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          宇宙有多重?

          2020-07-21  造就Talk

          想知道宇宙有多重嗎?顯然,我們不可能找到一個足夠大的稱。問題的答案,也許阿基米德早已給過我們提示:“給我一個支點,我就能撬起地球?!?/span>

          人類很難想象宇宙尺度的概念

          當然,用杠桿原理就想稱出宇宙的重量的可能性也僅僅存在于理論中。其實百科全書上已經記錄了科學家測量的一些數字:太陽系中的八顆行星每顆的質量是10241027千克,而太陽達到了1030千克。我們的星系質量約為1042千克,整個可見宇宙的質量達到了1053千克左右。

          人類很難想象如此巨大的質量是什么概念。然而,物理學家和天文學家卻一直鍥而不舍地繼續完善這一看似無法衡量和絕對不可想象的測量。2019年底,一組研究人員公布了對銀河系質量的一份新估算報告,報告估算了包括暗物質在內的銀河系的總質量。

          銀河系的質量相當于8900億個太陽

          該報告顯示,我們的銀河系的質量相當于8900億個太陽(其中大多數是暗物質,只有600億的太陽質量來自于我們能看到的所有恒星和氣體),最大或為1000億個太陽。這些數字可能看起來難以理解,但都可以追溯到一種質量引起的相互作用力上。

          但首先,我們需要弄清重量和質量的區別:質量和重量的本質上是兩個不同的物理量,但它們又有密切的聯系,它們是通過牛頓第二定律公式F=ma建立起來的。根據官方定義,“重量”描述了對物體作用的引力,它會因為引力場的變化而發生改變,但是質量并非如此,質量不會因為引力場的改變而發生改變,質量是恒定不變的。

          那你可能會繼續問,既然重力是因為引力,那質量是由什么引起的呢?如果我們把物質不斷地進行切分,切到不可再分的粒子,那么物質的質量應該就是這些粒子質量的集合。

          愛因斯坦的質能方程

          然而,當我們真的去這么做的時候才發現,這些質量只占了宇宙整體質量的不到1%。那99%的質量是從何而來呢?進一步研究的過程中,我們就需要了解一下愛因斯坦狹義相對論的質能方程部分,E=mc2。

          這個方程其實就告訴我們一個事:質能等價。也就是說,質量和能量其實是同一個東西的兩個物理量。所以一定的質量對應一定的能量,通過E=mc2可以進行換算。而物質99%的質量,來自于束縛夸克的強力所釋放出的能量對應的質量。

          研究人員真正追求的是質量這種恒量,然而,通過天文觀測“稱量”一個物體的質量,最終還要歸結為測量物體與其他星球之間的引力。

          01 地球有多重?

          天文學家面對的第一個難題就是如何去對我們腳下的地球進行測量。早期的嘗試是通過猜測地球的大小和密度,從而計算其質量。到17世紀,對地球直徑及其體積的估計已經相當靠譜了,但是沒有人能夠確定密度——無論這個星球是由水還是巖石構成。然而后面的科學研究證明,大家都錯了,因為這個星球實際上主要由金屬組成。

          卡文迪什和金屬球實驗

          為了計算出地球的密度,英國科學家亨利·卡文迪什(Henry Cavendish)在1798年測量了地球的整體重力。艾薩克·牛頓(Isaac Newton)在17世紀曾證明,所有物體都對其他物體有引力,而那些質量更大的物體的引力更大。卡文迪什將小金屬球用線吊起來,在附近放置較重的球體,觀察線的扭曲,以確定引力的強度。隨后通過比較測量出的引力強度和地球對小球的引力,他利用牛頓方程計算出地球的密度大約為水密度的5.42倍。根據現代物理學,他和精確數字的誤差只有0.7%。

          02 太陽和其他行星有多重?

          質量的定義與兩個物體相互引力的強度有關。因此,一旦牛頓卡文迪什計算出了地球上重力的強度,從而得出了地球的質量,科學家們就擁有了對宇宙其他天體“稱重”所需的工具。

          通過公轉周期可以計算出太陽系其他天體的質量

          太陽對地球產生的引力使地球每365天繞太陽一周,因此就能計算出太陽的質量。同樣,通過把太陽視為和其他太陽系行星匹配的天體,研究人員可以根據行星的公轉周期計算其質量。同樣也可以通過這種方法得出月球的質量。

          但對小行星質量的估計仍然是基于對密度和體積的合理猜測。

          03 銀河系有多重?

          正如可以通過觀察地球圍繞太陽運行的速度來推斷地球的質量一樣,研究人員也能通過星系的旋轉和運行計算出星系的質量。

          正是通過這些計算,科學家在20世紀70年代首次證明了暗物質的存在。希瑟·戈斯(Heather Goss)在Air and Space雜志中解釋道,在我們的太陽系中,水星的運動速度比海王星快近九倍,因為它離太陽系絕大多數質量的來源更近。研究人員預計,類似的模式應該出現在其他星系中,即在星系中的遠軌道的恒星運行速度比近軌道的恒星要慢。

          宇宙中還有很多我們無法觀測的暗物質

          這種關系在大多數星系中都成立,但科學家們也發現了一些例外。當距離超過一定限度時,天文學家發現螺旋星系邊緣的恒星以驚人的相似速度運動著??茖W家們追蹤了恒星在螺旋星系邊緣的運動,并確定每個星系中必須有多少物質才能讓這些恒星在它們的軌道上運行。然后將在每個星系中的所有已知的“正?!蔽镔|(氣體、塵埃和恒星)加起來,發現還遠遠達不到要求。

          這意味著,還有第二種無形的質量來源也在拉扯它們。

          但不管怎樣,天文學家通過對恒星和星系的類比分析來衡量我們的星系質量。最近的研究利用了數據庫中近3000個被追蹤的天體,如圍繞銀河系中心的恒星,星團和氣體云,計算出星系的質量。

          04 宇宙到底有多重?

          在宇宙的尺度,你很難找到一對旋轉的參照物,因此并不能通過上述的方法進行計算。

          宇宙的絕對大小是未知的,并且宇宙是在不斷膨脹中,所以它的質量同樣是不得而知的。但是,根據美國天文學家埃德溫·哈勃的發現,距離地球較遠的星系都在遠離地球,離得越遠,遠離的速度就越快(注:在物理學和天文學領域,指物體的電磁輻射由于某種原因波長增加的現象,在可見光波段,表現為光譜的譜線朝紅端移動了一段距離,即波長變長、頻率降低。20世紀初,哈勃發現,觀測到的絕大多數星系的光譜線存在紅移現象。這是由于宇宙空間在膨脹,使天體發出的光波被拉長,譜線因此“變紅”,這稱為宇宙學紅移,并由此得到哈勃定律),所以天文學家可以根據光在大爆炸和今天之間傳播距離的對比,計算出可觀測宇宙的體積的直徑為930億光年。

          WMAP測量的明暗區域

          但是,我們不太可能去通過計算宇宙中所有天體的密度來測量宇宙的平均密度。這次,科學家們使用了威爾金森微波各向異性探測器衛星(WMAP),測量了2001年至2010年宇宙中最早的光中的暖點和冷點。通過測量宇宙微波背景輻射圖譜中顯示為明亮和暗淡的區域,可以推測出宇宙的密度。因為物質對光施加引力,使其軌跡彎曲。當微波背景光子向我們傳播時,它們的路徑被宇宙中的物質彎曲了。宇宙中物質越多,光路彎曲的越多,天空中出現的振蕩區域就越大。

          通過使用上述的方法,科學家計算出了宇宙的年齡和組成,包括它的總體密度:大約為每立方米六個質子。

          這個數字代表了宇宙的能量密度(因為物質和能量可以用愛因斯坦著名的質能方程來轉換),所以它包括可見物質、暗物質和驅動宇宙膨脹的未知暗能量。根據這個指標,宇宙中可見物質約占5%,暗物質約占27%,暗能量約占68%。

          宇宙中的物質分布

          現在,科學家就可以同卡文迪什在1798年所做的那樣,通過對體積和密度的估計,估計宇宙的整體質量大約是:

          100,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000千克。

          如果你有耐心,請數一數這一共有多少個0,并在評論區告訴我們宇宙到底有多“重”吧!

          文字 | 黃一成
          版面 | 尹歡歡


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