙尺度 

說到什麼東西有多大尺寸,我們就不能不提到數字。人類其實有一種本能,那就是比較擅長處理小數字。比如你看到五個蘋果,不用一個一個去數,就能輕鬆知道蘋果的數量是五。無論你覺得自己對數字敏不敏感,這個本能都在你的身體里。但是一旦數字變大,事情就變得完全不一樣了。比如當物體的數量超過六或者七時,你就不能再只靠感覺,必須數一數才行。 

而當數字更大一些,你對數字的感知和理解能力就越弱一些。而描述宇宙尺寸常常用到的「千萬」,「十億,「萬億」這些詞,由於遠離我們的日常生活,就導致宇宙的存在超過人們的一般理解。 

宇宙到底有多大呢?如果你在紙上畫上一個句號,把這個句號當成地球,那麼太陽的尺寸就相當於小孩子的拳頭。人類已知的、宇宙中最大的恆星是大犬座 VY 星,如果把太陽想象成一個直徑4.5米的圓球,那麼大犬座 VY 就是珠穆朗瑪峰。宇宙的最快速度是光速,光每秒行進的距離可以繞地球七圈半,即使是這麼快的速度,一束光要想橫穿銀河系,也需要十萬年的時間。而宇宙里,像銀河系這樣的星系,可能最多有一萬億個。 

二、溫度維度的宇宙尺度

 人類對溫度的認知範圍,大多隻局限於我們生活環境里的常見溫度,而宇宙里的溫度跨度,遠比我們熟悉的溫度跨度大得多。

先來看低溫,零度對於人來說就已經很冷了,而地球上自然環境中已知的最低溫,達到了零下89攝氏度。在零下180攝氏度左右的時候,空氣中的氮和氧就會變成液體。宇宙里已經測得的最低溫度達到了零下270攝氏度,而零下273攝氏度就是絕對零度,這個溫度是物理學中的最低溫度,只能無限接近卻不能真正達到。 

低溫的另一端是高溫。任何物體在溫度達到500多攝氏度的時候,都會開始發出微弱的紅光。太陽的顏色是明亮的橙色,是因為它表面的溫度為5500攝氏度,在這個溫度下,所有物體都會呈現出橙色。核裂變的溫度可以達到幾百萬攝氏度,而太空中有些恆星的表面溫度,可以達到20億攝氏度。人類目前在實驗室里製造出的最高溫是4萬億攝氏度,但這離科學家計算出來的物理學高溫的極限還差得很多,這個極限是1.4×10^(32)攝氏度,被稱作普朗克溫度。 

 

三、時間維度的宇宙尺度 

要想理解時間,你必須拋棄頭腦里長和短的概念,因為時間的長短都是相對的。對於有些微小的物理學粒子來說,百萬分之一秒就已經很長了,而對於宇宙來說,一百萬年也只不過是一瞬而已。

人的一生最多也不過一百多年,而地球的年齡到現在已經有45億年,如果你把一根繩子上的一毫米看成一年,那麼為了展示地球的年齡,你需要的繩子可以從舊金山延伸到紐約。 

宇宙至今已經有大約137億歲了,如果把宇宙的整個歷史壓縮到人類的一年裡,宇宙在1月1日誕生,那麼銀河系在3月才開始成形,太陽和地球直到9月1日才誕生。同樣在9月,地球上出現了單細胞生物,11月出現了多細胞生物。恐龍在12月29日滅亡,人類的史前生活,發生在除夕夜的最後一個小時,而我們所有有記載的文明史,都發生在12月31日最後1分鐘的最後22秒里。 

時間沒有最長,但是卻有最短。根據科學家推測,宇宙中最小的長度大約是1.6×10^(-35)米,我們把這個長度叫做普朗克長度。由於微觀世界的物理規律,任何比普朗克長度還短的東西,都不可能存在。而光走過一個普朗克長度的時間,就是宇宙里的最短時間,我們把它叫做普朗克時間,大約是5×10^(-44)秒,沒有比這個更短的時間了。 

四、聲音維度的宇宙尺度

 聲音的速度要比光速慢得多,聲音在空氣里的傳播速度大約是340米每秒,在淡水裡的傳播速度是大概1500米每秒,在鋼鐵里的傳播速度可以達到大概6000米每秒。不過,聲音並不擅長在兩種不同的物質里傳播,比如在釣魚的時候,你大聲說話也不會把水裡的魚嚇跑,因為魚很難聽到你的聲音。 

我們一般用分貝來衡量聲音的大小,聲音每增大10分貝,響度就增大一倍。也就是說,40分貝的聲音,響度是30分貝聲音大小的兩倍。這樣一來,其實聲音大小的增長速度是很快的。電吹風的聲音只有80分貝,而120分貝以上的聲音,就足以讓你的耳朵產生永久性的聽力損傷。 

目前人類已知的自然界最響的聲音來自喀拉喀托火山的噴發,超過了180分貝。而由於空氣的氣壓原因,在空氣里傳播還能不失真的聲音上限,只有194分貝,超過這個響度,聲音就會走音。 

金句 

1. 哲學家康德曾經說過:「世界上只有兩種事物能讓他內心常感到震撼,一個是人們頭頂的燦爛星空,另一個是人們心中崇高的道德法則。」從這個角度來說,了解宇宙和了解我們人類社會一樣,都非常重要。 

2. 目前人類已知的最大恆星是大犬座 VY,這顆恆星的直徑是太陽直徑的2000倍,如果把它看成是珠穆朗瑪峰,那麼太陽就只是一個直徑4.5米的圓球。 

3. 實際上,宇宙里包含的星係數量最多可能達到一萬億個,所以很多天文學家相信,就算這些行星里,只有很小的一部分適合生命的誕生,那按概率來說,我們幾乎肯定,宇宙里還存在著其他生命。 

4. 45億年前地球誕生,如果你把一根繩子上的一毫米看成一年,那要展示地球的年齡,你需要的繩子,可以從舊金山一直拉到紐約。 

5. 美國天文學家卡爾·薩根,曾經提出過非常著名的「宇宙日曆」,他把宇宙的整個歷史壓縮到一年。我們所有有記載的文明史,都發生在12月31日最後1分鐘的最後22秒里。 

6. 告訴大家一個判斷閃電距離的小竅門:雷聲和閃電其實是同時出發的,你看到遠處的閃電就開始讀秒,直到聽見雷聲再停下來,你數出來的秒數除以3,就是閃電離你的距離,單位是公里。