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宇宙有多重?

時(shí)間:2020-04-14 15:20來源:網(wǎng)絡(luò)整理 瀏覽:
來源:造就想知道宇宙有多重嗎?顯然,我們不可能找到一個(gè)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(gè)支點(diǎn),我就能撬起地球

來源:造就

想知道宇宙有多重嗎?顯然,我們不可能找到一個(gè)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(gè)支點(diǎn),我就能撬起地球?!?/p> 人類很難想象宇宙尺度的概念人類很難想象宇宙尺度的概念

當(dāng)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(shí)百科全書上已經(jīng)記錄了科學(xué)家測(cè)量的一些數(shù)字:太陽系中的八顆行星每顆的質(zhì)量是1024至1027千克,而太陽達(dá)到了1030千克。我們的星系質(zhì)量約為1042千克,整個(gè)可見宇宙的質(zhì)量達(dá)到了1053千克左右。

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

銀河系的質(zhì)量相當(dāng)于8900億個(gè)太陽銀河系的質(zhì)量相當(dāng)于8900億個(gè)太陽

該報(bào)告顯示,我們的銀河系的質(zhì)量相當(dāng)于8900億個(gè)太陽(其中大多數(shù)是暗物質(zhì),只有600億的太陽質(zhì)量來自于我們能看到的所有恒星和氣體),最大或?yàn)?000億個(gè)太陽。這些數(shù)字可能看起來難以理解,但都可以追溯到一種質(zhì)量引起的相互作用力上。

但首先,我們需要弄清重量和質(zhì)量的區(qū)別:質(zhì)量和重量的本質(zhì)上是兩個(gè)不同的物理量,但它們又有密切的聯(lián)系,它們是通過牛頓第二定律公式F=ma建立起來的。根據(jù)官方定義,“重量”描述了對(duì)物體作用的引力,它會(huì)因?yàn)橐?chǎng)的變化而發(fā)生改變,但是質(zhì)量并非如此,質(zhì)量不會(huì)因?yàn)橐?chǎng)的改變而發(fā)生改變,質(zhì)量是恒定不變的。

那你可能會(huì)繼續(xù)問,既然重力是因?yàn)橐?,那質(zhì)量是由什么引起的呢?如果我們把物質(zhì)不斷地進(jìn)行切分,切到不可再分的粒子,那么物質(zhì)的質(zhì)量應(yīng)該就是這些粒子質(zhì)量的集合。

愛因斯坦的質(zhì)能方程愛因斯坦的質(zhì)能方程

然而,當(dāng)我們真的去這么做的時(shí)候才發(fā)現(xiàn),這些質(zhì)量只占了宇宙整體質(zhì)量的不到1%。那99%的質(zhì)量是從何而來呢?進(jìn)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(duì)論的質(zhì)能方程部分,E=mc2。

這個(gè)方程其實(shí)就告訴我們一個(gè)事:質(zhì)能等價(jià)。也就是說,質(zhì)量和能量其實(shí)是同一個(gè)東西的兩個(gè)物理量。所以一定的質(zhì)量對(duì)應(yīng)一定的能量,通過E=mc2可以進(jìn)行換算。而物質(zhì)99%的質(zhì)量,來自于束縛夸克的強(qiáng)力所釋放出的能量對(duì)應(yīng)的質(zhì)量。

研究人員真正追求的是質(zhì)量這種恒量,然而,通過天文觀測(cè)“稱量”一個(gè)物體的質(zhì)量,最終還要?dú)w結(jié)為測(cè)量物體與其他星球之間的引力。

01地球有多重?

天文學(xué)家面對(duì)的第一個(gè)難題就是如何去對(duì)我們腳下的地球進(jìn)行測(cè)量。早期的嘗試是通過猜測(cè)地球的大小和密度,從而計(jì)算其質(zhì)量。到17世紀(jì),對(duì)地球直徑及其體積的估計(jì)已經(jīng)相當(dāng)靠譜了,但是沒有人能夠確定密度——無論這個(gè)星球是由水還是巖石構(gòu)成。然而后面的科學(xué)研究證明,大家都錯(cuò)了,因?yàn)檫@個(gè)星球?qū)嶋H上主要由金屬組成。

卡文迪什和金屬球?qū)嶒?yàn)卡文迪什和金屬球?qū)嶒?yàn)

為了計(jì)算出地球的密度,英國科學(xué)家亨利·卡文迪什(Henry Cavendish)在1798年測(cè)量了地球的整體重力。艾薩克·牛頓(Isaac Newton)在17世紀(jì)曾證明,所有物體都對(duì)其他物體有引力,而那些質(zhì)量更大的物體的引力更大??ㄎ牡鲜矊⑿〗饘偾蛴镁€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(qiáng)度。隨后通過比較測(cè)量出的引力強(qiáng)度和地球?qū)π∏虻囊?,他利用牛頓方程計(jì)算出地球的密度大約為水密度的5.42倍。根據(jù)現(xiàn)代物理學(xué),他和精確數(shù)字的誤差只有0.7%。

02太陽和其他行星有多重?

質(zhì)量的定義與兩個(gè)物體相互引力的強(qiáng)度有關(guān)。因此,一旦牛頓和卡文迪什計(jì)算出了地球上重力的強(qiáng)度,從而得出了地球的質(zhì)量,科學(xué)家們就擁有了對(duì)宇宙其他天體“稱重”所需的工具。

通過公轉(zhuǎn)周期可以計(jì)算出太陽系其他天體的質(zhì)量通過公轉(zhuǎn)周期可以計(jì)算出太陽系其他天體的質(zhì)量

太陽對(duì)地球產(chǎn)生的引力使地球每365天繞太陽一周,因此就能計(jì)算出太陽的質(zhì)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(jù)行星的公轉(zhuǎn)周期計(jì)算其質(zhì)量。同樣也可以通過這種方法得出月球的質(zhì)量。

但對(duì)小行星質(zhì)量的估計(jì)仍然是基于對(duì)密度和體積的合理猜測(cè)。

03銀河系有多重?

正如可以通過觀察地球圍繞太陽運(yùn)行的速度來推斷地球的質(zhì)量一樣,研究人員也能通過星系的旋轉(zhuǎn)和運(yùn)行計(jì)算出星系的質(zhì)量。

正是通過這些計(jì)算,科學(xué)家在20世紀(jì)70年代首次證明了暗物質(zhì)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(yùn)動(dòng)速度比海王星快近九倍,因?yàn)樗x太陽系絕大多數(shù)質(zhì)量的來源更近。研究人員預(yù)計(jì),類似的模式應(yīng)該出現(xiàn)在其他星系中,即在星系中的遠(yuǎn)軌道的恒星運(yùn)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(cè)的暗物質(zhì)宇宙中還有很多我們無法觀測(cè)的暗物質(zhì)

這種關(guān)系在大多數(shù)星系中都成立,但科學(xué)家們也發(fā)現(xiàn)了一些例外。當(dāng)距離超過一定限度時(shí),天文學(xué)家發(fā)現(xiàn)螺旋星系邊緣的恒星以驚人的相似速度運(yùn)動(dòng)著。科學(xué)家們追蹤了恒星在螺旋星系邊緣的運(yùn)動(dòng),并確定每個(gè)星系中必須有多少物質(zhì)才能讓這些恒星在它們的軌道上運(yùn)行。然后將在每個(gè)星系中的所有已知的“正常”物質(zhì)(氣體、塵埃和恒星)加起來,發(fā)現(xiàn)還遠(yuǎn)遠(yuǎn)達(dá)不到要求。

這意味著,還有第二種無形的質(zhì)量來源也在拉扯它們。

但不管怎樣,天文學(xué)家通過對(duì)恒星和星系的類比分析來衡量我們的星系質(zhì)量。最近的研究利用了數(shù)據(jù)庫中近3000個(gè)被追蹤的天體,如圍繞銀河系中心的恒星,星團(tuán)和氣體云,計(jì)算出星系的質(zhì)量。

04宇宙到底有多重?

在宇宙的尺度,你很難找到一對(duì)旋轉(zhuǎn)的參照物,因此并不能通過上述的方法進(jìn)行計(jì)算。

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

 WMAP測(cè)量的明暗區(qū)域 WMAP測(cè)量的明暗區(qū)域

但是,我們不太可能去通過計(jì)算宇宙中所有天體的密度來測(cè)量宇宙的平均密度。這次,科學(xué)家們使用了威爾金森微波各向異性探測(cè)器衛(wèi)星(WMAP),測(cè)量了2001年至2010年宇宙中最早的光中的暖點(diǎn)和冷點(diǎn)。通過測(cè)量宇宙微波背景輻射圖譜中顯示為明亮和暗淡的區(qū)域,可以推測(cè)出宇宙的密度。因?yàn)槲镔|(zhì)對(duì)光施加引力,使其軌跡彎曲。當(dāng)微波背景光子向我們傳播時(shí),它們的路徑被宇宙中的物質(zhì)彎曲了。宇宙中物質(zhì)越多,光路彎曲的越多,天空中出現(xiàn)的振蕩區(qū)域就越大。

通過使用上述的方法,科學(xué)家計(jì)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(gè)質(zhì)子。

這個(gè)數(shù)字代表了宇宙的能量密度(因?yàn)槲镔|(zhì)和能量可以用愛因斯坦著名的質(zhì)能方程來轉(zhuǎn)換),所以它包括可見物質(zhì)、暗物質(zhì)和驅(qū)動(dòng)宇宙膨脹的未知暗能量。根據(jù)這個(gè)指標(biāo),宇宙中可見物質(zhì)約占5%,暗物質(zhì)約占27%,暗能量約占68%。

宇宙中的物質(zhì)分布宇宙中的物質(zhì)分布

現(xiàn)在,科學(xué)家就可以同卡文迪什在1798年所做的那樣,通過對(duì)體積和密度的估計(jì),估計(jì)宇宙的整體質(zhì)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(qǐng)數(shù)一數(shù)這一共有多少個(gè)0,并在評(píng)論區(qū)告訴我們宇宙到底有多“重”吧!

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