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電子究竟有多小?如果地球縮小到只有電子那麼大,宇宙會有多大?

在宏觀的世界裡,地球圍繞著太陽運動,而在微觀的世界裡,電子圍繞著原子核運動,儘管這兩者的運動方式大相徑庭,但我們還是經常將地球和電子聯繫起來,那麼問題就來了,如果地球縮小到只有電子那麼大,那麼在按相同的比例縮小之後,宇宙會有多大?要回答這個問題,首先我們需要知道電子的大小。

上圖為常見的原子結構模型,看上去電子似乎比原子核小不了多少,但這種比例其實是錯誤的,實際上電子比我們想像中要小得多,以至於在很多時候,人們都將電子看成一個「點粒子」。

電子究竟有多小?

像電子這種基本粒子的大小是無法通過常規方法來測量的,對此,科學家最初採用的方法是,先將一大堆電子「扔」向目標電子,然後再通過觀察「扔」出的這些電子的散射情況來測算目標電子的所佔據的空間大小。

通過這種方法,科學家得出的結論為:電子的直徑不大於10^-16米。

注意是「不大於」,意思就是說電子的直徑還可以更小,具體有多小呢?1989年的諾貝爾物理學獎獲得者漢斯·喬治·德梅爾特給出了更精確的答案,簡而言之,他創造了一個直徑只有10^-22米的「離子勢阱」,然後再觀察它能不能裝下一個電子,實驗結果是:這個「離子勢阱」真的裝下一個電子。

這個實驗說明了,電子的直徑不大於10^-22米,那還有沒有更精確的測量呢?很抱歉,至少現在還沒有,所以我們不妨將電子的直徑取值為其最大值,即10^-22米。好的,我們再來看看宇宙的大小。

宇宙究竟有多大?

這個問題目前是沒有準確答案的,這是因為我們所處的宇宙處於一種加速膨脹的狀態中,具體表現為宇宙中的兩個點距離越遠,它們之間的空間就膨脹得越厲害,也就是說,當宇宙中兩個點的距離超過一個臨界值時,它們之間因為空間膨脹而互相遠離的速度就會超過光速。

我們知道光速是有限的,這就意味著,那些因為宇宙膨脹而以超光速遠離我們的天體,其發出的光永遠也無法抵達地球。換句話來說就是,我們在宇宙中只能看到一個有限的範圍,這稱為可觀測宇宙,這是一個以地球為中心,直徑約930億光年的球體區域,而在此範圍之外,我們可以說是一無所知。

對於未知的事物,嚴謹的討論是無法展開的,因此我們有必要將所討論的宇宙範圍縮小一些,只討論我們所能看到的宇宙。所以我們的問題就可以準確地定義為:如果地球縮小到只有電子那麼大,那麼在按相同的比例縮小之後,可觀測宇宙會有多大?

結論

至此所有的數據都變成了已知的,只需要簡單的計算,我們就可以給出這個問題的答案。

地球的平均直徑為12742千米,縮小到只有電子那麼大之後,其直徑就變成了10^-22米,縮小了1.2742 x 10^29倍。可觀測宇宙的直徑為930億光年,按照相同的比例,其直徑將縮小到大約6.9 x 10^-4米,也就是6.9毫米。也就是說,當可觀測宇宙縮小到這種程度之後,其尺寸比我們平常見到的琉璃彈珠還要小。

看到這裡,相信想像力豐富的人會聯想到一個很有意思的話題:在微觀的世界裡,電子可能真的就像是一顆顆星球,而在某些電子上,又有可能會存在著像我們人類一樣的智慧生物。

對於他們而言,電子就像是「地球」,原子核就像是「太陽」,整個原子就像是「太陽系」,密密麻麻的原子組合起來,就構成他們的微觀宇宙,而他們也只能看到其中的一部分……

真的會存在這樣的微觀宇宙嗎?這個問題目前同樣是沒有準確答案的,不過可以肯定的是,就算存在著這樣的微觀宇宙,也不可能與我們所處的宇宙一樣。

因為在我們宇宙中,各種天體的運動方式是引力主導的,但對於電子而言,引力的作用微乎其微,基本上可以忽略不計,真正起主導作用的其實是電磁力,而我們都知道,電磁力比引力強得多,並且電磁力還存在著斥力。

好了,今天我們就先講到這裡,歡迎大家關注我們,我們下次再見。

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