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把宇宙压成头发丝大小,你会看到……

图片:One Two / 知乎

如果把地球当做一个直径 1cm 的小球,整个目前观测到的宇宙有多大?

One Two,公众号:astrolaws

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我觉得题主还是低估了地球和宇宙的相对大小,以米为单位,地球直径在 1E+07(即 10 的 7 次方)米这个量级,而可观测宇宙的直径是 1E+27 米,宇宙的大小是地球的

100000000000000000000 倍(20 个零),两者相差 20 个数量级。

人脑再强大,恐怕也没办法直接消化 20 个数量级的差距,于是这两天我做了一个思想实验,既能展现 20 个数量级意味着什么,也尽可能让整个过程贴合日常生活,方便理解。

首先我们要在脑海里把自己抽离现在这个世界,成为一名观察者,这样子接下来我们对这个世界做的任何改动都不会对作为观察者的我们造成影响。

一阶世界

准备好以后,我们回过头来重新审视现在这个世界。在现实世界中,肉眼是有分辨极限的,这个极限大概是一根头发的厚度——0.1 毫米。接下来我们要做第一个操作:把一个正常的成年男性缩小至一根头发厚度的大小。

成年男性的身高我们取 1.8 米,那么换算的比例就是 1:18000,正常人缩小了 18000 倍以后,整个世界也要跟着缩小 18000 倍。我们不妨把之前的现实世界称为一阶世界,缩小以后的世界是二阶世界。

二阶世界

在这个二阶世界里,所有人都只有一根头发丝那么高(姚明大概是 1.3 根头发丝),长颈鹿有三根头发丝那么高,你的书桌能够放下一座城市的三维地图,一场马拉松的距离相当于 2.3 米,而地球的直径大概是 700 米,和一阶世界中的哈利法塔(828 米)相当。

应该说二阶世界还是很有趣的,但我们要继续前进,再把整个世界缩小 18000 倍,进入三阶世界。

三阶世界

这时候一场马拉松的距离也就是一根头发丝的厚度了,地球直径 4 厘米,比题主设想的地球稍大。月球的大小是 1 厘米,木星是 43 厘米,太阳直径大约 4.3 米,相当于一阶世界中小轿车的长度。

三阶世界是恒星的乐园,北极星的个头是 123 米,参宿七 300 米,著名电灯泡天津四接近 1000 米,非常亮瞎眼了,著名红超巨星参宿四是个直径 4000 米的大块头,快赶上一阶世界的珠穆朗玛峰一半高了。

在最接近题主设定的三阶世界里,可观测宇宙有多大?2.87E+18 米,近 300 光年的范围,依然是一个大到无法想象的数字。我们现在只是走过了 8 个数量级,旅程尚未过半。现在继续把三阶世界缩小 18000 倍,进入四阶世界。

四阶世界

好了,在四阶世界里面我们终于可以把太阳系放进屋子里了,当然,这里指的是一阶世界的屋子。此时太阳只有两根头发丝那么大,水星距离太阳 1 厘米,金星距离太阳 2 厘米,地球距离太阳 2.6 厘米,火星距离太阳差不多 4 厘米。再往外,木星距离太阳 13 厘米,土星是 24 厘米,差不多是 1 台 iPad 的长度。天王星 50 厘米,海王星 77 厘米。目前飞的最远人造物体——旅行者 1 号距离地球接近 4 米。

4 米差不多也是一阶世界的光速走上一天的距离(4.5 米),至于 1 光年,在四阶世界相当于 1600 米,想要找到除了太阳以外的另一颗恒星,你起码要走上一个小时。

五阶世界

接下来是五阶世界,包括柯伊柏带在内的整个太阳系(直径 100AU)被压缩至一根头发丝的大小。五阶世界和一阶世界已经相差了 17 个数量级,最巨大的恒星也已经无法分辨出大小,但即便如此我们能感受到的也还只是银河系的一角。

何以见得?整个银河系在五阶世界是直径超过 10 千米的存在。这在一阶世界里也算是一座小城的规模了。在这座小城里,有 20 厘米大的马头星云:

有 1 米宽的蟹状星云,这是 1000 年前宋代天文官看到的「天关客星」遗留下来的痕迹。

还有和姚明一样高的美丽的猎户座大星云:

六阶世界

在六阶世界,直径 24 光年的猎户座大星云被压缩成一根头发丝的大小,于是你终于可以把银河系捧在手心了。银河系看着就像是一个直径 64 厘米的大圆盘,仙女座大星系稍大一些,有 80 厘米。两者之间的距离接近 11 米。以银河系为中心的方圆 25 米的范围(大概半个足球?。?,属于本星系群,包含大约 50 个星系,银河系和仙女座星系是其中的核心成员。

以本星系群为中心方圆 300 米的范围,属于本超星系团(Local Supercluster),这个星系团包含至少 100 个星系团和星系群。

而可观测宇宙在六阶世界里依然巨大,直径接近 500 千米,我们需要更上一层楼。

七阶世界

先说说七阶世界的可观测宇宙有多大——直径 27 米,这相当于一个标准篮球场的长度,一阶世界的一个篮球馆就能装下七阶世界的可观测宇宙。

走进这个篮球馆,空气中飘荡的每一颗灰尘,都是一个星系。我建议带上口罩,因为篮球馆里的空气......可能有些浑浊,毕竟当中的灰尘总数高达 2 万亿,可能一不小心就会把好多银河系(约 35 微米)吸进肺里了。直径不到 3 万光年的星系可以算是 PM10,至于更小的,比如直径只有 7000 光年的小麦哲伦云,甚至可以归入 PM2.5 的行列。

不过馆内的灰尘在似乎并不是均匀分布,而是呈纤维状分布,有些地方多,有些地方几乎没有。

你一定好奇七阶世界的篮球相当于多大的空间。篮球的直径我们取 24 厘米,相当于一阶世界的 8.16E+24 米,几乎是本超星系团(1.10E+24 米)的 8 倍,和一个叫「双鱼 - 鲸鱼座超星系团复合体」(1E+25 米)的宇宙大尺度结构相当。

一个篮球,就是 10 亿光年。

你觉得在七阶世界里,地球有多大?

3.73E-19 米,仅仅是质子(1E-15 米)的万分之一,这是一个如今没有办法进行测量的长度。


最后分享一个神奇的网站:Scale of the Universe | The Universe in Perspective | Small to Big Fun!

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