宇宙可见部分的原子数——100个科学问题之9

海云青飞 https://www.tuenhai.com 20190612

宇宙分可观测部分和不可观测部分,在讨论宇宙原子数目时,指的是可观测部分的原子数

宇宙中的部分区域由于过于遥远,以至于从宇宙大爆炸以来发出的光线未能有足够的时间到达地球。因此这一部分的区域在可观测宇宙之外。到了未来,从遥远星系发出的光线获得了更多的光行时间,所以目前宇宙中更多的区域将成为可观测宇宙的一部分

从地球的任何方向到可观测宇宙的边缘大概是140亿秒差距(460亿光年),因此可观测宇宙是一个直径为290亿秒差距(930亿光年)

假设普通物质的质量大约是1.45×10^53 公斤,并且假定所有的原子均为氢原子(在现实中氢原子约占了银河系中所有原子质量的74%), 把普通物质的质量除以氢原子的质量(1.45×10^53 公斤除以1.67×10^−27 公斤,其结果大约是10^80个氢原子

也就是说,以氢原子为单位,可观测宇宙大约有10^80个氢原子。至于整个宇宙的原子数是多少?海心土申认为这是个没有意义的问题,因为渺小的人类永远不会知道宇宙真正有多大,那么也就永远不可能知道宇宙总原子有多少个


9 宇宙中到底有多少粒子?

《你知道吗?——现代科学中的100个问题》

阿西莫夫著 暴永宁等译 碧声扫 https://www.tuenhai.com 整理

实际上,这个问题不可能有肯定的答案,这首先是因为没有人能确切地知道宇宙有多大。但是,我们可以作一些假设

有人曾作过一个估计,认为在我们这个宇宙中大约有100,000,000,000(亦即10^11)个星系。这些星系,平均来说,每一个的质量都比太阳的质量大100,000,000,000(亦即10^11)倍

这就等于说,宇宙间物质总量等于太阳质量的10^11×10^11(亦即10^22)倍。换句话说,宇宙间的全部物质足够形成10,000,000,000,000,000,000,000(亦即10^22)个太阳

太阳的质量是2×10^33克。这就等于说,宇宙间的全部物质的质量是10^22×2×10^33(或者说2×10^55)克。这个数字可以写为20,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000克

现在让我们再从另一个方面来看一看。宇宙的质量几乎完全集中在它所含有的核子中(核子是组成原子核的主要粒子)。核子是很小很小的东西,需要有6×10^23个核子才能构成一克物质

既然需要有6×10^23个核子才能构成一克物质,既然宇宙中含有2×10^55克物质,那么宇宙间总共就应该有6×10^23×2×10^55(或者说12×10^78个核子。为方便起见,可以把这个数字写为1.2×10^79

天文学家认为,宇宙间有90%的原子是氢,9%的原子是氦,其余1%则是各种更为复杂的元素。就是说,在含有100个原子的一个典型样本中应当含有90个氢原子,9个氦原子和1个别的原子(比方说一个氧原子)。我们知道,每个氢原子的原子核有一个核子,即质子。每个氦原子核含有4个核子,即2个质子和2个中子。每个氧原子核含有16个核子,即8个质子和8个中子

因此,这100个原子总共应当含有142个核子,亦即116个质子和126个中子

这两类核子有一个区别。中子不带电荷,因此不必去考虑同它相伴随的粒子(电子)。质子带正电荷,因此,既然整个宇宙被认为是电中性的,所以只要有一个质子存在,就应该有一个电子(带有一个负电荷)和它同时存在

这样,每有142个核子,就应该有116个电子(以便和116个质子相平衡)。为了保持这一比例,宇宙间的1.2×10^79个核子就应该伴随有1×10^79个电子。把这些核子和电子加在一起,我们就得出宇宙间全部物质所含粒子总数应为2.2×10^79。我们可以把这个数字写为22,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000

如果宇宙是由一半物质和一半反物质组成,那么,这些粒子中就应当有一半是反核子和正电子。但是,这并不影响总数

宇宙间大量存在的另一些粒子是光子、中微子,也许有引力子,但它们都是没有质量的粒子,所以没有把它们计算在内。因此,总的说来,我们这个宇宙共有22×10^78个粒子。它们构成了一个相当大的宇宙

阿西莫夫《你知道吗?——现代科学中的一百个问题》科学普及出版社 1984年

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