# 宇宙中究竟有多少个原子？（约10^80解析）

**作者：吉祥法师**

## 引言：原子的宇宙意义

尽管人类在阶级、信仰、国家、职业乃至品味上存在种种差异，但我们都有一个共同的微观蓝本——我们都由原子构成。这不仅适用于人类，更适用于一切形态的物质，从细菌、蝴蝶到狮子、大陆，乃至庞大的恒星。一切具有质量的事物都是原子的排列组合，因为原子是物质的基本构建单元。

可观测宇宙中的原子数量是有限的，因此原子不断改变排列以形成新的事物。既然是有限的，我们便有望计算出宇宙中原子的总数，至少能得出一个近似值。然而，要实现这一目标，我们必须首先理解物质的起源以及宇宙本身的演化历程。

## 大爆炸：一切的开端

根据大爆炸理论，宇宙从一个无穷小的奇点膨胀而来。这一结论是通过广义相对论对宇宙膨胀进行时间反向推算得出的。这一推算追溯到温度和密度均趋于无穷的奇点，彼时任何形式的物质都不可能存在。

大爆炸可追溯至有限的时间——138亿年前，即我们所知的宇宙年龄。宇宙中最早形成的原子是氢和氦，它们在大爆炸后约38万年才开始形成。由于存在物理观测屏障，我们只能观测到电磁辐射有足够时间抵达太阳系的区域。因此，可观测宇宙视野之外究竟是什么，我们无从得知。计算原子数量时，我们的假设基于的是可观测宇宙，而非整个宇宙。

## 宇宙学原理：均匀性与各向同性

宇宙学原理假定，从大尺度上观测，宇宙是均匀且各向同性的。这意味着物理定律在宇宙整体中统一作用，大尺度结构不应存在可观测的不规则性。这一原理同样适用于物质——物质在整个宇宙中均匀分布。这一假设有助于估算宇宙中星系和恒星的平均数量。

该原理还指出，较重的元素并非由大爆炸直接产生，而是在巨型恒星内部通过核聚变反应形成的。简言之，任何观测者从任何位置观测，宇宙的外观都相同；在大尺度上，物质密度保持一致。

## 可观测宇宙中的原子数量

### 从恒星数量推算

为方便计算，我们首先假设宇宙完全由氢原子构成，这将为计算提供统一的基准。我们从计算太阳中氢原子的数量入手。

太阳的质量为1.989×10³³克（IAU标称太阳质量），氢原子的平均原子质量为1.008原子质量单位（amu）。要计算太阳中的原子数量，需要将太阳质量除以氢原子的摩尔质量，再乘以阿伏伽德罗常数（6.022×10²³每摩尔，即每摩尔物质所含的基本粒子数）。

计算结果：太阳中的原子数量约为**1.19×10⁵⁷个**。

已知银河系中约有10¹¹颗恒星（近期估算为1000亿至4000亿颗）。将恒星数量与太阳中的原子数相乘，可得银河系中约有**1.19×10⁶⁸个原子**。

早期估计可观测宇宙中有约10¹¹个星系（1000亿个）。将银河系的原子数乘以星系数量，得出约**10⁷⁹个原子**。然而，2016年克里斯托弗·康塞利斯的团队利用哈勃太空望远镜的分析，将星系数量修正为约2×10¹²（2万亿）个，这使原子估计值接近**10⁸⁰**——这一数字如今被科学文献最广泛引用。

### 从宇宙质量推算

另一种计算方法是基于宇宙的总质量。以可观测宇宙中约2000亿个星系的保守估计计算，总恒星数约为1.2×10²³颗（即超过1000亿亿亿颗）。恒星平均质量约为10³³克（接近太阳质量），因此宇宙中恒星总质量约为10⁵⁶克，即约10⁵⁰公吨。每克物质包含约6×10²³个质子，假设全部为氢（因为氢原子仅含一个质子），则原子总数等同于质子数，约为**10⁸⁰**——这是宇宙学家最常引用的数量级。

不同的假设使这些粗略计算的结果介于10⁷⁸至10⁸²之间，而10⁸⁰是共识的数量级估计（有时被称为天文学家亚瑟·爱丁顿提出的“爱丁顿数”）。用通俗语言表达，这个数字大约是**1后面跟80个零**。

## 普通物质仅占宇宙的4.9%

尽管原子数量庞大，但根据普朗克卫星2018年的宇宙学参数，普通物质仅占可观测宇宙的约**4.9%**。其余部分由约68.3%的暗能量和26.8%的暗物质构成。暗能量和暗物质也被假设与普通物质一样均匀分布或呈团块状散布于宇宙中。它们的性质在很大程度上仍是未知的，但科学界普遍认为它们在宇宙膨胀中扮演着重要角色。

需要强调的是，以上是基于众多宽泛假设得到的粗略估计。随着科学不断进步，我们将设计出更精确的估算方法，例如通过计算机模拟整个宇宙。无论如何，原子将持续转化形成各种不同的排列组合——就像曾经在恒星中的原子，如今构成了你和我。想到这一点，便很难忘记：你由星尘构成。

## 地球上有多少个原子？

将尺度从宇宙缩小到脚下的大地，同样的问题会得到一个更小但依然惊人的答案。地球并非由氢构成，因此针对恒星使用的纯氢简化方法在此不适用。按质量比例，地球大约含32%的铁、30%的氧、15%的硅和14%的镁，另有少量硫、镍、钙和铝——这一构成由地球化学家约翰·摩根和爱德华·安德斯测定。

计算过程如下：地球质量约为5.97×10²⁷克（即5.97×10²⁴千克），除以该混合物的平均原子质量（约27克/摩尔），再乘以阿伏伽德罗常数（6.022×10²³），得出约**1.3×10⁵⁰个原子**。

有趣的是：尽管按质量计算铁占主导地位，但按原子数量计算，**氧贡献的原子最多**——因为每个氧原子远比铁原子轻。因此，虽然你脚下星球的质量以铁为主，但在原子数量上，氧原子才是真正的“多数派”。

## 宇宙中的光子比原子多吗？

如果你搜寻的是宇宙中的粒子总数而非原子总数，你可能会发现答案并不匹配——这不是错误。原子（更准确地说，构成原子的质子和中子，统称为重子）在数量上被充斥宇宙的轻粒子远远超越。

可观测宇宙中约有10⁸⁰个原子，但光子数量约为**10⁸⁸至10⁸⁹个**，中微子数量也与之相当。这意味着**每个原子对应约10亿个光子**和数量相近的中微子。大部分光子并非星光，而是宇宙微波背景辐射——大爆炸后约38万年，宇宙首次冷却到足以形成原子时释放出的微弱余晖。

宇宙学家将这种不平衡量化为“重子-光子比”，其数值仅为百亿分之几。因此，如果有人问宇宙中充满多少粒子，诚实的答案将比10⁸⁰个原子高出许多个数量级——从粒子数量来看，宇宙压倒性地是一片光的海洋。

## 各尺度原子数目一览

以下为各尺度物体的粗略原子数估算。恒星和星系的数据为简化起见假设纯氢组成，而沙粒、人体和地球则基于实际元素组成估算：

| 对象 | 原子数量级 |
|------|-----------|
| 一粒沙子 | 约2×10¹⁹ |
| 人体 | 约7×10²⁷ |
| 地球 | 约1.33×10⁵⁰ |
| 太阳 | 约1.19×10⁵⁷ |
| 银河系 | 约10⁶⁸ |
| 可观测宇宙 | 约10⁸⁰ |

每一级之间都意味着巨大的数量跃升。可观测宇宙所含的原子数约为太阳的百亿亿倍（10¹⁸），而太阳本身所含的原子数又远超地球。

## 结论

综上所述，宇宙中的原子总量约为10⁸⁰，这是一个令人震撼的数字，但我们必须认识到，这仅仅是一个基于多种假设的数量级估计。从大爆炸到恒星演化，从宇宙学原理到观测数据的修正，每一个环节都承载着科学家的严谨推导。当下一代更精确的观测工具投入使用，这一数字可能会被进一步修正——但无论如何，那一个个原子将继续在宇宙中变换组合，从恒星的核心到地球的生命，串联起宇宙中一切存在的故事。