Question

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？

Answer 1

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”。

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。

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？

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。