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直径930亿光年的宇宙中有多少个原子?数字有点大,一排写不下

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  我们在日常生活中能够看到的东西,基本上都是由同一个级别的基本粒子组成的,那就是原子。或者用专业术语来说,原子是构成一般物质的最小单位。小到铁丝、米粒,大到行星、 恒星,细分下来都是原子(或者说是以原子代表的元素)。

  原子是保持物质化学性质的最小微粒,包含着核外电子和原子核,原子核内又分为质子和中子。质子的数量,决定了这个原子属于哪种元素。原子内部的质子和电子数是相等的,如果额外得失电子,就会变为离子;又或者与其他原子的电子形成共价键,结合为分子。但本质上,这些元素仍然有着自己独特的性质,也可以看作是不同形式的“原子”。

  除了在实验室内,我们是不可能将物质分割成原子的,因为它太小了,通常半径在10^-10米的尺度内。

  确实很神奇!如此小的粒子,最终组成了我们这个巨大的宇宙。科学家研究表明:可观测宇宙的直径达到了930亿光年,而1光年相当于大约9.46万亿千米。二者之间尺度的差距,令人瞠目。

  那么,整个宇宙之中,一共包含着多少原子呢?

  显然,我们不可能仅仅通过这两个尺寸来进行计算,因为宇宙中绝大部分空间是高度真空的。因此,进行这样的计算,其实还挺复杂的。

  不用想也知道,这一定是个天文数字。要知道,仅仅是一个人的体内,就有7x10^27个原子,也就是7亿亿亿个原子。和宇宙相比,一个人可以说是渺小得几乎可以忽略。所以,宇宙中的原子数量,一定远远超过人们的想象。

  那么,我们该如何推测宇宙中的原子数量呢?

  (图片说明:宇宙膨胀大致历史)

  首先我们要知道,宇宙中的物质是不是恒定的。爱因斯坦告诉我们,物质和能量是可以相互转化的。这意味着,在宇宙的某个角落,物质的数量是会涨落的。不过,当我们将空间尺度扩大到整个宇宙、时间尺度扩大到宇宙138亿年的历史范围时,就可以假设宇宙内物质的总量是基本平衡的。

  为了方便计算,我们需要做一个假设,那就是宇宙中的原子都存在于恒星之中。诚然,恒星周围还有行星、卫星,但宇宙中到底有多少小天体,科学家们也不知道。而且,行星和卫星普遍比恒星小得多,比如在太阳系,99.86%的质量都集中于太阳,也就是绝大部分物质都在太阳体内。所以在这里,我们只能暂且忽略行星和卫星了。

  除此之外,我们还需要另一个假设,那就是宇宙中的原子都是氢原子。这也可能让你感到难以理解,但实际情况是,根据美国洛斯阿拉莫斯国家实验室的一项研究,宇宙中大约有90%的原子都是氢原子。我们观测到的恒星中,氢原子的丰度甚至比这还要高。原子种类决定了质量,这也是我们简化计算的一个方法。

  有了这些简化的假设,推测宇宙中原子的数量,就相对简单一些了。这个问题的本质,就变成了宇宙中的恒星有多重。这个问题又分为两部分,那就是宇宙中有多少恒星,以及每一颗恒星有多重。

  根据欧洲航天局此前的研究,可观测宇宙中有1000-10000亿个星系(甚至还有人推测宇宙中有20000亿个星系),每一个星系中又有1000-10000亿颗恒星(银河系恒星数量在1000-4000亿之间,是比较大的星系)。那么,整个宇宙中大约有100万亿亿到1亿亿亿颗恒星。我们在数量级方面折中,假设宇宙中有1000万亿颗恒星。

  那么,宇宙中恒星的质量是多少呢?

  根据此前发表于《科学》杂志上的一份研究报告,研究人员认为,宇宙中恒星的平均质量为10^32公斤,也就是1000亿亿亿吨(我们的太阳质量约等于2000亿亿亿吨)。

  这样算下来,宇宙中物质的总质量大约就是10^55千克。

  有了这个数据,我们只要知道氢原子的质量,就可以推测出宇宙中原子的数量了。

  根据美国国家粒子物理实验室费米实验室的一项数据,平均每克物质中,大约有10^24个质子。对于氢原子来说,它只有一个质子和一个电子,而且电子的质量远远小于质子的质量。因此这里我们忽略电子的质量,那么就可以认为每克物质相当于拥有10^24个氢原子。

  答案出来了:在直径930亿光年的可观测宇宙中,大约有10^82个原子。如果说得直白一点,大概就是这个数——

  数字太大,一排都写不下……

  需要说明的是,原子构成的物质,并不是宇宙的全部。要知道,根据目前的研究,可见物质的总质能仅仅占了宇宙的4.9%,其余的26.8%和68.3%则被暗物质和暗能量所占据,它们并不是由原子构成的。也就是说,即使是如此多的原子,也仅仅占了可观测宇宙中很小的一部分。

  这还不算上不可观测宇宙,它要比我们的可观测宇宙要大得多。至于那里有多少原子,恐怕我们永远也无法得知了。

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