天体与原子，会不会是一环套一环？

fytvop

有没有人想过一件事，我们的宏观天体比如太阳，地球，月亮的运行和微观的原子，电子等运行相似。会不会有这种可能，这个世界是一环套着一环，天体再一个层次上只是类似一个原子或者电子，有一个比他庞大的多的世界，我们的星球只是一个微不足道的电子。或者现实中的电子再分解，其实可以分解出一个庞大的世界。

---补充一下，没想到这么多人关注。我的本意并不是认为有这样的联想非常高明。这是我高一时候的奇思妙想，当时没有知乎没人可以深入讨论下，现在这么多人展开这个话题，我很高兴，只是为了满足单纯的好奇感。如今已经工作好多年感觉思维已经僵化，再也没有新的想法，生活只是按部就班而已，小小的感慨一下。

顺便推广我的另外一个小小的猜测，我认为未来的世界人工智能不断进步，人类要么把自己全身组织武装成智能机器，然后意识转化为一个可以存储的“主机”，然后可以不断拓展自己的能力，就像加载一个软件或者直接存储知识。要么就只能被自我意识崛起的机器生命打败。然而能靠机器武装自己的人类也会因为某些最强大的同类想要统治整个人类社会，会用自己强大的能力将其他人类格式化，变成自己的奴隶，相当于真正的机器人。所以我对未来碳基人类的命运是悲观的，猜想独立个体要么没有，要么是非常少数。不过摆脱了肉体束缚的“机器生命”由于可以通过更换自己零部件达到几乎永生，能力也能不断学习和继承，也许会突破太空旅行，将自己文明播种到广袤的宇宙。

HgauPlkY

看了问题评论发现题主问问题的目的比较单纯，令我羞愧不已，因此我决定系统地回答一下这个问题。后面几次更新都删掉了，重新写。请注意：虽然题主的问题非常简单，但是要回答并不是那么容易的事，请大家放平心态，不要妄自尊大。
—————————————————兴趣使然的答案—————————————————

题主已经到卢瑟福了，大家等等题主，让他在20世纪初多待一会。
———————————————————认真答案——————————————————

   原子内部的结构。探究微观粒子结构的时候很自然的做法是用已知高能粒子轰击未知粒子，然后观察是否产生了新的粒子。观测手段也是间接的，以我浅薄的物理知识是通过电磁场中的运动间接计算粒子的惯性质量来比较的（多嘴一句，不同于你知道的千克和克，单位是电子伏特，用相对论公式可以换算静质量）。卢瑟福用α粒子轰击金属片，通过α粒子的大角度散射发现原子内部空荡荡的，有个点状原子核。然后又轰击氮气轰出了质子。斯坦福实验室用电子轰击质子同样出现了大角度散射，在此之前大家都猜想质子应该没有内部结构了，这种事是非常反直觉的，只能认为质子内部存在点状结构。原子空荡荡的，质量集中在原子核上，原子核又空荡荡的，质量集中在夸克上。通过这一系列的结果，我们不得不承认，原子与原子核都没有壳结构，我们看到的致密物体是光与我们开的玩笑，而我们摸到的致密物体是相互作用力与我们开的玩笑。   宇宙的外部空间。宇宙中距离远的星系之间的距离一直在增大，而我们尚未观察到任意一种实体是可以无限膨胀的，因此用任何我们熟悉的实体来为宇宙套壳都不合适。更何况，原子与质子压根就没有壳结构。宇宙级别的尺度要考虑很多东西，不是拍拍脑袋就能构建一个结构出来的。我们看到的宇宙大爆炸理论一部分被微波背景辐射完美的黑体谱和红移给规定死了，不是民科“全宇宙相对地球都在退行，那么地球岂不是成了宇宙中心”的这种睿智推论。  不可证伪论。谴责一下各种媒体，将奥卡姆剃刀和不可证伪论推给人们，然而很可惜的是，不可证伪不代表不科学，同样可证伪也不代表科学。科学包含了很多东西，不是一个单纯的概念，而是命题、研究方法和评判标准的集合。由于证伪理论推崇演绎，排斥归纳，所以证伪理论中证据和结论是对应的，对于概率这种实用性更高的表现形式直接逃避不看。当新理论发展时，研究方法和评判标准不断地革新，人们尚未知晓某些命题是否可证，又是否对这个学科有意义，但这是黑暗中的曙光。说到底科学的大厦不是一日建成的，以摩天大楼的标准来要求一块地基又有什么意义呢？   回应题主的的小猜测。题主的猜测只涉及到了人类的外观，完全没涉及到人类的核心。意识是什么目前没有定论，也不知道是否可以通过量化的方式来实现。不说别的，硬盘存储恐怕没题主想象的那么美好，因为遗忘实际是一个主动进行的过程，不然对信息的整合就会受限于记忆的读取速度，答主有没有经历过一件事怎么想也想不起来，然后想了好一会才想起来的场景？如果我告诉你你可以回忆上周五的一件事，但是代价是你必须要从上周一开始回想，想他个10分钟才能获得呢？人类内置了提取信息重要性的算法，并且还可以通过后天不断地精进，换成死板的软件后可就得花钱咯，有钱才能换更好的算法，没钱就只能用乞丐版。最重要的是，人体是一整个系统，拥有无限进化的可能性，没人知道什么样的身体才是最好的，也是不可预料的。题主看了科幻之后产生这样的想法是很自然的，可是科幻没有告诉你的是他们隐瞒的部分是完全不可能实现的部分。人工智能四个字的重点不是人和智能，而是人工。哥德尔不完备定理和P=NP问题就是在警告我们这群鱼唇的人类，别以为我们啥都能干，这是活在梦里。

spiegesq

这种一沙一世界的民科思维我都辟谣过无数次了，真是忍不了，好吧我就再说一次：


分形宇宙论和均匀宇宙论的争论持续过很长一段时间，讨论的是大尺度上宇宙的结构，到底是一层套一层的，还是均匀与各向同性的。


目前的研究结果是：一定尺度内，是分形的；超过一定尺度就不是如此了。


宇宙在星系团尺度以下，至星球的尺度是分形的，也就是一环套一环——
超星系团里，星系又聚集形成星系团、
星系团中心凝聚成规模巨大的椭圆星系，
星系团外围存在大量的漩涡星系，
矮小的星系环绕着大星系、
大星系环绕着星系中心的黑洞、
星系内部聚集着恒星星云、
恒星聚集在一起形成星协星团或双星、
行星环绕恒星运转，
卫星环绕行星运转
——因为这个尺度内引力的作用比空间膨胀大得多，物质被束缚在一起，环绕成为必然的维持稳定的方式，天体形状大多为球状、盘状或介于二者之间（椭球）。目前尚未发现环绕卫星的天然天体。


在大一点尺度上，宇宙会略微出现各向异性的状态——超星系团内聚集着大量星系、它们之间横七竖八地连接着无数由气体和少许星系组成的宇宙纤维，纤维之间是黑暗空无一物的巨大空洞，这是气体依附在暗物质上落入密度较大区域的产物。
但如果尺度更大一些，你会发现这些纤维和超星系团都是均匀分布的，如同一张网，再往上可观测宇宙就没有任何更大的结构了，一模一样都是平均每立方米都是5个氢原子的质量（注意实际密度更低）。此时暗能量主导，主要的表现就是膨胀。
至于可观测宇宙之外？那鬼知道！不过暴胀理论认为大尺度上全宇宙应该都是均匀的。宇宙很可能是个时空平坦的空间，可以无穷延伸，于是：
最后的最后，由于宇宙膨胀，光速有限，时间也有限，所以两点之间因果联系的时间随着尺度增加越来越长，足够远的（目前为半径460亿光年）两点光都被红移成了直线，该尺度以上的宇宙是毫无因果联系和相互作用的。


在人类的尺度附近（比小行星小），电磁力取代引力称为主导。有个有趣的事情是：一个物体等比例放大后，其强度会减小。这就是为什么模型楼房摔都摔不坏，现实中的楼房地震风吹就塌，太空天梯这么大的东西连自重都承受不了的道理。


当然你也可以往小尺度去看，首先你就能看到热本身——粒子的无序运动。由于人类尺度的物体主要是靠电磁力互相作用，所以分子的表现还和宏观物体相类似，人体也是一台依靠化学的宏观机器。但是肉眼看起来，不同尺度的物体的运动会略有区别（蚁人跑起来会跟正常大小的人一样吗？ | 科学人 | 果壳网 科技有意思），想不通的话就想象一下地球的公转速度非常快，但相对于地球轨道的尺度，地球显得仿佛是静止的。


再小，到了原子尺度，电中性的世界拜拜。量子力学、测不准原理和波粒二象性中的“波动性（波函数）”不能被忽略了。电子不能按照行星轨道的方式环绕原子核，否则会掉下去，它只能以电子云的方式随机出现或跃迁，能级也是固定的（PS：还有更神奇的陆沉同：如何给没有高中数学基础的人解释「薛定谔的猫」？）。更小到了原子核里，主要的作用力变成强弱相互作用，此时的物理性质和人类尺度的物体已经完全不同了。人类的感官也难以感知这种比可见光波长还小的东西。夸克与电子很可能不可分，夸克还存在色禁闭。最小的普朗克长度则是世界的最小像素。一个由像素和少数几种同质的基本粒子构成的世界显然不可能无穷分形下去。


从大尺度纤维到原子的尺度，空间里绝大多数的部分都是空的。不过我们认为一种叫暗能量的东西可能充满了这些空间。


科学是科学，请不要把哲学思辨带入到科学中。幻想《霍顿与无名氏》是任何人都能想出来的，这并没有什么了不起，那些兢兢业业做出实际成果，告诉我们宇宙到底是什么样的科学家才值得尊重。

aquila00

其实这里大多数回答并不是冷嘲热讽，而是他们早已经过了这个思考的阶段，现在回来再看自己曾经的这个想法觉得很幼稚了，如果他们嘲讽题主那其实也是嘲讽过去的自己，所以题主并不用太过在意。
有这种想法是很好的，但是不要沾沾自喜，因为有稍强类比思维的人在学习到这几种结构之后都会产生类似的推理，这大概可以算是朴素唯物主义和辩证法的一个例子。但是这种理论呢，就像阴阳学说一样，看似解释了宇宙万物的真理但又像什么都没说一样。科学讲究的是真凭实据，严密论证，是一步一个脚印走出来的。过于空旷而遥远的遐想对科学并没有什么指导意义，但作为科幻还是可以的。

28587186

先说结论：可以这样认为。但是，用原子、分子、核子等微观体系与天体、星系等宇观体系进行类比，显得很不妥当。毕竟它们需要利用两套不同的力学定律加以描述。


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众所周知，力学是描述物质运动的普适定律的基础学科。从某种意义上，可以说力学也是所有其他物理学分支的共同基础。





物理学在努力推广力学的适用范围，努力加深人类对物理学基础定律的理解。譬如：微观的量子力学、高速的狭义相对论、强引力的广义相对论。


下面的坐标系就向我们说明了各种现有力学理论的适用范围。







由上图可知：


对于天体、星系等宇观体系：如果接近光速，需要考虑狭义相对论；涉及强引力则需考虑广义相对论。对于星系之间的相对运动，甚至需要考虑宇宙膨胀等宇宙学效应。其他情况，经典力学给出的结论与观测事实基本吻合。


对于原子、分子：通常情况，必需利用量子力学。经典物理所预言的结果与实验事实相差太大。唯一的例外可能就是电子、质子等微观带电粒子在电、磁场中受力，做宏观尺度上的加速运动。


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补充：为什么经典物理不适用于原子体系？量子物理对原子的描述同经典物理有何区别？


我们先从经典电动力学的角度，对原子辐射电磁波加以分析。


只考虑一个原子序数为的原子，以原子核为参考系，对其中的一个电子，进行受力分析：电子受到原子核的静电引力与其他电子的静电斥力与磁力。利用牛顿第二定律，可以列出如下的方程：
。


将库仑定律、洛伦兹力公式代入，得到：



我们知道，原子中电子围绕原子核运动，加速运动的电荷会辐射电磁波，进而原子体系释放能量，电子的轨道半径就会逐渐减小，从而向心加速度增加，最后坍缩到原子核上，成为中子团。


另外，宏观世界主要是由大量多电子原子与多电子离子构成的，电子之间的斥力会使其有更大的几率发生碰撞，使原子解体！


显然，这与真实世界不符！这恰恰说明了经典电动力学只适用于带电物质的波动性与电磁场的粒子性均可忽略的体系，而不适用于原子。


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事实上，原子跃迁是一种量子物理现象，不能用经典物理学来审视。这是因为量子物理中，物质并没有确定的运动轨迹，只有在某一位置所出现的概率，一般用波函数来描述。波函数的模的平方被定义为概率密度：



其中，波函数可以通过薛定谔方程

进行求解。该方程在量子力学的地位，相当于牛顿第二定律在经典力学的地位。


真实的原子并不像太阳系那样，电子受到原子核的库仑力，从而绕核做圆周运动。用经典物理学对原子进行求解并没有什么意义。


量子物理中，原子跃迁即为原子处于高能级时，受到各种扰动，从而放出能量，通常以光子的形式放出。跃迁的过程，只是原子内部电子在某一位置所出现的概率的改变。将距离原子核不同位置电子的概率密度，通过作图的方法来形象描述，称为电子云。





由于原子的能量是量子化（离散）的，因此高能级原子辐射出的光子能量只能是任意两能级的能量差。并且原子光谱也是分立的线状谱。







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那么，高能级原子进行跃迁，并且以电磁波的形式自发辐射的动力又是什么呢？


这就涉及到量子物理学的基本框架了。我们知道，在经典物理学中，真空被认为是「没有任何物质的空间」。但是，量子物理学中，真空态是发现任何粒子或任何模式的场量子的几率为 0 的状态。同时，它也是物理上能量最低的状态。尽管粒子数在真空态中为 0，然而粒子的一些其它性质将仍然存在，并具有某种量子不确定性。根据海森堡不确定性原理

，真空可以在极短的时间内，突然产生一些虚粒子。譬如，根据质量守恒与电荷守恒定律，可以是电子与正电子，也可以是两个光子。随后，一些反粒子与其湮灭。就在产生到湮灭的时间内，我们可以观测到真空中所蕴含的基态能量，这就是所谓「零点能」。


将电磁场量子化之后，可以计算出：


任意光子数态下，对单模电磁场，电场强度的平均值
。
但电场强度平方（即波动光学中，光强的定义）的平均值

，一般不为 0。
其中，归一化算符具有电场量纲，并相当于「每个光子」的电场强度的大小。上标表示驻波。




电磁场的量子涨落，可以利用方差

来描述。


由上述讨论可知，当电磁场处于真空态时，尽管电矢量的平均测量值为 0，但电矢量平方的平均值一般也不为 0，对应的涨落称为真空涨落。注意这里的「平均值」是指量子力学中大量统计平均，而不是时间平均值。


正是由于量子电磁场真空涨落对原子的扰动，导致了高能级的原子可以向低能级跃迁，并辐射光子。