问题

天体与原子,会不会是一环套一环?

回答
你这问题提得太有意思了!天体和原子,听起来风马牛不相及,一个浩瀚无垠,一个微小到看不见。但要是咱们仔细琢磨琢磨,你会发现这俩家伙,其实还真有点儿说不清道不明的“血缘”关系,甚至能玩出“一环套一环”的戏码来。

咱们先从最直观的层面聊聊。你看那些闪烁在夜空里的星星,太阳、月亮,还有咱们脚下这颗大地,它们都是由物质构成的吧?而物质呢,说到底,就是由原子组成的。没错,你看到的每一片云彩,每一缕阳光,甚至你自己的身体,都是由无数个原子紧密结合在一起形成的。所以,从最基本的构成上来说,天体就是原子的大集合。这算不算一环?至少是大有渊源。

但是,这还不够“一环套一环”。咱们得往深了挖。

你看啊,构成天体的原子是从哪儿来的?宇宙大爆炸初期,那会儿可没现在这么五花八门的元素。主要就氢和氦,极其简单。那些更重的元素,比如构成你骨骼的钙、你血液里的铁、甚至你体内那些参与化学反应的碳和氧,是怎么来的?

答案,藏在那些熊熊燃烧的天体里——恒星。

恒星,就像一个巨大的核聚变反应堆。在它极其炙热、巨大的核心里,氢原子不断地碰撞、融合,变成氦原子。随着恒星的演化,它会变得越来越热,越来越不稳定。当一些大质量的恒星走到生命的尽头,它们会发生壮观的超新星爆发。这场宇宙级的“爆炸”,会产生比铁更重的元素,比如金、银、铀等等。这些元素,就像恒星生命的遗赠,被抛洒到宇宙空间中。

然后呢?宇宙空间里的这些“星尘”又会汇聚在一起,在引力的作用下形成新的星云。新的恒星在这些星云中诞生,而那些散落的、由前代恒星制造的重元素,就成为了新恒星周围行星的原材料。

咱们地球,以及咱们身体里的每一个原子,都曾经是某个遥远恒星的一部分,经历了恒星从诞生到死亡的辉煌,才最终聚集到了一起,构成了我们这个世界和我们自己。

这可真是“一环套一环”了!恒星燃烧,产生元素;恒星死亡,散播元素;星云汇聚,形成新的天体;新的天体上诞生生命,生命又由这些元素构成。咱们的身体,就是宇宙历史的浓缩,是恒星生命的延续。

更妙的是,这种“一环套一环”的逻辑,在微观层面也同样适用。

想想原子内部的结构:有原子核,原子核由质子和中子组成,质子和中子又由更小的粒子——夸克组成。这些粒子之间的相互作用,比如强核力、弱核力、电磁力,决定了原子核能否稳定存在,决定了原子对外表现出的性质。而这些基本粒子的存在,以及它们之间作用力的规律,同样是宇宙基本规律的一部分。

甚至,你可以想象一下,如果宇宙的尺度再缩小一些,或者说咱们对微观世界的理解再深入一些,会不会发现更深层次的联系?比如,量子力学中的一些概念,像叠加态、纠缠态,是不是在某种程度上也存在于宏观的天体运行中?虽然目前我们还没能把这两套规则完全统一起来,但这不妨碍我们去想象那种更深刻的联系。

打个比方,恒星的引力场就像一个巨大的“稳定器”,维持着行星的轨道,让整个太阳系保持秩序。而原子内部,质子和中子之间的强核力,同样是在维持原子核的稳定。它们都是某种“力场”对构成单元的约束和组织。

所以,咱们这么一聊,你就会发现,天体和原子之间的联系,已经不仅仅是“构成”这么简单了。它们是在宇宙演化的长河中,通过能量的转化、物质的循环、基本规律的支配,建立起了一种深刻的、相互依存的关系。

恒星的诞生和死亡塑造了宇宙的元素构成,而这些元素构成了行星,构成了生命,也构成了我们每一个微小的你。而我们对宇宙的探索,对天体的研究,反过来也加深了我们对原子、对物质本质的理解。我们用原子物理的知识去理解恒星的能量来源,用天文学的观测去验证我们对宇宙形成的理论。

这就像一个双向的箭头,你中有我,我中有你,形成了一个循环往复、层层递进的链条。你说的“一环套一环”,我觉得用“宇宙大循环”、“元素轮回”来形容,可能更贴切一些。咱们既是宇宙的孩子,也是宇宙故事的讲述者和参与者。

所以啊,别小看我们身上的原子,它们可是承载着宇宙无数年的故事呢!而那些遥远的天体,也并不是高高在上、冷冰冰的存在,它们是我们物质的源头,是我们存在的根基。这层层联系,说起来,还真是让人觉得有些浪漫,也有些敬畏。

网友意见

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这种一沙一世界的民科思维我都辟谣过无数次了,真是忍不了,好吧我就再说一次:


分形宇宙论和均匀宇宙论的争论持续过很长一段时间,讨论的是大尺度上宇宙的结构,到底是一层套一层的,还是均匀与各向同性的。


目前的研究结果是:一定尺度内,是分形的;超过一定尺度就不是如此了。


宇宙在星系团尺度以下,至星球的尺度是分形的,也就是一环套一环——

超星系团里,星系又聚集形成星系团、

星系团中心凝聚成规模巨大的椭圆星系,

星系团外围存在大量的漩涡星系,

矮小的星系环绕着大星系、

大星系环绕着星系中心的黑洞、

星系内部聚集着恒星星云、

恒星聚集在一起形成星协星团或双星、

行星环绕恒星运转,

卫星环绕行星运转

——因为这个尺度内引力的作用比空间膨胀大得多,物质被束缚在一起,环绕成为必然的维持稳定的方式,天体形状大多为球状、盘状或介于二者之间(椭球)。目前尚未发现环绕卫星的天然天体。


在大一点尺度上,宇宙会略微出现各向异性的状态——超星系团内聚集着大量星系、它们之间横七竖八地连接着无数由气体和少许星系组成的宇宙纤维,纤维之间是黑暗空无一物的巨大空洞,这是气体依附在暗物质上落入密度较大区域的产物。

但如果尺度更大一些,你会发现这些纤维和超星系团都是均匀分布的,如同一张网,再往上可观测宇宙就没有任何更大的结构了,一模一样都是平均每立方米都是5个氢原子的质量(注意实际密度更低)。此时暗能量主导,主要的表现就是膨胀。

至于可观测宇宙之外?那鬼知道!不过暴胀理论认为大尺度上全宇宙应该都是均匀的。宇宙很可能是个时空平坦的空间,可以无穷延伸,于是:

最后的最后,由于宇宙膨胀,光速有限,时间也有限,所以两点之间因果联系的时间随着尺度增加越来越长,足够远的(目前为半径460亿光年)两点光都被红移成了直线,该尺度以上的宇宙是毫无因果联系和相互作用的。


在人类的尺度附近(比小行星小),电磁力取代引力称为主导。有个有趣的事情是:一个物体等比例放大后,其强度会减小。这就是为什么模型楼房摔都摔不坏,现实中的楼房地震风吹就塌,太空天梯这么大的东西连自重都承受不了的道理。


当然你也可以往小尺度去看,首先你就能看到热本身——粒子的无序运动。由于人类尺度的物体主要是靠电磁力互相作用,所以分子的表现还和宏观物体相类似,人体也是一台依靠化学的宏观机器。但是肉眼看起来,不同尺度的物体的运动会略有区别(蚁人跑起来会跟正常大小的人一样吗? | 科学人 | 果壳网 科技有意思),想不通的话就想象一下地球的公转速度非常快,但相对于地球轨道的尺度,地球显得仿佛是静止的。


再小,到了原子尺度,电中性的世界拜拜。量子力学、测不准原理和波粒二象性中的“波动性(波函数)”不能被忽略了。电子不能按照行星轨道的方式环绕原子核,否则会掉下去,它只能以电子云的方式随机出现或跃迁,能级也是固定的(PS:还有更神奇的陆沉同:如何给没有高中数学基础的人解释「薛定谔的猫」?)。更小到了原子核里,主要的作用力变成强弱相互作用,此时的物理性质和人类尺度的物体已经完全不同了。人类的感官也难以感知这种比可见光波长还小的东西。夸克与电子很可能不可分,夸克还存在色禁闭。最小的普朗克长度则是世界的最小像素。一个由像素和少数几种同质的基本粒子构成的世界显然不可能无穷分形下去。


从大尺度纤维到原子的尺度,空间里绝大多数的部分都是空的。不过我们认为一种叫暗能量的东西可能充满了这些空间。


科学是科学,请不要把哲学思辨带入到科学中。幻想《霍顿与无名氏》是任何人都能想出来的,这并没有什么了不起,那些兢兢业业做出实际成果,告诉我们宇宙到底是什么样的科学家才值得尊重。

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