宇宙总质量是多少?科学家是怎么算的?

物原爱牛毛1


现在一些人对宇宙总质量的测算只能算一个估计,当不得真。

即便如此,知道了宇宙大致质量,也是对宇宙的一种认识,可以让我们对宇宙之宏大广袤有一个直观了解。

我们从自己的地球说起。

地球这么大,用什么秤能够称出来有多少质量呢?

根据球体积计算公式,我们很容易可以计算出地球的体积。

球体积计算公式为v=4/3πr³

即体积v等于4/3π和球半径立方的乘积。

但是知道了体积,怎么知道地球的质量呢?我们根据质量与密度的关系,可以得到公式:

质量m=pv(密度x体积)

我们已经知道地球半径为6371km,计算出体积为1.0832073×10^12km³,密度为5507.85kg/m³,得出质量5.965*10^24kg。

那么地球直径和密度是怎么知道的呢?

其实人类最早知道的还是地球直径。公元前 200多年,古希腊国亚历山大图书馆馆长埃拉托色尼第一次用测量的方法推算出了地球的大小。

人们是根据太阳直射时的日射角度在两地的误差,来计算地球弧度的,通过这个弧度计算出地球的周长,计算出了周长,就很容易计算出地球直径了。

从这一点,我们可以看出古希腊文明的先进程度,要知道,那个时代,地球上绝大多数地方的人们还处于天圆地方的愚昧认知中。

有了地球的直径,并不能得到地球密度有多大,因为地表每一个地方的密度都不一样,而且地表与地层深处的密度也不一样,因此古代是没有办法得到地球准确质量的。

一直到牛顿发现了万有引力。

1687年,牛顿发现了万有引力的客观规律,这个规律就是引力大小与质量成正比,与物体之间的距离平方成反比。

这就是万有引力定律,其表达式为:F=GMm/r²

式中,G为引力常量,M和m为引力作用两个物体的质量,r为物体之间的距离。

因此,现在我们根据这个公式,只要知道了两个物体之间的引力大小,就可以得到质量是多少了。

大家可能注意到了,计算出物体之间引力大小的关键是引力常量G,这个G是多少呢?

在牛顿时代没有人能够得到准确的数据,因为引力是弱力,这个弱弱的太小了,很难准确的测量出来。

这样,地球的质量就一时无法准确得出。

卡文迪许是精确称出地球质量的第一人。

一直到牛顿万有引力定律发现110年后的1797年,英国物理学家卡文迪许才有扭秤实验得到了引力常量G的精确数值,与现代修正的准确数值只相差1%。

引力常量是什么?就是在真空中,两个质量为1kg的质点相距1m时,它们之间的引力值。

这个值现在精确定为G=6.67259×10^-11N·m²/kg²,一般计算时取值6.67×10^-11N·m²/kg²。这个值有多大?就是说两个1kg球质点距离1m的引力只有千亿分之6.67N·m²/kg²,难怪牛顿时代许多科学家穷尽一生也无法得到。

聪明的卡文迪许经过了几十年的研究,通过一面镜子反射阳光的方法,将两个小球在扭秤上的引力移动,放大了很多倍投射到很远的地方,通过望远镜看其移动的刻度,终于得到了精确的结果。

得到了这个G,卡文迪许在第二年宣布了地球的质量,被人们尊为天下称出地球重量的第一人。

现在人们通过G值,可以很容易精确计算出地球质量。

根据引力定律表达式,可以变通为:GMm/r²=mg

得M=gr²/G

式中,M为地球质量,r为地球半径,G为引力常量,m为物体质量,g为重力加速度,取值9.8m/s²。

现在地球精确质量为5.965x10^24kg。通过质量与体积的关系,可以得到地球平均密度为5507.85kg/m³。人们又从地表密度约2~3g/cm³,可以推算出地心密度约7~8g/cm³。

通过这种方法,人们很快计算出了太阳质量为1.9891x10^30kg,是地球的33万倍。

太阳是太阳系当然的老大,占有了太阳系全部质量的99.86%。

可在我们看来巨大无比的太阳,在宇宙中只不过是一粒尘埃,只是银河系里面2000~4000亿颗恒星中的一颗普通恒星。

银河系还有大量的星团、星云、星际气体、星际尘埃,经过测算,总质量约为太阳的2000亿倍,即约4x10^41kg。

再根据银河系质量来测算宇宙质量。

根据大爆炸宇宙标准模型,测算出宇宙年龄约138.2亿岁,可观测宇宙直径为930亿光年,并且根据现代大型光学和射电射线望远镜,发现了几千亿个星系,根据模型估算,整个可观测宇宙有星系1万亿到10万亿个。

如果平均按照银河系的质量来计算,宇宙总质量在10^53kg~10^54kg。

但这些只是可见物质。现代研究认为,这些可见物质,包括恒星、星系、星云等一切,才占宇宙总质量的4.9%,宇宙中暗物质和暗能量占据了95.1%的宇宙质量,这些看不见的物质主导着宇宙的运行和生死。

因此宇宙总质量还要加大2个指数量级,即为10^55kg~10^56kg。

实际上,这只是一个粗略估计,茶余饭后聊聊就行了,不必当严谨科学数据对待。


时空通讯


质量和重量是两个含义不同的物理量,前者不论在什么时候都不会发生变化,而后者则会因为所处环境的引力强度大小而发生变化


具体到整个宇宙的质量来说由于现今的宇宙模型里可见物质只占质能总量的4.9%,而剩下的则是26.8%的暗物质和68.3%的暗能量,所以严格意义上来说人类至今还不清楚宇宙的总质量,只是根据银河系质量以及整个宇宙的星系总量计算出了“可见宇宙”质量大概在10的53次方千克左右。

卡文迪许当年测定地球质量为60万亿亿吨背后用到的关键数据就是地球的万有引力常数G,后人在卡文迪许的基础上顺利计算出了太阳质量也知道了太阳质量占到了太阳系总质量的99.86%。



由于在所有恒星系中恒星本身都占据了星系质量的绝大部分,所以天文学家在计算银河系质量时只需要估计银河系内恒星数量就可以了,但由于星际尘埃的阻挡人类目前并不清楚准确的银河系恒星数量(现在的说法是1000亿到4000亿颗恒星)

上世纪90年代以来哈勃望远镜拍摄的一系列“深空照片”佐证了宇宙学定律中的“各向同性”(也就是说在地球上不论朝哪个方向观测,所看到的星系分布密度基本都是相同的),在各向同性的指引下科学家估计宇宙中至少存在一万亿个星系。



知道太阳系质量就知道了银河系质量进而就知道了宇宙中所有星系加在一起的质量,这便是科学家们计算宇宙质量时用的办法。

但上面计算过程中的恒星数量和星系数量都还具有很大很大的弹性,所以未来新的宇宙质量上下浮动的数值也会很大很大。


宇宙观察记录



题主提问宇宙总质量多少?因为没有人知道宇宙的大小,所以我们不能真正谈论宇宙的总质量,但是我们可以谈论可观测宇宙的质量,通常说的是宇宙中物质的密度,这是决定宇宙命运的重要因素:宇宙是有一天会崩溃,还是会永远膨胀下去。

宇宙中物质的密度可以用各种各样的方法来测量,科学家们通过研究宇宙微波背景、超星系团、太初核合成等的波动来测量密度,这些方法太过技术化和深奥,非常不容易理解。



但科学家根据这些研究,宇宙中物质的密度约为3×10-30g/cm3 ,这意味着它的密度比水低3000亿倍。请注意,这包括暗物质的贡献,因此发光物质(恒星和星系)的密度只有上面给出的数字的十分之一。

现在,可观测宇宙的大小约为140亿光年,使用上述密度值,你可以得到约3×10^55kg ,大约是250亿个银河系大小的星系质量。


军机处留级大学士


宇宙浩瀚,其中有大小星系、天体、暗物质、暗能量等等不计其数。虽然很大,不过科学家可以估算出宇宙的总质量是多少。一些自媒体上疯传的正反宇宙抵消后总的质量为0,或者宇宙质量是28克,那些都是一些胡说八道。目前可估算出宇宙总质量为十的53次方千克,用多种方法得到的宇宙总质量都是这个数量级。

这里介绍一种容易理解的简单估算方法,就是先计算恒星的质量,之后估算星系的质量,再估算整个宇宙的质量。

太阳的质量是很容易计算出来的,太阳系中的行星围绕着太阳转动,知道了一颗行星绕太阳转动的轨道半径以及公转周期,根据万有引力等于向心力列式即可解出太阳的质量。

其他恒星的质量也可以根据天文观测数据利用万有引力计算出来。积攒了很多恒星的质量数据后,就能够发现一个规律,就是恒星的光谱与绝对亮度以及恒星的质量存在着关系。根据观察到的数据就可以推出恒星的质量是多少。

然后根据天文观测推出银河系的大致形状,以及银河系内大小恒星的数量。在根据大小恒星绕银河系银心的转动情况分析出银河系中暗物质的质量,这样就能够估算出银河系的总质量。

银河系的质量搞定了,宇宙中还有数千亿个星系。在分析恒星的质量时总结出了恒星光谱、光度与质量之间的关系,类似的关系也可以用到星系上。知道了银河系的质量、光谱、光度等就可以推出其他星系的质量。

还有一个特点就是宇宙在大尺度上表现出各向同性,在这个方向观测到一万个星系,在另一个方向上大致也能够观测到一万个星系。这样就能够估算出总星系的质量。再将通过观测分析出的暗物质、暗能量算进去可以得出宇宙的质量大约十的53次方千克。


刁博


这个嘛,很简单。银河系有二千亿个太阳的质量,可观测的宇宙呢有二千亿个相近的星系,都乘起来,就是了。加上互相转动,一算,不对了,那不散架了吗,故而,那个暗物质,必须有。


aging74755260


宇宙为绝对无限大,没有总质量之说,哪一个科学家也计算不出来!


中承明


永远也没有人能计算出宇宙的总质量。


昊田2


答:对于可观测宇宙的总质量,大概的数量级是10^53kg,这只包含普通物质,在我们宇宙中,暗能量占了68.3%,暗物质占了26.8%,普通物质只有4.9%。


我们宇宙非常广袤,并且有着138亿年的历史,由于宇宙年龄有限,使得较为遥远的光线还没有足够时间到达地球,目前我们能观测到的宇宙范围称之为可观测宇宙,直径大约930亿光年,而宇宙的实际大小无人知晓。

关于可观测宇宙(以下均简称宇宙)的大小,可以利用万有引力定律,以及相应的宇宙学原理进行粗略估计,计算是一步一步进行的。


太阳质量

牛顿建立万有引力定律后,理论上我们就可以根据万有引力定律推导出地球和太阳的质量,但是万有引力定律依赖于一个常数——万有引力常数G。

英国科学家卡文迪许巧妙地利用扭秤实验得到了地球的密度,从而计算出地球的质量,卡文迪许也被称作“第一个称量地球的人”,使用卡文迪许的数据就可以得到万有引力常数。有了万有引力常数后,我们利用向心力和万有引力定律,就可以轻松计算出太阳的质量,大约是2*10^30kg。

在我们的太阳系中,太阳质量占了整个太阳系质量的99.86%,至于八大行星、彗星、矮行星、小行星、星际气体等等的质量,相对于太阳来说可以忽略不计。


银河系质量

银河系主要由数以亿计的恒星组成,当然还有一些黑洞、中子星、白矮星等等,太阳的质量在银河系中,属于中等偏下的恒星(黄矮星)。

宇宙中的恒星分布呈金字塔型,质量越小的恒星数量越多:

恒星的最小质量是0.08倍太阳质量,最大质量大约是300倍太阳质量;最新的数据表明,银河系中的恒星大约有2000亿颗,加上其他天体的质量,以此估算银河系质量大约是4*10*41kg。


宇宙质量

在现代宇宙学中,有一个各向同性原理,说无论我们朝着宇宙的哪个方向进行观测,宇宙中星系的分布都是相似的,也就是说星系在宇宙大尺度下是均匀分布的。

我们所处的银河系,在宇宙中属于中等质量星系,银河系所处的本星系群有50多个星系,占据着直径1000万光年的区域,宇宙中普通物质的质量,主要来源于星系,所以只要我们知道了宇宙中的星系数量,就可以得到宇宙质量。

而最新的天文观测表明,在我们可观测宇宙中,可能有超过1万亿个星系,以此进行估算的话,宇宙质量大概是:

4*10*41*10^12=4*10^53kg;

也就是说宇宙质量的数量级,大约是10^53kg,宇宙中的普通物质主要由氢元素和氦元素组成,而前者就占了大约75%,单个氢原子质量为1.674*10^-27kg,以此进行估算的话,宇宙中的原子数目大约是10^80个。


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艾伯史密斯


你也太迷信科学了!宇宙包涵万有万法!当然涵科学!科学是宇宙世间法!它不是万能的!它只能注绎宇宙的万有!它不是出世间的道,天道!!!科学只能探索宇宙!它不能于宇宙比!!还质量,还算出来???统是瞎呗!科学都弄不明白!他自已父母未生他之前!他是谁?他在那里???死后他去那里???它怎么质,什么质!到目前物质有无限可分性!!!归O后,是什么还存在!宇宙间佰分之95还弄不明白???还算出来???笑话!!!


寻道底呢


〔宇宙定律〕

一 、物质的电磁力{吸引力}{反推力}

物质存在电磁力,同一种物质介质相互吸引,不是同一种物质介质相互推。多的物质会把少的物质推成圆球,因为两种物质都在推,而且同一种物质任何一点推力都一样大。推力又称为反推力反推力是很均匀的力。被推成球型的物质任何一点向外发出推力都一样大,但两种物质的反推力不一定是一样大。又因两种物质都在使劲推少的物质被迫成圆球。圆球是物质组成的不是空的所以有个球面称为圆球面。圆球面所受到的反推力越往球中心力线越密承受的推力越多。因圆球面任何一点都承受来自各个方向的力必然有一条力线经过球心垂直于球心,所以从球面到球心越往中心垂直力线越密越多所受到反推力也越大。故而球心所承受的反推力最大。故而越远离球心所承受的反推力越小越少。

只要中心有物质压力重力的天体,它的最外层表层必须是球形(圆球),天体的球面如果变成方形……中心不但没有物质压力而且重力也不存在。

二、光聚焦 能量聚焦、热能量聚焦、正负(反)能量聚焦

光与一切物质同在充满整个物质世界。太阳、恒星、一切星系是光聚焦取得能量,只有光永远聚焦才能永远发光发热。我们看到的会发光发热的星星、星系、恒星、太阳、行星中心,行星的卫星中心、地球中心、小行星中心、慧星中心、都是光聚焦的中心。 星星、星系、恒星、太阳、行星的外面外层都有一个圆球面可以光聚焦到中心。圆球面是平凸透镜、凹凸透镜, 只要形成平凸透镜、凹凸透镜就可以光聚焦。

光聚焦……光是用不完的循环的。

三、对环流层{上层与下层对环流}

自转与公转运动的动力层,宇宙间天体的公转自转都是有对环流层推动带动运动的。同一个星球自转有对环流层推动自转……公转有对环流层带动运动,自转与公转运动是二个环流层,二个对环流层不是在同一个中心上的。没有大气层或有大气层大气只对流不进行对环流的星球(孤独行星、流浪行星)、行星、小行星、行星的卫星是一定不会自转的。

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【真实的宇宙形态结构】

宇宙是时间无限空间无涯物质有限世界。空间存在着一个一个大型的物质世界它们是没有相连被真空隔离。各个物质世界都遵循同样的物理规律,我们生活在其中一个大型物质世界里。

我们的大型物质世界最多最外层的物质紧紧的吸引在一起它的外型是可以任何形态。它把比它少的一切各种各样不相混合的物质反推成一个一个许许多的大圆球每一个大圆球都有一个圆球面及一个中心,我们就在其中一个大圆球面里面。这个大圆球内最多的物质又把比它少的一切各种各样不相混合的物质反推成一个一个许许多的大圆球每一个圆球都有一个圆球面及一个中心,其中一个大圆球就是我们的圆球……………………总星系。总星系有一个圆球面及一个中心。在总星系圆球面内最多的物质又把比它少的一切各种各样不相混合的物质反推成一个一个许许多的大圆球每一个圆球都有一个圆球面及一个中心。其中一个大圆球就是我们的圆球银河系它有一个圆球面及一个中心。银河系内最多的物质又把比它少的一切各种各样不相混合的物质反推成一个一个许许多的圆球每一个圆球都有一个圆球面及一个中心,其中一个大圆球就是我们的圆球太阳系它有一个圆球面及一个中心,太阳系内最多的物质又把比它少的一切各种各样不相混合的物质反推成一个一个许许多的圆球每一个圆球都有一个圆球面及一个中心,其中一个就是地球系(包括月球),地球是中心它的圆球面在月球之外,地球气态圆球面内的最多气态物质又把月球及其他各种各样不相混合的气态物质反推成一个一个圆球。

这些大大小小从大到小的圆球刚刚形成光‘就聚焦在它们的中心点上使中心发光发热,太阳、行星中心、银河系中心、总星系中心、星系中心、恒星都是有光聚焦才发光发热的。因光聚焦在中心点上发光发热就会发生对流 对环流。每一个中心点上有一组或多组对环流层,接近中心的对环流层可带动中心转动自转,远离中心的对环流层可推动天体、星系、恒星、物体、物质、行星等等绕中心公转。月球有气态层只有局部的对流没有对环流所以没有自转只有公转,月球公转是地球最外面的一组对环流层推动月球绕地球公转的……其它行星的卫星公转类同。靠近地壳的对环流层(有对流层与中间层组成交替环流)带动地球自转其他行星自转类同。地球月球在同一个圆球面内被太阳系的对环流层推动绕太阳公转的其他行星公转类同。太阳系圆球面内全部行星被银河系的对环流层推动绕银河系中心公转的其他恒星系公转类同。银河系圆球面内的恒星系被总星系的对环流层推动绕总星系中心公转的其他星系仙女系公转类同。总星系圆球面内的星系被更大的对环流层推动绕更大的中心公转。就这样以此类推外面外层到底有多少层次我不敢下决定…… 根据天文文明可能有三十六层。我们是被套在圆球内从最大的圆球一直到最小的圆球……大圆球套比它小的圆球。就这样圆球中有圆球,我们是被几十层的圆球套着。


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