直径930亿光年的宇宙中有多少个原子？数字有点大，一排写不下

我们在日常生活中能够看到的东西，基本上都是由同一个级别的基本粒子组成的，那就是原子。或者用专业术语来说，原子是构成一般物质的最小单位。小到铁丝、米粒，大到行星、 恒星，细分下来都是原子（或者说是以原子代表的元素）。

原子是保持物质化学性质的最小微粒，包含着核外电子和原子核，原子核内又分为质子和中子。质子的数量，决定了这个原子属于哪种元素。原子内部的质子和电子数是相等的，如果额外得失电子，就会变为离子；又或者与其他原子的电子形成共价键，结合为分子。但本质上，这些元素仍然有着自己独特的性质，也可以看作是不同形式的“原子”。

除了在实验室内，我们是不可能将物质分割成原子的，因为它太小了，通常半径在10^-10米的尺度内。

确实很神奇！如此小的粒子，最终组成了我们这个巨大的宇宙。科学家研究表明：可观测宇宙的直径达到了930亿光年，而1光年相当于大约9.46万亿千米。二者之间尺度的差距，令人瞠目。

那么，整个宇宙之中，一共包含着多少原子呢？

显然，我们不可能仅仅通过这两个尺寸来进行计算，因为宇宙中绝大部分空间是高度真空的。因此，进行这样的计算，其实还挺复杂的。

不用想也知道，这一定是个天文数字。要知道，仅仅是一个人的体内，就有7x10^27个原子，也就是7亿亿亿个原子。和宇宙相比，一个人可以说是渺小得几乎可以忽略。所以，宇宙中的原子数量，一定远远超过人们的想象。

那么，我们该如何推测宇宙中的原子数量呢？

（图片说明：宇宙膨胀大致历史）

首先我们要知道，宇宙中的物质是不是恒定的。爱因斯坦告诉我们，物质和能量是可以相互转化的。这意味着，在宇宙的某个角落，物质的数量是会涨落的。不过，当我们将空间尺度扩大到整个宇宙、时间尺度扩大到宇宙138亿年的历史范围时，就可以假设宇宙内物质的总量是基本平衡的。

为了方便计算，我们需要作一个假设，那就是宇宙中的原子都存在于恒星之中。诚然，恒星周围还有行星、卫星，但宇宙中到底有多少小天体，科学家们也不知道。而且，行星和卫星普遍比恒星小得多，比如在太阳系，99.86%的质量都集中于太阳，也就是绝大部分物质都在太阳体内。所以在这里，我们只能暂且忽略行星和卫星了。

除此之外，我们还需要另一个假设，那就是宇宙中的原子都是氢原子。这也可能让你感到难以理解，但实际情况是，根据美国洛斯阿拉莫斯国家实验室的一项研究，宇宙中大约有90%的原子都是氢原子。我们观测到的恒星中，氢原子的丰度甚至比这还要高。原子种类决定了质量，这也是我们简化计算的一个方法。

有了这些简化的假设，推测宇宙中原子的数量，就相对简单一些了。这个问题的本质，就变成了宇宙中的恒星有多重。这个问题又分为两部分，那就是宇宙中有多少恒星，以及每一颗恒星有多重。

根据欧洲航天局此前的研究，可观测宇宙中有1000-10000亿个星系（甚至还有人推测宇宙中有20000亿个星系），每一个星系中又有1000-10000亿颗恒星（银河系恒星数量在1000-4000亿之间，是比较大的星系）。那么，整个宇宙中大约有100万亿亿到1亿亿亿颗恒星。我们在数量级方面折中，假设宇宙中有1000万亿颗恒星。

那么，宇宙中恒星的质量是多少呢？

根据此前发表于《科学》杂志上的一份研究报告，研究人员认为，宇宙中恒星的平均质量为10^32公斤，也就是1000亿亿亿吨（我们的太阳质量约等于2000亿亿亿吨）。

这样算下来，宇宙中物质的总质量大约就是10^55千克。

有了这个数据，我们只要知道氢原子的质量，就可以推测出宇宙中原子的数量了。

根据美国国家粒子物理实验室费米实验室的一项数据，平均每克物质中，大约有10^24个质子。对于氢原子来说，它只有一个质子和一个电子，而且电子的质量远远小于质子的质量。因此这里我们忽略电子的质量，那么就可以认为每克物质相当于拥有10^24个氢原子。

答案出来了：在直径930亿光年的可观测宇宙中，大约有10^82个原子。如果说得直白一点，大概就是这个数——

数字太大，一排都写不下……

需要说明的是，原子构成的物质，并不是宇宙的全部。要知道，根据目前的研究，可见物质的总质能仅仅占了宇宙的4.9%，其余的26.8%和68.3%则被暗物质和暗能量所占据，它们并不是由原子构成的。也就是说，即使是如此多的原子，也仅仅占了可观测宇宙中很小的一部分。

这还不算上不可观测宇宙，它要比我们的可观测宇宙要大得多。至于那里有多少原子，恐怕我们永远也无法得知了。