物理学是人类好奇心的产物，当前最有趣的研究就是往大的空间尺度和最小的空间尺度不断探索。最大的尺度就是宇宙，最小的尺度是量子世界，至今仍然在不断探索。
这里从基本原理角度，讲一下聪明的科学家是怎么在这两个方面进行研究的。
如何测量宇宙？
先说下我们生活中如何进行测量。最简单就是拿用一个标准长度的物体，和要测量的物体进行对照，从而知道物体长度。比如尺子就是标准长度物体，然后用它来测量其他东西。
但要测量天体之间的距离的话，就没有尺子可以用了，比如你要测地球和月球之间就比较困难了。有一个很有用的方法就是，发射光线（或者无线电信号），测量其碰到物体后反射回来总共的传播时间，我们可以确定物体和我们之间的距离。
更远的星星离我们距离更远了，让光来回走一趟可能就需要几年的时间，那我们怎么测量地球和它们之间的距离呢？
想想我们眼睛是怎么判断物体距离的，就是近处的物体在我们两个眼睛里面的角度是不同的，我们根据这个角度的差别就可以判断物体的距离。这个原理叫做视差。
视差实际上用的是几何学的方法。如果我们知道三角形的一条边，同时知道这条边上两个角的大小，我们就可以计算出另外两条边的距离了。
地球是围绕着太阳转的，我们知道了地球轨道的大小，同时测量近处的恒星，一年中不同时间恒星进行观测，会观测到不同的位置或者角度。通过视差原理就可以计算出恒星距离我们的距离。
你猜离我们最近的星星距离我们多远？答案是4光年。光年的意思是光要走4年经过的距离。你可能对这个距离没有概念，一秒内光可以绕地球8周，光走4年才能到达最近的星星，可以想象这是一个多么遥远的距离。
再远的恒星测量起来就比较困难了，因为它已经远到没有什么视差了。为了测量更远恒星的距离，天文学家使用了一种叫做「标准烛光」的方法。
它的原理是，一个蜡烛离我们越远，它的亮度就越暗。距离变为两倍，则亮度变为四分之一。如果有一个恒星，我们知道它的距离，并且知道它的亮度。我们根据其他同性质（光谱）的恒星的亮度，就可以估算出它距离我们的距离了。造父变星是天体物理学中常用的标准烛光。
科学家用这种方法，测量出我们所在的银河系直径大约有10万光年。
那宇宙到底有多大，我们怎么测量的呢？
天文学家哈勃对遥远星系进行研究时发现，遥远的星系发出的光的波长会变长，并且星系越远越明显。这个现象被称作红移。哈勃还观测到，红移的大小和距离成正比。
多普勒指出，如果一个波源离我们远去，它发出的波形中离我们较远的波峰会随着波源的远离而离得更远，因此抵达的波会被拉长。对哈勃红移的直接解释就是星系都在离我们远去。
这个红移和距离的正比关系，代表着所有的星系，在历史的某一刻是完全聚集在一起的。从这一时刻开始，宇宙像爆炸一样产生并且向四面八方分散开去。科学家把宇宙初始的过程称为大爆炸，并且计算出大爆炸的时间距离现在是 138 亿年前。
那宇宙到底有多大呢？由于宇宙的年龄是 138 亿年，从宇宙诞生开始的光也只能传播 138 亿年，所以我们的宇宙也就是 138 亿光年。
如何探测空间最小的尺度
要测量宇宙最小的尺度，就是完全另外一套方案了。
首先最简单的是显微镜，它的原理是利用了玻璃对光线的折射，让光线以合适的角度进入我们的眼睛，把一些小的物体给放大了。我们可以用显微镜观察细菌或者人体细胞，看到一个完全不一样的世界。
这个方显微镜技术可以让我们探索百万分之一米的世界。再小尺度的世界，就不能用这个方案了，因为光是一种波，当波遇到和自己波长比较接近的物体时，会发生衍射现象，导致成像发生严重的模糊，让我们这个方案失效了。可见光的波长就是百万分之一米，所以显微镜最多也只能看到这个尺度的世界。
对更小尺度的研究，需要用到 X 光衍射技术了。X 光也是一种光，它的波长是可见光的千分之一。由于没有玻璃可以让 X 光发生弯折，所以不能用 X 光来做显微镜。X 光衍射技术的方法是，把 X 光照射到目标物体上，X 光会发生衍射。衍射的意思是波经过物体的边缘时候向周边散开。想象平行移动的水波纹遇到一个小开口，水波纹就会从开口处向周边散开去。X 光经过物体边缘，也会向周边散开，我们把散射出来的 X 光记录下来，就能获取到物体的一些形状信息。
X 光的衍射图像，和我们常听说的 拍 X 光片可完全不一样，X 光片仅仅是物体在光下的影子，就是物体的基本轮廓。但 X 光衍射图像看起来完全不像物体本身，它甚至无法直接简单通过数据计算重建出物体形状。
那怎么用 X 光衍射图像了解物体形状呢。好几代科学家辛勤探索，才逐步构建出来一套方案。它的原里是先用 X 光对简单的已知形状的物体进行照射，比如对食盐分子进行成像，记录下成像图案。后面看到同样的图案，我们就知道它应该和食盐有着是类似的原子结构。
到更复杂的结构，也是用实验图像和已经验证过的结构对应的衍射图像做对比，探索新的材料的结构特征。
X 射线衍射图像不再是让我们看见，而是帮助我们重构这个更加微观的世界。
X 射线衍射技术适合探索和 x 光波长差不多的尺度，也就是大约十亿分之一米。 要再进一步的话，已经进入量子力学的世界了。
在这个尺度用的是扫描显微镜。这一技术的基本原理是量子隧穿原理。这个原理简单几句话很难讲清楚，我出了一期量子物理学的视频，其中就详细讲了量子隧穿技术，感兴趣可以去看下。
扫描显微镜的工作方式是，一个细微的针尖，沿着物体表面进行扫描。针尖和物体之间加一个电场，由于量子隧穿原理，在物体和针尖之间会形成一个电流。当物体和针尖的距离不一样的时候，电流的大小也不一样。
通过这种方式，我们可以扫描出样品表面原子的排列情况，看到物体表面的原子像平原的高山一样凸起。
扫描显微镜是我们探索亚原子尺度的主要技术。
如果要探索比原子更小的空间尺度，就需要用到粒子对撞技术了。这一技术足够让我们去探索宇宙最小的尺度。
粒子对撞技术的基本原理是，用已知的某种粒子对撞击目标粒子，比如某个原子，记录下撞击后的偏转，也就是统计出撞击后不同偏转角度的粒子有多少。
这一偏转就蕴含着目标粒子的一些基本信息。
这一方案可能比 X 衍射图像的方案更加抽象了，不过探索的方式很类似，从杂乱的偏转结果重构出目标粒子的信息，然后从简单到复杂，用更加高能的粒子轰击目标，并研究粒子的偏斜方式。
我们已知的原子最小组成，夸克，就是通过这种方式构建出来的。
而我在北大读博期间研究的就是高能粒子物理，高能粒子物理的实验，基本上研究的都是粒子对撞如何重构出粒子信息。
现代的物理学家，依然在粒子对撞技术，试图去寻找宇宙中更加本源的粒子。
