超級震撼!圖示從極限大到極限小的世界(10億光年到0.1飛米)
10億光年——這是一個什么概念呢？光年，光走一年的路程。光速！它是速度公認(rèn)的極限，每秒299792458米，能在眨眼間繞地球七圈半?？匆娒?，就這么快的光，讓他跑吧，跑個一年，所度量出來的距離就是一光年了。現(xiàn)在各位把鼠標(biāo)移到屏幕的左下角，點“開始”－“程序”－“附件”－“計算器”，都來動手算算它，這一年是31536000 秒，一秒跑299792458米，乘出來就9454254955488000米，約等于十萬億公里吧。你說什么，簡直天文數(shù)字？廢話，天文上的數(shù)字當(dāng)然得是天文數(shù)字啦～～～～～但這也僅僅只不過是一光年的長度。
當(dāng)我們看到十億光年以外的星星時，映入我們眼簾的那束星光已經(jīng)在茫茫宇宙間飛奔了十億年。換句話說，我們現(xiàn)在看到的僅僅是它十億年之前的樣子！現(xiàn)在的它究竟如何我們只有再等待十億年才能看到……不寒而栗！
普遍認(rèn)為宇宙誕生到現(xiàn)在有150億年。所以我們可能觀察到的最廣闊宇宙空間的直徑只可能在150億光年這樣的范圍之內(nèi)。150億光年遠(yuǎn)的地方的光被我們看到時已經(jīng)在宇宙間穿越了150億年，那是宇宙誕生時的影像！?。?br>
下面這張圖是在十億光年這樣的數(shù)量級下觀測宇宙，上面的每一個象素點所表現(xiàn)的事物都是無比古遠(yuǎn)的。絕大部分空間都如此圖所示那樣空無一物，遙遠(yuǎn)的星系發(fā)出的光芒就象是一小撮灰塵。這種空曠是很平常的，象我們居住的家園那樣光明的世界只是例外情況。這張照片放大10倍之后我們依然看不到新的結(jié)構(gòu)或者新的空隙；在這個尺度上宇宙大體上是均勻的。在這么大的空間范圍中，新奇的東西其實存在于時間之中，而不在空間之中。所有的劇變都發(fā)生在過去。這里展示的場景，在至少幾十億年之后，將逐漸黯淡下來；同時，昏暗的星團(tuán)們將漂移地更為分散。
【此圖所示區(qū)域的邊長約為10億光年。1光年即光在1年中走過的距離，約為9.5×1015米，大致相當(dāng)于10萬億公里。而10億光年就大約是10的25次方米。由于光速的不可超越性，1光年之外的星星發(fā)出的光，需要1年才能到達(dá)我們這里。依此類推，我們所看到的10億光年之外的，如圖中所示的星系的星光，其實只是它們在10億年前的影像。我們似乎是在朝遠(yuǎn)處看，實際上是在朝過去看。這就是說明中那句“存在時間之中，而不在空間之中”的意思?，F(xiàn)在人類能觀測的最遠(yuǎn)距離約為150億光年，那已經(jīng)是非常接近宇宙大爆炸初期的影像了，因為大爆炸就發(fā)生在約150億年前。也就是說，上面這張照片的邊長如果再擴(kuò)大4倍的話，就是我們?nèi)祟愑锌赡苡^測到的全部宇宙。宇宙的全部歷史就在其中。另外，由于宇宙中所有物質(zhì)的總質(zhì)量，現(xiàn)在看來還達(dá)不到相對論所要求的下限，所以宇宙的膨脹將無止境地繼續(xù)下去，所以說明中最后強(qiáng)調(diào)了各星團(tuán)將繼續(xù)“分散”下去?！?br>
向著我們在銀河系中的遙遠(yuǎn)家鄉(xiāng)，我們再前進(jìn)一步看看。但我們至多只看到一個大一些的，很多星系糾纏在一起的星團(tuán)，這是處女座星團(tuán)。星系按規(guī)則是圍繞著星團(tuán)或星群運(yùn)動的。有理由相信我們的銀河系自身就是處女座大星團(tuán)的一個組成部分，受到它的持續(xù)不斷的引力的拉動；處女座星團(tuán)自身又是一個超星團(tuán)的組成部分。銀河系周圍，在一個較大范圍的空間里沒有值得注意的星系。
【此圖所示區(qū)域的邊長約為1億光年，即10的24次方米。處女座星團(tuán)（Virgo cluster），由于從地球上看位于黃道上的處女星座而得名，由不到2000個星系組成（銀河系即為其中之一）。它本身又是所謂“本超星團(tuán)”（Local supercluster）的一部分。處女座星團(tuán)的中心地帶離銀河系約5千萬光年?！?br>
1000萬光年
這些就是我們的宇宙區(qū)域內(nèi)的星系，每一個亮點都是由幾十億顆恒星發(fā)出的光芒匯集而成。恒星間相互的引力把它們聚集為星系，每一個星系都是由運(yùn)動的恒星組成的復(fù)雜的集團(tuán)。
【此圖所示區(qū)域的邊長約為1千萬光年，即10的23次方米。離銀河系最近的是仙女座星系（Andromeda Galaxy），約在250萬光年之外，應(yīng)該就是圖中小框框之外，左下邊的那個。由于從地球上看該星系位于仙女星座，故有此名。著名的“仙女座大星云”（仙女座圣斗士瞬的武器的典故？）是其舊名?，F(xiàn)在已經(jīng)證實該星系的中心有一個黑洞。另外，圖中小框框之外，右下邊的那個應(yīng)該是三角座星系（Triangulum Galaxy），那是離銀河系第二近的星系，約在260萬光年之外。它是地球上能用肉眼觀察到的最遠(yuǎn)的天體。】
100萬光年
這個扁扁的餅就是我們的星系——銀河系，可以看到它的旋臂結(jié)構(gòu)。在空間中運(yùn)行時，銀河系還帶著它的兩個衛(wèi)星星系——大小麥哲倫星系。比我們的銀河系更大的星系并不多，而比兩個麥哲倫星系更小的星系似乎也不多。
【此圖所示區(qū)域的邊長約為1百萬光年，即10的22次方米。大小麥哲倫星系，由首次完成環(huán)球航行的葡萄牙航海家麥哲倫于1519年發(fā)現(xiàn)，故得名。它們就是圖中框框之外，左下邊的那兩個不規(guī)則亮點。由于它們的位置從地球上看非?？磕?，北半球的觀測者很難直接觀察，所以只有接近赤道或者到達(dá)南半球時（如麥哲倫的航行那樣）才能被發(fā)現(xiàn)。不過有些阿拉伯的天文學(xué)家在公元10世紀(jì)就記載了它們的存在，可能這些學(xué)者和來往于非洲和阿拉伯的水手們有過接觸。銀河系和兩個麥哲倫星系的關(guān)系，就象地球和自己的衛(wèi)星月球一樣，所以它們被叫做衛(wèi)星星系。大小麥哲倫星系是圍繞著銀河系運(yùn)動的，一般不被視為獨立的星系。所以，離銀河系最近的星系一般都認(rèn)為是前面提到的仙女座星系。兩個麥哲倫星系離銀河系的距離約為20萬光年。它們的大小是銀河系的1/10，直徑約1萬光年?！?br>
10萬光年 我們正在俯視銀河系。一千億顆恒星由于彼此引力的吸引而圍繞著銀河系中心區(qū)域旋轉(zhuǎn)，有些比較靠里，有些靠外。我們的太陽，和其他恒星一起圍繞著“銀心”作順時針運(yùn)動，每3億年環(huán)繞一周。圖片的背景中還有其他星系，和我們的銀河系一樣，它們一邊在漂移，一邊也在緩慢地旋轉(zhuǎn)。
【此圖所示區(qū)域的邊長約為10萬光年，即10的21次方米。銀河系的直徑約為10萬光年，其中最核心的直徑約3萬光年的一部分被稱為“銀核”，是恒星較集中的區(qū)域。銀河系包含的恒星總數(shù)約2千億－4千億顆，大致按照4條旋臂分布。】
1萬光年 恒星的星云和發(fā)光的氣體，以及一小塊一小塊的暗塵，組成了變化緩慢的、銀河系“餅狀結(jié)構(gòu)”的旋臂。我們的太陽尚在很遠(yuǎn)之外，這里看不見，但它就在圖片的中心，靠近一條旋臂。
【此圖所示區(qū)域的邊長約為1萬光年，即10的20次方米。太陽系處在銀河系4條旋臂之一的附近，距離銀河系的中心約2.5萬光年。太陽系圍繞“銀核”旋轉(zhuǎn)的速度是每秒217米?！?br>
1千光年 在這張照片里，我們已經(jīng)深入了銀河系內(nèi)部，周圍是一群群的恒星，它們已經(jīng)可以被單獨地分辨出來了。幾乎所有的上千顆被古代觀天者定位并歸納為星座的恒星，都在這里，它們就是我們的銀河系鄰居。這里還有上千顆另外的恒星，只是由于太暗而看不見。
【此圖所示區(qū)域的邊長約為1000光年，即10的19次方米。在太陽系周圍的這些恒星——當(dāng)然都是銀河系的一員——是我們在地球上看到的星空的主要部分。由于它們比較集中在銀河系的“餅狀結(jié)構(gòu)”之中，所以從地球上看它們在一個方向上才那么集中，才形成所謂“銀河”的形狀。只是因為它們離我們這么近，所以它們的光我們看起來這么亮。】
100光年 滿天的點點繁星。它們之中的一個，在正中間，不過由于太暗而看不到，就是我們的太陽。在北半球的天空很顯著的大角星，在這里閃耀著。大角星本來就比我們的太陽更亮，而且我們在這里離它也更近。
【此圖所示區(qū)域的邊長約為100光年，即10的18次方米。大角星（Arcturus），位于牧夫座（Bo鰐es），沿“北斗七星”（即大熊座，Ursa Major）的斗柄三星的延長線，可以找到的一顆紅色亮星。大角星是全天第3亮星（不算日、月以及太陽系內(nèi)的各行星），僅次于天狼星（Sirius）和“南極老人星”（Canopus）。由于另兩顆主要在南半球才可看到，所以大角星是北半球常見的最亮的星。它離太陽約36光年，其直徑是太陽的10倍，絕對亮度比太陽亮190倍?！?br>
10光年
我們所知的絕大部分物質(zhì)都形成了恒星——內(nèi)部的核火焰蘊(yùn)育出的氣體團(tuán)，通?？梢猿掷m(xù)燃燒很長的時間。在旅程的這個階段，附近是沒有恒星的，我們在圖片中看到的星星都是距離非常遙遠(yuǎn)的恒星背景，和我們在地球上看到的景象沒有區(qū)別。前后好幾張圖片的恒星背景都沒有變化。由于它們在背景很遠(yuǎn)的地方，而我們一步一步前進(jìn)的步伐相比之下又太小，所以它們的位置沒有明顯的移動。
【此圖所示區(qū)域的邊長約為10光年，即10的17次方米。很可惜這里沒看到天狼星。天狼星是全天第一亮星，位于大犬座（Canis Major，南天的著名星座），距離太陽約8.7光年，體積比太陽大2倍，亮度比太陽亮20倍。另外，離太陽最近的恒星是比鄰星（Proxima Centauri），位于半人馬座（Centaurus），距離太陽約4.2光年，直徑約為太陽的1/7，地球上肉眼不可見?！?br>
1光年 在這里，我們看到中心有一顆比其他恒星都亮的星，只是因為它離我們近得多。那就是太陽。晝與夜，冷冷的星空與賜予我們生命的溫暖，都源于我們的行星坐落于一顆中等的恒星附近。一旦我們離開太陽遠(yuǎn)一點，就會認(rèn)識到它只是一顆普通的恒星，那些遙遠(yuǎn)的恒星在某種意義上都是太陽。
【此圖所示區(qū)域的邊長約為1光年，即10萬億公里，10的16次方米?！?br>
1萬億公里 在和上一張相比更黯淡的恒星背景下，只有太陽可以看見。曾經(jīng)我們以為太陽系的邊界就是這樣的。我們現(xiàn)在知道這里有一大群由冰組成的彗星在緩慢地圍繞太陽運(yùn)行，不過由于陽光太微弱我們看不見。我們只是在年復(fù)一年的等待中看到幾顆彗星進(jìn)入地球附近的更亮一些的區(qū)域。在那里我們瞥見它們，象臨時的行星，太陽的火焰為它們烤出了長長的、微弱的尾巴。
【此圖所示區(qū)域的邊長約為1萬億公里，即10的15次方米。】
1千億公里
太陽所有的行星都在圖中的小框框內(nèi)運(yùn)行。在地球上看行星總是能把它們分辨出來：在滿天的一成不變的程式下，這幾個永不停歇的游蕩者。從外太空的這里看過去，行星們表現(xiàn)出哥白尼學(xué)說指出的特性：它們沿著同心橢圓軌道（已用彩色線條標(biāo)出）圍繞著太陽運(yùn)動。
【此圖所示區(qū)域的邊長約為1千億公里，即10的14次方米。人類的飛行器中，已知的飛行距離最遠(yuǎn)的，是美國的NASA在1977年發(fā)射的旅行者1號飛船（Voyager 1，其使命就是飛出太陽系，飛向外太空）。發(fā)射近30年后的今天，它離開我們大約有150億公里，大概就在圖中的框框外附近的地方。】
100億公里
外行星的軌道占據(jù)了這張圖片。那嚴(yán)重傾斜的軌道屬于小而怪異的冥王星。另外4條軌道（由外向內(nèi)）分別屬于海王星、天王星、土星、木星，以及它們各自的眾多衛(wèi)星。在木星軌道和太陽之間是沿更小的軌道運(yùn)行的內(nèi)行星。行星在這里都是逆時針旋轉(zhuǎn)的，基本上都在同一平面上（照片不是垂直俯拍下去的）：除了冥王星之外，整個行星系統(tǒng)就好像一張薄餅?zāi)敲雌健?br>
【此圖所示區(qū)域的邊長約為1百億公里，即10的13次方米。著名的哈雷彗星應(yīng)該就在這張圖片中，雖然無法辨別。因為哈雷彗星的遠(yuǎn)日點距離太陽約50億公里，就在海王星和冥王星之間。另外，哈雷彗星的近日點離太陽僅約5千萬公里，比金星還接近太陽?！?br>
10億公里 被龐大的木星的軌道所包圍的，是小一些的類地近日行星的軌道（從外向內(nèi)）：火星、地球、金星、水星。還有一大群天體由于太小而且太暗，除了用望遠(yuǎn)鏡就無法觀察到，不過它們也在這里：小行星帶和流星帶讓木星和火星軌道之間的空間變暗了。
【此圖所示區(qū)域的邊長約為10億公里，即10的12次方米。】
1億公里 現(xiàn)在我們看到的是內(nèi)太陽系的一部分。這段綠色的弧線是地球在九、十月間的大概6個星期內(nèi)走過的路程。
【此圖所示區(qū)域的邊長約為1億公里，即10的11次方米?！?br>
1000萬公里 這一段是地球在十月的4天內(nèi)走過的路程，而月球相對于地球的軌道也標(biāo)出了。月球一直在那個小小的橢圓軌道上和地球一起運(yùn)動。
【此圖所示區(qū)域的邊長約為1千萬公里，即10的10次方米。】
100萬公里
我們?nèi)祟愃L問的最遠(yuǎn)的地方，就是地球的伴侶：月球——離我們最近的天體鄰居。明亮的月光、還有潮汐，見證著它有多近。
【此圖所示區(qū)域的邊長約為1百萬公里，即10的9次方米。以上都是天文學(xué)研究的領(lǐng)域，以下是航天科學(xué)的主要研究領(lǐng)域?！?br>
10萬公里 地球的全身照：看上去那么孤獨、優(yōu)雅、脆弱。我們看到我們的地球是孤懸在太空中的，就象一艘太空飛船，沒有神話中的阿特拉斯或者大海龜馱著它。它平穩(wěn)、迅速地圍繞著太陽運(yùn)動，每1小時就越過這張圖片所顯示的這么一大片空間。
【此圖所示區(qū)域的邊長約為10萬公里，即10的8次方米。地球自轉(zhuǎn)的速度（赤道附近）是每秒0.5公里，地球圍繞太陽公轉(zhuǎn)的速度是每秒30公里。圍繞地球的各種人造衛(wèi)星中，離地球最遠(yuǎn)的恐怕是所謂“地球同步衛(wèi)星”，它們的軌道半徑約為3萬6千公里，是月球軌道半徑的約1/10?！?br>
1萬公里 地球的近照：藍(lán)天、白云、深色的海洋、褐色的大地，一個向東旋轉(zhuǎn)的大球體。地圖繪制者們?yōu)榱私o我們提供這樣一張圖，準(zhǔn)備了3個世紀(jì)，但是要等到1967年，這一場景才被人類目睹，并隨之深入人心。
【此圖所示區(qū)域的邊長約為1萬公里，即10的7次方米。地球的直徑約1.2萬公里，所以超出了此圖的范圍。從這個尺度往下是航空科學(xué)、氣象學(xué)、地質(zhì)學(xué)等等的研究領(lǐng)域?！?br>
1000公里 從低軌道拍攝的這一張照片所示的區(qū)域，展現(xiàn)的是密歇根湖的全貌。大陸冰川孕育出這一大片水域，以及其周圍的淤積平原，是距今最近的一次地質(zhì)事件，發(fā)生在幾萬年前。排列成行、累積成塊的云決定了這一天的天氣。雖然我們俯視著上千萬人的居住地，但出自人手的建筑幾乎看不見。
【此圖所示區(qū)域的邊長約為1千公里，即10的6次方米。低軌道即普通的衛(wèi)星，以及載人航空器飛行的軌道，距地面約200－300公里。而大氣現(xiàn)象主要發(fā)生在對流層，即距地面不到10公里的一層大氣。從這個尺度往下，是我們?nèi)粘５母鞣N科學(xué)的主要研究領(lǐng)域，其中最重要的可能是物理學(xué)?！?div id="moiyehiw" class='imgcenter'>
芝加哥的市中心就坐落在密歇根湖的南端。在這樣的一天里，街上的行人也許會抬頭看看藍(lán)天，但拍照的飛機(jī)飛得太高，幾乎不可能被發(fā)現(xiàn)。在那么多模糊的街道中，我們可以看見一些格子，那些是一英里見方的芝加哥林蔭大道網(wǎng)絡(luò)。
【此圖所示區(qū)域的邊長約為1百公里，即10的5次方米。芝加哥是美國第三大城市，位于伊利諾斯州，市區(qū)面積約600平方公里，人口約400萬?！?div id="moiyehiw" class='imgcenter'>
