观物--013
诺贝尔奖之间的距离——从极小到极大
中科院物理所2021-01-07 11:29:44
本文经授权转载自微信公众号「新原理研究所」 ID：newprincipia
极小到极大。
1.616255×10⁻³⁵米，这个极小的长度被称为普朗克长度。今天，我们就从这一尺度说起，沿途你将会遇到原子、细胞、人类、地球、太阳、银河系...... 在这趟从极小到极大的旅途中，你也将看到2020年诺贝尔奖得主的研究领域所在的尺度。
普朗克尺度
一些理论认为
在普朗克长度下
时空不再是平滑的
许多不同的形状会像泡沫一样
随机出现，又随机消失
这些时空中的涨落
被称为量子泡沫
在量子涨落中还会形成小通道
即所谓的虫洞
其实，更精确地说
普朗克长度不一定是最短的距离
但可以肯定的是
已知的物理定律会在这一尺度下失效
物理学家需要一个能统一
广义相对论和量子理论的
万有理论
才能更好的描述在这个尺度下发生的事情
弦论是万有理论的候选理论之一
它假设万物都是由振动的弦构成的
在弦论的世界中
时空不再是我们熟悉的四维
而是十维！
额外的六个维度会卷曲成极小的空间
即卡拉比-丘空间
但由于现代科技无法探测如此小的尺度
因此我们并不清楚这些假想是否正确
基本粒子世界
基本粒子
是指那些无法由更小的粒子组成的粒子
比如夸克和电子
我们并不确切地知道夸克和电子的大小
但它们应当小于10⁻¹⁹米
上个世纪70年代
物理学家建立了粒子物理学的标准模型
描述了基本粒子以及它们之间的相互作用
从1897年发现电子
到2012年发现希格斯玻色子
目前所有标准模型中的粒子都已被发现
但这并不意味着
我们已经对它们了如指掌
比如中微子就包含了许多谜题
为什么它们具有质量？
它们的反粒子是自身吗？
是否存在第四种中微子？
若能揭开中微子的重重谜题
或许就能够帮助我们回答
一个重大的未解之谜
为什么宇宙是由物质构成的？
元素周期表
胶子会将夸克紧紧地束缚在一起
形成质子或中子
它们的大小约为10⁻¹⁵米
质子和中子的内部实际上非常复杂
尽管物理学家早已发现它们
但仍然有许多问题等待被解决
比如质子的半径是多少？
质子的自旋从何而来？
以及质子是否会发生衰变？
质子和中子会与电子结合
形成大小约为10⁻¹⁰米的原子
在元素周期表中
质子、中子和电子的数量、构型
决定了化学元素的性质
目前已确认发现的元素有118个
但化学家并不知道
还有多少个元素等待被发现
以及最后一个元素又会是什么
在所有的元素中
碳、氢、氮、氧、磷和硫
是构成生命的关键
人体中超过97%的质量
都是由这六种元素构成
DNA、蛋白质、病毒......
DNA是生物界的遗传物质
它是由核苷酸重复排列组成的长链聚合物
宽度约为2.2到2.4纳米
基因是DNA中的一些片段
埃马纽埃尔·卡彭蒂耶和詹妮弗·杜德娜
发现了基因最锐利的工具之一
CRISPR/Cas9基因“魔剪”
利用这种工具
研究人员能以极其精确地方式
改变动物、植物和微生物的DNA
这项技术对生命科学产生了革命性的影响
并正在为发展新的癌症疗法做出贡献
且有望使得治愈遗传性疾病的梦想成为现实
她们也因此荣获了2020年的诺贝尔化学奖
基因负责编码蛋白质的信息
一个基因编码一个蛋白质
蛋白质是由氨基酸链构成的
这些氨基酸链会在三维空间中折叠
形成各种复杂的形态
从而参与几乎所有生命活动
但蛋白质究竟是如何折叠的
一直是未解的大难题
病毒都含有遗传物质（DNA或RNA）
其遗传物质由蛋白质构成的衣壳所包裹和保护
根据巴尔的摩分类法
新冠病毒属于正单链RNA病毒
同类型的病毒还包括丙肝病毒
丙肝病毒的大小为55至65纳米
可以通过血液传播
2020年
诺贝尔生理学或医学奖授予了
丙肝病毒的发现者
哈维·阿尔特、迈克尔·霍顿和查尔斯·赖斯
比病毒更大尺度的世界包括了
染色体、细菌、细胞、线粒体......
多样的物种
经历了约40亿的演化
今天的地球上
包含着数以万亿计的物种
但这些复杂又多样化的物种是如何形成的？
物种又是什么呢？
这些都问题都极其复杂
在所有物种中
人类无疑是最具有智慧的
但与人类自身有关的谜题也非常多
比如成熟的大脑有多可塑？
意识的生物学基础是什么？
为什么我们会睡觉和做梦？
为什么我们会衰变？
等等
神秘又致密的天体
有一天
给予我们温暖的太阳
会走向生命的尽头
当它耗尽燃料时
终将在一场绚丽的“烟火”中
结束自己的生命
而它的核心也将在引力的作用下
坍缩形成致密的白矮星
这是银河系中绝大多数恒星的宿命
那么比太阳的质量
大十倍或数十倍的大质量恒星呢？
中子星拥有极高的密度
典型的中子星质量约为太阳的1.4倍
但其半径却只有11千米左右
近年来
科学家探测到了双中子星并合辐射出的引力波
使科学家有机会进一步探索
中子的内部构造，以及宇宙膨胀等谜题
那么黑洞呢？
早在1916年
在爱因斯坦发表广义相对论的不久后
卡尔·史瓦西就求解了广义相对论的方程
并给出了一个球状对称、静态又不带电的黑洞解
假设太阳和地球也能够坍缩成黑洞
那么它们的史瓦西半径分别约为
3千米和9毫米
但黑洞在宇宙中是真实存在的吗？
到了1965年
罗杰·彭罗斯从理论上给出了肯定的答案
他计算出了任何足够致密的天体都必须形成黑洞
证明了黑洞是广义相对论的直接结果
彭罗斯也因这一成就荣获了
2020年的诺贝尔物理学奖
几十年过去了
黑洞仍然是宇宙中最神秘的天体
特别是落入黑洞的信息的命运
仍然是未知的
地球与系外行星
目前，地球是已知宇宙中
唯一拥有智慧生命的星球
这颗半径约为6371千米的星球
充满了生机
但究竟是一系列什么样的事件
才造就了一个可以使生命茁壮成长的世界？
今天，我们也面临着一系列的难题
比如，在维持地球的宜居性的同时
要如何满足人类对能源和自然资源的需求？
在我们研究地球的气候变化、海洋酸化
以及地震等事件时
我们同样把目光放着了寻找其他星球上
太阳系之外的行星是否可以孕育出生命？
生命在宇宙中究竟有多普遍？
目前
天文学家通过凌星法等技术
已确认发现了4000多颗系外行星
其中有一些与地球很相似
夜空中的繁星
并不是所有的行星
都绕着像太阳这样的恒星旋转
有一些绕着脉冲星转
而有一些则绕着双星系统旋转
天狼星是大犬座中最明亮的恒星
它实际上就是一个双星系统
包含了一颗昏暗的白矮星天狼星B
和一颗主序星天狼星A
天狼星B的大小比地球略小一点
但天狼星A却比太阳还比大
直径约为2381000千米
而太阳的直径为1391400千米
NGC2359
也被称为雷神的头盔
是位于大犬座中的一个发射星云
大小约为30光年
【一光年约等于9.46×10¹²千米】
这个星云包含了数百个太阳质量的电离物质
以及数千倍太阳质量的未电离气体
星系的中心
无论是太阳、天狼星
还是雷神的头盔
都属于银河系的一员
在直径约为17万至20万光年内的银河系
包含了大量的气体和尘埃
以及上千亿颗恒星
太阳位于距银心26000光年的旋臂上
从上个世纪90年代开始
赖因哈德·根策尔和安德烈娅·米娅·盖兹
开始观测绕着银河系中心旋转的恒星
经过十几年的观测
他们最终确认了超大质量黑洞的存在
其质量约为太阳质量的400万倍
他们与彭罗斯共享了今年的诺贝尔物理学奖
看不见的物质
除了恒星、气体等
这些看得见的物体之外
银河系中还有什么？
天文观测表明
银河系可能被一个
直径约为200万光年的
暗物质晕所包围着
然而暗物质的本质完全是个谜
大多数人认为它是由未知的粒子组成的
也有人认为它可能是原初黑洞
假设暗物质晕真的存在
那么当地球穿过暗物质晕的时候
有可能会与暗物质粒子发生作用
所以一些地下实验正在寻找
暗物质粒子和普通物质相互作用的信号
但到目前为止
任何实验都还未找到暗物质粒子存在的证据
大尺度结构
银河系的周围有一些卫星星系
受到银河系的引力束缚
比如大、小麦哲伦星系
它们比银河系小
都属于本星系群的一部分
本星系群又属于更大的室女座超星系团
2014年
天文学家定义了一个新的超星系团
名为拉尼亚凯亚（Laniakea）
这个词来自夏威夷语
意为“无尽的天堂”
按照新的定义
以往我们所熟悉的室女座超新星团
其实只是拉尼亚凯亚超星系团的一部分
拉尼亚凯亚超星系团
包含了约10万个星系
分布在一个约横跨了5亿光年的区域
在可观测宇宙中
像超星系团这样的大尺度结构
大约有1000万个
可观测宇宙
以地球为中心
我们所能观测到的最大范围
约为8.8×10²⁶米
在这个范围内
包含了至少2万亿个星系
可观测宇宙就是最大尺度了吗？
事实上
我们并不知道宇宙的真正大小
可观测宇宙之外有什么？
是否存在多重宇宙？
我们不知道这些问题是否有答案
但随着理论、实验和观测的齐头并进
我们将掌握越来越多的线索！
