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宇宙粒子總數為三億億億億億億億億億億個, 但每立方米的宇宙空間僅有一個粒子

宇宙粒子總數為三億億億億億億億億億億個, 但每立方米的宇宙空間僅有一個粒子

  我們總會用「天文數字」來形容非常大的數字,但任何東西都不會多於這個數字:宇宙中的粒子總數。

  粒子極其微小,一根大頭針的針頭就可以容納五萬億個氫原子,並且每個氫原子中都包含四個粒子(一個電子,以及一個中子包含的三個夸克)。因此,在整個可觀測宇宙中,粒子的數量遠遠超出了我們所理解的範圍。那麼,宇宙中究竟有多少個粒子呢?

  對此,諾丁漢大學的物理學家Tony Padilla教授提出了一種估計宇宙粒子總數的方法,其中不計光子和中微子的數量,因為它們沒有質量或者近乎沒有質量(光子沒有靜止質量,中微子的質量比電子小一百萬倍)。

  在計算過程中,Padilla教授使用來自普朗克太空望遠鏡的數據。該空間望遠鏡專門用於測量宇宙微波背景,這是我們可以看到的最古老光線,來自宇宙大爆炸之後10萬年。通過普朗克數據,科學家可以知道可觀測宇宙的密度為8.64×10^(-30) g/cm^3,半徑為4.38×10^28 cm(約465億光年)。

  為計算宇宙粒子總數,另一個需要的變數是存儲在重子中的物質比例,這個數值為0.0485。重子是由三個夸克組成,組成普通物質原子核的質子和中子是最常見的重子,所以Padilla教授只考慮這兩者。最後,再知道質子和中子的質量(兩者大致相同,均約為1.67×10^(-24) g),就能估算可觀測宇宙中的粒子總數。

  把宇宙密度乘以存儲在重子中的物質比例,再乘以宇宙的體積,就能得到宇宙的重子總質量。然後,然後再把宇宙的重子總質量除以一個重子的質量,就能得到宇宙的重子總數。但是我們不是求宇宙的重子總數,而是宇宙的粒子總數。

  每個重子由三個夸克組成,這是所求粒子的一部分。此外,宇宙呈現電中性,所以宇宙的質子總數約等於電子總數,這是所求粒子的另一部分。宇宙由大約75%的氫和大約25%的氦組成,在如此大規模的計算中,宇宙的其餘組成均可忽略不計。使用這些信息,就能計算出中子數、質子數以及相應的電子數。最後,把質子數和中子數乘以三並相加,再加上電子總數,就能得出宇宙中的粒子總數。

  計算可得,宇宙中的粒子總數為3.28×10^80個,大約三億億億億億億億億億億個。儘管粒子總數龐大,但仍不足以填滿整個宇宙,因為平均每立方米的宇宙空間僅有一個粒子。

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