科学百科知识第9期丨宇宙中到底有多少粒子？

本期为大家带来：

《你知道吗——现代科学中的100个问题》

本书是阿西莫夫的优秀作品之一。
作者以通俗的语言，深入浅出地解释了现代科学中的一百个尖端课题。
其中，有些是了解现代科学技术所必须具备的基础知识，如科学的研究方法、二进制数、相对论、亚原子粒子、核聚变、熵、晶体、病毒等。有些则是当代科学技术的前沿阵地，如黑洞、统一场论、夸克、快子、金属氢等。
作者对这些问题的来龙去脉，它们目前处在什么样的状态、有没有希望得到解决等问题均作了回答。

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第九个问题： 宇宙中到底有多少粒子 ？

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１０11）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１０11）倍。这就等于说，宇宙间物质总量等于太阳质量的１０11×１０11（亦即１０22）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１０22）个太阳。

太阳的质量是２×１０33克。这就等于说，宇宙间的全部物质的质量是１０22×２×１０33（或者说２×１０55）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６×１０23个核子才能构成一克物质。

既然需要有６×１０23个核子才能构成一克物质，既然宇宙中含有２×１０55克物质，那么宇宙间总共就应该有６×１０23×２×１０55（或者说１２×１０78个核子。为方便起见，可以把这个数字写为１.２×１０79。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２６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１．２×１０79个核子就应该伴随有１×１０79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２．２×１０79。

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２２×１０78个粒子。

它们构成了一个相当大的宇宙。

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