穿越宇宙尺度的奇妙旅程

改编自《可缩放的宇宙：穿越宇宙尺度的史诗之旅，从几乎一切到几乎虚无》，作者迦勒·沙夫，插图作者罗恩·米勒，经大众科学/法勒、施特劳斯和吉鲁出版社（美国）、大西洋图书出版社（英国）、 cheers Publishing Company（中国）安排出版。文本版权 © 2017 迦勒·沙夫，插图版权 © 2017 罗恩·米勒。保留所有权利。

你想听有史以来最史诗的故事吗？

很久以前，你体内的原子散布在数万亿公里的空旷空间中。数十亿年前，没有任何迹象表明它们最终会构成你的眼睛、你的皮肤、你的头发、你的骨骼或你大脑中 860 亿个神经元。这些原子中的许多来自一颗恒星的深处——也许是几颗恒星，它们本身相隔数万亿公里。当这些恒星爆炸时，它们将自身的一部分向外抛射，形成一股灼热的气体洪流，充满了数百亿个星系中的一个星系的一小部分，这些星系排列在一个巨大的空间和时间跨度中，几乎有一万亿万亿公里宽。

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这些原子中的一些曾经在三叶虫的壳里，也许是数千个三叶虫。 从那时起，它们就存在于触角、根、脚、翅膀、血液以及数万亿、千万亿的细菌之间。 有些漂浮在曾经俯瞰一亿年前景观的生物的眼睛里。 还有一些则依偎在恐龙蛋的蛋黄中，或悬挂在冰河时代深处喘着粗气的生物呼出的气息中。 对于另一些原子来说，这是它们第一次落户于生物体，它们在海洋和云层中漂流了亿万年，成为万亿滴雨滴或十亿片雪花的一部分。 现在，就在此刻，它们都在这里，构成了你。

每个原子本身都是一个复合体，直径为十亿分之一米，位于我们感知的现实与量子世界之间宇宙的陡峭边缘。 电子模糊地占据了原子的大部分空旷空间。 质子和中子聚集在原子核中，原子核比原子小 100,000 倍，它们本身由其他极小的东西组成：夸克和胶子。 电子可能没有有意义的尺寸属性，但可以被认为是比原子核小 1000 万倍。

将所有可识别的物质加起来，可能存在 10

⁸⁰ 个粒子，例如质子、中子、电子和已知宇宙中的其他亚原子项。 这是一个非常大的数字，但这也只是九牛一毛，因为宇宙中可能漂浮着十亿倍的光子。 然而，这些东西仅占我们认为的空间总物质和能量含量的 5%。 天文证据表明，存在一个仍然神秘的亚原子粒子和基本力的阴影领域，它们构成了宇宙的大部分——一个暗物质和暗能量的地下世界，支配着整个宇宙，但我们却看不见。

此外，在大约 138 亿年前的某个时刻，所有这些可见和不可见的物质都被挤压成一个更小、能量巨大的空间和时间的起源，我们仍然身处其中，以及任何可能存在于十亿光年之外的生物。 即使现在，我们也没有真正脱节。

真是个奇谈怪论。 除非这不是虚构，而是我们目前对宇宙及其历史的理解[见上图]。

为了检查和展示我们真正了解（以及我们不了解）的关于自然界整体的知识，我们转向一种久经考验的方法——简单的 10 倍缩放视图的前提，以游览宇宙，从可观测宇宙的边缘到现实的最深处。 从手指和脚趾到现代数学和测量，我们都可以掌握 10 的幂的概念——大小变化 10 倍或十分之一。 将这些滑动尺度在空间的三个维度以及我们称之为时间的棘手事物中链接在一起，我们就有一种语言来表达自然界的连续性和关系，这种语言远远超出了我们的共同经验。 10 的幂让我们能够从几乎一切缩放到几乎虚无。

当然，可缩放的概述无法详尽地叙述宇宙的内容和历史的每一个细节。 相反，它将我们带到整个宇宙物理尺度中的特定航点，跨越 62 个数量级，从亚原子世界的量子构建块到整个行星仅仅是冷冻矿物液滴的领域，再到迄今为止发现的最广阔的领域，其中整个星系像宇宙地平线上的闪烁尘埃一样成群结队。

这场穿越所有已知现实尺度的旅程，本质上就是“一切”的真正含义。 你可能会想问接下来会发生什么。 宇宙之外，一切之外是什么？ 在我们可观测现实的阳光充足、尘埃弥漫的房间“之外”可能是什么？ 这些都是很好的问题，并且在非常真实的意义上，任何“在”我们宇宙“之外”的东西现在都必须仅仅是“非宇宙”。 连接这些领域的阈值是一个徘徊在我们宇宙视界的地方，其尺度由光在宇宙年龄期间传播的距离设定。 边界内是可观测宇宙。 就在外面是一个仍然神秘的迷宫。

我们生活在非常小和非常大这两个极端之间狭窄的生存空间中，从我们主要由水组成的多细胞生物体的膜内部观察、倾听、嗅闻和感觉。 不知何故，我们从这些感官中构建意义，体验那种被称为意识的难以捉摸的属性，甚至可能拥有那种我们称之为智慧的难以捉摸的品质。 宇宙中其他复杂的生命可能以相同的方式构建，以像我们一样行动、感觉和思考。 或者，也许我们的生物学并不是构建生物的唯一方式； 也许意识和智慧源于我们大脑的电化学物质的想法并不适用于宇宙其他地方的头脑。

面对这些关于自我和宇宙的许多尺度的谜团，我们真正能做的就是祈祷，希望我们独特的经验不会误导我们，因为我们正在理清存在的重大问题。

总而言之，我们的处境有点滑稽。 我们处在一个非常不适合获得关于现实本质的客观真理的地方。 在可观测宇宙中一万亿万亿颗恒星中的一颗普通恒星轨道上漂浮着一颗小小的岩石行星，我们每个人都被锁定在一个独特的、有自我意识的肉体斑点中，嵌入在生物进化的网络中，这个网络蔓延了亿万年。 即使我们的身体也不完全属于我们自己，因为它们也充当了数万亿细菌和病毒的达尔文战场。 而这一切，我们所知的一切生命，似乎都仅仅源于大量重复的分子结构之间的相互作用——DNA 和 RNA 的精美结构相互作用，而 DNA 和 RNA 本身又源于质子、中子、电子和电磁力的物理学。 如此微小的组件只是遵循大约 138 亿年前冻结到位的宇宙基本“规则”。 然而，它们共同构建了星系、行星、人类、鸟类以及宇宙中谁也不知道的其他东西[见上图]。

这一切是如何发生的？ 这个史诗般的故事究竟是如何开始的，又将如何——如果会结束的话——最终结束？ 这些问题是我们从我们不利的有利位置构建自然的理性图景的核心。 任何答案都是一个正在进行的工作，但必须已经存在于宇宙令人眼花缭乱的尺度之间无数交叉点的模糊轮廓中。 我们邀请您探索它们并欣赏它们的美丽。 毕竟，这个宇宙和你的一样，也是任何人的宇宙。