穿越宇宙尺度的奇妙旅程

改編自《可縮放的宇宙：穿越宇宙尺度的史詩之旅，從幾乎一切到幾乎虛無》，作者迦勒·沙夫，插圖作者羅恩·米勒，經大眾科學/法勒、施特勞斯和吉魯出版社（美國）、大西洋圖書出版社（英國）、 cheers Publishing Company（中國）安排出版。文字版權 © 2017 迦勒·沙夫，插圖版權 © 2017 羅恩·米勒。保留所有權利。

你想聽有史以來最史詩的故事嗎？

很久以前，你體內的原子散佈在數萬億公里的空曠空間中。數十億年前，沒有任何跡象表明它們最終會構成你的眼睛、你的皮膚、你的頭髮、你的骨骼或你大腦中 860 億個神經元。這些原子中的許多來自一顆恆星的深處——也許是幾顆恆星，它們本身相隔數萬億公里。當這些恆星爆炸時，它們將自身的一部分向外拋射，形成一股灼熱的氣體洪流，充滿了數百億個星系中的一個星系的一小部分，這些星系排列在一個巨大的空間和時間跨度中，幾乎有一萬億萬億公里寬。

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這些原子中的一些曾經在三葉蟲的殼裡，也許是數千個三葉蟲。 從那時起，它們就存在於觸角、根、腳、翅膀、血液以及數萬億、千萬億的細菌之間。 有些漂浮在曾經俯瞰一億年前景觀的生物的眼睛裡。 還有一些則依偎在恐龍蛋的蛋黃中，或懸掛在冰河時代深處喘著粗氣的生物撥出的氣息中。 對於另一些原子來說，這是它們第一次落戶於生物體，它們在海洋和雲層中漂流了億萬年，成為萬億滴雨滴或十億片雪花的一部分。 現在，就在此刻，它們都在這裡，構成了你。

每個原子本身都是一個複合體，直徑為十億分之一米，位於我們感知的現實與量子世界之間宇宙的陡峭邊緣。 電子模糊地佔據了原子的大部分空曠空間。 質子和中子聚集在原子核中，原子核比原子小 100,000 倍，它們本身由其他極小的東西組成：夸克和膠子。 電子可能沒有有意義的尺寸屬性，但可以被認為是比原子核小 1000 萬倍。

將所有可識別的物質加起來，可能存在 10

⁸⁰ 個粒子，例如質子、中子、電子和已知宇宙中的其他亞原子項。 這是一個非常大的數字，但這也只是九牛一毛，因為宇宙中可能漂浮著十億倍的光子。 然而，這些東西僅佔我們認為的空間總物質和能量含量的 5%。 天文證據表明，存在一個仍然神秘的亞原子粒子和基本力的陰影領域，它們構成了宇宙的大部分——一個暗物質和暗能量的地下世界，支配著整個宇宙，但我們卻看不見。

此外，在大約 138 億年前的某個時刻，所有這些可見和不可見的物質都被擠壓成一個更小、能量巨大的空間和時間的起源，我們仍然身處其中，以及任何可能存在於十億光年之外的生物。 即使現在，我們也沒有真正脫節。

真是個奇談怪論。 除非這不是虛構，而是我們目前對宇宙及其歷史的理解[見上圖]。

為了檢查和展示我們真正瞭解（以及我們不瞭解）的關於自然界整體的知識，我們轉向一種久經考驗的方法——簡單的 10 倍縮放檢視的前提，以遊覽宇宙，從可觀測宇宙的邊緣到現實的最深處。 從手指和腳趾到現代數學和測量，我們都可以掌握 10 的冪的概念——大小變化 10 倍或十分之一。 將這些滑動尺度在空間的三個維度以及我們稱之為時間的棘手事物中連結在一起，我們就有一種語言來表達自然界的連續性和關係，這種語言遠遠超出了我們的共同經驗。 10 的冪讓我們能夠從幾乎一切縮放到幾乎虛無。

當然，可縮放的概述無法詳盡地敘述宇宙的內容和歷史的每一個細節。 相反，它將我們帶到整個宇宙物理尺度中的特定航點，跨越 62 個數量級，從亞原子世界的量子構建塊到整個行星僅僅是冷凍礦物液滴的領域，再到迄今為止發現的最廣闊的領域，其中整個星系像宇宙地平線上的閃爍塵埃一樣成群結隊。

這場穿越所有已知現實尺度的旅程，本質上就是“一切”的真正含義。 你可能會想問接下來會發生什麼。 宇宙之外，一切之外是什麼？ 在我們可觀測現實的陽光充足、塵埃瀰漫的房間“之外”可能是什麼？ 這些都是很好的問題，並且在非常真實的意義上，任何“在”我們宇宙“之外”的東西現在都必須僅僅是“非宇宙”。 連線這些領域的閾值是一個徘徊在我們宇宙視界的地方，其尺度由光在宇宙年齡期間傳播的距離設定。 邊界內是可觀測宇宙。 就在外面是一個仍然神秘的迷宮。

我們生活在非常小和非常大這兩個極端之間狹窄的生存空間中，從我們主要由水組成的多細胞生物體的膜內部觀察、傾聽、嗅聞和感覺。 不知何故，我們從這些感官中構建意義，體驗那種被稱為意識的難以捉摸的屬性，甚至可能擁有那種我們稱之為智慧的難以捉摸的品質。 宇宙中其他複雜的生命可能以相同的方式構建，以像我們一樣行動、感覺和思考。 或者，也許我們的生物學並不是構建生物的唯一方式； 也許意識和智慧源於我們大腦的電化學物質的想法並不適用於宇宙其他地方的頭腦。

面對這些關於自我和宇宙的許多尺度的謎團，我們真正能做的就是祈禱，希望我們獨特的經驗不會誤導我們，因為我們正在理清存在的重大問題。

總而言之，我們的處境有點滑稽。 我們處在一個非常不適合獲得關於現實本質的客觀真理的地方。 在可觀測宇宙中一萬億萬億顆恆星中的一顆普通恆星軌道上漂浮著一顆小小的岩石行星，我們每個人都被鎖定在一個獨特的、有自我意識的肉體斑點中，嵌入在生物進化的網路中，這個網路蔓延了億萬年。 即使我們的身體也不完全屬於我們自己，因為它們也充當了數萬億細菌和病毒的達爾文戰場。 而這一切，我們所知的一切生命，似乎都僅僅源於大量重複的分子結構之間的相互作用——DNA 和 RNA 的精美結構相互作用，而 DNA 和 RNA 本身又源於質子、中子、電子和電磁力的物理學。 如此微小的元件只是遵循大約 138 億年前凍結到位的宇宙基本“規則”。 然而，它們共同構建了星系、行星、人類、鳥類以及宇宙中誰也不知道的其他東西[見上圖]。

這一切是如何發生的？ 這個史詩般的故事究竟是如何開始的，又將如何——如果會結束的話——最終結束？ 這些問題是我們從我們不利的有利位置構建自然的理性圖景的核心。 任何答案都是一個正在進行的工作，但必須已經存在於宇宙令人眼花繚亂的尺度之間無數交叉點的模糊輪廓中。 我們邀請您探索它們並欣賞它們的美麗。 畢竟，這個宇宙和你的一樣，也是任何人的宇宙。