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大尺度微观化 能在A4纸上打印太阳系吗

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索理客 发表于 2014-7-8 10:31 | 显示全部楼层 |阅读模式 来自: 北京

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宇宙到底有多大?每晚我们抬头仰望星空的时候,如果运气够好能看到满天星斗,似乎也没有一个大小上的概念,而若干光年时候离我们又太过遥远。这里我们提出一个命题,如果月球缩小到只有一颗碳粉的大小,这是我们打印设备几乎最小的打印单位了,那么如果等比缩放,把太阳放在纸张中间,我们的A4纸能装下完整的太阳系吗?如果不能,这张纸又需要多大?


                               
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Richard Mille的太阳系天文钟

●如果月球只有一粒墨粉大小……

    首先我们得知道一粒墨粉有多大。激光打印机的墨粉,是我们日常总能看到的,我们打印出来的每个字符其实都是墨粉的颗粒堆积,或者学术一点,是碳粉颗粒水平面积分之后的形状。理论上,墨粉颗粒越接近球型效果越好。


显微镜下的碳粉颗粒,比例尺为40微米

    于是企业不断改造墨粉的制造工艺。你可能不知道的是,现在惠普佳能富士施乐柯尼卡美能达等等激光打印机的原厂墨粉,是在水里生产出来的!这个工艺称之为聚合生成,用搅拌速度来控制聚合碳粉的大小,然后再干燥灌装。这种工艺保障了墨粉颗粒均匀,并且墨粉颗粒的树脂也颜料也能均匀分散在颗粒里面,有更好的打印质量。聚合物墨粉,目前主流的原厂打印企业所用的墨粉,平均颗粒直径大约5-10微米之间,只有足够小,才能满足激光打印机1200dpi的高精度输出需求。这里,我们为了计算上的方便,取较大的值,假设打印月球的那颗墨粉的颗粒直径为10微米。


很多人观念里,太阳系是这样的,各个行星间距相等

    我们在上学的时候,总能看到上面的图,于是很多人就认为,太阳系以太阳为核心,8大行星依次排开,互相间距是相等的。但是事实显然不是这样。碳粉的直径为10微米,月球的直径有多少?准确的数字是3474.8公里,这里我们为了计算偷懒,认为月球直径是3500公里。10微米到3500公里,350 000 000 0000倍的缩放比例(1千米=10亿微米)。

    在这个比例尺下,我们能在A4纸上,大约等比例的太阳系吗?

A4纸打印太阳系是伪命题?

    那么我们的地球有多大?地球不是正圆形,平均的直径是12742公里,说白了,就是直径上,大约也就排列4颗碳粉,40微米。而手机用户都知道,有个视网膜屏幕,科学家说,人的肉眼分辨率极限,要比目前iPhone的还要高一点,而结果就是,如果白纸黑墨高反差、在充足的光照(不能过渡)视力最好的人,勉强能看到地球这个墨点。

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仔细看上面的黑点,大约和这个比例尺下,打印的木星大小差不多

    前几年的国际天文学大会,因为冥王星个头太小,被开除出了9大行星的队伍,颇为毁三观。对行星的定义,是要有一定的体积要求的。太阳系中,木星是直径最大的,它的直径是139822公里,大约14万公里,按照我们的定义木星的直径,足以排列40颗墨粉,是直径0.4毫米的一个小黑点儿,任何人都能看到。


                               
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等比例下,圆点就是太阳在A4纸上的大小

    太阳的直径要比这些行星大得多。是1391684公里,大约140万公里,简单的算,就是直径4毫米的一个大墨点。可以看到在计算中,我们有些偷懒。但是科学家也爱偷懒,他们发明了一个宇宙尺度的数量词:天文单位。


A4纸对角线长度也只有36.4厘米,放不下等比例缩放的太阳加地球

    一个天文单位,就是地球环绕太阳轨道的平均距离。这个距离有多大?科学家说有149,597,871公里,大约1.5亿公里。安装前面的设定,我们打印的0.04毫米的地球的墨点,距离直径4毫米太阳这个墨点,距离有多远?计算得到的结果是428毫米,大约43厘米!这已经比我们的A4纸对角线大了,而这只是地球到太阳的距离。

    所以,如果月球只有一颗碳粉大小,在A4纸上想打印太阳系,是一个伪命题!不可能做到。

要多少纸张才能打印出来?

    距离太阳最远的行星,是海王星,距离太阳有多远?是30个天文单位,大约1290厘米,呃……也就是大约5层楼那么高。所以么,如果这么缩放一下,我们需要的是一张26米高的纸,才能在月球仅有一颗碳粉的大小的缩放比例下,等比缩放打印下整个太阳系,大约是十层楼的高度,而这张巨大的纸上,最中心的太阳,只是4毫米直径的一个小黑点。


                               
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需要和北京前门差不多一样高的纸,才能装下九个行星,中心的太阳,只有4毫米


需要一箱多一些的A4纸平铺在一起才能凑够打印太阳系所需

    这需要多少纸呢?13米见方的一张纸,面积是大约169平米,而我们的A4纸,尺寸是0.297mx0.21m,算一下,大约需要2700多张,大概需要我们日常打印纸5包半(每包500张)。


需要和巴黎圣母院一样高的纸,才能打印带有边界的太阳系,中心太阳依旧是4毫米

    而如果把太阳系的边界,定义为日球层的边界,这有90个天文单位,需要30层楼那么高,大约和巴黎圣母院差不多高,打印出来需要45箱A4纸,中心的太阳,依旧是一个4毫米直径的黑点。


世界最大:瑞典太阳系等比例模型

    地处北欧的瑞典人,有着一颗调皮与科学的心。瑞典有着全世界最大的太阳系等比模型!这个模型有多大?它的比例尺达到了1:2000万,所以……整个等比模型是等比分布在瑞典境内的。我们先来看瑞典太阳系等比模型的分布位置。其中最远的终端震波模型距离太阳模型有950公里!冥王星模型距离斯德哥尔摩有300公里!而冥王星的模型,只有12厘米的直径……据称开车马不停蹄的看完一遍,需要15小时。本页图片全部援引自维基百科。


                               
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瑞典太阳系等比模型分布图与示意图


代表太阳的斯德哥尔摩球型体育馆,直径71米(本体)110米(日冕层)

    这其中的太阳,是位于瑞典斯德哥尔摩的球型体育馆,是个半球体,据说是目前世界最大的球型建筑。以下是瑞典太阳系模型的其它太阳系天体的具体位置、距离斯德哥尔摩体育馆的距离以及模型的大小,诸位感受下。


瑞典斯德哥尔摩博物馆水星模型,距离体育馆2.9公里,直径25厘米


金星模型,位于皇家工学院及天文台博物馆,距离体育馆5.5公里,直径62厘米


地球月球模型,位于瑞典自然史博物馆内的IMAX影院,距离体育馆7.6公里,

模型直径65厘米及18厘米(旁边红点)


火星模型,位于丹德吕德市墨比中心,距离体育馆11.6公里,直径35厘米


海王星模型,位于瑟德港Söderhamnsån河边,距离体育馆229公里,直径2.5米


终端震波模型,位于基律纳,距离体育馆950公里,位于北极圈内

很多人都看过前不久很火爆的电影《地心引力》,而不少真正太空行走过的宇航员,据说回到地球后,要接受心理治疗,因为他在太空中,感受到自己的渺小而产生心理问题。而看过本文,你能够对天文上的尺度有多大有个大概的了解,对自然有些敬畏的心,没事情了多去户外走走,天气好了在夜里看看星空,不要做一个一直守在电脑旁边的宅男,本文的目的就达到了。

很多时候,我们头脑里根深蒂固的观念,或许是错的。比如温水煮青蛙,青蛙可不是绝对的不往外跳,而是取决于升温的速度。这里我们也是借着一个好玩的话题,来打破一些根深蒂固于你脑海中错误的观念。


http://oa.zol.com.cn/465/4651230.html


李灼 发表于 2014-7-8 10:47 | 显示全部楼层 来自: 辽宁沈阳
挺有意思的贴子。
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幸运~星云 发表于 2014-7-8 10:56 | 显示全部楼层 来自: 云南红河州
赞!
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sinosuke 发表于 2014-7-8 12:57 | 显示全部楼层 来自: 澳大利亚
如果把长周期彗星考虑进去的话。。 还要大上千倍吧,我说的是直径。
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