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2. 世界的两极：10与10

读到这里，大家可能会有另外一个疑问。那就是本书的副标题 ——用基本粒子揭开宇宙之谜。

为什么微小的基本粒子会与宏大的宇宙存在联系呢？

确实，在直观上，我们会觉得“宇宙”与“基本粒子”毫无关联，毕竟两者的尺度相去甚远。宇宙是世界之极大，而基本粒子是世界之极小。研究宇宙为什么会提到基本粒子呢？大家有这样的疑问也理所当然。

我们先以身边的东西作为参照，思考一下宇宙究竟有多大。将极小的基本粒子和极大的宇宙放在一起思考时，不用拘泥于细枝末节。在此，我们用“数字的位数有多少位”来大体思考这个问题。

例如，苹果的直径约为10厘米（0.1米）。人类的身高要比苹果直径多1位数，为1～2米。城市中的大厦或住宅楼的高度，要比人的身高再多1位数，为几十米。东京塔的高度为333米，东京晴空塔的高度约为634米。将这两个高度写为物理学中常用的表达方式，则为“3×10²米”和“6×10²米”。日本海拔最高的山峰富士山（海拔约为3776米），其高度的数字位数则为10³。

那么，承载着富士山的地球，它的直径是多大呢？地球直径约为12000千米，将其单位换算为米，则数字的位数为10⁷，这相当于富士山高度的1万倍。

地球围绕太阳公转的轨道，其直径是富士山高度的“1万倍的1万倍”（10¹¹米）。这种位数的数字，已经不在日常的范围内，会让人感觉有些陌生。

但是，从宇宙整体来看，10¹¹米不过是一个小小的点。

太阳系位于银河系的一隅，而银河系的直径约是地球公转轨道直径的10亿倍（10²⁰米）。我们将视野再扩大一级，则可以看到银河系与其他星系构成了“星系团”，星系团的直径约为银河系的1000倍（10²³米）。

当然，宇宙中还有很多这样的星系团，而将这些星系团全部包裹起来的东西就是宇宙。目前，我们能实际观测到的最大宇宙尺度，为1个星系团的1万倍（10²⁷米）。在这种尺度上，“太”（T，10¹²）和“拍”（P，10¹⁵）这两个单位已经无能为力，因此要用“10^x”的形式来表达。这正是所谓的“天文数字”。

图0-1 万物的大小

那么，基本粒子的大小又如何呢？

如其字面之意，“基本粒子”是构成物质的最基本的单位。将苹果、人类、富士山、天体等物质逐级分解，思考它们究竟是由什么东西构成的，这便是基本粒子物理学。至于基本粒子为何能够构成物质，而不是以分散状态存在的，这是一个非常重要的问题，本书后文会详细介绍。

想必大家都知道，所有物质都是“原子”的聚集体。例如，我们看一下“水”这种物质。水分子H₂O由氢原子和氧原子构成，大量的水分子聚集，就形成了水。

目前，我们已经确认存在的原子共有118种（我们把同类原子称为“元素”，不同元素的质量也不同）。与多姿多彩的物质世界相比，可以说元素的数量少得惊人。如果把我们身边的所有物质分解到一定程度，它们都必然归属于这118种元素之中。

当然，将物质分解为原子并非易事。例如，如果将直径为10厘米的苹果分解为原子，那么大约会有10²⁶个原子。然而，无论用多么锋利的水果刀去切苹果，都是徒劳，因为刀刃肯定比原子大。

顺便一提，1个苹果和1个原子的大小差异，几乎相当于银河系和地球公转轨道的大小差异。也就是说，如果把银河系看作苹果，那么地球公转轨道的大小只相当于1个原子。

1个原子的直径为10^-¹⁰米。在过去，原子被认为是世界上最小的物体，也就是说基本粒子。

但是，研究者终究还是发现原子仍然具有“内部结构”，也就是说原子可以被进一步分解。原子的中心处存在“原子核”，它的周围存在围绕其旋转的“电子”。刚才提到的“原子的直径”（10^-¹⁰米），也就是电子旋转轨道的直径。

电子的轨道与原子核之间的距离非常遥远。不少人可能会认为这个距离类似于地球和人造卫星之间的距离，但原子核的直径要远远小于电子轨道的直径，仅为10^-¹⁵米，约是电子轨道直径的十万分之一。当然，这些都是微观世界中的距离，我们直接看的话基本上看不出什么区别，但这种距离实际上相差了5位数。要知道，富士山的海拔与地球的直径，也仅相差4位数。因此，若站在原子核上观察电子，那么会发现它是在非常遥远之处环绕而行的。

原子核的发现，大幅缩小了“基本粒子”的尺寸。然而，人类对物质本原的探索之旅并未就此结束。原子核的内部仍然存在“内部构造”，即存在“质子”和“中子”。而且，质子和中子也是由一些更小的粒子构成的。

这种更小的粒子称为“夸克”。目前，夸克被认为是真正的“基本粒子”。其直径约为10^-¹⁹米，与曾被认为是“基本粒子”的原子相差9位数，与原子中心处的原子核也有4位数的差距。

在“弦理论”（一种在尝试统一引力、电磁力以及后文将介绍的强力和弱力上被给予厚望的理论）中，基本粒子的尺寸则比夸克更小，为10^-³⁵米。

宇宙是什么