图解宇宙的尺度：从宏观世界到微观世界!
物理学中的宇宙尺度
物理学中的宇宙尺度物理学是探索宇宙的奥秘的科学，而宇宙尺度则是其中重要的研究领域之一。
宇宙尺度涉及到宇宙中不同物体的大小、距离以及时间的尺度，对于我们理解宇宙的结构和演化过程具有重要的意义。
本文将从宇宙的尺度层级、宇宙扩张以及宇宙尺度对人类的影响等方面进行论述。
一、宇宙的尺度层级宇宙的尺度层级是指从微观到宏观不同物体的尺寸范围。
在微观尺度上，我们可以研究原子、分子以及它们之间的相互作用，这属于微观物理学的范畴。
而在宏观尺度上，我们研究的是星系、星云以及宇宙中的大尺度结构和现象，这就是天体物理学的研究范围。
在微观尺度上，物理学家通过粒子加速器等实验设备，可以观测和研究到微观粒子的特性和相互作用规律。
这些微观粒子包括了构成物质的基本粒子，如夸克和轻子等。
通过研究微观尺度上的物理规律，我们可以深入理解物质的组成和微观世界的奥秘。
而在宏观尺度上，我们观测到的是星系、星云等宇宙中的天体结构。
宇宙尺度的研究包括了宇宙起源、星系的形成和演化、宇宙背景辐射等诸多方面。
通过观测宇宙尺度上的现象，物理学家可以推测出宇宙的组成和演化历史。
二、宇宙的扩张宇宙的扩张是指宇宙中物体之间距离的增加。
据大爆炸理论，宇宙在约138亿年前开始于一个极端高温高密度的状态，随着时间的推移，宇宙不断膨胀扩大。
这一理论得到了大量观测数据的支持，被广泛接受为解释宇宙演化的基本理论。
宇宙的扩张使得宇宙中的物体相对于我们的观测点偏离，这就导致了红移现象。
红移是指天体的光谱线向长波长方向偏移，这是由于宇宙膨胀而使得光波被拉伸所致。
通过红移的观测，我们可以了解到宇宙中各个物体的远近关系，从而揭示宇宙的结构和演化历史。
三、宇宙尺度对人类的影响宇宙尺度的研究对于人类有着重要意义。
首先，宇宙尺度的研究有助于我们了解宇宙的起源和演化，揭示出宇宙的奥秘。
这有助于推动科学的发展和人类对宇宙的认识。
其次，宇宙尺度的研究对于天文学和航天技术的发展具有重要作用。
通过研究宇宙尺度上的物体和现象，我们可以获得更多的天文数据，并促进技术的创新和应用。
科普丨《宇宙的尺度》：用无形的尺子丈量宇宙，理解超越人类感知的世界
科普丨《宇宙的尺度》：用无形的尺子丈量宇宙，理解超越人类感知的世界用无形的尺子丈量宇宙，理解超越人类感知的世界精华笔记在经典科幻作品《银河系漫游指南》中，有一支庞大的外星舰队前来袭击地球，结果他们发现自己弄错了尺度，所以这支大军刚在公园里着陆，就被一条小狗吃掉了。
这个故事告诉我们，当你试图理解这个世界的时候，尺度非常重要。
《宇宙的尺度》这本书，正是从日常生活中最常见的谱系出发，让我们身临其境地感受不同尺度下的宇宙。
在讲“尺度”之前，首先引入一个“人类尺度”的概念。
所谓的“人类尺度”，就是指让人类感觉舒适的范围，它又叫“中间世界”。
这个中间世界包括，能够轻松步行到达的距离、不超过人类平均寿命的时间，以及在地球上可以感受到的温度范围，大致是从冰的寒冷到火的灼热。
下面本书就将介绍数字、尺寸、光、声、热和时间这六种谱系的不同尺度，带我们体验何谓超出人类尺度。
先从第一种谱系，数字开始说起。
我们擅长处理日常生活中的数字，但大数字是我们的软肋。
把握大数字的诀窍是把它压缩到自己习惯的尺度。
假设一个普通人每年赚5万，一个富翁每年赚500万。
这两个人的生活有什么区别？发挥想象力的时候，不要把你自己的收入乘以100，而是把所有东西的价钱除以100。
只要你足够有钱，所有东西看起来都很便宜。
要理解马云的财富，不要去想3000亿的身家，那只是一个没有意义的大数字而已。
你只需要想象，所有东西的价钱都变成实际价格的百万分之一。
最新上市的iPhone 只要一分钱，一辆超跑大约几块钱，你眼中价值5000万的豪宅对他来说只值50块。
“古戈尔”是一个很大的数字单位，它代表10的100次方，也就是在1后面写100个零。
这个数字超越了目前已知事物的极限，现实世界里还没有能达到1古戈尔量级的东西，更大的数只属于纯数学的领域。
负数、虚数和无穷也是只属于纯数学领域的概念。
无论你脑子里想到的是多大的数，无穷都比它更大。
接下来介绍的第二种谱系是尺寸。
1、 宇观世界、宏观世界、微观世界
1、宇观世界、宏观世界、微观世界当今的理论物理学并不缺乏坚深的数学演绎，缺乏的只是理论发展所需要的活力：新视角、新概念、新思想和深刻的洞察力。
新的科学体系的诞生无不是在固有体系的基础上，根据当时所了解的知识，理想化出一系列基本理论，并在这些基本理论基础上发展出来整个体系。
但没有人能保证这些基本理论始终有效。
当我们学习这些科学体系时，对权威的崇拜，对这些科学体系魅力的迷恋，对整个科学体系坍塌的恐惧使得我们的自由意志与既有结论或权威对立时，我们的第一个反应就是逃避。
而作为科学基本的态度和精神的怀疑与批判，则早已被我们置之于脑后。
逐渐地，我们就把这些基本理论看成神圣不可侵犯的"公理"，即使它们已经不合时宜。
在二十一世纪物理学将在三个方向上继续向前发展（1）在微观方向上深入下去；（2）在宏观方向上拓展开去；（3）深入探索各层次间的联系，进一步发展非线性科学。
吴水清先生认为：“在科学研究的路上，我们要以实验为根据，以数学位工具，以实用为目标，以理论为基础，进行开拓和创新。
”李政道教授讲：“地球村人面临第三次物理学革命的挑战。
”【1】宇观世界：指宇宙学和天文学研究的范围。
长度单位使用天文学单位1.496×1011m（等于地球到太阳的距离）或大尺度单位9.5×1015m（即光年）;宏观世界：指现实生活涉及到的经验世界。
长度主单位使用m，大单位用km，小单位用mm；经典物理学就是适用于这一领域的、添加了许多假设和近似的、非常实用的理论；微观世界：指跟非牛顿范式物理学所研究的热、光、电磁现象相关的，辐射能ε从粒子中放出、在空间中传播、或被粒子吸收的整个系统。
长度单位使用纳米10-9m或者埃10-10m。
宏观描述只描述宏观物质体而不追究其内部的微观结构或超微观结构。
微观描述到分子，原子止。
超微观描述则到原子以下范围内。
宇观只是一般意义下的宏观的扩展，本质还是宏观。
所以物质的空间范围应分为：宏观，微观，超微观三大领域。
宇宙万物尺度大小比较第部分
宇宙万物尺度大小比较第部分
这个世界是一个巨大而多样的宇宙，有许多不同大小的物体。
许多人认为，宇宙中的尺度可以从微观到宏观来衡量。
微观的尺度指的是宇宙中最小的物质和最小的粒子。
以原子为例，它们是微观尺度的最小粒子。
原子的尺寸并不大，很多原子都比一万分之一毫米要小。
但是原子仍然有其价值，它们是宇宙中所有物质的基础，是构成物质的最小部分。
宏观的尺度是指宇宙中最大的东西。
宇宙的广阔大小和奇妙的科学奥秘令人神往。
宇宙中最大的物质是银河系，它们的尺度是令人难以想象的。
一颗银河系中的恒星可以有数百亿个，有可能数千亿乃至更多。
大多数的恒星的尺度可以被认为是宏观的，而银河系甚至比恒星大得多。
此外，除了宏观和微观尺度，宇宙中还有中度尺度。
中度尺度过程及衡量在宇宙中最为常见的物质，如星星、行星、行星系统和恒星系。
它们的尺度比银河系小得多，比单一原子大得多。
由于宇宙中物质的不同尺度，我们可以认识到宇宙本身的宽度和深度。
我们可以用不同的尺度来比较不同的物质，而每一种物质又有其自身的功能和存在的科学奥秘。
宇宙中的尺度大小比较就是一座慢慢发现的宝库，为我们的探索带来无限的乐趣。
第一节宇宙和微观世界课件1
3、科学家经过长时间研究发现，分子是由 、科学家经过长时间研究发现， 原子 组成的； ＿＿＿ 组成的；原子的结构与太阳系十分相 核外电子 原子核 是由＿＿＿＿＿ ＿＿＿＿＿＿＿组成的 ＿＿＿＿＿和 组成的； 似，是由＿＿＿＿＿和＿＿＿＿＿＿＿组成的； 质子和中子 原子核是由更小的粒子＿＿＿＿＿＿组成， ＿＿＿＿＿＿组成 原子核是由更小的粒子＿＿＿＿＿＿组成，人 们对微观世界的探究是永无止境的。 们对微观世界的探究是永无止境的。 4、讨论宇宙中例如银河系的大小，我们通 、讨论宇宙中例如银河系的大小， 作为长度单位。 它表示＿＿＿＿＿ 常用 光年作为长度单位。 它表示＿＿＿＿＿ 光一年内通过的路程 ＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿。 ＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿。
一、宇宙是由物质组成的 二、物质是由分子组成的分子又是由原子 组成的 三、固态、液态、气态的微观模型 固态、液态、 和宏观特征 四、纳米科学技术
课堂练习： 课堂练习： 原子核 1、原子由位于中心的 ———— 、 和核外 电子 组成 。 2、多数物质从液态变为固态时体 、 积 变小 ；从液态变为气态时体 积 变大 。
一、宇宙是由什么组成的？ 宇宙是由什么组成亿个星系） （数十亿个星系） 河外星系 如：仙女座星系
银
河
系
异常巨大 太阳系： 太阳系：八大行星 地球： 地球：第三轨道
1、宇宙是非常巨大的，那么宇宙 、宇宙是非常巨大的， 究竟是由什么组成的？ 究竟是由什么组成的？
三、分子又是由原子组成的 ——原子结构 原子结构 质子 原子核 原子 中子 核外电子 夸克
？
四、固态、液态、气态的微观模型和宏观特征 固态、液态、
阅读课本并完成下面表格：
状 态 固 态 液 态 气 态
特
征
分子间 距 很小 较小 很大
宇宙宏观与微观
1米现下我们回到了本次旅行的起 点，这个距离我们能用我们的手 臂够到
10cm逐渐靠近直到10cm的距离， 我们能描绘树叶的样子了。
1cm从这个距离，我们能观察到树叶 的结构
1mm细胞组织开始得以展现...
100微米此时，细胞得以清晰的展 现。你可以看到细胞之间是怎样 结合起来的。
10微米我们的旅行将进入到细胞内 部...
1米 花园里，从1米的距离看一束树叶
10米将我们的视线向上移，我 们看到的是一片植物
100米在这个距离，我们看到了 树林的边界
1公里现在我们将从米进入到公 里..有可能需要降落伞了
10公里我们由此可以看到整个城 市的面貌，但是我们确实已经看 不清每栋房子了
100公里从这个高度，可以看到美国 佛罗里达州
1000公里这是典型的从人造卫 星的视野
1万公里北半球，和南美洲的部 分
10万公里此刻，地球看起来很 小了...
100万公里地球和月亮的运行轨 道（白色的线）
1000万公里蓝色区域是地球轨 道的一部分
1亿公里金星和地球的轨道...
10亿公里水星、金星、地球和 木星的轨道
100亿公里从这个高度，我们能 看到太阳系和行星运行的轨道
夸克再往下就是一股无形的能量了。 组成这个世界的不是物质而是能量，而 能量又是怎么来的，如何运作的呢？ 谁能说我们的科学已经能破解所有 宇宙和生命的奥秘？也许，今天的科学 只是认知世界的初级阶段，比起几百年 前科学证实地球是圆的，是绕着太阳转 的阶段进步了一点点而已。终极真理或 许需要从另一个方向——信仰才能获得。
1000亿公里太阳系看起来变得有点 小了...
1万亿公里此刻，太阳看起来就 是众多恒星中的一颗...
1光年（10万亿公里）从1光年的距 离看，太阳看起来很小了
宇宙和微观世界ppt课件
三、固态、液态、气态的微观模型
固态、液态、气态的微观模型
物质从液态变为固态时体积变大还是变小？ 你能说出一些现象支持你的说法吗？
图11.1-5液 态的蜡在凝 固时体积缩 小，中间凹 陷下去。
固态、液态、气态的微观模型
固态、液态、气态的微观模型
固态、液态、气态的微观模型
固态、液态、气态的微观模型
不同 • 7、物质处于不同状态时具有＿＿＿＿＿的物理性质。 保持 （选填“相同”或”不同“）。组成物资的分子＿＿ ＿＿＿物质原来的性质。（选填”保持“或”不保持 “） 分子在排列方式上 • 8、状态发生变化时体积发生变化，主要是由于构成 物质的＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿发生了变化。 长度 • 9、”纳米“是物理量＿＿＿＿的单位，符号是＿＿ ＿＿；1nm=＿＿＿＿＿m。科学研究表明冠状病毒 的一个变种是引起非典型肺炎的病原体，冠状病毒呈 不规则的原形或类圆形，平均直径是100nm，即＿＿ ＿＿m。 • 10、＿＿＿＿＿分子比较大，直径达到几十纳米。
电子 原子核 • 3、原子是由位于中心的＿＿＿＿和核外＿＿组 成的。 变小 • 4、多数物质从液态变为固态时体积＿＿＿＿； 变大 从液态变为气态时体积＿＿＿＿＿。 原子 • 5、科学家经过长时间研究发现，分子是由＿＿ 组成的；原子的结构与太阳系十分相似，是由 核外电子 原子核 ＿＿＿＿＿和＿＿＿＿＿组成的；原子核是由 质子和中子 更小的粒子＿＿＿＿＿组成的。人们对微观世 界的探究是永无止境的。 • 6、讨论宇宙中例如银河系的大小，我们通常用 光年 ＿＿＿作为长度单位，它表示＿＿＿＿＿ ＿＿ ＿＿＿。
不同 • 7、物质处于不同状态时具有＿＿＿＿＿的物理性质。 保持 （选填“相同”或”不同“）。组成物资的分子＿＿ ＿＿＿物质原来的性质。（选填”保持“或”不保持 “） 分子在排列方式上 • 8、状态发生变化时体积发生变化，主要是由于构成 物质的＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿发生了变化。 nm 长度 • 9、”纳米“是物理量＿＿＿＿的单位，符号是＿＿ ＿＿；1nm=＿＿＿＿＿m。科学研究表明冠状病毒 的一个变种是引起非典型肺炎的病原体，冠状病毒呈 不规则的原形或类圆形，平均直径是100nm，即＿＿ ＿＿m。 • 10、＿＿＿＿＿分子比较大，直径达到几十纳米。
宇宙的尺度浩瀚与微小的对比
宇宙的尺度浩瀚与微小的对比宇宙，是一个无比广阔、神秘而又充满未知的存在。
我们身处其中的地球微不足道，然而当我们仰望星空，我们才能真正感受到宇宙的尺度之浩瀚。
在这篇文章中，我们将探讨宇宙的尺度浩瀚与微小的对比，并揭示其给我们带来的思考和启示。
**一、宇宙的尺度浩瀚**当我们抬头仰望夜空，我们能够看到无数的星星，这只是在我们所能观测到的极其有限的范围内。
据科学家估计，宇宙中的星系数量可能高达数百亿，每个星系又包含着无数恒星与行星，构成了一个庞大而神秘的星系团。
而更为惊人的是，这只是整个宇宙的一小部分。
宇宙的边界远远超出了人类的想象。
根据目前的观测数据，宇宙的年龄大约为138亿年，而其估计的直径则约为930亿光年。
这个数字如此庞大, 它意味着光的速度只能在930亿年内穿越宇宙的一小部分。
这也说明了人类对于宇宙的观测是十分有限的。
宇宙之大，人类之小。
**二、微小的对比与思考**相对于宇宙的浩瀚尺度，我们所存在的微小尺度变得微不足道。
回到我们的地球上，我们发现了无数微小的存在。
微生物、细胞、分子以及原子，它们组成了我们身体的构成，也是构建整个宇宙的基本组成部分。
我们所生活的世界其实是由微观世界与宇宙世界所构成的。
就像宇宙中的旋转星系一样，原子也有其围绕核心旋转的轨道。
微观世界的微小实体所具有的规律与宇宙对我们来说也是如此神秘。
正是这种微观与宏观的统一，才使得我们能够研究和理解宇宙。
**三、启示与经验**宇宙的尺度浩瀚与微小的对比给我们带来了许多思考和启示。
首先，我们应该谦卑面对宇宙，意识到自己的渺小。
宇宙的尺度如此之大，我们的生命只是其中的一个瞬间。
因此，我们应该珍惜时间，充实自己，追求真理。
其次，我们应该理解并尊重微观世界。
微小的存在构成了宇宙的基础，没有微观世界的存在，就没有宇宙的悠久。
我们应该学会观察微观世界的规律，从而更好地理解宇宙的奥秘。
最后，我们应该保持好奇心和求知欲。
人类对宇宙的认知永远是不完全的，而正是由于好奇心的驱使，人类不断地进行探索和发现。
细菌比人类小上亿倍,宇宙中是否存在比人类大上亿倍的生物？
细菌比人类小上亿倍，那宇宙中是否存在比人类大上亿倍的生物？大家估计看过这样一个视频，从植物内部的一个细胞出发，逐渐拉高视野，慢慢显现出植物叶片的脉络，然后显示出整个叶片，接着再到一棵树、一片土地，镜头继续拉高，逐渐显现出地球的外貌、太阳系的轮廓，接下来就是整个银河系、拉尼亚凯亚超星系团，最后定格到整可观测宇宙。
在浩瀚的星际空间中，许多星系所组成的画面，与植物叶片中细胞与细胞之间所构成的画面，一上眼有太多的相似之处了。
大和小、内和外的这种转换，无疑让人感到非常震撼，同时也加深了对“一沙一世界、一叶一菩提”这种深层次的思辨逻辑。
宏观世界和微观世界的联系，是否可以通过无限的放大和缩小，来表明它们之间的相似性呢？如果相似，是否意识着宏观即微观，微观即宏观呢？要解释这个问题，难度的确很大。
我们不妨从细菌和人的大小对比出发，先看看宇宙中能否会存在着比人还要大上亿倍的生物。
细菌和人体大小的对比在生物学上，细菌是被划为细菌界的一类单细胞生物，隶属于原核生物，是地球上存在时间最长、结构最为简单的生物，广泛存在于地球的各个角落，无论是两极、高山，还是陆地、海洋，抑或有氧环境还是无氧环境，都有它们身影的存在。
从生物遗传和进化的角度分析，目前地球上形形色色的生命体，都是在地球刚刚形成之后的数亿年时间里，由真细菌和古细菌的共同祖先演化而来。
细菌根据形态的不同，可以分为球状细菌、杆状细菌和螺旋细菌三大类。
无论是哪种细菌，其结构都包括细胞壁、细胞膜、细胞质以及核糖体等，有些细菌还包括一些特殊结构，比如荚膜、菌毛、鞭毛、芽孢等。
不同种类的细菌，其大小不一，有的可以达到十几个微米，有的还不到1微米，但大多数都在0.5-5微米之间（以下为了计算的方便，我们取平均值2微米）。
如果按照体积来算，一个细胞的体积约为4.2*10^(-18)立方米，质量约为10^(-10)克，可见细菌从体积上看，要远比1个原子的体积10^(-30)立方米大得多。
从宏观物体到微观物质的层次结构[终稿]
![从宏观物体到微观物质的层次结构[终稿]](https://img.taocdn.com/s3/m/45d17a9603d276a20029bd64783e0912a2167ca8.png)
从宏观物体到微观物质的层次结构000说明：本文是综合网络上的相关知识，编辑而成，以供大家参考。
000一000我们所在的这个宇宙是人类已知的最大物体，其曲率半径达到10^31m，约等于10^16光年。
000（注：1光年≈ 9.46×10^15m，即约9.46万亿公里。
天文学上还用“秒差距”pc作距离单位，1pc≈3.08568×10^16m，约为3.26光年）。
000宇宙中的物质不是连续均匀分布的，而是一团一团的，呈立体网状的。
宇宙中包含很多个超星系团，并且各个超星系团之间相距遥远。
000每一个超星系团里面又包含若干个星系团，星系团彼此之间也是距离遥远。
000每一个星系团里面又包含若干个星系群，星系群彼此之间也是距离遥远。
（星系群就是小的星系团，有的观点没有星系群的说法。
）000每一个星系群里面又包含很多个大星系，大星系彼此之间也是距离遥远。
我们所在的银河系就是大星系之一，银河系直径约为10万多光年。
000每一个大星系里面又包含很多个恒星系。
我们所在的太阳系，就是一个恒星系，它属于银河系中的一员。
银河系包含上千亿颗恒星，恒星彼此之间距离非常遥远。
000恒星系基本上都是由位于中心的一颗或两三颗恒星，以及周围的若干附属天体组成。
附属天体包括行星、行星的卫星、彗星和其他一些小天体。
000宇宙中除了上述天体，还弥漫着大量的星际气体和星际尘埃。
000宇宙中所有的天体都在不断运转变化，各个星系团、恒星、行星和卫星等，都在旋转，既绕着它们系统的中心公转，同时又在自转。
但旋转的速度、方向和轨道角度等都各有不同。
000宇宙中时常都有老的恒星死亡，变成红巨星、白矮星或黑洞；也时常有新的恒星诞生，有超新星爆发。
还有星系碰撞、撕裂、吞并等现象。
000我们所在的太阳系，是由中心的一颗恒星——太阳，和周围的八大行星、数颗矮行星、上百颗天然卫星以及数以亿计的各种小天体组成。
太阳系的直径约为10^16 m ，即大约1光年。
微观世界和宏观世界方块大小对比
微观世界和宏观世界方块大小对比在我们生活的世界中，有微观世界和宏观世界之分。
微观世界是指我们无法直接观察到的微小尺度的世界，而宏观世界则是我们日常所接触到的可见尺度的世界。
这两个世界在方块大小上存在着明显的对比。
我们来看微观世界的方块大小。
微观世界是由原子和分子构成的，它的尺度非常微小。
以一个常见的水分子为例，水分子的尺寸大约是0.3纳米。
纳米是一个非常小的单位，相当于十亿分之一米。
可以想象，如果我们将一个水分子放大到人类可见的尺度，那么它的大小将会非常小，几乎难以想象。
更不用说其他更小的原子和分子了，它们的尺寸更加微小。
与微观世界相比，宏观世界的方块大小要大得多。
在宏观世界中，我们所看到的物体通常都有一定的尺寸。
比如，一颗苹果的直径大约在7厘米左右，一辆汽车的长度通常在4到5米之间。
这些物体的尺寸相比微观世界来说已经非常巨大了。
微观世界和宏观世界的方块大小对比可以用一个简单的比喻来理解。
就好像我们在放大镜下观察一颗沙粒，它的尺寸看起来非常小，几乎可以忽略不计。
但当我们把放大镜拿开，观察一颗篮球时，它的尺寸就显得非常大了。
微观世界和宏观世界的方块大小之间存在着巨大的差异。
微观世界和宏观世界的方块大小对比也可以从物质的组成角度来理解。
微观世界由原子和分子构成，而宏观世界由大量的微观粒子组成。
原子和分子是微观粒子，它们的尺寸非常小。
但当大量的原子和分子聚集在一起时，它们就形成了我们所看到的物体，比如水、空气、土壤等。
这些物体在宏观尺度上看起来非常大，但在微观尺度上却是由微小的粒子组成的。
微观世界和宏观世界的方块大小对比还可以从物理现象的角度来理解。
微观世界中存在着一些奇特的物理现象，比如量子力学的不确定性原理和量子纠缠等。
这些现象在微观尺度上非常显著，但在宏观尺度上很难观察到。
相反，宏观世界中的物理现象通常都符合经典物理学的规律，比如牛顿运动定律和万有引力定律等。
这些现象在宏观尺度上表现得非常明显，而在微观尺度上则很难观察到。
微观世界、宏观世界
这张照片显示的是血管 从黑色视盘中伸出。视 盘是个盲点，因为视网 膜的这个区域没有光感 细胞，视神经和视网膜 血管从眼睛后面的这个 部位伸出去。
微观世界
IBM公司的科学家 宣称首次拍到单个 分子的清晰照片， 照片中可看见把分 子结构紧密连在一 起的原子键。
• 无数原子彩球是这 个作品的基本元素， 视觉冲击力极强。
阿基米德
古希腊哲学家、数学家、 物理学家、力学家。 阿基米德成为兼数学家 与力学家的伟大学者， 并且享有“力学之父” 的美称。是静态力学和 流体静力学的奠基人。
从小就善于思考，喜欢辩 论。早年游历过古埃及， 曾在亚历山大城学习。据 说他在亚历山大里亚时期 发明了阿基米德式螺旋抽 水机。第二次布匿战争时 期，罗马大军围攻叙拉古， 最后阿基米德不幸死在罗 马士兵之手。他一生
美丽的 微观世界
量子力学
描写微观物质的一种物理学理论。
量子力学
量子力学是研究微观粒子的运动规律的 物理学分支学科，它主要研究原子、分 子、凝聚态物质，以及原子核和基本粒 子的结构、性质的基础理论，它与相对 论一起构成了现代物理学的理论基础 。
量子力学
量子力学的预言和经典物理学运动方程 (质点运动方程和波动方程)的预言在性 质上是不同的。在经典物理学理论中， 对一个体系的测量不会改变它的状态， 它只有一种变化，并按运动方程演进。 因此，运动方程对决定体系状态的力学 量可以作出确定的预言。
微观世界 ---
难得一见的人体微观世界
要有一口亮丽牙齿， 经常刷牙非常有必 要，因为牙齿表面 的牙釉质看起来就 像“混乱的丛林”。
微观世界 ---
难得一见的人体微观世界
这是对耳毛细胞进行 近距离拍摄的。耳毛 细胞的主要功能是发 现对声震作出反应时 产生的机械运动
中科大天文学史课件02宇宙概观
NGC7000、IC5067北美星云和塘鹅星云
位于天津四东方的弥漫星云
IC434和马头星云
在猎户的“三星”内，位于δ星南侧的弥漫星云
马头星云
猎户座KL星云
NGC2238玫瑰星云
位于麒麟座内的弥漫星云
B68暗星云
位于蛇夫座
M8潮滩星云
位于人马座内的弥漫星云
M20三裂星云
M8北3度位置上的弥漫星云
三、 宇宙的层次结构
宇宙 超星系团 星系团 星系
星云 行星系统 卫星系统
恒星 彗星
星团 星际物质 流星体
哈勃太空望远镜
金星的大气
太空中的地球和月球
伽利略飞船拍摄
月球正面
伽利略飞船拍摄
月球背面
阿波罗飞船拍摄
月球的南极
小行星在太阳系中的分布
海王星的卫星特里顿（海卫一）
太阳系的范围：引力范围－1光年
大行星区域－40天文单位
1．太阳
2．地球
3．月球
4．大行星
水星、金星、地球、火星——类地行星
木星、土星
——巨行星
天王星、海王星——远日行星
5、矮行星：冥王星
6．小行星
7．彗星和流星体
8．卫星和行星环
四、银河系概况
由恒星、星团、星云和弥漫物质集合成的系统。 形状为扁平的铁饼形，绕自身的对称轴旋转， 有旋臂成旋涡状，直径约10万光年，厚度最大约 1万光年，包含约2000亿颗恒星。
3．当前观测宇宙的尺度 137亿光年
微观世界和宏观世界
巴 黎 协 和 广 场 方 尖 碑
微观世界和宏观世界
宇观世界
宇宙的历史
宇 宙
演
化
历 程
宇宙的历史（续）
宇观世界宏观世界微观世界
【1】T.D.Lee :《Particle Physics and Introduction to Field Theory》，Science Press，Beijing，1981.
力的类型
发生作用的距离
力的强度(以强力为1)
传递此力的粒子
粒子的引力质量
引力
延伸到非常大的距离
10-38
没有发现
不知道
弱力
约小于10-17cm
10-13
中间玻色子W+、W-和Z0
约90吉电子伏
电磁力
延伸到非常大的距离
10-2
光子
0
强力
约0
注：1吉＝10亿
玻尔的对应原理在某种意义上应该看作是一种物理学思想,它表明在原子范围内的微观现象和宏观现象，各自遵循本范围的规律，但微观范围内的规律和宏观范围内的规律间存在对应关系，当把微观范围内的规律延伸到宏观范围时，应与宏观规律一致.
在二十一世纪物理学将在三个方向上继续向前发展（1）在微观方向上深入下去；（2）在宏观方向上拓展开去；（3）深入探索各层次间的联系，进一步发展非线性科学.吴水清先生认为：“在科学研究的路上，我们要以实验为根据，以数学位工具，以实用为目标，以理论为基础，进行开拓和创新.”李政道教授讲：“地球村人面临第三次物理学革命的挑战.”【1】
宇观世界：指宇宙学和天文学研究的范围.长度单位使用天文学单位1.496×1011m（等于地球到太阳的距离）或大尺度单位9.5×1015m（即光年）;宏观世界：指现实生活涉及到的经验世界.长度主单位使用m，大单位用km，小单位用mm；经典物理学就是适用于这一领域的、添加了许多假设和近似的、非常实用的理论；微观世界：指跟非牛顿范式物理学所研究的热、光、电磁现象相关的，辐射能ε从粒子中放出、在空间中传播、或被粒子吸收的整个系统.长度单位使用纳米10-9m或者埃10-10m.宏观描述只描述宏观物质体而不追究其内部的微观结构或超微观结构.微观描述到分子，原子止.超微观描述则到原子以下范围内.宇观只是一般意义下的宏观的扩展，本质还是宏观.所以物质的空间范围应分为：宏观，微观，超微观三大领域.宏观现象、宇观现象和微观现象中都有许多是人们已有的观念和理论所无法解释，这就要求我们修改旧有的观念和理论，甚至创立新的观念和理论.客观世界永远是人类不可超越的老师！我们能够做的是用一个改善的观念和理论去取代旧有的观念和理论，一代接一代地进行下去.这一切不能仅仅靠理论思索，更重要的是科学的实践.经得起客观实践检验的观念和理论才是有生命力的.
宇宙的真实尺度;了解宇宙的宏观与微观世界
宇宙的真实尺度;了解宇宙的宏观与微观世界宇宙是人类探索的最大奥秘之一，其真实尺度和复杂性超出我们的想象。
了解宇宙的宏观和微观世界是人类长期以来的追求，对这个广阔而神秘的宇宙进行深入探索，有助于我们理解自身存在的意义和宇宙的运行规律。
首先，我们来谈谈宇宙的宏观世界。
在宏观尺度上，宇宙是如此之大，以至于我们很难用常规的单位来描述其规模。
宇宙中有数百亿甚至数千亿个星系，每个星系又包含着数十亿甚至上百亿颗恒星。
这种巨大的规模让人类感到渺小，但也激发了我们对宇宙奥秘的好奇心。
通过现代天文观测和探测技术，人类已经能够观测到遥远星系的光谱，探测到宇宙微波背景辐射等信息，从而对宇宙的起源、演化和结构有了更深入的认识。
其次，我们再来谈谈宇宙的微观世界。
在微观尺度上，宇宙同样充满了奇妙的现象和规律。
量子物理和基本粒子物理的研究揭示了宇宙微观世界中的奇异现象，如量子纠缠、虚空波动等，挑战着我们对宇宙本质的认识。
通过大型强子对撞机等高能物理实验设施，人类已经发现了一系列基本粒子，并揭示了它们之间微观世界的相互作用。
了解宇宙的宏观和微观世界不仅是为了满足人类的好奇心，更重要的是为了推动科学和技术的进步，促进人类文明的发展。
宇宙的真实尺度和复杂性激励着科学家们不断深入探索，不断寻求新的突破，以揭示宇宙的奥秘和规律。
同时，宇宙的宏观和微观世界也提醒着我们，人类只是宇宙中微不足道的存在，应该怀着敬畏之心对待宇宙，珍惜地球上的一切生命和资源。
总之，了解宇宙的宏观和微观世界是人类长期以来的追求和挑战，也是推动科学发展和人类文明进步的动力。
希望未来人类能够继续深入探索宇宙，揭示宇宙的奥秘，为人类的未来和文明发展作出更大的贡献。
第九章 从粒子到宇宙
第九章从粒子到宇宙1．分子运动论的内容：物体是由大量分子组成的；分子在永不停息地做无规则运动；分子之间存在着相互作用的引力和斥力（分子之间有间隙）。
2. 扩散是指不同物质互相接触时，彼此进入对方的现象。
扩散现象证明分子在永不停息做无规则运动。
分子运动的快慢与温度有关,温度越高,分子运动越剧烈.3.用油膜法可测量分子直径，其数量级为10-10m。
4．固体和液体都能保持一定的体积，证明分子之间存在相互作用的引力；固体和液体难于压缩，证明分子之间存在相互作用的斥力。
5．固体中分子之间的距离很小，相互作用力很大，分子只能在平衡位置附近振动；液体中分子之间的距离较小，相互作用力较大，以分子群的形态存在，分子可在平衡位置附近振动，分子群却可以相互滑动；气体中分子间的距离很大，相互作用力很小，每一个分子几乎都可以自由运动。
6．宏观世界（宇宙）的尺度（由大到小顺序）：总星系银河系太阳系地月系地球3.0×1010l.y. 1.0×105l.y. 8.99×109km 7.7×105km 1.28×104km7．微观世界（粒子）的尺度（由大到小顺序）：病毒（物体）分子原子原子核质子（中子、电子）夸克10-7m 10-10m 10-10m 10-14m 10-15m <10-17m8.原子由位于中心带正电的原子核和核外绕核高速旋转的带负电的电子组成，原子核是由带正电的质子和不带电的中子组成。
原子核的直径大约是原子直径的万分之一，却几乎集中了原子的全部质量。
9．原子结构的两种模型：汤姆孙的"枣糕模型"和卢瑟福的"行星模型"。
10．汤姆生发现电子，查得威克发现中子。
11．两种宇宙模型：托勒玫的"地心说"指出地球位于宇宙中心，太阳和行星都绕着地球旋转；哥白尼的"日心说"指出太阳是宇宙的中心，地球和其它行星都绕着太阳旋转，月球是地球的一颗卫星，它绕着地球旋转。
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图解宇宙的尺度：从宏观世界到微观世界!
十亿光年，是一个什么概念呢？
光年，光走一年的路程。
光速！它是速度公认的极限，每秒299792458米，能在眨眼间绕地球七圈半。
看见么，就这么快的光，让他跑吧，跑个一年，所度量出来的距离就是一光年了。
现在各位把鼠标移到屏幕的左下角，点“开始”－“程序”－“附件”－“计算器”，都来动手算算它，这一年是31536000
秒，一秒跑299792458米，乘出来就945425495548
8000米，约等于十万亿公里吧。
你说什么，简直天文数字？废话，天文上的数字当然得是天文数字啦～～～～～但这也仅仅只不过是一光年的长度。
当我们看到十亿光年以外的星星时，映入我们眼帘的那束星光已经在茫茫宇宙间飞奔了十亿年。
换句话说，我们现在看到的仅仅是它十亿年之前的样子！现在的它究竟如何我们只有再等待十亿年才能看到……不寒而栗！
普遍认为宇宙诞生到现在有150亿年。
所以我们可能观察到
的最广阔宇宙空间的直径只可能在150亿光年这样的范围之内。
150亿光年远的地方的光被我们看到时已经在宇宙间穿越了150亿年，那是宇宙诞生时的影像！！！下面这张图是在十亿光年这样的数量级下观测宇宙，上面的每一个象素点所表现的事物都是无比古远的。
1亿光年
现在我们把视野缩小10倍，宇宙看起来还是空空如也，“星”光点点。
可是，那些点点斑斑的真的是星么？
1000万光年
把眼光再降低一个数量级，那些点点看起来依然象是星星哦^_^
100万光年
近些，再近些。
**！什么呀，这么面熟？这就是你所说的“星星”么？是星星，一堆星星。
我们管它叫银河系
10万光年
这是银河系，我们的家园。
来个特写，茄～～子～～～
在10
万光年这样的数量级下，我们就看见了整个的银河系。
事实上，银河系的直径就是十万光年。
真有哪位能发明个跟光速一边快的飞船，从银河系的这边飞到对面来个大吊角，就要十万年的时间！**，在这样漫长的旅程来看，人生不过朝生暮死，蜉蝣一般。
但这只是对相对于银河系静止的观测者而言，船上的人员感受到的旅程其实只有数分钟。
相对论呀，深了去了。
1万光年
夏夜在内蒙的草原上，平生第一次如此清晰的看见了银河，一条黯淡的光带横亘夜空。
由此就能够大致估计出我们的位置，如果把银河视为一个巨大的扁盘子（饥饿者也可把它视为大饼，麻酱白糖的^_^）我们就是应该在这张扁盘子的平面上。
否则如果不是这样的话，我们高于或低于它，那么看到
的夜空就会显得一半亮一半暗，而不是象现在这样银河光带般亘在天幕中，星星比较均匀地分布两侧了。
事实上现代研究也得出这种结论：我们的太阳系位于银河系螺旋翼内侧的边缘，距离银河系中心大约
2.5万光年。
于是，我们把视野收回到1万光年的数量级，聚焦在银河系若干触角般螺旋翼中的一条上面。
1千光年
密密麻麻！
100光年
再近点，还是密密麻麻！
10光年
又是密密麻麻！
1光年
等等，这是什么？
1万亿公里
再走近十倍依然雾气昭昭的一团，到底是什么嘛？1千亿公里
这回看清楚了吧，原来是太阳系！我们在密密麻麻的星星中跋山涉水，翻山越岭认出了它，不易呀！
100亿公里
放大十倍来观察以繁星为背景的太阳系。
说是繁星，其实与太阳最近的恒星――半****座比邻星都是在4.22光年开外的。
图中的亮点仅仅只是背景上离得八丈远的星星呢，并不是太阳系的一部分。
10亿公里
数数看，下图里被蓝框子圈上的是谁的轨道？水、金、地……原来是地球的轨道呀！
1亿公里
地球在哪里？
1000万公里
哦呦～～～大圈套小圈呢，月球围地球转的轨道。
100万公里是什么？飞机？还是鸟？是超人？都不是……
10万公里
是地球！Home，Sweet home。
1万公里
怎么会这么巧涅？从10亿光年一路看下来正对着的竟是美国。
用一万公里的视野看地球，这是神的视角。
Google Earth 也能有这种效果，起始时对着的也是美国^_^
1000公里
如果我记得不错的话，地理课上教过，这是北美五大湖区中的密歇根湖，框住的城市就是芝加哥。
100公里
不看不知道，世界真奇妙。
芝加哥鸟瞰。
并由此开始了我们人类所能够理解的数量级，开始了我们熟悉的世界。
10公里
密密麻麻，房屋，湖边的房屋。
小二，上瓶啤酒，哥几个先喝着^_^
1公里
我有一所房子，面朝大海，春暖花开。
100米
呦！草地上这是什么呀，一坨？
10米
原来是一傻哥们睡得正香呐。
1米
醒醒嘿，都被偷窥啦还不知道呐。
0.1米
一米的十分之一，也叫分米，我们手所能把握的尺度。
相信人类所接触的大部分物体都是在这样一个数量级的。
看看你的周围，键盘、鼠标、手机、杯子、碗……
仔细一看这哥们手上的毛还挺重的，纯爷们！
1厘米
不要呕吐！没什么大惊小怪的，这是他手上的皱纹细部。
兴许你放大了还没他细皮嫩肉呢。
做好准备，我们即将进入另一个陌生的领域――微观世界。
1毫米
手上的毛孔。
可是，汗毛呢？晕！
100微米
再放大十倍，依稀可见皮肤的组织结构。
我是学生物的，以
前老看，见怪不怪了。
10微米
一个细胞的数量级就是10微米，当然这只是一般来说。
插句嘴，世界上最大的细胞是鸵鸟蛋，它是一个单独的卵细胞，数量级是分米级的，厉害吧。
1微米
疑似生物课上学过的细胞核膜，细部。
0.1微米
**，一看这么高度螺旋的结构就知道是染色体了。
底下的洋文说：但凡人类的细胞，里面都会有23对染色体（46条）。
100埃
埃是一种长度单位，指10的－10次方米。
用字母“A”顶上加个小圆圈来表示。
100埃的数量级就能度量某些有机大分子的物质了。
看到这个规则的等距双螺旋结构，我想你一定能够脱口而出了。
没错，这种物质就叫做脱氧核糖核酸，也就是常说的DNA。
分子结构清晰可见。
1纳米
我们管10的－9次方米叫一纳米。
现在为材料科学炒得火热的纳米技术就是说很多物质精细到纳米级后将表现出很多在常规数量级上所表现不出的性质来。
在纳米这样的数量级下，我们连原子都可以数清了。
因此，纳米级又叫原子级。
下图是组成DNA分子的原子们，它们以共价键和氢键彼此结合成庞大的有机分子。
生命就在这种复杂的结合中得以体现。
敬礼！
1埃
上过中学的就都应该知道：原子是由原子核和电子组成的。
下图中所表示的是密布的电子云，我们能看到原子核外围的电子云比较浓。
所谓电子云，其实并不是说一个原子拥有无数个电子，象云雾般的弥漫四围。
每个原子拥有的电子数都是固定的，有数的，具体依元素种类而定。
这些电子行踪飘忽不定，在原子核外部乱窜。
一个电子，无数法身。
就把这些电子“团团转”的特点用电子云来形容了。
离核近的地方出现的几率大些，云就密；离核远的地方出现的几率小些，云就稀。
10皮米
原子核外围的浓密电子云。
仿佛又回到了浩瀚无边的宇宙。
这样来看每个原子都像是个小宇宙，我们的世界就这样的周而复始着，不寒而栗着…
1皮米
穿过最浓的电子云，发现更近核的地方反倒清净。
原来离得远了要吸引，离得近了也会排斥呢，保持一个最佳的距离才好。
（挺象搞对象呦^_^）
什么？你说电子阴性，原子核阳性，异性相吸，应该越近核
越密才对？别逗了！真要那样越近越吸，越吸越近，电子还不都撞到核上去，最后谁也动弹不得！
可是为什么不是这样呢？国家机密！就不告诉你，吼吼。
0.1皮米，走近点，这就是传说中的原子核了。
10的－12次方米叫做一皮米。
在0.1皮米的数量级下看原子核就可以...
10飞米,比度克，原子核的特写
1飞米（10的－15次方米），质子（也可能是中子）的细部，乱七八糟一大片。
未知的结构，未知的领域，那里属于...
0.1飞米，无语。
翻译出图片下面的洋文作为收场吧，他说：一旦我们进入下一个层次，我们将会看到什么，我们又将下一个轮回...
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