科學百科知識第9期丨宇宙中到底有多少粒子？

本期為大家?guī)恚?/p>

《你知道嗎——現(xiàn)代科學中的100個問題》

本書是阿西莫夫的優(yōu)秀作品之一。
作者以通俗的語言，深入淺出地解釋了現(xiàn)代科學中的一百個尖端課題。
其中，有些是了解現(xiàn)代科學技術(shù)所必須具備的基礎(chǔ)知識，如科學的研究方法、二進制數(shù)、相對論、亞原子粒子、核聚變、熵、晶體、病毒等。有些則是當代科學技術(shù)的前沿陣地，如黑洞、統(tǒng)一場論、夸克、快子、金屬氫等。
作者對這些問題的來龍去脈，它們目前處在什么樣的狀態(tài)、有沒有希望得到解決等問題均作了回答。

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第九個問題： 宇宙中到底有多少粒子 ？

實際上，這個問題不可能有肯定的答案，這首先是因為沒有人能確切地知道宇宙有多大。但是，我們可以作一些假設。有人曾作過一個估計，認為在我們這個宇宙中大約有１００，０００，０００，０００（亦即１０11）個星系。這些星系，平均來說，每一個的質(zhì)量都比太陽的質(zhì)量大１００，０００，０００，０００（亦即１０11）倍。這就等于說，宇宙間物質(zhì)總量等于太陽質(zhì)量的１０11×１０11（亦即１０22）倍。換句話說，宇宙間的全部物質(zhì)足夠形成１０，０００，０００，０００，０００，０００，０００，０００（亦即１０22）個太陽。

太陽的質(zhì)量是２×１０33克。這就等于說，宇宙間的全部物質(zhì)的質(zhì)量是１０22×２×１０33（或者說２×１０55）克。這個數(shù)字可以寫為２０，０００，０００，０００，０００，０００，０００，０００，０００，０００，０００，０００，０００，０００，０００，０００，０００，０００，０００克?，F(xiàn)在讓我們再從另一個方面來看一看。宇宙的質(zhì)量幾乎完全集中在它所含有的核子中（核子是組成原子核的主要粒子）。核子是很小很小的東西，需要有６×１０23個核子才能構(gòu)成一克物質(zhì)。

既然需要有６×１０23個核子才能構(gòu)成一克物質(zhì)，既然宇宙中含有２×１０55克物質(zhì)，那么宇宙間總共就應該有６×１０23×２×１０55（或者說１２×１０78個核子。為方便起見，可以把這個數(shù)字寫為１.２×１０79。天文學家認為，宇宙間有９０％的原子是氫，９％的原子是氦，其余１％則是各種更為復雜的元素。就是說，在含有１００個原子的一個典型樣本中應當含有９０個氫原子，９個氦原子和１個別的原子（比方說一個氧原子）。我們知道，每個氫原子的原子核有一個核子，即質(zhì)子。每個氦原子核含有４個核子，即２個質(zhì)子和２個中子。每個氧原子核含有１６個核子，即８個質(zhì)子和８個中子。因此，這１００個原子總共應當含有１４２個核子，亦即１１６個質(zhì)子和２６個中子。

這兩類核子有一個區(qū)別。中子不帶電荷，因此不必去考慮同它相伴隨的粒子（電子）。質(zhì)子帶正電荷，因此，既然整個宇宙被認為是電中性的，所以只要有一個質(zhì)子存在，就應該有一個電子（帶有一個負電荷）和它同時存在。這樣，每有１４２個核子，就應該有１１６個電子（以便和１１６個質(zhì)子相平衡）。為了保持這一比例，宇宙間的１．２×１０79個核子就應該伴隨有１×１０79個電子。把這些核子和電子加在一起，我們就得出宇宙間全部物質(zhì)所含粒子總數(shù)應為２．２×１０79。

我們可以把這個數(shù)字寫為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質(zhì)和一半反物質(zhì)組成，那么，這些粒子中就應當有一半是反核子和正電子。但是，這并不影響總數(shù)。宇宙間大量存在的另一些粒子是光子、中微子，也許有引力子，但它們都是沒有質(zhì)量的粒子，所以沒有把它們計算在內(nèi)。因此，總的說來，我們這個宇宙共有２２×１０78個粒子。

它們構(gòu)成了一個相當大的宇宙。