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震撼!世界从10亿光年到0.1飞米(最新完整版42P) (二)

2017-3-13 16:12| 发布者: 孑影吟风| 查看: 500| 评论: 0

摘要: 100公里芝加哥的市中心就坐落在密歇根湖的南端。在这样的一天里,街上的行人也许会抬头看看蓝天,但拍照的飞机飞得太高,几乎不可能被发现。在那么多模糊的街道中,我们可以看见一些格子,那些是一英里见方的芝加哥 ...

[此图所示区域的边长约为1千公里,即10的6次方米。低轨道即普通的卫星,以及载人航空器飞行的轨道,距地面约200-300公里。而大气现象主要发生在对流层,即距地面不到10公里的一层大气。从这个尺度往下,是我们日常的各种科学的主要研究领域,其中最重要的可能是物理学。]


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100公里


芝加哥的市中心就坐落在密歇根湖的南端。在这样的一天里,街上的行人也许会抬头看看蓝天,但拍照的飞机飞得太高,几乎不可能被发现。在那么多模糊的街道中,我们可以看见一些格子,那些是一英里见方的芝加哥林荫大道网络。


[此图所示区域的边长约为1百公里,即10的5次方米。芝加哥是美国第三大城市,位于伊利诺斯州,市区面积约600平方公里,人口约400万。]


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10公里


城市的心脏出现在我们眼前,这里是几百万人工作和居住的地方。照片所展示的城区、公园、港口,对于他们是很熟悉的。被1871年芝加哥大火所烧毁的木制房屋,原先就处于本图所包括的区域里。图中所示的绝大部分细节都是后来的建筑物,不过街道和铁路在大火中幸存了下来,它们也将比大部分私人建筑使用寿命更长。


[此图所示区域的边长约为10公里,即10的4次方米。1871年10月8日晚开始燃烧的芝加哥大火,是美国历史上最令人恐怖的灾难之一。大火整整燃烧了30个小时,造成约300人死亡,10万人无家可归,全城2/3的房屋被烧毁,最后扑灭这场大火的是一场迟来的大雨。]


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1千米


现在我们看到的可不是地图上的那些个符号。这里是城市里很平常的一副场景:湖边的快车道、士兵的驻地、一段飞机跑道、泊船的码头以及博物馆。


[此图所示区域的边长约为1公里,即1000米。从这个尺度往下是我们日常生活的尺度。]


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100米


公园中的野餐距离喧嚣的高速公路和码头上的游艇都不太远。野餐的人尽可以自得其乐,因为附近没有什么人。如果地球上的所有人全部平均分布到所有陆地上的话,这两位能分到的大约是本图所示土地的6倍。而要为他们提供谷物的话,他们只需耕种图中的草地部分就行了。


[此图所示区域的边长约为100米。]


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10米


一男一女正在公园中野餐。这场野餐是以上从外太空开始的所有照片的中心。


[此图所示区域的边长约为10米。从这里往下是生物学的主要研究领域。]


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1米


这就是人类交往、谈话、接触的尺度。一个男人在10月里的温暖一天中小睡。他周围是满足其身心需要和愉悦的生活用品。在这一张照片和下一张照片之间,照片本身的尺度和它们拍摄对象的尺度唯一一次大小相当。“人是万物的尺度”,智者普罗泰戈拉如是写到。


[此图所示区域的边长约为1米。普罗泰戈拉(Protagoras)是古希腊哲学中“智者派”的代表人物之一,生活的年代大约在481 BC到411 BC之间。]


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1分米


现在这个尺度就有点个人化了。这是你的手背的照片,有点放大。手,这个生机勃勃的结构,在大脑和眼睛的指导下,时不时还得到人体其他部分的帮助,创造了我们在这个世界上所有代表性的成就,包括这张拍摄它自己的照片。


[此图所示区域的边长约为1分米,即1/10米。从这个尺度开始,生物学(包括医学)是最重要的科学。]


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1厘米


如同透过一个大号的放大镜,我们来对皮肤做一次细致观察。这些褶皱既表明皮肤是有弹性的,也说明了为什么会如此。


[此图所示区域的边长约为1厘米,即1/100米。]


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1毫米


这里,我们进入了那些揭开许多自然之迷的显微镜使用者们的世界。对于比这张照片更逼近终点的后面每张照片来说,我们向着内部的旅程已走过了9/10。我们的终点在这人的皮肤之下,是在一根毛细血管中流通的细胞内部。


[此图所示区域的边长约为1毫米,即1/1000米。]


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100微米


出人意料的细节出现了,我们几乎认不出来了。在那更深的地方,我们将进入一个人体内部的世界,我们对于它和对遥远的恒星一样陌生。


[此图所示区域的边长约为100微米(micron,μm),即10-4次方米。]


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10微米


穿过表皮,我们进入了一根有血液进出的毛细血管。大多数血红细胞都是小小的、不完整的、短命的饼状结构,血液的颜色其实是它们的颜色。这个白色的细胞叫淋巴细胞,它的寿命较长,而且是免疫系统——抵御细菌感染的一种细胞及化学策略——的一份子。


[此图所示区域的边长约为10微米,即10-5次方米。生物体内大多数细胞的大小都在10微米上下。当然也有例外。人体内部个头最大的单个细胞是女性的卵子,直径约0.1毫米,即100微米。而世界上最大的单个细胞是鸵鸟的蛋,直径是分米量级的。]


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1微米


我们现在位于多褶的淋巴细胞内部,却发现了另一个表面,这是在细胞内部包裹着细胞核的一层膜,起保护作用的。这些微小的孔隙允许里面的物质流到外面更大的细胞内部空间。每一个完整的细胞都有这样一个细胞核,它发出的分子指令控制着细胞的一生。一个人体内的细胞数目,比一个星系内的恒星数目要多一百倍。


[此图所示区域的边长约为1微米,即10-6次方米。]


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100纳米


在细胞核内部被紧紧地包裹起来的,是大量的长链状分子,这些绕在一起的DNA卷,在细胞核内狭窄的空间内巧妙地绞缠、折叠在一起。每次细胞分裂时这些至关重要的指令都会被精确地复制。人体中每个细胞的细胞核内都有46个(23对)染色体,每个染色体都由这样一大段DNA卷折叠而成,如果全部伸开的话,该DNA分子链将有几厘米长。


[此图所示区域的边长约为0.1微米,也可以说是1000埃(Angstrom),即10-7次方米。一条DNA分子链的直径约为20埃,而它自己绕在一起形成的一段DNA卷,直径约100埃。]


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10纳米


仔细看DNA卷,我们看到的是扭曲的、长长的分子梯,即双螺旋结构。各个器官的特性都储存在不同位置的连续分子段中。那些化学信息是用4个字母的分子语言连篇累牍地写出来的。一套语言,使用终身;但在各人身体内的细胞里被复述的故事,彼此又不完全相同。分子梯的双链在细胞复制时分开,作为复制全新的分子梯时的模板。


[此图所示区域的边长约为100埃,即10-8次方米。DNA内的生命信息是用4种核苷酸来记录的:腺嘌呤(deoxyAdenosine monophosphate,A)、胸腺嘧啶(deoxyThymidine monophosphate,T)、鸟嘌呤(deoxyGuanosine monophosphate,G)和胞嘧啶(deoxyCytidine monophosphate,C)。核苷酸的配对规则是A-T,G-C。在指导细胞的活动时,DNA先将需要表达的信息转给一种“信使RNA”,而“信使RNA”上每3个核苷酸代表一种蛋白质。蛋白质共有20种,而4种核苷酸,3个一起就有43,共64种可能性,足以代表所有种类的蛋白质。]


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1纳米


这些“砖块”是分子“印刷版”,书写基因信息的字母。那卷帙浩繁的信息就是由它们之间的特定顺序来决定的。这些形式是化学结构,普通的、稳定的原子,它们对于生命现象一无所知。中间的那个是碳原子,和它相连的是旁边的3个氢原子(底下还有1个,被挡住了)。与此相似的碳原子和氢原子的连接,在外太空冰冷的星系间分子云中也能找到。


[此图所示区域的边长约为10埃,也可以说是1纳米(nanometer,nm),即10-9次方米。图中间的应该是一个甲基,即-CH3,有机化学中最常见的分子团之一。从这里往下,是化学的主要研究领域。]


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100皮米


原子尺度上的量子定律所描述的电子运动,和日常经验中运动的粒子相比,要更为精细,也更不连续。相应来说,图中所示的那些点并不代表单个的电子;实际上,那表示的是电子云:电子在进行对称的,然而不可追踪的量子运动时留下的痕迹。靠外面的电子云是由结合在一起的原子共享的。


[此图所示区域的边长约为1埃,即10-10次方米。很明显这不是真实的照片,因为电子云是拍不到的。]


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10皮米


现在我们和碳原子最内层的2个电子在一起。它们的运动留下了球形电子云。外面的4个电子时来时去,要看这个碳原子是在火焰中,是在钻石中,还是是在DNA中而定。但里面的这2个电子对于一般的外在影响无动于衷,它们只听命于内部的原子核。


[此图所示区域的边长约为0.1埃,也可以说是10皮米(picometer,pm,合10-12米),即10-11次方米。原子的能级理论指出碳的6个核外电子是分层排布的。2个在里面,4个在外面。碳的主要化学反应都是外面的4个电子和其他原子相互作用的结果。]


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1皮米


原子紧密的核开始出现了。原子间的力量平衡就是由原子核决定的,它的强烈电磁吸引力还影响着电子的运动。要拉住6个带负电的电子,核里面就需要不多不少6个带正点的质子。6这个数字(即原子序数)决定了这是碳元素。我们现在已经知道百来种彼此不同的象这样微小的质子团,就是说元素。分子的种类就多了去了,它们决定着这个物质的宇宙。


[此图所示区域的边长约为1皮米,即10-12次方米。从这里往下是原子物理、核物理的主要研究领域。碳的同位素共3种:碳12、碳13、碳14。其中碳14会稳定地衰变成氮14,半衰期约5700年,可以用来测定文物的年代。]


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100飞米


我们能清楚地看到这个渺小然而结实的核,这一个碳原子的原子核。其紧密的组成部分正在做剧烈的量子运动,然而这里的运动受到了严格的限制,看上去好像是流体。核子之间的非电磁力(即所谓核力、“强相互作用”)强度大得可怕,然而作用的距离却很短。6个中子和6个质子好像紧贴在一起了。由于有12个核子,这种原子核就被称为碳12。这是最常见的碳同位素,也是原子量的标准。


[此图所示区域的边长约为100飞米(femtometer,fm,合10-15米),即10-13次方米。“强相互作用”是4种基本相互作用之一,另外3种是万有引力、电磁力、“弱相互作用”。宇宙中已知的各种力都可以被归纳到这4种基本相互作用中。其中万有引力和电磁力的作用距离都是无穷大,强相互作用在1飞米的距离上才起作用,弱相互作用要到1/1000飞米的距离上才起作用。在力的强度上,如果以强相互作用的强度为1,则电磁力的强度为1/10,弱相互作用的强度为10-4,万有引力的强度为10-37。如何将这4种基本相互作用统一到一个理论(即所谓“统一场理论”)里,是现代物理学的前沿课题之一。]


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10飞米


永不停止运动但又十分稳定的碳12原子核的一张快照。中子和质子结合的方式在全宇宙都是通用的。单个的质子存在于自然界的氢中。单个的中子可以在铀裂变时的剧烈原子反应中被释放出来。对这些***的核子的研究揭示了它们和化学相似的另一面:在以足够高的能量运动时,它们如果相撞将产生一些新的粒子,通常是极不稳定的粒子。


[此图所示区域的边长约为10飞米,即10-14次方米。这里提到的各种高能粒子相互间的碰撞,其实就是高能粒子对撞机的工作原理。核物理的很多重要发现都是在对撞机上实现的。]


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1飞米


即使质子也有内部结构:对称、移动迅速、仍然不可追踪。在这里“强相互作用”依然在更短的距离上起作用。这让那些快速运动的夸克彼此间产生了强烈的相互影响。这些有颜色的点并不是光,而是一些抽象的物理符号,对于它们的意义我们现在才刚刚开始了解。


[此图所示区域的边长约为1飞米,即10-15次方米。现在已知的夸克有6种:上夸克、下夸克、魅夸克、奇夸克、顶夸克、底夸克。最后一个被发现的是顶夸克(1994年)。理论上夸克被赋予了“色”的特性,并不是说夸克有颜色,只是用“色”来表示它们的某种物理特性而已。夸克的“色”有3种:红、绿、蓝。]



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