眾所周知，宇宙浩瀚無垠。據(jù)估計，我們可觀測到的范圍（又名“已知宇宙”）跨越約930億光年的距離。這可真是一個令人欽佩的數(shù)字，特別是當你考慮到，這僅僅是我們至今觀測到的范圍的時候。考慮到這個空間的絕對體積，人們會認為其中包含的物質(zhì)數(shù)量也會同樣令人印象深刻。
但有趣的是，在你以最小的尺度觀察這些物質(zhì)時，這些數(shù)字將會變得巨大到令人難以置信。例如：人們認為，在我們可觀測的宇宙中，存在著1.2 x 10^23到3.0 x 10^23顆星體。但再離得近一點看，以原子為單位，這些數(shù)據(jù)或?qū)⒆兊酶硬豢伤甲h。
據(jù)估計，在這個水平上，已知、可觀測的宇宙中，有10^78到10^82個原子。用外行人的話來說，這相當于10千萬億到10萬個千萬億的原子。
但這些數(shù)據(jù)仍不能精確地反映出宇宙中所包含物質(zhì)的真實數(shù)目。如前所述，它們只覆蓋半徑為460億光年的可觀測宇宙，其基礎(chǔ)是宇宙膨脹將能觀測到的最的物體帶到的地方。
圖解：宇宙的歷史始于大爆炸。圖片來源：grandunificationtheory
德國的一臺超級計算機進行了一次模擬，估計在觀測范圍內(nèi)存在大約5000億個星系，更保守的估計是3000億個左右。由于一個星系中的恒星數(shù)量可以達到4000億顆，那么恒星的總數(shù)很可能在1.2×10^23左右——或者僅僅超過10的17次方。
每顆恒星的平均重量約為10^35克。因此，它們的總質(zhì)量約為10^58克(即1.0 x 10^52公噸)。由于已知每克物質(zhì)有大約10^24個質(zhì)子，或者說與氫原子的數(shù)目大約相同(因為一個氫原子只有一個質(zhì)子)，那么氫原子的總數(shù)大約是10^86 。
在可觀測的宇宙中，這種物質(zhì)均勻地分布在整個太空中，至少當平均距離超過3億光年時如此。然而，在更小的尺度上，我們會觀察到，這些物質(zhì)會形成我們都熟悉的恒星——層次分明的發(fā)光物質(zhì)團塊。
簡而言之，許多原子被壓縮成恒星，許多恒星被壓縮成星系，許多星系又被壓縮成星系團，進而許多星系團被壓縮成超星系團，最后，被壓縮成最大尺度的結(jié)構(gòu)，如星系長城（又名“斯隆長城”）。在較小的尺度上，這些團塊被塵粒云、氣體云、小行星和其他恒星物質(zhì)形成的小團塊所滲透。
圖解：跨越137億年以上的宇宙時間線，以及隨后宇宙的膨脹。資料來源:NASA/WMAP科學團隊。
宇宙的可觀測物質(zhì)也呈等軸分布，這意味著沒有任何觀測方向看起來與其他方向不同，空中的每個區(qū)域包含的物質(zhì)都大致相同。宇宙也處于高各向同性的微波輻射中，這相當于大約2.725開爾文(略高于絕對零度)的熱平衡。
一假說認為從大尺度來看，宇宙是均勻的、各向同性，它被稱為宇宙學原理。這表明物理定律在整個宇宙中起著統(tǒng)一的作用，因此，在大尺度結(jié)構(gòu)中不應(yīng)該產(chǎn)生可觀察到的不規(guī)則現(xiàn)象。由于宇宙由最初的大爆炸形成，這一理論得到了有助于繪制宇宙結(jié)構(gòu)演化圖的天文觀測的支持。
科學家們目前的共識是，絕大多數(shù)物質(zhì)都是在大爆炸中產(chǎn)生的，而自那以后宇宙的膨脹并沒有給這個平衡增加新的物質(zhì)。相反，人們相信，在過去137億年里發(fā)生的只是最初形成的物質(zhì)的膨脹或分散。也就是說，在膨脹的過程中沒有加入任何一開始不存在的物質(zhì)。
然而，愛因斯坦的質(zhì)能方程給這個理論提出了一個稍微復(fù)雜的問題。這是狹義相對論的一個推論，在狹義相對論中，物體的能量的增加導(dǎo)致其質(zhì)量的增加。在所有的聚變和裂變之間，原子有規(guī)律地從粒子轉(zhuǎn)化為能量，然后再轉(zhuǎn)化回來。
圖解：左邊(實驗開始時)的原子密度比模擬大爆炸80毫秒后的要大。來源:Chen-Lung Hung
然而，從大的尺度觀察，宇宙的總體物質(zhì)密度不隨時間推移而改變。目前可觀測宇宙密度的估計值非常低，大約為9.9 × 10-30克 /立方厘米。這種質(zhì)能約由68.3%的暗能量、26.8%的暗物質(zhì)和4.9%的普通(發(fā)光)物質(zhì)組成。因此，原子的密度大約是每四立方米體積存在一個氫原子。
暗能量和暗物質(zhì)的性質(zhì)在很大程度上是未知的，它們可以像普通物質(zhì)一樣均勻分布或成團。然而，人們相信暗物質(zhì)和普通物質(zhì)一樣受引力作用，從而減緩宇宙的膨脹。相比之下，暗能量卻加速了宇宙的膨脹。
同樣，這個數(shù)字只是一個粗略的估計。當用來估計宇宙的總質(zhì)量時，它常常低于用其他數(shù)據(jù)所預(yù)測的值。最后，我們看到的只是整體的一小部分。
在天文在線以前發(fā)布的文章中，我們可以找到很多關(guān)于宇宙中物質(zhì)數(shù)量的文章，比如《宇宙中有多少個星系？》以及《銀河系中有多少顆恒星？》。
參考資料
1.WJ百科全書
2.天文學名詞
3. 橋本朝奈- universetoday
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