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电子究竟有多小?如果地球缩小到只有电子那么大,宇宙会有多大?

时间:2022-11-25 21:12:04 | 浏览:3421

在宏观的世界里,地球围绕着太阳运动,而在微观的世界里,电子围绕着原子核运动,尽管这两者的运动方式大相径庭,但我们还是经常将地球和电子联系起来,那么问题就来了,如果地球缩小到只有电子那么大,那么在按相同的比例缩小之后,宇宙会有多大?要回答这个

在宏观的世界里,地球围绕着太阳运动,而在微观的世界里,电子围绕着原子核运动,尽管这两者的运动方式大相径庭,但我们还是经常将地球和电子联系起来,那么问题就来了,如果地球缩小到只有电子那么大,那么在按相同的比例缩小之后,宇宙会有多大?要回答这个问题,首先我们需要知道电子的大小。

上图为常见的原子结构模型,看上去电子似乎比原子核小不了多少,但这种比例其实是错误的,实际上电子比我们想象中要小得多,以至于在很多时候,人们都将电子看成一个“点粒子”。

电子究竟有多小?

像电子这种基本粒子的大小是无法通过常规方法来测量的,对此,科学家最初采用的方法是,先将一大堆电子“扔”向目标电子,然后再通过观察“扔”出的这些电子的散射情况来测算目标电子的所占据的空间大小。

通过这种方法,科学家得出的结论为:电子的直径不大于10^-16米。

注意是“不大于”,意思就是说电子的直径还可以更小,具体有多小呢?1989年的诺贝尔物理学奖获得者汉斯·乔治·德梅尔特给出了更精确的答案,简而言之,他创造了一个直径只有10^-22米的“离子势阱”,然后再观察它能不能装下一个电子,实验结果是:这个“离子势阱”真的装下一个电子。


这个实验说明了,电子的直径不大于10^-22米,那还有没有更精确的测量呢?很抱歉,至少现在还没有,所以我们不妨将电子的直径取值为其最大值,即10^-22米。好的,我们再来看看宇宙的大小。

宇宙究竟有多大?

这个问题目前是没有准确答案的,这是因为我们所处的宇宙处于一种加速膨胀的状态中,具体表现为宇宙中的两个点距离越远,它们之间的空间就膨胀得越厉害,也就是说,当宇宙中两个点的距离超过一个临界值时,它们之间因为空间膨胀而互相远离的速度就会超过光速。


我们知道光速是有限的,这就意味着,那些因为宇宙膨胀而以超光速远离我们的天体,其发出的光永远也无法抵达地球。换句话来说就是,我们在宇宙中只能看到一个有限的范围,这称为可观测宇宙,这是一个以地球为中心,直径约930亿光年的球体区域,而在此范围之外,我们可以说是一无所知。

对于未知的事物,严谨的讨论是无法展开的,因此我们有必要将所讨论的宇宙范围缩小一些,只讨论我们所能看到的宇宙。所以我们的问题就可以准确地定义为:如果地球缩小到只有电子那么大,那么在按相同的比例缩小之后,可观测宇宙会有多大?

结论

至此所有的数据都变成了已知的,只需要简单的计算,我们就可以给出这个问题的答案。


地球的平均直径为12742千米,缩小到只有电子那么大之后,其直径就变成了10^-22米,缩小了1.2742 x 10^29倍。可观测宇宙的直径为930亿光年,按照相同的比例,其直径将缩小到大约6.9 x 10^-4米,也就是6.9毫米。也就是说,当可观测宇宙缩小到这种程度之后,其尺寸比我们平常见到的琉璃弹珠还要小。

看到这里,相信想象力丰富的人会联想到一个很有意思的话题:在微观的世界里,电子可能真的就像是一颗颗星球,而在某些电子上,又有可能会存在着像我们人类一样的智慧生物。

对于他们而言,电子就像是“地球”,原子核就像是“太阳”,整个原子就像是“太阳系”,密密麻麻的原子组合起来,就构成他们的微观宇宙,而他们也只能看到其中的一部分……

真的会存在这样的微观宇宙吗?这个问题目前同样是没有准确答案的,不过可以肯定的是,就算存在着这样的微观宇宙,也不可能与我们所处的宇宙一样。

因为在我们宇宙中,各种天体的运动方式是引力主导的,但对于电子而言,引力的作用微乎其微,基本上可以忽略不计,真正起主导作用的其实是电磁力,而我们都知道,电磁力比引力强得多,并且电磁力还存在着斥力。


好了,今天我们就先讲到这里,欢迎大家关注我们,我们下次再见。

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