今天人类对于自然的认识已经远超过我们直观的感受。我们对于自然的微观世界和宏观世界都已经有了相当深入的了解。尤其在过去的一个世纪，人类对于自然的了解取得了飞跃的进步。这是如何实现的呢？这主要得力于实验工具和理论工具在近代的快速发展。

在古代，人对于自然的认识只能局限在他的感官所能够侦测到的范围。人的感觉器官的侦测能力是非常有限的。比如我们的眼睛，它能够分辨大概0.1毫米的距离，相当于头发的粗细。但一个细胞或者一个分子的结构，我们是不能直接用眼睛来观察的。至于在观察大型物体方面，我们在地球上能看到的最大范围，可能就是一座座高山，或者大江和大海。这些在自然世界里其实都属于一个很小的范围。自然界已知的物体，小可以小到一个原子核以下（<10-15米），大可以大到一个星系群（约1023米）。相对而言，人的感官的侦测范围是非常有限的。

那么，人要了解自然，就必须使用许多工具。要观察小的物体，例如一个植物细胞，或者了解一个分子的结构，我们就必须使用显微镜或者X光的衍射仪。要观察大的物体，例如一个行星的运动或是一个星云的结构，我们就必须使用望远镜。不但如此，我们还需要理论的工具，来使得我们能把一些观察到的知识有系统地整理成一个合理的模型。这些理论工具除了概念上的分析和假设，还包括一些复杂的数学工具。譬如要认识地球运动的规律，我们就需要牛顿力学，里面会用到微积分。这些工具的应用，可以大大地拓宽我们的视野。

人类今天对于自然的认知可以粗略地分为五个部分：

（1）直观世界；

（2）微观世界；

（3）宏观世界；

（4）超微观世界；

（5）超宏观世界。

这五个部分可以根据宇宙中不同事物的长度做一个划分（见图1.12）。直观世界基本上以人的经验世界为基准。在这个范围内的认知基本上在19世纪末已经为人类所掌握。微观世界和宏观世界都需要很多近代物理和近代天文学的研究，这方面的知识基本上在20世纪才开始为人们所掌握。至于超微观世界和超宏观世界，人们现在的认识还相当有限，这方面的理论还在初步的发展阶段，有很多挑战需要克服。

下面，让我们对上述不同层次的自然认识做一些更详细的说明。

图1.12　了解自然需要对不同尺度的事物进行研究

自然世界由许多极端不同的物体组成，它们的大小千差万别。这些大小不同的物体可以分为五个层次：超宏观世界、宏观世界、直观世界、微观世界、超微观世界。在这里面，只有直观世界可以利用人类的感官直接来认识。对于其他世界的认识，都必须使用大量的理论和实验工具。这里的中轴是物体的长度（10n米）。轴上标记的数目是n。轴上的1AU代表一个“天文单位”（也就是平均日地距离，等于149597870公里）。1代表一埃，等于10-10米。对于超微观世界和超宏观世界的一些理论，例如弦理论和超对称理论，目前还是很有争议的。因为它们还没有得到实验现象的支持。(www.daowen.com)

1.直观世界（从古典的原子模型到以太阳为中心的行星系统）

我们对直观世界的了解主要是根据人的直接观察及其推论而来。对于这个世界的运行规律，我们可以用牛顿的经典力学、麦克斯韦的电磁学和热力学来充分解释。这种认识还可以通过不太复杂的仪器来验证。例如，使用简单的光学望远镜，我们就可以观察行星的运动规律；使用分光仪，我们可以知道光的物理性质，以及一些红移现象。虽然我们对于一些直观世界里面的物体不能直接观察到，但我们可以用一些简单的推论去了解它们的结构及运动和作用规律。例如，在早期的原子理论中，人们认为原子就像一个小型的太阳系，有多个电子围绕着原子核转动。这个原子模型和我们的直观经验是相符的。另外，对于物质的三态（固体、液体、气体），我们也可以把原子当作一个个坚硬的小圆球来模拟它的性质。因此，我们可以说，小到原子，大到太阳系，都可以用人类的直观经验来解释。

2.微观世界（从光子到原子）

到了今天，我们对于自然的了解已经远远超出了直观世界。微观世界与直观世界的差别不仅仅在于我们不能用肉眼来观察，而是它的运动规律已经超出了人类直观经验的范围。就拿现代的原子理论来说，一个原子的结构不能完全用一个微型的太阳系来解释，因为很多原子的性质必须用量子力学才能解释。事实上，在原子里面的电子并不是像一个微型的行星，而是像一种物质波（详细的情形请看本书第三章）。同样，虽然在麦克斯韦理论里面光是一种电磁波，但现在我们知道它由很多不同的光子构成。而每一个光子就具备一种相似于粒子的性质。所以，在这个微型世界里面，物质的构成，既是粒子也是波。这与人们的直观经验非常的不一样（详细的情形请看本书第五章和第六章）。

所以，要了解微观世界，人们就需要发展一些新的理论。而且，要观察微观世界里事物的变化，就必须使用很多精密的仪器。

3.宏观世界（从行星系到星系群）

在直观世界的另一端，人类今天可以认识宇宙中一些大型的结构，我们可以称之为“宏观世界”。这个宏观世界基本上是现在天文学研究的范围。这种研究不能靠肉眼，而是要靠各种复杂的望远镜，包括大型的光学望远镜、射电望远镜和其他波长的观测仪器。现在我们还可以把望远镜放到太空去，使之不受地球大气层的干扰。只有通过这些望远镜的观测，我们才能了解宇宙中许多以前不为人知的物体及其运行的规律，包括各种星系、超新星、星云、脉冲星、黑洞等。通过对这个宏观世界的研究，人类开始认识到自己是住在一个叫“地球”的行星上；地球是围着太阳运转的；而太阳只是银河系亿万个恒星之一；银河系之外还有无数的星系；宇宙是无比的庞大。

对于这个宏观世界，人们今天已经有相当深入的认识。许多宏观世界的现象可以很好地利用牛顿力学来解释。有一部分经典力学不能直接解释的，也可以用广义相对论来补充。另外，利用光谱的分析，人们可以了解许多天文物体的运动及其组成成分。对于星体内部的结构和变化，人们也可以利用已知的原子核理论来解释。凭着我们对于微观世界的知识，我们可以了解太阳其实是一个不断在爆炸着的氢弹，它正慢慢地把自己的原料燃烧。人类今天对于宏观世界的了解，比一个世纪以前有了飞跃的进步（详细情形请看本书第七章和第八章）。

在宏观世界和微观世界以外，我们还有更大尺度和更小尺度的世界。我们把这个更小尺度的世界称为“超微观世界”，更大尺度的世界称为“超宏观世界”。

4.超微观世界（从原子核、夸克到更小的结构）

今天物理学家对于原子的运动规律已经充分掌握，但是对于原子核（10-15米）和比它更小尺度物质的物理规律却还没有完全掌握。在过去的一个世纪里，人们只知道原子核包括中子和质子，而中子和质子是由夸克构成的。但是，这些粒子怎样在原子核里形成一个稳定的结构？为何粒子会在真空中产生和湮灭？为什么物质远多于反物质？科学家们还没有很好的解释。当然，我们现在有一些关于弱作用和强作用的理论，并且从粒子对撞的实验里得到过一些支持的证据。但对于一些根本的问题，例如，夸克到底是什么？黏合夸克的胶子又是什么？我们并不清楚。事实上，对于现在的粒子标准模型是否是一种终极的理论，许多科学家还有所怀疑（详细情形请看本书第四章）。

5.超宏观世界（宇宙及真空）

对于自然另外一端的研究，我们可以称之为“超宏观”。对于这个超宏观世界的研究主要是今天宇宙学的范畴。这里面人们最关心的问题就是我们的宇宙从何而来？（请看本书第二章）对于一些具体的问题，例如，宇宙到底有多大？宇宙的年龄有多大？现在已有了一些初步的答案。不过，对于这个超宏观世界的一些更基本的问题，包括大爆炸为何会发生？宇宙为何会膨胀？我们的宇宙是否是唯一的？目前的研究也只能做一些猜测。而且，这些理论与人们的直观经验也是非常不一样的。当然，目前的理论也有一些实验观察的支持，主要是基于对宇宙微波背景辐射（CMB）的分析。但由于我们无法对宇宙的起源做一些实验来验证，要得到一个真正的答案是极端困难的（详细情形请看本书第二章和第九章）。