本文发表于《大众科学》的前博客网络,反映了作者的观点,不一定代表《大众科学》的观点
在过去的一个世纪里,我们对宇宙的看法发生了转变。宇宙不仅比我们曾经认为的要大得多,而且也比我们曾经认为的要古老得多。事实上,它竟然有年龄、有起源、有出现,这本身就是一场革命。
在这些启示之上,我们发现有证据表明,我们所看到的一切并不是全部。具体来说,当我们观察发光的恒星、气体和尘埃时,我们似乎并没有考虑到宇宙中所有的物质:星系外围的旋转速度比预期的要快。光线的路径被扭曲得比预期的要强,这表明质量扭曲了星系和星系团尺度的空间结构。宇宙微波背景的微小温度波动(我们认为这反映了早期宇宙中物质分布的微小变化),如果我们引入一个完全看不见的物质海洋,只受重力塑造,而不与自然界的其他力量相互作用,那么这一切就更有意义了。这种暗物质目前似乎是宇宙的主要组成部分,还有一种看不见的暗能量——真空的能量——似乎正在加速空间的膨胀。
总而言之,这使得“普通”物质——质子、中子、电子和其他可探测的物质——被置于一个少数桶中,只包含宇宙总质量能量的5%左右。或者,仅就质量而言,宇宙中约有15%是我们组成的物质,其余85%似乎是暗物质(无论那实际上是什么)。
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这真是非常奇怪。但更奇怪的是,所有这些普通物质占据的空间是如此之小。
一个数学上的小把戏告诉我们,我们星系中所有的恒星原则上都可以(假设它们都和我们的太阳一样大,这有点小花招),排列成一个立方体,这个立方体可以容纳在海王星的轨道内。进一步的把戏告诉我们,可观测宇宙中所有的恒星都可以容纳在一个边长仅为 10 光年的立方体中。
但是恒星绝不是物质最压缩的形式。如果我们能收集宇宙中所有的质子和中子并将它们打包在一起呢?(电子是相当模糊的量子物体,它们的有效物理尺寸更难以确定)
这里的数字是非常非常粗略的。一般来说,据估计,可观测宇宙中(即在我们可及的光线传播范围之外)有大约 1080 个普通物质粒子。这是一个包罗万象的数字,包含了一切。从这个意义上说,它对我们的目的来说是相对保守的。
由于质子的有效电荷半径约为 8.4x10-15 米,而中子的物理存在似乎也类似,我们可以将此作为衡量尺寸的一个标准。这表明可观测宇宙中所有的普通物质都可以被收集起来并排列成一个边长为 3.9x1012 米,或 0.00034 光年,或 21.4 天文单位的立方体。
这个立方体小到几乎可以容纳在土星的轨道内。(这个数字也不足为奇地非常接近于使用估计的普通物质平均密度和估计的可观测宇宙的固有直径(约为 930 亿光年)所得到的结果。它也接近于使用中子星与普通恒星的测量尺寸所获得的数字。)
消除宇宙中真正空旷的空间,令人惊奇的是,剩下的是如此之少。
最重要的是,我们生活在一个非常缺乏构成我们物质的宇宙中。如果不是因为我们偏爱我们那些具有电磁相互作用等等的花哨物质,我们可能会观察宇宙,并认为我们是某种完全超凡脱俗的幽灵的零星洒落。
换句话说,也许我们才是宇宙中的幽灵。