1从宇观世界到微观世界

1、从宇观世界到微观世界作者：郭奕玲沈慧君 文章来源：作者惠赐 点击数：囚1459更新时间:2008-1-9清华大学物理系郭奕玲沈慧君大至宇宙小至粒子无不遵循物理规律物理学是探讨物质基本结构和运动基本规律的学科。从研究对象的空间尺 度来看，大小至少跨越了45个数量级。人类是认识自然界的主体，我们以自身的大小为尺度规定了长度的基本单 位一一米（meter）。与此尺度相当的研究对象为宏观物体，以伽利略为标志，物 理学的研究是从这个层次上开始的，即所谓 宏观物理学。19、20世纪之交物理学家就开始进入到物质的分子、原子层次，这相当于10-9-10-10m，在这个尺度上物质运动服从的规律与宏观物体有本质的

2、区别，物理 学家把现代宇宙学相对论粒子物理学量子理论可规测到的字宙10瞧 很何系1021*木阳系10ls*帕球10,米14彗壳1（）米原子!0_分子、原子，以及后来发现更深层次的物质客体（各种粒子，如原子核、质子、中子、电子、中微子、夸克等）称为微观物体。微观物理学的前沿是高能或粒子物理学，研究对象的尺度在10-15m以下，是物理学里的带头学科。20世 纪在这个学科里的辉煌成就是60年代以来逐步形成了粒子物理的标准模型。近年来，由于材料科学的进步，在介于宏观和微观的尺度之间发展出研究 宏观量子现象的一门新兴的学科一一介观物理学。此外，生命的物质基础是生物大分子，如：蛋白质、DNA，其中包含的原

3、子数达104105个之多，如果把缠绕盘旋的分子链拉直，长度可达104m的数量级。细胞是生命的基本单位，直径一般在10-510-6m之间，最小的也至少有10-7m的数量级。从物理学的角度看，这是目前最活跃的交叉学科一一生物物理学的研究领域。现在把目光转向大尺度。 离我们最近的研究对象是山川地体、 大气海洋， 尺 度的数量级在103107m范围内，从物理学的角度看，属地球物理学的领域。扩大到日月星辰，属天文学和天体物理学的范围， 从小行星到太阳系、银河 系，从星系团到超星系团，尺度横跨了十几个数量级。物理学最大的研究对象是整个宇宙，最远观察极限是哈勃半径，尺度在10261027m的数量级。宇宙学实

4、际上是物理学的一个分支，当代宇宙学的前沿课题是宇宙的起源和 演化，20世纪后半叶这方面的巨大成就是建立了大爆炸标准宇宙模型。这个模 型宣称宇宙是在一百多亿年前的一次大爆炸中诞生的，开初物质的密度和温度都极高，那时既没有原子和分子，更谈不到恒星与星系，有的只是极高温的热辐射 和在其中隐现的高能粒子。于是，早期的宇宙成了粒子物理学研究的对象。粒子 物理学的主要实验手段是加速器，但加速器能量的提高受到财力、物力和社会等 因素的限制。粒子物理学家也希望从宇宙早期演化的观测中获得一些信息和证据 来检验极高能量下的粒子理论。就这样，物理学中研究最大对象和最小对象的两 个分支一宇宙学和粒子物理学，竟奇妙地衔

5、接在一起，结成为密不可分的姊妹学 科。下面，让我们一起在诸多图片的导引下，开始一段从宇观世界到微观世界 的奇妙旅程吧！ 作者：郭奕玲沈慧君 文章来源：作者惠赐 点击数：331460更新时间：2008-1-9旷点如我中方十;空空星犹其小大看是满大图寸了太等繁，埃将的放来旧点放尺减数，点尘们间块倍仍星每倍的缩个+像就一级2410米 ,大约 为100兆光年 这是 室女星 系团。上一页12345 6 7 8 9 10 .下一页作者：郭奕玲沈慧君 文章来源：作者惠赐 点击数：B1461更新时间:2008-1-91023,大约为10兆光年. 其中有一个亮点被光圈罩住是我们的银河系，亮点实际是由亿万颗星星组

6、成的。壳点o10 米義 们 的银 河 系前 太 阳只 是 方框 中 的个点上一页1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 .下一页10口 米，方框里的昏暗的星星有我们的太阳系 ,右下角 明亮的星 是牧夫座 的大 角 星 ,距地球 约36光年作者：郭奕玲沈慧君 文章来源：作者惠赐 点击数：巨1462更新时间:2008-1-9米是系内是、和。涉髓从器琵饕上一页12345 6 7 8 9 10 .下一页作者：郭奕玲沈慧君 文章来源：作者惠赐 点击数：匡1463更新时间:2008-1-9长是系星”的球米框了二疋的。9方住球围球作者：郭奕玲沈慧君 文章来源：作者惠赐点击数：匡1464更新时间:2008-

7、1-9IO?米，从人造卫 星上拍摄 到的地球 表面图。地球表面一览无遗的云、深色的海、综色大地 ,一直在 向东旋转:蓝蓝的天、白白1(/米,从人 造卫星上拍摄到的地球表面图，这是美国的密芝根湖.IEIIO米， 从人造卫 星上拍摄 到的地球 这是美国 的密芝根 湖.湖畔 是一片密集的城镇。上一页123456 7 8 9 10 .下一页作者：郭奕玲沈慧君文章来源：作者惠赐 点击数：囚1465更新时间:2008-1-94驚餾叢鑫鹫臥10，大，了城这国的一加，十到中停游码框3 K h 10再倍在一和艇方中块*场小。准-。心车船头对的坪:IO?米,.再放大l-r i十倍,镜头对着草坪中央.旁边是高速公路

8、和码头。上一页12345 6 7 8 9 10 .下一页作者：郭奕玲沈慧君 文章来源：作者惠赐 点击数：B1466更新时间:2008-1-9101米,在十米 见方的草 坪中央， 躺着一个 年青人.0米他在睡一手在前”是体尺 OO，正酣，只摆胸，米正人的度在 一 分米 见 方的 镜 头中 出 现了 青 年的手.上一页12345 6 7 8 9 10 .下一页作者：郭奕玲沈慧君 文章来源：作者惠赐 点击数：匡1467更新时间:2008-1-91现 用放 头拍 放倍O ，改 微谯 行十1米 在显 大进 摄大米，用 光学显 微镜看 到人体 皮肤结构._41米，即1 0 0微米. 再放大十倍， 我们进

9、入了另 一个奇 异世界 ,和遥 远的星 际空间一样不上一页12345 6 78 910 .下一页作者：郭奕玲沈慧君 文章来源：作者惠赐 点击数：B1469更新时间:2008-1-9米，即1微米 ,进入 皱褶的 淋巴细胞， 面 对着 gJSt层 保护膜 , 膜内豉右细 胞核.一71 0米 , 在细胞核 中有韭常长 的分子这 就ADN A（脱氧核#唐 核酸） 分子 ,线长达好几厘米.毎 个人体细胞 核中，每46个染色体 都储黃这样 根DNA线.上一页12345 6 7 8 9 10 .下一页作者：郭奕玲沈慧君 文章来源：作者惠赐 点击数： 国1470更新时间:2008-1-991 0米， 再放大十

10、倍 ,看到子 須E列成积木 状， 形成遗传佶息.镜 头对准的是 一个CH4分子， 中间 的碳原子与三个氢原子 牢牢地结合 在一起. 还有一个氢 原子在背后.1 ()7米f在原子 尺度内.电子的电 荷密度形 成云，这是一个碳上一页11 12 13下一页作者：郭奕玲沈慧君 文章来源：作者惠赐 点击数：匡1471更新时间:2008-1-9原子.: /. -. .;: 2 ;$：&、*二v 、y *0一米又放大: -鑿:9十倍.这 是碳原子 的两个内层电子之 间的区域 ,显示了电 子 云 的 分布。中心冇 个圆点,这就是原 子核，这 是碳核.旷，踉天 空中的星 星何等相 似！1 0一米,傥头进 入原子内部.我们 看到在空旷的空间很空T310泳 ,又放大了十 倍，我 们可以清楚地 看到碳 原子虽 然微4、.却有 其独特 的结构上一页11 12 13下一页作者：郭奕玲沈慧君 文章来源：作者惠赐 点击数：B1472更新时间：2008-1-91 o1V,再放大十倍,