北京時間 7 月 16 日消息，據(jù)國外媒體報道，宇宙中的所有物質(zhì)，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(zhì)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(zhì)子、中子和電子的數(shù)量決定了它在周期表上屬于哪一種元素，并影響著它如何與周圍其他原子發(fā)生反應(yīng)。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(jié)果。
那么，如果一切物質(zhì)都是由原子構(gòu)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(jù)報道，人體內(nèi)大約有 7×10^27 個原子。考慮到一個人體內(nèi)的原子數(shù)量已經(jīng)如此之多，你可能會認為確定整個宇宙的原子數(shù)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(xué)假設(shè)和一些數(shù)學(xué)知識，我們?nèi)匀豢梢源笾掠嬎愠隹捎^測宇宙 —— 宇宙中我們可以看到并研究的部分 —— 會有多少原子。
可觀測宇宙的范圍
宇宙是在 138 億年前的大爆炸中形成的。當(dāng)它從一個質(zhì)量和溫度都無限大的點爆炸并誕生之后，就開始向外膨脹，而且從未停止過。
由于宇宙的年齡已經(jīng)有 138 億年，因此可觀測宇宙的最大范圍便是光在宇宙誕生以來的這段時間內(nèi)所能到達的最大距離。你可能會假設(shè)可觀測宇宙在每個方向上只能延伸約 138 億光年，但事實上由于宇宙在不斷膨脹，情況并非如此。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(fā)出的光的位置；但是，當(dāng)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(xué)家接受的理論認為，這個速度是恒定的 —— 不過也有一些科學(xué)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，了解可觀測宇宙有多大并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(zhì)？
關(guān)于宇宙的假設(shè)
科學(xué)家認為，物質(zhì)并不是唯一存在于宇宙中的事物。事實上，根據(jù)美國國家航空航天局的數(shù)據(jù)，常規(guī)物質(zhì)只占宇宙的 5%，其余部分由暗能量和暗物質(zhì)組成。不過，暗能量和暗物質(zhì)并不是由原子組成的，所以我們不需要擔(dān)心它們。
根據(jù)愛因斯坦著名的質(zhì)能方程 E=mc^2 可知，能量和質(zhì)量（或者說物質(zhì)）是可以互換的，因此物質(zhì)可以從能量中產(chǎn)生，或者轉(zhuǎn)化為能量。但在宇宙尺度上，我們可以假設(shè)已創(chuàng)造的和未創(chuàng)造的物質(zhì)在數(shù)量上相互抵消。這意味著，物質(zhì)是有限的，因此在可觀測宇宙中，原子的數(shù)量一直都是恒定的。
根據(jù)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(jié)合宇宙膨脹速度恒定的假設(shè)，這意味著，在一個大的尺度上，物質(zhì)均勻地分布在整個宇宙中 —— 這個概念被稱為“宇宙學(xué)原理”。換句話說，宇宙中沒有哪個區(qū)域比其他區(qū)域含有更多的物質(zhì)。這一概念使科學(xué)家能夠準(zhǔn)確估計可觀測宇宙中恒星和星系的數(shù)量，這么做很有用，因為大多數(shù)原子都是在恒星中發(fā)現(xiàn)的。
簡化計算
知道可觀測宇宙的大小，以及物質(zhì)在宇宙中的分布是平均且有限的，這使得計算宇宙中原子的數(shù)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(shè)。
首先，我們必須假設(shè)所有的原子都包含在恒星中，即使它們并非如此。很遺憾，與恒星相比，我們對可觀測宇宙中有多少行星、衛(wèi)星和太空巖石的準(zhǔn)確了解要少得多，因此將這些天體加到方程中非常困難。不過，由于宇宙中絕大多數(shù)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(shù)量，其他天體就只能忽略不計。
其次，我們必須假設(shè)宇宙中所有的原子都是氫原子，即使它們不是。根據(jù)美國洛斯阿拉莫斯國家實驗室的數(shù)據(jù)，氫原子占宇宙中原子總數(shù)的 90% 左右，而在恒星中，原子的比例甚至更高。這么做也使計算過程變得非常簡單。
計算結(jié)果
現(xiàn)在，終于到了計算結(jié)果的時候了。為了計算出可觀測宇宙中原子的數(shù)量，我們需要知道宇宙的質(zhì)量，這意味著我們必須知道宇宙中有多少顆恒星。據(jù)歐洲空間局的數(shù)據(jù)，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。于是，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(dāng)然，這只是目前最合理的猜測；不同星系在大小和恒星數(shù)量上會有所不同，但因為我們不可能一一進行統(tǒng)計，所以就只能暫時這么做了。
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(zhì)量大約是 10^55 千克。知道了宇宙中物質(zhì)的質(zhì)量之后，我們還需要知道其中有多少原子。根據(jù)費米實驗室（位于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(zhì)大約有 10^24 個質(zhì)子。也就是說，每克物質(zhì)包含的氫原子的數(shù)量也是這么多，因為每個氫原子只有一個質(zhì)子（這就是前面做氫原子假設(shè)的原因）。
于是，通過計算可知，可觀測宇宙中約有 10^82 個原子。當(dāng)然，這個數(shù)字只是粗略的估算結(jié)果，基于一些近似和假設(shè)。但考慮到我們目前對可觀測宇宙的理解，這種說法或許并不算太離譜。
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