幽靈宇宙

關於宇宙最令人不安的事情是它是多麼的空曠

C. Scharf 2019

加入我們的科學愛好者社群!

本文發表於《大眾科學》的前部落格網路,反映了作者的觀點,不一定代表《大眾科學》的觀點


在過去的一個世紀裡,我們對宇宙的看法發生了轉變。宇宙不僅比我們曾經認為的要大得多,而且也比我們曾經認為的要古老得多。事實上,它竟然有年齡、有起源、有出現,這本身就是一場革命。

在這些啟示之上,我們發現有證據表明,我們所看到的一切並不是全部。具體來說,當我們觀察發光的恆星、氣體和塵埃時,我們似乎並沒有考慮到宇宙中所有的物質:星系外圍的旋轉速度比預期的要快。光線的路徑被扭曲得比預期的要強,這表明質量扭曲了星系和星系團尺度的空間結構。宇宙微波背景的微小溫度波動(我們認為這反映了早期宇宙中物質分佈的微小變化),如果我們引入一個完全看不見的物質海洋,只受重力塑造,而不與自然界的其他力量相互作用,那麼這一切就更有意義了。這種暗物質目前似乎是宇宙的主要組成部分,還有一種看不見的暗能量——真空的能量——似乎正在加速空間的膨脹。

總而言之,這使得“普通”物質——質子、中子、電子和其他可探測的物質——被置於一個少數桶中,只包含宇宙總質量能量的5%左右。或者,僅就質量而言,宇宙中約有15%是我們組成的物質,其餘85%似乎是暗物質(無論那實際上是什麼)。


關於支援科學新聞

如果您喜歡這篇文章,請考慮透過以下方式支援我們屢獲殊榮的新聞事業 訂閱。透過購買訂閱,您正在幫助確保有關塑造我們當今世界的發現和想法的有影響力的故事的未來。


這真是非常奇怪。但更奇怪的是,所有這些普通物質佔據的空間是如此之小。

一個數學上的小把戲告訴我們,我們星系中所有的恆星原則上都可以(假設它們都和我們的太陽一樣大,這有點小花招),排列成一個立方體,這個立方體可以容納在海王星的軌道內。進一步的把戲告訴我們,可觀測宇宙中所有的恆星都可以容納在一個邊長僅為 10 光年的立方體中。

但是恆星絕不是物質最壓縮的形式。如果我們能收集宇宙中所有的質子和中子並將它們打包在一起呢?(電子是相當模糊的量子物體,它們的有效物理尺寸更難以確定)

這裡的數字是非常非常粗略的。一般來說,據估計,可觀測宇宙中(即在我們可及的光線傳播範圍之外)有大約 1080 個普通物質粒子。這是一個包羅永珍的數字,包含了一切。從這個意義上說,它對我們的目的來說是相對保守的。

由於質子的有效電荷半徑約為 8.4x10-15 米,而中子的物理存在似乎也類似,我們可以將此作為衡量尺寸的一個標準。這表明可觀測宇宙中所有的普通物質都可以被收集起來並排列成一個邊長為 3.9x1012 米,或 0.00034 光年,或 21.4 天文單位的立方體。

這個立方體小到幾乎可以容納在土星的軌道內。(這個數字也不足為奇地非常接近於使用估計的普通物質平均密度和估計的可觀測宇宙的固有直徑(約為 930 億光年)所得到的結果。它也接近於使用中子星與普通恆星的測量尺寸所獲得的數字。)

消除宇宙中真正空曠的空間,令人驚奇的是,剩下的是如此之少。

最重要的是,我們生活在一個非常缺乏構成我們物質的宇宙中。如果不是因為我們偏愛我們那些具有電磁相互作用等等的花哨物質,我們可能會觀察宇宙,並認為我們是某種完全超凡脫俗的幽靈的零星灑落。

換句話說,也許我們才是宇宙中的幽靈。
 

© .