周一 · 知古通今 | 周二 · 牧夫专栏 周三 · 太空探索 | 周四 · 观测指南 周五 · 深空探测 |周六 · 茶余星话 | 周日 · 视频天象 翻译：陈玮菁 校对：牧夫天文校对组 编排：陈宏宇 后台：库特莉亚芙卡 李子琦 徐⑨坤 胡永威 原文链接：https://www.space.com/how-many-atoms-in-universe   外太空的巨型原子图像 (Image credit: Shutterstock) 宇宙中的所有物质，无论大小老幼，都是由原子组成的。 每个原子都由一个带正电的原子核（由质子和中子组成）和带负电的核外电子组成。原子的质子、中子和电子的数量决定了它在元素周期表上属于哪一个元素，并影响到它与周围其他原子的反应方式。你所看到的一切只是不同原子以独特方式相互作用后产生的。 那么，如果一切都是由原子组成的，我们知道宇宙中有多少个原子吗？ 先从小的原子开始吧。据《卫报》报道，人体中平均大约有7x10^27个原子(7后面跟着27个零)。鉴于一个人所含的原子数量已经如此巨大，你可能会认为，确定整个宇宙中有多少个原子是不可能的。其实你是对的：因为我们不知道整个宇宙到底有多大，所以我们无法知道其中有多少个原子。 然而，我们可以利用一些宇宙学假设和数学方法来粗略地计算出在可观测的宇宙，即我们可以看到和研究的一部分宇宙中有多少个原子。  可观测的宇宙 宇宙诞生于138亿年前的大爆炸。宇宙从一个拥有无限质量和温度的奇点爆炸式膨胀，并一直扩张，从那以后就没有停止过。 因为宇宙有138亿年的历史，而可观测宇宙离我们越来越远，就好像光从宇宙诞生以来就一直在传播一样，所以你可能会认为，可观测宇宙在各个方向上都只延伸了138亿光年。但由于宇宙在不断膨胀，情况并非如此。当我们观察一个遥远的星系或恒星时，我们真正看到的是它第一次发出光线时的位置。但是当光到达我们身边，它现在所处的位置比我们看到它时要远得多。根据Live Science的姊妹网站Space.com的数据，利用宇宙微波背景辐射，我们可以计算出宇宙膨胀的速度有多快。目前科学家们可信度最高的猜测认为这个速率是恒定的(尽管一些科学家认为它膨胀的速度可能在降低)，所以这意味着我们可以观察到的宇宙的大小实际上在四面八方延伸了460亿光年。 但是知道宇宙有多大并不能告诉我们，我们所知道的宇宙中有多少个原子。我们还需要知道其中有多少物质和其它东西。  自138亿年前大爆炸发生以来宇宙是怎样膨胀的 (Image credit: Shutterstock) 宇宙假设 物质并不是宇宙中唯一的东西。事实上根据NASA的数据，它只占宇宙的5%左右。其余部分由暗能量和暗物质组成，但由于它们不是由原子组成的，所以我们不需要考虑进去。 根据爱因斯坦著名的质能守恒方程E=MC^2，能量与质量或物质是可互换的，因此物质有可能由能量产生或转化为能量。但是在宇宙的尺度上，我们可以假设所产生的物质和未被创造的物质的数量可以相互抵消，《科学美国人》表示，这意味着物质是有限的，所以在可观测的宇宙中，原子的数量和以前一样多。这一点很重要，因为我们观测到的宇宙在时间上并不是一幅单一的静止照片。 根据我们对已知宇宙的观察，支配宇宙的物理定律在宇宙任何地方都是一样的。结合宇宙膨胀是恒定的假设，这意味着，在一个大范围内，物质均匀地分布在整个宇宙，这被称为宇宙学原理。换句话说，宇宙中没有任一区域比其他区域有更多的物质。这一想法非常有用，使科学家能够准确地估计出可观测宇宙中恒星和星系的数量，因为大多数原子都是在恒星内部发现的。 简化计算 知道可观测宇宙的大小和物质是均匀和有限地分布在它内部，这使得计算原子数变得容易得多。然而，在使用计算器之前，我们还要做一些假设。 首先，我们必须假设所有原子都包含在恒星内部，尽管事实并非如此。很不幸，与恒星相比，我们对可见宇宙中有多少行星、卫星和太空岩石的了解要少得多，这意味着很难将它们代入到这个等式中。但是，由于宇宙中绝大多数原子都包含在恒星中，所以我们可以通过计算出恒星中有多少个原子，忽略其他一切，从而得到宇宙中原子数的近似值。 第二，我们必须假设宇宙中的所有原子都是氢原子。据洛斯阿拉莫斯国家实验室(Los Alamos National Lab)的数据，氢原子约占宇宙总原子的90%左右，而在我们关注的恒星中，氢原子所占的比例甚至更高。你很快就会看到，这也使得计算更加简单。 数学计算 现在，终于到了做数学的时候了。 为了计算出可观测宇宙中原子的数量，我们需要知道它的质量，这意味着我们必须知道有多少颗恒星。据欧洲航天局(European Space Agency)称，在可观测的宇宙中，大约有10^11至10^12个星系，每个星系包含10^11至10^12颗恒星。也就是说，总恒星数约在10^22到10^24个之间。为了便于计算，我们可以认为在可观测的宇宙中有10^23颗恒星。当然，这只是一个最方便的猜测；星系的大小和恒星的数量都有可能变化，但由于我们不能单独分开计算，所以现在必须化简。 根据Science ABC的数据，一颗恒星的平均重量约为2.2x10^32磅(10^32公斤)，这意味着宇宙的质量约为2.2x10^55磅(10^55公斤)。现在我们知道了物质的质量和数量，我们需要计算出有多少个原子。根据伊利诺伊州国家粒子物理实验室Fermilab的数据，平均每克物质大约有10^24个质子，这意味着它和氢原子的数目是一样的，因为每个氢原子只有一个质子(这就是为什么我们先前对氢原子作出假设的原因)。 通过计算，在可观测宇宙中约有10^82个原子。要把它展开，那就是10,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000个原子。 这个数字基于一些近似数和假设，只是一个粗略的猜测。但鉴于我们目前对可观测宇宙的理解，它不太可能离真实数目太远。 END 责任编辑：郭皓存 牧夫新媒体编辑部 『天文湿刻』 牧夫出品 微信公众号：astronomycn  树梢框住的星系 图像提供与版权：Will Godward 说明：摄影者很早就计划拍这张照片了。他知道头顶的天体最明亮，因为它们的光会受到最小的大气散射，他也知道在澳洲南部，每年的这段时间的子夜前后，我们银河系的核心会高悬在头顶附近。在脑海预想图的引导下，他深入凯伯托森林，在大片遮天的高耸辐射松里找到了这片空地。在该处由树梢框出的视窗里，他完成了心中所想、结合当地与远方自然景观的图像，前后共拍摄了16幅树与银河的照片。图像中，心宿二是我们银河系中央盘面左侧的橙红亮星，中心右侧的亮星是南门二，而银河系的中心就在心宿二的下方。虽然数小时之后，地球自转把银河盘面移到了左上方，受到树的遮掩不再看得到，不过他的预想图永远留存，就如这幅主题图像所示。 谢谢阅读  |
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