本文翻译自How Many Atoms Are There in the Universe?

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宇宙广袤无边已经是众所周知的事情,可观测宇宙粗略估计有930亿光年,这是一个庞大数字,考虑到这个空间的体积,里面包含的物质数量一定也会非常之庞大.

但有趣的是,当你在小的尺度上看这个问题时,这个数字变得最令人难以置信。例如,在我们可观察的宇宙中存在1.2\times 10^{23}3.0\times 10^{23}个恒星。但仔细观察,在原子尺度上,估计在已知的可观察宇宙中有10^{78}10^{82}个原子。

然而,这些数字并不能准确反映出宇宙可以真正拥有多少物质。正如已经说明的那样,这个估计仅仅考虑半径460亿光年的可观测宇宙,这是目前人类能观测到的最远物体的位置。

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德国的一台超级计算机最近进行了模拟,并估计在观测范围内存在大约5000亿个星系,但更为保守的估计数据显示该数字约为3000亿。由于星系中的恒星数量可以达到4000亿,那么恒星的总数可能大约为1.2\times 10^{23}

平均而言,每颗恒星的重量约为10^{35}克。因此,总质量约为10^{58}克(即1.0×10^{52}吨)。由于已知每克物质具有约10^{24}个质子,或大约相同数量的氢原子(因为一个氢原子仅具有一个质子),因此氢原子的总数将大约为10^{86}

在可观察的宇宙中,物质在整个太空中均匀分布,至少在距离超过3亿光年的情况下平均。然而,在较小的尺度上,物质会形成我们都熟悉的发光物质的团块。

简而言之,大多数原子被凝聚成恒星,大多数恒星凝聚成星系,大多数星系聚为星系团,大多数星系聚为超星系团,最后进入最大尺度的结构,如长城星系(又称斯隆长城)。在较小的范围内,这些团块充斥着尘埃粒子,气体云,小行星和其他小团块的恒星云层。

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宇宙的可观测物质是各向同性地传播的;这意味着所有方向都具有大致相同的内容。宇宙沐浴在高度各向同性的微波辐射中,对应于大约2.725开尔文(刚好高于绝对零度)的热平衡。

大规模宇宙是均匀的和各向同性的假设被称为宇宙学原理。这表明物理定律在整个宇宙中均匀地起作用,因此在大规模结构中不应产生可观察到的不规则性。这一理论得到了天文观测的支持,这些观测有助于描绘宇宙结构自大爆炸以来的演变。

科学家们目前的共识是,绝大多数物质都是在宇宙大爆炸产生的,宇宙膨胀从未增加新的物质。过去137亿年来所发生的事情只不过是最初创造出的物质的扩张或分散。也就是说,在宇宙膨胀过程中没有添加任何开头不存在的物质。

然而,爱因斯坦对质量和能量的等价性给这一理论带来了轻微的复杂性。这是由狭义相对论引起的结果,其中向物体添加能量逐渐增加其质量。在所有融合和裂变之间,原子经常从粒子转换为能量并再次返回。

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然而,在大规模观察中,宇宙的总物质密度随着时间的推移保持不变。可观测宇宙的当前密度估计非常低 - 大约9.9× 10^{-30}克/立方厘米。这种质量能量似乎由68.3%的暗能量,26.8%的暗物质和4.9%的普通(发光)物质组成。因此,对于每四立方米体积,原子密度约为单个氢原子。

暗能量和暗物质的性质在很大程度上是未知的,并且可以像正常物质一样均匀地分布或组织成团块。然而,人们认为暗物质像普通物质一样倾向于物质,因此可以减缓宇宙的膨胀。相比之下,暗能量加速其扩张。

这个数字只是一个粗略的估计。在估计宇宙的总质量时,它通常不如其他估计方法。最后,我们看到的只是整体的一小部分。

posted @ 2019-01-25 18:37:54
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