新浪科技訊 北京時(shí)間7月16日消息，據(jù)國(guó)外媒體報(bào)道，宇宙中的所有物質(zhì)，無(wú)論是大是小，也無(wú)論年齡多少，都是由原子組成的。每個(gè)原子都包括一個(gè)帶正電的原子核，由質(zhì)子和中子組成，以及帶負(fù)電，圍繞原子核運(yùn)行的電子。一個(gè)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?chē)渌影l(fā)生反應(yīng)。你眼中所看到的一切，其實(shí)都是不同原子以某些獨(dú)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(huì)有多少個(gè)原子？讓我們先從一些“小尺度”的物體開(kāi)始。據(jù)報(bào)道，人體內(nèi)大約有7×10^27個(gè)原子。考慮到一個(gè)人體內(nèi)的原子數(shù)量已經(jīng)如此之多，你可能會(huì)認(rèn)為確定整個(gè)宇宙的原子數(shù)量是不可能的。事實(shí)上也確實(shí)如此，因?yàn)槲覀儾恢勒麄€(gè)宇宙究竟有多大，更不知道其中有多少原子。

　　然而，通過(guò)一些宇宙學(xué)假設(shè)和一些數(shù)學(xué)知識(shí)，我們?nèi)匀豢梢源笾掠?jì)算出可觀測(cè)宇宙——宇宙中我們可以看到并研究的部分——會(huì)有多少原子。

　　可觀測(cè)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(gè)質(zhì)量和溫度都無(wú)限大的點(diǎn)爆炸并誕生之后，就開(kāi)始向外膨脹，而且從未停止過(guò)。

　　由于宇宙的年齡已經(jīng)有138億年，因此可觀測(cè)宇宙的最大范圍便是光在宇宙誕生以來(lái)的這段時(shí)間內(nèi)所能到達(dá)的最大距離。你可能會(huì)假設(shè)可觀測(cè)宇宙在每個(gè)方向上只能延伸約138億光年，但事實(shí)上由于宇宙在不斷膨脹，情況并非如此。在觀察一個(gè)遙遠(yuǎn)的星系或恒星時(shí)，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(dá)地球的時(shí)候，這些星系或恒星要比我們看到它們的時(shí)候遠(yuǎn)得多。利用宇宙微波背景輻射，我們可以計(jì)算出宇宙膨脹的速度。目前最廣為科學(xué)家接受的理論認(rèn)為，這個(gè)速度是恒定的——不過(guò)也有一些科學(xué)家認(rèn)為宇宙膨脹可能正在減慢——這就意味著可觀測(cè)宇宙實(shí)際上向各個(gè)方向延伸了約460億光年。

　　然而，了解可觀測(cè)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(gè)重要的問(wèn)題：宇宙中有多少物質(zhì)？

　　關(guān)于宇宙的假設(shè)

　　科學(xué)家認(rèn)為，物質(zhì)并不是唯一存在于宇宙中的事物。事實(shí)上，根據(jù)美國(guó)國(guó)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(guò)，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(ài)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(shuō)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(cè)宇宙中，原子的數(shù)量一直都是恒定的。

　　根據(jù)對(duì)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(gè)大的尺度上，物質(zhì)均勻地分布在整個(gè)宇宙中——這個(gè)概念被稱(chēng)為“宇宙學(xué)原理”。換句話說(shuō)，宇宙中沒(méi)有哪個(gè)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(jì)可觀測(cè)宇宙中恒星和星系的數(shù)量，這么做很有用，因?yàn)榇蠖鄶?shù)原子都是在恒星中發(fā)現(xiàn)的。

　　簡(jiǎn)化計(jì)算

　　知道可觀測(cè)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(jì)算宇宙中原子的數(shù)量變得容易得多。然而，在開(kāi)始計(jì)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(duì)可觀測(cè)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(guò)，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(guò)計(jì)算出恒星中有多少原子來(lái)獲得宇宙中原子的大致數(shù)量，其他天體就只能忽略不計(jì)。

　　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(guó)洛斯阿拉莫斯國(guó)家實(shí)驗(yàn)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(jì)算過(guò)程變得非常簡(jiǎn)單。

　　計(jì)算結(jié)果

　　現(xiàn)在，終于到了計(jì)算結(jié)果的時(shí)候了。為了計(jì)算出可觀測(cè)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(cè)的宇宙中大約有10^11到10^12個(gè)星系，每個(gè)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(jì)算更簡(jiǎn)化，我們可以說(shuō)在可觀測(cè)宇宙中存在10^23顆恒星。當(dāng)然，這只是目前最合理的猜測(cè)；不同星系在大小和恒星數(shù)量上會(huì)有所不同，但因?yàn)槲覀儾豢赡芤灰贿M(jìn)行統(tǒng)計(jì)，所以就只能暫時(shí)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(fèi)米實(shí)驗(yàn)室（位于美國(guó)伊利諾斯州的一個(gè)國(guó)家粒子物理實(shí)驗(yàn)室）的研究，平均每克物質(zhì)大約有10^24個(gè)質(zhì)子。也就是說(shuō)，每克物質(zhì)包含的氫原子的數(shù)量也是這么多，因?yàn)槊總€(gè)氫原子只有一個(gè)質(zhì)子（這就是前面做氫原子假設(shè)的原因）。

　　于是，通過(guò)計(jì)算可知，可觀測(cè)宇宙中約有10^82個(gè)原子。當(dāng)然，這個(gè)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(duì)可觀測(cè)宇宙的理解，這種說(shuō)法或許并不算太離譜。（任天）