科学百科知识第9期:宇宙中到底有多少粒子?

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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。

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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艾萨克 · 阿西莫夫
Isaac Asimov
1920-1992
美国著名科幻小说家、科普作家、文学评论家,是美国科幻小说黄金时代的代表人物之一。

阿西莫夫一生著述近500本,题材涉及自然科学、社会科学和文学艺术等许多领域,与儒勒·凡尔纳、赫伯特·乔治·威尔斯并称为科幻历史上的三巨头,同时还与罗伯特·海因莱因、亚瑟·克拉克并列为科幻小说的三巨头。

其作品中以《基地系列》《银河帝国三部曲》《机器人系列》三大系列被誉为“科幻圣经”。曾多次获代表科幻界最高荣誉的雨果奖和星云终身成就大师奖(雨果奖7次、星云奖3次、轨迹奖2次)。小行星5020、《阿西莫夫科幻小说》杂志和两项阿西莫夫奖都是以他的名字命名。

他提出的“机器人学三定律”被称为“现代机器人学的基石”。

稿件搜集 | 靳淞

文字编辑 | 清皓

排版 | 付川娱

审核 | Lynn

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