可觀測的宇宙中有多少原子?

2021年07月16日10:42

  7月16日消息,據國外媒體報導,宇宙中的所有物質,無論是大是小,也無論年齡多少,都是由原子組成的。每個原子都包括一個帶正電的原子核,由質子和中子組成,以及帶負電,圍繞原子核運行的電子。一個原子擁有的質子、中子和電子的數量決定了它在週期表上屬於哪一種元素,並影響著它如何與周圍其他原子發生反應。你眼中所看到的一切,其實都是不同原子以某些獨特的方式相互作用的結果。

  那麼,如果一切物質都是由原子構成的,那在我們已知宇宙中,會有多少個原子?讓我們先從一些“小尺度”的物體開始。據報導,人體內大約有7×10^27個原子。考慮到一個人體內的原子數量已經如此之多,你可能會認為確定整個宇宙的原子數量是不可能的。事實上也確實如此,因為我們不知道整個宇宙究竟有多大,更不知道其中有多少原子。

  然而,通過一些宇宙學假設和一些數學知識,我們仍然可以大致計算出可觀測宇宙——宇宙中我們可以看到並研究的部分——會有多少原子。

  可觀測宇宙的範圍

  宇宙是在138億年前的大爆炸中形成的。當它從一個質量和溫度都無限大的點爆炸並誕生之後,就開始向外膨脹,而且從未停止過。

  由於宇宙的年齡已經有138億年,因此可觀測宇宙的最大範圍便是光在宇宙誕生以來的這段時間內所能到達的最大距離。你可能會假設可觀測宇宙在每個方向上只能延伸約138億光年,但事實上由於宇宙在不斷膨脹,情況並非如此。在觀察一個遙遠的星系或恒星時,我們真正看到的是它最初所發出的光的位置;但是,當光線到達地球的時候,這些星系或恒星要比我們看到它們的時候遠得多。利用宇宙微波背景輻射,我們可以計算出宇宙膨脹的速度。目前最廣為科學家接受的理論認為,這個速度是恒定的——不過也有一些科學家認為宇宙膨脹可能正在減慢——這就意味著可觀測宇宙實際上向各個方向延伸了約460億光年。

  然而,瞭解可觀測宇宙有多大並不能告訴我們宇宙中究竟有多少原子,我們還需要回答另一個重要的問題:宇宙中有多少物質?

  關於宇宙的假設

  科學家認為,物質並不是唯一存在於宇宙中的事物。事實上,根據美國國家航空航天局的數據,常規物質只占宇宙的5%,其餘部分由暗能量和暗物質組成。不過,暗能量和暗物質並不是由原子組成的,所以我們不需要擔心它們。

  根據愛因斯坦著名的質能方程E=mc^2可知,能量和質量(或者說物質)是可以互換的,因此物質可以從能量中產生,或者轉化為能量。但在宇宙尺度上,我們可以假設已創造的和未創造的物質在數量上相互抵消。這意味著,物質是有限的,因此在可觀測宇宙中,原子的數量一直都是恒定的。

  根據對已知宇宙的觀察,支配宇宙的物理定律在任何地方都是一樣的。結合宇宙膨脹速度恒定的假設,這意味著,在一個大的尺度上,物質均勻地分佈在整個宇宙中——這個概念被稱為“宇宙學原理”。換句話說,宇宙中沒有哪個區域比其他區域含有更多的物質。這一概念使科學家能夠準確估計可觀測宇宙中恒星和星系的數量,這麼做很有用,因為大多數原子都是在恒星中發現的。

  簡化計算

  知道可觀測宇宙的大小,以及物質在宇宙中的分佈是平均且有限的,這使得計算宇宙中原子的數量變得容易得多。然而,在開始計算之前,我們還需要做一些假設。

  首先,我們必須假設所有的原子都包含在恒星中,即使它們並非如此。很遺憾,與恒星相比,我們對可觀測宇宙中有多少行星、衛星和太空岩石的準確瞭解要少得多,因此將這些天體加到方程中非常困難。不過,由於宇宙中絕大多數的原子都包含在恒星中,因此我們可以通過計算出恒星中有多少原子來獲得宇宙中原子的大致數量,其他天體就只能忽略不計。

  其次,我們必須假設宇宙中所有的原子都是氫原子,即使它們不是。根據美國洛斯阿拉莫斯國家實驗室的數據,氫原子占宇宙中原子總數的90%左右,而在恒星中,原子的比例甚至更高。這麼做也使計算過程變得非常簡單。

  計算結果

  現在,終於到了計算結果的時候了。為了計算出可觀測宇宙中原子的數量,我們需要知道宇宙的質量,這意味著我們必須知道宇宙中有多少顆恒星。據歐洲空間局的數據,可觀測的宇宙中大約有10^11到10^12個星系,每個星系包含10^11到10^12顆恒星。於是,宇宙中就存在10^22到10^24顆恒星。為了使計算更簡化,我們可以說在可觀測宇宙中存在10^23顆恒星。當然,這隻是目前最合理的猜測;不同星繫在大小和恒星數量上會有所不同,但因為我們不可能一一進行統計,所以就只能暫時這麼做了。

  平均而言,一顆恒星的重量大約是10^32千克,這就意味著宇宙的質量大約是10^55千克。知道了宇宙中物質的質量之後,我們還需要知道其中有多少原子。根據費米實驗室(位於美國伊利諾斯州的一個國家粒子物理實驗室)的研究,平均每克物質大約有10^24個質子。也就是說,每克物質包含的氫原子的數量也是這麼多,因為每個氫原子只有一個質子(這就是前面做氫原子假設的原因)。

  於是,通過計算可知,可觀測宇宙中約有10^82個原子。當然,這個數字只是粗略的估算結果,基於一些近似和假設。但考慮到我們目前對可觀測宇宙的理解,這種說法或許並不算太離譜。(任天)

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