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宇宙有多重?太陽重2000億億億噸,宇宙是它的1000萬億億倍
2021/11/25
2021/11/25

探索是人類永恆不變的追求。天有多高,地有多厚,宇宙有多大?隨著科學的發展,人類對萬事萬物有了更為深刻的認知,這些問題也都有了答案。

通過長期的天文觀測,不斷地對資料進行修正,現在科學家已經知道宇宙誕生于138億年前的一次大爆炸。在138億年的時間裡,整個時空飛速膨脹,根據科學家的理論推測,現在整個宇宙的直徑可能高達23萬億光年,而能夠被人類觀測到的宇宙直徑只有930億光年。

人體包含細胞、組織、器官、系統這一級一級的結構,宇宙也存在這樣一級一級的結構。恒星對應著細胞,它就是宇宙中最基礎的單元,往上就是星系、星系團、超星系團等。根據科學家的估算,整個可觀測宇宙中至少有2萬億個星系,而恒星數量更是數不勝數,至少為700萬億顆。

太陽就是一顆恒星,屬于銀河系,它距離我們1.5億公里,根據科學家的測量,太陽的質量大約是2.0×10^30 千克,即2000億億噸,是地球質量的33萬倍。這裡必須要說明一下,在日常生活中,重量通常指的就是質量。

既然能夠知道宇宙的大小,那麼能不能知道宇宙中到底有多少物質?有多重?

說到這裡,有的人一定想說,既然已經估算出了宇宙中的星系與恒星的數量,那剩以它們的平均質量,不就能夠算出宇宙的總質量嗎!

恒星或者星系的平均質量,確實能通過天文觀測資料統計出來,只不過並不準確,因為在眾多已知的星系或者恒星中,只有一少部分才能夠大致估算出質量,而且宇宙空間中還存在很大一部分不能夠被我們直接觀測到的暗物質和暗能量,它們也是宇宙物質總量的一部分。根據科學家的測算,暗物質和暗能量占了宇宙中物質總量的95%。

大家在國中就有學到密度這個概念,知道了整個宇宙中物質的平均密度,就能根據體積算出宇宙中到底有多少物質。為了弄明白宇宙有多重,科學家就是從這一思路出發的。

看著夜空中滿是繁星,有些人一定以為宇宙中的物質密度很大,實際上宇宙中的物質密度十分稀疏。天空中看起來在視覺平面上離得很近的星星,實際上相差十萬八千里,離得很遠。

恒星與恒星之間至少有幾光年遠,星系與星系之間則相隔幾十上百萬光年。可不要小瞧這幾光年,人類未來很長一段時間都將會被困在方寸之地。恒星際及星系際空間都是空空蕩蕩的,星系與星系、恒星與恒星之間相互聯繫的紐帶也許就只有引力了。

宇宙實在太大了,要想知道宇宙中的平均物質密度,還真不是一件容易辦到的事。不過這難不倒科學家那聰明的大腦。

根據廣義相對論,引力的本質是時空彎曲,既然物質能夠讓時空彎曲,那麼物質的分佈密度就能影響時空的彎曲程度。如果宇宙中某一區域的物質分佈密度比較大,就會產生較為明顯的時空彎曲,這必然會影響到光線的傳播。

威爾金森微波各向異性探測器(WMAP)通過探測宇宙大爆炸時產生的微波背景輻射的分佈狀況,不僅精確測得了暗物質、暗能量和普通物質的分佈比例,還發現宇宙各向同性,從整體上來看物質分佈的比較均勻,空間幾乎是平坦的。

根據相關理論,對于一個幾乎平坦的宇宙,其實際的質能密度必然接近臨界密度,即9.9×10^-27千克/立方米。若實際密度小于臨界密度,整個宇宙將會永遠膨脹下去。現有的觀測資料就表明宇宙現在正在加速膨脹,也就是說,雖然宇宙現在看起來幾乎是平坦的,但實際密度已經略小于臨界密度了。不過這一點差異並不影響我們計算宇宙的總質量。

可觀測宇宙的體積很容易算出來,以球體(V=4/3πr^3)來算,整個可觀測宇宙的體積約為3.57×10^80立方米。

體積與臨界密度相乘,可知整個可觀測宇宙中的質能總量為3.53×10^54千克。其中占比5%的普通物質的總質量約為1.8×10^53千克,這類物質是現在能夠被我們直接觀測到的。

如果與太陽做個比較,可觀測宇宙的總質量是太陽質量的1000萬億億倍。至于人類觀測不到的那部分宇宙中的物質總量有多少?由于沒有觀測資料,並不能直接套用臨界密度,所以還沒有辦法算出來。

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