可观测的宇宙中有多少原子

2021/7/16 10:50:44 来源:新浪科技 作者:任天 责编:懒猫

北京时间 7 月 16 日消息,据国外媒体报道,宇宙中的所有物质,无论是大是小,也无论年龄多少,都是由原子组成的。每个原子都包括一个带正电的原子核,由质子和中子组成,以及带负电,围绕原子核运行的电子。一个原子拥有的质子、中子和电子的数量决定了它在周期表上属于哪一种元素,并影响着它如何与周围其他原子发生反应。你眼中所看到的一切,其实都是不同原子以某些独特的方式相互作用的结果。

那么,如果一切物质都是由原子构成的,那在我们已知宇宙中,会有多少个原子?让我们先从一些“小尺度”的物体开始。据报道,人体内大约有 7×10^27 个原子。考虑到一个人体内的原子数量已经如此之多,你可能会认为确定整个宇宙的原子数量是不可能的。事实上也确实如此,因为我们不知道整个宇宙究竟有多大,更不知道其中有多少原子。

然而,通过一些宇宙学假设和一些数学知识,我们仍然可以大致计算出可观测宇宙 —— 宇宙中我们可以看到并研究的部分 —— 会有多少原子。

可观测宇宙的范围

宇宙是在 138 亿年前的大爆炸中形成的。当它从一个质量和温度都无限大的点爆炸并诞生之后,就开始向外膨胀,而且从未停止过。

由于宇宙的年龄已经有 138 亿年,因此可观测宇宙的最大范围便是光在宇宙诞生以来的这段时间内所能到达的最大距离。你可能会假设可观测宇宙在每个方向上只能延伸约 138 亿光年,但事实上由于宇宙在不断膨胀,情况并非如此。在观察一个遥远的星系或恒星时,我们真正看到的是它最初所发出的光的位置;但是,当光线到达地球的时候,这些星系或恒星要比我们看到它们的时候远得多。利用宇宙微波背景辐射,我们可以计算出宇宙膨胀的速度。目前最广为科学家接受的理论认为,这个速度是恒定的 —— 不过也有一些科学家认为宇宙膨胀可能正在减慢 —— 这就意味着可观测宇宙实际上向各个方向延伸了约 460 亿光年。

然而,了解可观测宇宙有多大并不能告诉我们宇宙中究竟有多少原子,我们还需要回答另一个重要的问题:宇宙中有多少物质?

关于宇宙的假设

科学家认为,物质并不是唯一存在于宇宙中的事物。事实上,根据美国国家航空航天局的数据,常规物质只占宇宙的 5%,其余部分由暗能量和暗物质组成。不过,暗能量和暗物质并不是由原子组成的,所以我们不需要担心它们。

根据爱因斯坦著名的质能方程 E=mc^2 可知,能量和质量(或者说物质)是可以互换的,因此物质可以从能量中产生,或者转化为能量。但在宇宙尺度上,我们可以假设已创造的和未创造的物质在数量上相互抵消。这意味着,物质是有限的,因此在可观测宇宙中,原子的数量一直都是恒定的。

根据对已知宇宙的观察,支配宇宙的物理定律在任何地方都是一样的。结合宇宙膨胀速度恒定的假设,这意味着,在一个大的尺度上,物质均匀地分布在整个宇宙中 —— 这个概念被称为“宇宙学原理”。换句话说,宇宙中没有哪个区域比其他区域含有更多的物质。这一概念使科学家能够准确估计可观测宇宙中恒星和星系的数量,这么做很有用,因为大多数原子都是在恒星中发现的。

简化计算

知道可观测宇宙的大小,以及物质在宇宙中的分布是平均且有限的,这使得计算宇宙中原子的数量变得容易得多。然而,在开始计算之前,我们还需要做一些假设。

首先,我们必须假设所有的原子都包含在恒星中,即使它们并非如此。很遗憾,与恒星相比,我们对可观测宇宙中有多少行星、卫星和太空岩石的准确了解要少得多,因此将这些天体加到方程中非常困难。不过,由于宇宙中绝大多数的原子都包含在恒星中,因此我们可以通过计算出恒星中有多少原子来获得宇宙中原子的大致数量,其他天体就只能忽略不计。

其次,我们必须假设宇宙中所有的原子都是氢原子,即使它们不是。根据美国洛斯阿拉莫斯国家实验室的数据,氢原子占宇宙中原子总数的 90% 左右,而在恒星中,原子的比例甚至更高。这么做也使计算过程变得非常简单。

计算结果

现在,终于到了计算结果的时候了。为了计算出可观测宇宙中原子的数量,我们需要知道宇宙的质量,这意味着我们必须知道宇宙中有多少颗恒星。据欧洲空间局的数据,可观测的宇宙中大约有 10^11 到 10^12 个星系,每个星系包含 10^11 到 10^12 颗恒星。于是,宇宙中就存在 10^22 到 10^24 颗恒星。为了使计算更简化,我们可以说在可观测宇宙中存在 10^23 颗恒星。当然,这只是目前最合理的猜测;不同星系在大小和恒星数量上会有所不同,但因为我们不可能一一进行统计,所以就只能暂时这么做了。

平均而言,一颗恒星的重量大约是 10^32 千克,这就意味着宇宙的质量大约是 10^55 千克。知道了宇宙中物质的质量之后,我们还需要知道其中有多少原子。根据费米实验室(位于美国伊利诺斯州的一个国家粒子物理实验室)的研究,平均每克物质大约有 10^24 个质子。也就是说,每克物质包含的氢原子的数量也是这么多,因为每个氢原子只有一个质子(这就是前面做氢原子假设的原因)。

于是,通过计算可知,可观测宇宙中约有 10^82 个原子。当然,这个数字只是粗略的估算结果,基于一些近似和假设。但考虑到我们目前对可观测宇宙的理解,这种说法或许并不算太离谱。

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