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我们总会用“天文数字”来形容非常大的数字,但任何东西都不会多于这个数字:宇宙中的粒子总数。

粒子极其微小,一根大头针的针头就可以容纳五万亿个

氢原子

,并且每个氢原子中都包含四个粒子(一个电子,以及一个中子包含的三个

夸克

)。因此,在整个

可观测宇宙

中,粒子的数量远远超出了我们所理解的范围。那么,宇宙中究竟有多少个粒子呢?

对此,

诺丁汉大学

的物理学家Tony Padilla教授提出了一种估计宇宙粒子总数的方法,其中不计光子和

中微子

的数量,因为它们没有质量或者近乎没有质量(光子没有静止质量,中微子的质量比电子小一百万倍)。

在计算过程中,Padilla教授使用来自普朗克太空望远镜的数据。该

空间望远镜

专门用于测量宇宙微波背景,这是我们可以看到的最古老光线,来自

宇宙大爆炸

之后10万年。通过普朗克数据,科学家可以知道可观测宇宙的密度为8.64×10^(-30) g/cm^3,半径为4.38×10^28 cm(约465亿光年)。

为计算宇宙粒子总数,另一个需要的变量是存储在重子中的物质比例,这个数值为0.0485。重子是由三个夸克组成,组成普通物质

原子核

的质子和中子是最常见的重子,所以Padilla教授只考虑这两者。最后,再知道质子和中子的质量(两者大致相同,均约为1.67×10^(-24) g),就能估算可观测宇宙中的粒子总数。

把宇宙密度乘以存储在重子中的物质比例,再乘以宇宙的体积,就能得到宇宙的重子总质量。然后,然后再把宇宙的重子总质量除以一个重子的质量,就能得到宇宙的重子总数。但是我们不是求宇宙的重子总数,而是宇宙的粒子总数。

每个重子由三个夸克组成,这是所求粒子的一部分。此外,宇宙呈现电中性,所以宇宙的质子总数约等于电子总数,这是所求粒子的另一部分。宇宙由大约75%的氢和大约25%的氦组成,在如此大规模的计算中,宇宙的其余组成均可忽略不计。使用这些信息,就能计算出中子数、

质子数

以及相应的电子数。最后,把质子数和中子数乘以三并相加,再加上电子总数,就能得出宇宙中的粒子总数。

计算可得,宇宙中的粒子总数为3.28×10^80个,大约三亿亿亿亿亿亿亿亿亿亿个。尽管粒子总数庞大,但仍不足以填满整个宇宙,因为平均每立方米的宇宙空间仅有一个粒子。

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