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《宇宙的尺度》
铛铛铃2025-09-13【科普】1人已围观
简介
为你解读的书是《宇宙的尺度》，副标题是从无穷大到无穷小。这本书的作者大卫·布拉特是一个很有意思的人，他的本职工作其实是一位数字出版专家，PHOTOSHOP之类的设计软件和排版软件是他最拿手的东西。同时，他也写了不少科普书，目前已经被翻译成了十多种语言，在全球卖了几十万本。作为一位技术专家，而非专业科学家，大卫的科普作品视角比较独特，他善于从日常生活、常见的事物出发，带领读者认识全新的领域。很快你就会从《宇宙的尺度》这本书中领略到这一点。
介绍本书之前，我们先听一个故事。在经典科幻作品《银河系漫游指南》中，说的是一支庞大的外星舰队前来袭击地球，结果他们发现自己弄错了尺度，所以这只大军刚在公园里着陆，就被一条小狗吃掉了。这个故事告诉我们，当你试图理解这个世界的时候，尺度非常重要。《宇宙的尺度》这本书正是从日常生活中最常见的谱系出发，让我们身临其境地感受不同尺度下的宇宙。
在讲尺度之前，首先引入一个人类尺度的概念。所谓的人类尺度，就是指让人类感觉舒适的范围，它又叫中间世界。生活中，我们总是倾向于以人类的尺度为基础，建立对现实的感知。这个尺度范围包括能够轻松步行到达的距离、不超过人类平均寿命的时间，以及在地球上可以感受到的温度，范围大致是从冰的寒冷到火的灼热。理性上，我们知道人类能够感受的只是世界的一小部分，真正的世界比这广阔得多；但感性上，人类始终停留在这个中间世界里，难以理解超出自身感知范围的事物。然而，要真正认识到人类在宇宙中的位置，我们必须离开舒适区，去探索陌生的领域。
《宇宙的尺度》分别介绍了数字、尺寸、光、声、热和时间这六种谱系的不同尺度，带我们体验何谓超出人类尺度。现在就从第一种谱系数字开始说起。我们擅长处理日常生活中的数字，比如看时间、买菜、算账，但谁也无法摆脱人类自身的局限，大数字是我们的软肋。在数字这个谱系上，人类尺度的范围到底有多大？请想象一下，假如桌上有三个苹果，你看一眼就能报出来苹果的个数，但是要是苹果增加到20多个，你就得好好数一数了。那么一筐苹果、一车苹果，甚至满满一个游泳池的苹果呢？很快你就会陷入混乱，甚至说不清那一大堆苹果到底是几百个、几千个还是几万个。对人类来说，能够感性认知的数字上限最多只有几十，物体的数量一旦超过100，你就会开始估算近似值，或者用已知的数作为参照。对于更大的数字，我们可以从理性上认知，却没法在脑子里形成具体的概念。比如说，如果有人送你1万个苹果，你知道那有多大一堆吗？不过，要是把苹果换成钞票，你立即就知道，1万块钱就是100张100块吗，一小碟而已。是的，谈到钱的时候，我们能理解的范围似乎变大了不少。不过请注意，你对钱的认识依托于参照物，比如说一叠钞票、一部新款手机、一台大屏幕电视。即便如此，你认识的范围依然是有上限的，这个上限取决于你自己的收入和财产。
那么，我们该如何去把握大数字呢？一个简单的诀窍，是把它压缩到自己习惯的尺度。还是以钱为例，假设一个普通人每年赚5万，一个富翁每年赚500万，这两个人的生活有什么区别？发挥想象力的时候，不要把你自己的收入乘以100，而是把所有东西的价钱除以100。一台新的笔记本电脑，只要40块；一辆新车几千就够了。只要你足够有钱，所有东西看起来都很便宜。要理解马云的财富，不要去想3000亿的身家，那只是一个没有意义的大数字而已，你只需要想象所有东西的价钱都变成实际价格的百万分之一。最新上市的IPHONE只要一分钱，一辆超跑大约几块钱，你眼中价值5000万的豪宅，对他来说只值50块。对普通人来说，3000亿的财富完全超乎想象，但是将目光投向财富以外的领域，3000亿这个数字可能又算不上什么了。要知道你的身体里就有100万亿个细胞，这个数字相当于十的14次方。把目光再放远一些，太阳系的半径大约只有亿光年的1‰，而目前人类能观测到的已知宇宙半径差不多有465亿光年，这个范围内的恒星大约有16×10的20次方颗，这个数字看起来大得不可思议，但实际上它只相当于十滴水里蕴含的分子数量。
最大的树到底有多大呢？1938年，美国数学家爱德华·卡斯纳让九岁的侄子米尔给一个大的不可思议、超乎想象的数取个名字，孩子回答说，古戈尔，并把这个单位定义为十的100次方，也就是在一后面写100个零。这个数字超越了目前已知事物的极限，现实世界里还没有能达到一古戈尔量级的东西。已知宇宙里的所有原子总共只有大约十的80次方个，比一古戈尔小了19个数量级，所以更大的数字只属于纯数学的领域。在数字谱系的另一头，复数和虚数也是只属于纯数学领域的概念，你数不出负的三个苹果手机，自带的计算器上也没有虚数。同样只属于纯数学领域的还有无穷，数学有一个基本前提，世界上存在无穷大和无穷小的东西，但无穷不是终点，更像是一个想法。我们不能确切地指出从什么地方开始，那些极大的数就等同于无穷，无论你脑子里想到的是多大的数，无穷都比它更大。一古戈尔和无穷之间的距离，并不比一和无穷之间的距离近，无穷加一等于无穷，无穷加无穷也等于无穷。你可能理所当然地认为奇数的个数是自然数的一半，但事实并非如此，奇数、偶数和自然数的数量都是无穷。复数、虚数和无穷这些只存在于理论中的抽象概念，帮助我们建立了数学的恢弘殿堂，让科学家得以计算火箭、轨道和量子运动，引领人类飞向更遥远的彼方。
说完了第一种谱系数字，接下来介绍的第二种谱系是尺寸。易于测量的人类尺度大约是从几毫米到几千米的范围，面对12千米以上的物体，我们很快就会失去对尺寸的感知。你或许能看见它，相信它的存在，却无法将它纳入人类的尺度。有趣的是，我们对长度的感知范围比高度大得多。举个简单的例子，说到太空，大家都觉得那距离我们十分遥远，但实际上，国际空间站到地球表面的高度大约是370千米，只比南京到上海的距离稍微远一点，这样一想，感觉就近多了。为什么会这样呢？答案很简单，你在日常生活中能接触到的长度范围远大于高度。想一想，早在几万年前，虽然那时候连轮子都没有，但人类已经跨越上万千米的距离，从非洲迁徙到了全球各个大陆。然而一直到100多年前飞机问世以后，人类才飞到距离地面几十米以上的高度。当然，就算不会飞，人类也可以通过爬山来登高，可就连珠穆朗玛峰的高度也不到9千米，如果把这个高度换成长度，你每天上班通勤的路程可能都不止9千米。喷气式客机的飞行高度能达到10千米，再往上走100千米，飞行员就变成了宇航员。在离地这么远的地方，大得超乎想象的尺寸刚刚开始登场。地球到月亮的距离大约是378000千米，相当于地球周长的十倍。金星是离地球最近的行星，它和地球之间的距离超过地球与月球距离的100倍，这样的尺寸已经超出了我们的想象范围，变成了纯粹的数字。想要理解它们，可以借鉴第一部分里理解数字的方法，把它套进自己熟悉的尺度里。对于超出人类尺度的所有东西，你都可以采取类似的办法。比如说，如果地球的尺寸和普通5号字的句号差不多大小，那么月球到地球的距离大约有15mm，差不多相当于你手指的厚度，而太阳的尺寸相当于孩子的拳头，距离地球这个句号6米开外。如果把太阳系压缩到一枚硬币的大小，那么整个银河系的面积大约相当于半个中国。
说到这里，你可能对宇宙的尺寸已经有了一点概念，但实际上，银河系只是本星系群的一小部分，整个本星系群有大约30个独立星系。我们继续前进，本星系群又是室女座超星系团的一小部分，这个超星系团大约比银河系大1000亿倍，由几百甚至几千个星系组成。如果你还没晕的话，请想象一下，宇宙中可能有大约1000万个超星系团，包含着几十亿甚至几万亿个星系。考虑到如此庞大的基数，现在你应该能理解为什么天文学家坚信宇宙中必然存在人类以外的智慧生命。宇宙的庞大和微观粒子的渺小同样令人惊叹，要知道宇宙中最大的超星系团一样是由基本物质构成的，包括原子和亚原子微粒，可能还有更小的东西。人类视力能分辨的尺寸下限大概是0.1mm，差不多相当于尘螨和人类卵子的直径，或者说一张钞票的厚度。但是，尽管我们能看到一粒盐或者一只很小的虫子，但人类依然难以理解微观世界，微观世界的机制和宏观世界截然不同，这是因为两个世界里力的表现方式很不一样。宇宙中只有四种基本力：引力、电磁力、强力和弱力。从根本上说，我们在宏观世界里体验到的一切力量，包括拉力、阻力、摩擦力、离心力，都是这四种基本力的排列组合。比如说，作为一个宏观生物，你可以呼吸空气，毫不费力地在空气中前进，但对微小的昆虫来说，空气是无数分子组成的厚重流体，你以为虫子在飞，实际上它们却觉得自己在游泳。
如果继续向前进入微观世界深处，我们就必须学习一些新的规则，人类尺度里难以理解的规则。比如在真实世界里拍拍手，你会听到清脆的掌声，感受到拍击产生的热量，但在纳米级世界或者更小的皮米级，也就是一米的万亿分之一的世界里，原子和分子很少发生真正的碰撞，它们只会不断地相互吸引或排斥，就像微型磁铁一样。一只手靠近另一只手的时候，你皮肤里面的分子会绷得紧紧的挤在一起，共同推开另外那只手，整个过程进展很快，而且发生在显微级层面上。与此类似，你或许还能感觉到自己的背靠在椅子上，汽车的保险杠撞上一堵混凝土墙，你以为它们紧紧地贴合在一起，但实际上，组成你身体、汽车和墙的分子并没有发生真实的接触，你体验到的一切都来自电磁力的作用，只不过电磁力的尺度太小，我们无法直接地感受到它，所以才会误以为自己的背真的挨到了椅子。人类无法直接感受到除了微观世界的力，还有大自然中各种瑰丽的光，接下来就谈谈光这一尺度。
光分为很多种，你肯定听说过可见光、红外线、紫外线等等，它们有什么区别呢？答案是波长。如果光波振动的速度很慢，就说它的波长长、频率低，反之则是波长短、频率高。可见光的波长大约从380NM到750NM之间，从红色到紫色，这就是人类能看到的光的范围。如果光谱是一根筷子，那么可见光在这根筷子上占据的长度还不如一粒灰尘，我们的眼睛看见彩虹的边缘逐渐暗淡，仿佛融入了虚无，但电子设备能观察到远超红与紫的世界，宇宙远比我们看到的要奇幻得多。由于光速快得不可思议，所以在讨论波长和频率的时候，我们必须面对一些非常大和非常小的数字。红光的频率大约是420太赫兹，这意味着红光的电磁场大约每秒转换420万亿次，如果你的车轮旋转速度有这么快的话，一眨眼的时间，你就能从太阳系的这头开到那头。在这个频率下，单个的红光光波波长大约是700NM，差不多相当于血红细胞直径的1/10。如果波长逐渐缩短，那么红光会变成黄光，然后依次变成绿光和蓝光，最后，当波长缩短到红光的一半左右时，它会变成紫色，波长继续缩小，光谱就会进入我们看不见的紫外线的范围，X射线和伽马射线都属于紫外线的范围，它们在医学领域都有非常广泛的应用。
如果往另外一个方向发展，波长逐渐变长会怎么样呢？微波就是一种波长较长的红外线，你家的微波炉利用的就是微波，这种光波会被特定种类的分子吸收，例如水、脂肪和糖，它让分子振动起来，互相碰撞，产生热量，但是与此同时，它会从另一些分子中穿过，不产生任何效果，比如爆米花和土豆干燥的外表面。很多人说微波是内到外加热的，这其实是一种误会，真正的原因是食物通常内部湿润，表面干燥，所以里面容易先热起来。比微波更长的电磁波是无线电波，广播电台和手机基站使用的都是这种光波。再往前走，宇宙中电磁波的长度没有极限，但在地球上，低频波的极限在哪？你肯定猜不到，它就藏在我们的脑子里，人类脑波的频率最低可达4Hz以下，用真空光速除以频率，可以算出这种低频脑波的波长差不多接近1亿米，这种超长的德尔塔波出现在无意识状态下。紫外线波长短、频率高，所以它们携带的能量高、穿透力强，这样的特性容易造成破坏，但也可以帮助医生精确切除病人身体内部的病灶，不用开刀，这就是伽马刀的原理。反过来说，红外线波长长、频率低，它们的穿透力没那么强，但加热效果十分显著，微波炉就很好地利用了这种效应。在日常生活中，紫外线和红外线各有千秋，都很有用。
光是一种电磁波，而声音是一种运动，确切的说，声音是分子在介质中的运动，我们的听觉实际上是触觉的延伸。站在大声播放音乐的喇叭旁，你常常能感觉到声音对皮肤的压力，贝斯的低音犹如滚雷，高亢的调子仿佛针刺，实际上，你感受到的是分子运动碰撞形成的气压波，耳朵对压力的这类变化非常敏感。声音的传播依赖于介质，也就是某种能传递能量波的固体、气体或者液体，没有介质就没有声音。某些电影里有这样的场景，一艘宇宙飞船上的乘客能听到太空中的声音，但这其实是不可能的，无论多响的声音，最多只能传到大气层边缘，因为声音在真空中是无法传播的。当然，声音并不是只存在于地球的大气层内，我们沐浴在太阳的辐射中，但很少有人会想到这个巨大的气球发出的噪音该是多么可怕。如果你听过炉火的噼啪声，那么请想象一下，太阳由氢、氦、氧和气态金属组成，气体和等离子在上千万度的高温下燃烧，它们会发出什么样的声音，只是因为太空的阻隔，这些声音无法传到地球上。不过，科学家利用仪器探测到了太阳发出的声音，这种声音的振动频率太低，人耳无法听见，但如果将40天的声音压缩成几秒钟，你就会听到某种奇怪的铃声，或者说缓缓敲击的钟声，那时太阳正向着宇宙深处长鸣。
和光一样，人类的耳朵能听到的声音非常有限，频率大致介于15Hz到二十千赫之间，儿童能轻松听到二十千赫的声波，但这种能力会随着年龄的增长逐渐消失，人到中年以后，基本就听不见十五千赫或十六千赫以上的声音了。市场营销人员利用了这种区别，英国一家保安公司用设备发出十七千赫的嗡嗡声，好赶走在店门外闲晃的青少年。很快，有人找到了反向的应用，他们把手机铃声设置成高频音，于是孩子能听见手机在响，老师和家长却听不见。频率超过二十千赫的声音被称为超声波，很多动物的听力比人类灵敏，狗能听见频率高达四十五千赫的超声波，猫能听到的频率还要更高一些，蝙蝠的叫声甚至能达到一百千赫以上，它们依靠自己的叫声完成回声定位。人类也为超声波找到了很多用途，牙医利用超声波洗牙，医生借助超声波无创粉碎肾结石，工程师也用超声波检查材料的内部结构，这些应用采取的声波频率都远超动物的听力范围，从五十千赫到18兆赫不等。
在声波谱系的另一头，频率达到20Hz以下时，我们就进入了次声波的神秘世界。大部分海洋哺乳动物采用低频的次声波交流，因为低频音传得更远，座头鲸和蓝鲸的鲸歌频率在十到30Hz左右，它们低沉的歌声能传到几百千米以外。奇妙的是，人类虽然听不到次声波，但却能感受到它。伦敦某个研究小组曾在一座音乐厅后面架设了一台次声波大炮，听众欣赏音乐的时候，他们间歇性地掺杂了非常轻柔的次声波，事后有22%的听众报告说自己感觉到了强烈的不适或者恐惧，另一些人的感觉恰恰相反，他们觉得内心格外神圣、超凡、脱俗。生活中也有类似的案例，某家工厂的雇员拒绝在特定的几个房间里工作，因为待在里面他们就觉得莫名难受，后来人们发现，冷却风扇送进这些房间的不仅是空气，还有次声波。现在有的科学家相信，很多房子闹鬼的传说实际上源自次声波。人类发现的频率最低的声音来自遥远的天文事件，大约2.5亿光年外的英仙座星系团里有一个黑洞，它发出的声波波长有几十亿米，准确的说，研究者认为它是一个B降调，比中C调低57个八度，比我们能听到的最低的声音还要低千万亿倍。
除了频率以外，音量和音色也是衡量声音的重要维度。音量取决于声波的振幅，振幅越大，音量越大，你听到的声音就越响，而音色实际上来自标准谱段以外的杂音。假设钢琴和唢呐发出的都是同样频率的声音，而且没有任何杂音，你绝对听不出二者的区别，但是由于制作材料、乐器形状的区别，它们发出的声音都不是纯粹的，而是掺杂着标准音调之外的杂音，正是这些杂音构成了钢琴和唢呐的独特音色。
除了音乐以外，热水澡也同样令人愉悦，因为热量意味着生命，热是这个宇宙中另一种重要的尺度。热的本质是运动，能量总是不可避免地转换成运动，运动状态在原子和分子间传递，直至热量尽可能地均匀分布。我们将温度作为热的度量单位，以温度来衡量某件物品里蕴含多少能量。自然界的温度跨度很大，我们熟悉的只是其中一小段，大致从零下几度或几十度的气温到几百度的火焰。作为衡量温度的单位，常见的温标有三种：摄氏度、华氏度和开氏度，其中前两种温标主要用于日常生活，开氏度则常见于科研领域。开氏度温标中每一度的尺寸都和摄氏度一样，但它起始的零度却要低得多。刚才说过，热的本质是运动，物体内部的分子或原子运动的速度越快，它的温度就越高，反之则越低。不过请记住一件重要的事情，在原子层面上，所有东西都不可能真正停止运动，也就是说，宇宙中没有真正冷的物体，最多只是没那么热。基于这样的认识，我们将开氏度的零点定义为所有原子停止运动的状态，也就是所谓的绝对零度，它约等于零下273.15℃。越接近绝对零度，分子和原子的运动速度就越慢，如果真的达到绝对零度，宇宙中就不会存在任何运动，没有光、没有热、没有恒星和星系，更不会有人类。好消息是，绝对零度是一个可望而不可及的理论极限，任何事物都不可能达到这么低的温度，只能不断逼近。
宇宙中已知最低的自然温度出现在回力棒星云，这团领结状的弥散气体是一颗垂死的恒星释放出来的，它的温度只有大约一开氏度，也就是零下272.15℃，比这更低的温度只存在于实验室里。然而，努力接近绝对零度的旅程就像一场噩梦，你努力试图消灭更多热量，结果却开始产生热量，但是这个目标值得我们去努力，因为极冷的世界里藏着一些惊人的现象。在极冷的温度下，原子的行为会变得十分古怪，这带来了一些出乎意料的技术进步。比如说，有的物质在极低的温度下会变成超导体，例如铅和碳60，超导体不光能导电，而且不会造成任何阻碍，所以超导线圈中的电流永远不会衰减。超导体帮助科学家造出了格外强大而精确的磁铁，在日本的一项实验中，基于超导技术的磁悬浮列车速度达到了每小时581千米，打破了火车速度的世界纪录。未来某天，整个电网或许都会换成超导材料，无限接近绝对零度的世界里埋藏着太多不可思议的事情。
而如果将目光投向温度谱系的另一头，高温的世界同样令人惊叹。对大部分人来说，蜡烛的火焰就足够暖和了，但在热的谱系中，这仅仅是个起点。地核的温度高达6000多开氏度，木星的核心温度有2万开氏度，而太阳核心的温度大约有1500万开氏度，宇宙中有很多比太阳更热的恒星，但61开氏度是恒星的温度上限，一旦超过这个温度，恒星就会坍塌爆炸，形成壮观的超新星。2010年，科学家在实验室里创造出了4万亿开氏度的高温，刷新了人类已知的温度记录，但温度存在理论上的极限。粒子越热，运动速度就越快，随着粒子的速度不断逼近光速，它的质量也会随之增加，如果持续升温，那么温度高到一定程度的时候，物质的每一个粒子都会变得过于致密，以至于坍塌成一个个黑洞，导致几乎所有东西都遭到破坏，包括基本粒子在内。这个理论上限大约是1.4×10的32次方开氏度，至少在我们这个宇宙里，这就是绝对的至高温度。
最后，也是最神秘的一个尺度是时间。时间是我们这个宇宙中最大的谜团，所有用于定义某段特定时间的词语，比如说春天、暑假、工作日，都是人为的、主观的，换句话说，时间完全是人类定义出来的。关于时间，唯一能确定的，它与某种变化有关，如果没有变化，时间也不复存在。一秒、一小时、一年，这都是人类尺度的时间，我们熟悉这些单位，并利用它们来安排日常生活。对人类个体来说，你能够直接体验的最长的时间跨度不过是一生，也就是不到100年的时间。相比之下，地质尺度的时间漫长的无法想象。你可能看过一些延时摄影的影片，云在空中快速移动，四季变化浓缩在短短几秒内，那么请想象一下，某部延时影片的每一帧代表1万年，假如从地球诞生时开始拍摄，最终完成的影片将长达四小时，而人类的整个历史要到镜头的最后一秒钟才会出现。这样的尺度被科学家称为地质时间。在人类尺度的时间看，我们必须承认近年来人类的确严重影响了地球的气候，但站到地质时间的角度，在地球气候4万年一个循环的大周期中，现在的地球很可能正在进入下一个自然的冰川期，而全球变暖可能会把它推迟一点点。
以上是极长的时间，再来说说极短的时间。形容某件事发生的太快，我们会说眨眼之间或者电光火石，这样的形容相当贴切，因为眨一次眼大概需要1/3秒，人类的眼睛大约能看清1/10秒内发生的事情，要是速度比这还快，我们眼前就只剩下一片模糊。如果以每秒20或者30页的速度连续翻动一本印有静态图像的书，那么在我们眼里，书页上的画面会无缝连接起来，我们相信自己看到了流畅的运动，这就是电影的原理。生活中能见到的最快的事件可以达到毫秒级，也就是1‰秒，苍蝇每3ms振动一次翅膀，普通傻瓜相机的快门时间大约是一毫秒，我们可以从某种程度上理解毫秒，一秒内发生1000件事，这固然震撼，但依然可以理解。那微秒，也就是百万分之一秒，又应该如何理解呢？请想象一下，点击一次鼠标大约要花费50万微秒，这已经走到了人类思维的边缘。然而，比微秒更短的时间单位还有纳秒、皮秒和飞秒。沿着科学之路走得越远，人类越发现自己的渺小和无知。在宇宙的所有尺度中，我们能够体会、感受的只是微不足道的一点，但这并不意味着我们应该停止尝试。人类就是宇宙这个庞大而复杂的谱系的一部分，只要一直保持好奇心，勇敢走出中间世界，去拥抱更广阔的尺度，我们终将收获更多知识，解开更多秘密。
好，《宇宙的尺度》这本书就为您解读到这里，听书笔记在音频下方，我们下期再见。
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