私たちの物理宇宙を定義する 13 のスケール

巨視的スケールから亜原子スケールへの道のりは何桁にも及びますが、小さなステップを踏むことで、それぞれの新しいスケールが前回よりもアクセスしやすくなります。 人間はその内部に器官、細胞、小器官、分子、原子、そして電子と原子核、陽子と中性子、そしてクォークとグルーオンで構成されています。 これが私たちが自然をどこまで調査できるかという限界です。

右側には、私たちの宇宙の 3 つの基本的な量子力を媒介する、測定されたボソンが示されています。 電磁力を媒介する光子は 1 つだけですが、弱い力を媒介するボソンは 3 つ、強い力を媒介するボソンは 8 つあります。 これは、標準モデルが U(1)、SU(2)、SU(3) の 3 つのグループの混合物であり、その相互作用と粒子が結合して、存在することが知られているすべてを形成していることを示しています。 既知の基本粒子のそれぞれのサイズは、約 10^-19 μm を超えることはできません。

それぞれグルーオンによって結合された 3 つのクォークからなる 2 つの陽子が相互作用すると、それらの性質に応じて融合して複合状態になることが可能です。 最も一般的で証明されている可能性は、陽子と中性子からなる重陽子の生成であり、これにはニュートリノ、陽電子、そして場合によっては光子の放出が必要となります。

あなた自身は原子でできていますが、あなたが「タッチ」として感じることは、必ずしもあなたの体内の原子と実際に接触するために別の外部原子を必要とするわけではありません。 力を加えるのに十分な距離に近づくだけでは十分ではないだけでなく、これは最も一般的な出来事です。

複雑な構造で結合した物質の分子の例である分子は、その構成原子と電子の間に存在する電磁力によってそのような形状と構造を実現します。 作成できる構造の種類はほぼ無制限です。

このトンネル電子顕微鏡画像は、シアノバクテリア、プロクロロコッカス マリナスのいくつかのサンプルを示しています。 これらの生物のそれぞれの大きさはわずか約 0.5 ミクロンですが、シアノバクテリアはすべて、地球の起源から現在に至るまで、地球上の酸素の生成に大きく関与しています。 すべての細菌と同様、その寿命は人間の寿命よりもはるかに短いです。

暖かく浅い水域では、ピンクのフラミンゴが水辺を歩いたり、羽づくろいをしたり、餌を探したりしているのがよく見られます。 ここで紹介されているフラミンゴの一部 (すべてではありません) に見られる、食物中のカロテノイド色素の不足により、これらのフラミンゴの多くは典型的なピンクや赤よりも白に近くなりますが、フラミンゴの上に立つという行動は、 2 足ではなく 1 足で、体温の損失をほぼ半分に減らすことに成功しました。

探査機が訪問するこの小惑星と彗星の選択は、1 キロメートル未満の天体から一辺が 100 キロメートルを超える天体まで、いくつかのスケールに及びます。 ただし、これらのオブジェクトには、円形に引き込むのに十分な質量がありません。 重力によってそれらが結合されることもありますが、その形状は主に電磁力によって決まります。

土星が JWST によって撮影されたので、JWST の目で見た巨大ガス惑星の最初の「家族写真」を形成することができます。 ここでは、各惑星は、JWST によって見られるように、互いに対してどのように見えるかに合わせて調整された角度サイズで表示されます。 惑星は木星の 2 倍の大きさになることもありますが、1000 km、あるいはそれ以下になることもあります。

太陽を囲む内側と外側のオールトの雲の図。 内側のオールトの雲はリング状ですが、外側のオールトの雲は球形です。 外側のオールトの雲の実際の範囲は、1 光年未満である場合もあれば、3 光年を超える場合もあります。 ここには大きな不確実性があります。 オールトの雲を通過する巨大な物体は、その近くの物体を妨害する可能性が高くなります。

宇宙の同じ領域に多数の銀河が存在する例は数多くありますが、通常は 2 つの銀河の間、または銀河団の中心などの宇宙の非常に密集した領域で発生します。 100万光年も離れていない空間で5つの銀河が相互作用するのを見るのは非常にまれで、ここではハッブルによって素晴らしい詳細が捉えられています。 これらの銀河はすべてまだ新しい星を形成している最中であるため、天文学者によってすべて「生きている」と分類されています。

宇宙の大きな星団とフィラメントの間には大きな宇宙の空隙があり、その中には直径が数億光年に及ぶものもあります。 一部の空隙は他の空隙よりも広がりが大きく、その範囲は 10 億光年以上ですが、それらはすべて何らかのレベルで物質を含んでいます。 宇宙で最も孤立した銀河である MCG+01–02–015 を含む空洞にも、ハッブルなどの望遠鏡の現在の検出限界を下回る、小さくて輝度の低い表面銀河が含まれている可能性があります。

より大きなスケールでは、暗黒物質が含まれていない限り、観測での銀河の集まり方 (青と紫) はシミュレーション (赤) と一致しません。 特定の種類のフィールドを追加するなど、暗黒物質を特に含まずにこのタイプの構造を再現する方法はありますが、これらの置換は、疑わしいほど暗黒物質と区別できないように見えるか、暗黒物質をサポートする多くの観察のうちの一方を再現できません。

現代の宇宙論では、宇宙は暗黒物質と通常物質の広範なネットワークによって中断されています。 個々の小さな銀河スケールでは、物質によって形成される構造は高度に非線形であり、密度は平均密度から大幅に逸脱します。 ただし、非常に大きなスケールでは、空間内のどの領域の密度も平均密度に非常に近くなります。精度は約 99.99% です。

この宇宙の垂直方向の対数地図は、ほぼ 20 桁にわたっており、私たちを地球から目に見える宇宙の端まで連れて行ってくれます。 右側のスケール バー上の各大きな「マーク」は、距離スケールの 10 倍の増加に対応します。