物理學是人類好奇心的產物，當前最有趣的研究就是往大的空間尺度和最小的空間尺度不斷探索。最大的尺度就是宇宙，最小的尺度是量子世界，至今仍然在不斷探索。
這裏從基本原理角度，講一下聰明的科學家是怎麽在這兩個方面進行研究的。
如何測量宇宙？
先說下我們生活中如何進行測量。最簡單就是拿用一個標準長度的物體，和要測量的物體進行對照，從而知道物體長度。比如尺子就是標準長度物體，然後用它來測量其他東西。
但要測量天體之間的距離的話，就沒有尺子可以用了，比如你要測地球和月球之間就比較困難了。有一個很有用的方法就是，發射光線（或者無線電訊號），測量其碰到物體後反射回來總共的傳播時間，我們可以確定物體和我們之間的距離。
更遠的星星離我們距離更遠了，讓光來回走一趟可能就需要幾年的時間，那我們怎麽測量地球和它們之間的距離呢？
想想我們眼睛是怎麽判斷物體距離的，就是近處的物體在我們兩個眼睛裏面的角度是不同的，我們根據這個角度的差別就可以判斷物體的距離。這個原理叫做視差。
視差實際上用的是幾何學的方法。如果我們知道三角形的一條邊，同時知道這條邊上兩個角的大小，我們就可以計算出另外兩條邊的距離了。
地球是圍繞著太陽轉的，我們知道了地球軌域的大小，同時測量近處的恒星，一年中不同時間恒星進行觀測，會觀測到不同的位置或者角度。透過視差原理就可以計算出恒星距離我們的距離。
你猜離我們最近的星星距離我們多遠？答案是4光年。光年的意思是光要走4年經過的距離。你可能對這個距離沒有概念，一秒內光可以繞地球8周，光走4年才能到達最近的星星，可以想象這是一個多麽遙遠的距離。
再遠的恒星測量起來就比較困難了，因為它已經遠到沒有什麽視差了。為了測量更遠恒星的距離，天文學家使用了一種叫做「標準燭光」的方法。
它的原理是，一個蠟燭離我們越遠，它的亮度就越暗。距離變為兩倍，則亮度變為四分之一。如果有一個恒星，我們知道它的距離，並且知道它的亮度。我們根據其他同性質（光譜）的恒星的亮度，就可以估算出它距離我們的距離了。造父變星是天體物理學中常用的標準燭光。
科學家用這種方法，測量出我們所在的銀河系直徑大約有10萬光年。
那宇宙到底有多大，我們怎麽測量的呢？
天文學家哈伯對遙遠星系進行研究時發現，遙遠的星系發出的光的波長會變長，並且星系越遠越明顯。這個現象被稱作紅移。哈伯還觀測到，紅移的大小和距離成正比。
都卜勒指出，如果一個波源離我們遠去，它發出的波形中離我們較遠的波峰會隨著波源的遠離而離得更遠，因此抵達的波會被拉長。對哈伯紅移的直接解釋就是星系都在離我們遠去。
這個紅移和距離的正比關系，代表著所有的星系，在歷史的某一刻是完全聚集在一起的。從這一時刻開始，宇宙像爆炸一樣產生並且向四面八方分散開去。科學家把宇宙初始的過程稱為大霹靂，並且計算出大霹靂的時間距離現在是 138 億年前。
那宇宙到底有多大呢？由於宇宙的年齡是 138 億年，從宇宙誕生開始的光也只能傳播 138 億年，所以我們的宇宙也就是 138 億光年。
如何探測空間最小的尺度
要測量宇宙最小的尺度，就是完全另外一套方案了。
首先最簡單的是顯微鏡，它的原理是利用了玻璃對光線的折射，讓光線以合適的角度進入我們的眼睛，把一些小的物體給放大了。我們可以用顯微鏡觀察細菌或者人體細胞，看到一個完全不一樣的世界。
這個方顯微鏡技術可以讓我們探索百萬分之一米的世界。再小尺度的世界，就不能用這個方案了，因為光是一種波，當波遇到和自己波長比較接近的物體時，會發生繞射現象，導致成像發生嚴重的模糊，讓我們這個方案失效了。可見光的波長就是百萬分之一米，所以顯微鏡最多也只能看到這個尺度的世界。
對更小尺度的研究，需要用到 X 光繞射技術了。X 光也是一種光，它的波長是可見光的千分之一。由於沒有玻璃可以讓 X 光發生彎折，所以不能用 X 光來做顯微鏡。X 光繞射技術的方法是，把 X 光照射到目標物體上，X 光會發生繞射。繞射的意思是波經過物體的邊緣時候向周邊散開。想象平行移動的水波紋遇到一個小開口，水波紋就會從開口處向周邊散開去。X 光經過物體邊緣，也會向周邊散開，我們把散射出來的 X 光記錄下來，就能獲取到物體的一些形狀資訊。
X 光的繞射影像，和我們常聽說的 拍 X 光片可完全不一樣，X 光片僅僅是物體在光下的影子，就是物體的基本輪廓。但 X 光繞射影像看起來完全不像物體本身，它甚至無法直接簡單透過數據計算重建出物體形狀。
那怎麽用 X 光繞射影像了解物體形狀呢。好幾代科學家辛勤探索，才逐步構建出來一套方案。它的原裏是先用 X 光對簡單的已知形狀的物體進行照射，比如對食鹽分子進行成像，記錄下成像圖案。後面看到同樣的圖案，我們就知道它應該和食鹽有著是類似的原子結構。
到更復雜的結構，也是用實驗影像和已經驗證過的結構對應的繞射影像做對比，探索新的材料的結構特征。
X 射線繞射影像不再是讓我們看見，而是幫助我們重構這個更加微觀的世界。
X 射線繞射技術適合探索和 x 光波長差不多的尺度，也就是大約十億分之一米。 要再進一步的話，已經進入量子力學的世界了。
在這個尺度用的是掃描顯微鏡。這一技術的基本原理是量子穿隧原理。這個原理簡單幾句話很難講清楚，我出了一期量子物理學的視訊，其中就詳細講了量子穿隧技術，感興趣可以去看下。
掃描顯微鏡的工作方式是，一個細微的針尖，沿著物體表面進行掃描。針尖和物體之間加一個電場，由於量子穿隧原理，在物體和針尖之間會形成一個電流。當物體和針尖的距離不一樣的時候，電流的大小也不一樣。
透過這種方式，我們可以掃描出樣品表面原子的排列情況，看到物體表面的原子像平原的高山一樣凸起。
掃描顯微鏡是我們探索亞原子尺度的主要技術。
如果要探索比原子更小的空間尺度，就需要用到粒子對撞技術了。這一技術足夠讓我們去探索宇宙最小的尺度。
粒子對撞技術的基本原理是，用已知的某種粒子對撞擊目標粒子，比如某個原子，記錄下撞擊後的偏轉，也就是統計出撞擊後不同偏轉角度的粒子有多少。
這一偏轉就蘊含著目標粒子的一些基本資訊。
這一方案可能比 X 繞射影像的方案更加抽象了，不過探索的方式很類似，從雜亂的偏轉結果重構出目標粒子的資訊，然後從簡單到復雜，用更加高能的粒子轟擊目標，並研究粒子的偏斜方式。
我們已知的原子最小組成，誇克，就是透過這種方式構建出來的。
而我在北大讀博期間研究的就是高能粒子物理，高能粒子物理的實驗，基本上研究的都是粒子對撞如何重構出粒子資訊。
現代的物理學家，依然在粒子對撞技術，試圖去尋找宇宙中更加本源的粒子。
