宇宙總質量是多少?科學家是怎麼算的?

物原愛牛毛1


現在一些人對宇宙總質量的測算只能算一個估計,當不得真。

即便如此,知道了宇宙大致質量,也是對宇宙的一種認識,可以讓我們對宇宙之宏大廣袤有一個直觀瞭解。

我們從自己的地球說起。

地球這麼大,用什麼秤能夠稱出來有多少質量呢?

根據球體積計算公式,我們很容易可以計算出地球的體積。

球體積計算公式為v=4/3πr³

即體積v等於4/3π和球半徑立方的乘積。

但是知道了體積,怎麼知道地球的質量呢?我們根據質量與密度的關係,可以得到公式:

質量m=pv(密度x體積)

我們已經知道地球半徑為6371km,計算出體積為1.0832073×10^12km³,密度為5507.85kg/m³,得出質量5.965*10^24kg。

那麼地球直徑和密度是怎麼知道的呢?

其實人類最早知道的還是地球直徑。公元前 200多年,古希臘國亞歷山大圖書館館長埃拉托色尼第一次用測量的方法推算出了地球的大小。

人們是根據太陽直射時的日射角度在兩地的誤差,來計算地球弧度的,通過這個弧度計算出地球的周長,計算出了周長,就很容易計算出地球直徑了。

從這一點,我們可以看出古希臘文明的先進程度,要知道,那個時代,地球上絕大多數地方的人們還處於天圓地方的愚昧認知中。

有了地球的直徑,並不能得到地球密度有多大,因為地表每一個地方的密度都不一樣,而且地表與地層深處的密度也不一樣,因此古代是沒有辦法得到地球準確質量的。

一直到牛頓發現了萬有引力。

1687年,牛頓發現了萬有引力的客觀規律,這個規律就是引力大小與質量成正比,與物體之間的距離平方成反比。

這就是萬有引力定律,其表達式為:F=GMm/r²

式中,G為引力常量,M和m為引力作用兩個物體的質量,r為物體之間的距離。

因此,現在我們根據這個公式,只要知道了兩個物體之間的引力大小,就可以得到質量是多少了。

大家可能注意到了,計算出物體之間引力大小的關鍵是引力常量G,這個G是多少呢?

在牛頓時代沒有人能夠得到準確的數據,因為引力是弱力,這個弱弱的太小了,很難準確的測量出來。

這樣,地球的質量就一時無法準確得出。

卡文迪許是精確稱出地球質量的第一人。

一直到牛頓萬有引力定律發現110年後的1797年,英國物理學家卡文迪許才有扭秤實驗得到了引力常量G的精確數值,與現代修正的準確數值只相差1%。

引力常量是什麼?就是在真空中,兩個質量為1kg的質點相距1m時,它們之間的引力值。

這個值現在精確定為G=6.67259×10^-11N·m²/kg²,一般計算時取值6.67×10^-11N·m²/kg²。這個值有多大?就是說兩個1kg球質點距離1m的引力只有千億分之6.67N·m²/kg²,難怪牛頓時代許多科學家窮盡一生也無法得到。

聰明的卡文迪許經過了幾十年的研究,通過一面鏡子反射陽光的方法,將兩個小球在扭秤上的引力移動,放大了很多倍投射到很遠的地方,通過望遠鏡看其移動的刻度,終於得到了精確的結果。

得到了這個G,卡文迪許在第二年宣佈了地球的質量,被人們尊為天下稱出地球重量的第一人。

現在人們通過G值,可以很容易精確計算出地球質量。

根據引力定律表達式,可以變通為:GMm/r²=mg

得M=gr²/G

式中,M為地球質量,r為地球半徑,G為引力常量,m為物體質量,g為重力加速度,取值9.8m/s²。

現在地球精確質量為5.965x10^24kg。通過質量與體積的關係,可以得到地球平均密度為5507.85kg/m³。人們又從地表密度約2~3g/cm³,可以推算出地心密度約7~8g/cm³。

通過這種方法,人們很快計算出了太陽質量為1.9891x10^30kg,是地球的33萬倍。

太陽是太陽系當然的老大,佔有了太陽系全部質量的99.86%。

可在我們看來巨大無比的太陽,在宇宙中只不過是一粒塵埃,只是銀河系裡面2000~4000億顆恆星中的一顆普通恆星。

銀河系還有大量的星團、星雲、星際氣體、星際塵埃,經過測算,總質量約為太陽的2000億倍,即約4x10^41kg。

再根據銀河系質量來測算宇宙質量。

根據大爆炸宇宙標準模型,測算出宇宙年齡約138.2億歲,可觀測宇宙直徑為930億光年,並且根據現代大型光學和射電射線望遠鏡,發現了幾千億個星系,根據模型估算,整個可觀測宇宙有星系1萬億到10萬億個。

如果平均按照銀河系的質量來計算,宇宙總質量在10^53kg~10^54kg。

但這些只是可見物質。現代研究認為,這些可見物質,包括恆星、星系、星雲等一切,才佔宇宙總質量的4.9%,宇宙中暗物質和暗能量佔據了95.1%的宇宙質量,這些看不見的物質主導著宇宙的運行和生死。

因此宇宙總質量還要加大2個指數量級,即為10^55kg~10^56kg。

實際上,這只是一個粗略估計,茶餘飯後聊聊就行了,不必當嚴謹科學數據對待。


時空通訊


質量和重量是兩個含義不同的物理量,前者不論在什麼時候都不會發生變化,而後者則會因為所處環境的引力強度大小而發生變化


具體到整個宇宙的質量來說由於現今的宇宙模型裡可見物質只佔質能總量的4.9%,而剩下的則是26.8%的暗物質和68.3%的暗能量,所以嚴格意義上來說人類至今還不清楚宇宙的總質量,只是根據銀河系質量以及整個宇宙的星系總量計算出了“可見宇宙”質量大概在10的53次方千克左右。

卡文迪許當年測定地球質量為60萬億億噸背後用到的關鍵數據就是地球的萬有引力常數G,後人在卡文迪許的基礎上順利計算出了太陽質量也知道了太陽質量佔到了太陽系總質量的99.86%。



由於在所有恆星系中恆星本身都佔據了星系質量的絕大部分,所以天文學家在計算銀河系質量時只需要估計銀河系內恆星數量就可以了,但由於星際塵埃的阻擋人類目前並不清楚準確的銀河系恆星數量(現在的說法是1000億到4000億顆恆星)

上世紀90年代以來哈勃望遠鏡拍攝的一系列“深空照片”佐證了宇宙學定律中的“各向同性”(也就是說在地球上不論朝哪個方向觀測,所看到的星系分佈密度基本都是相同的),在各向同性的指引下科學家估計宇宙中至少存在一萬億個星系。



知道太陽系質量就知道了銀河系質量進而就知道了宇宙中所有星系加在一起的質量,這便是科學家們計算宇宙質量時用的辦法。

但上面計算過程中的恆星數量和星系數量都還具有很大很大的彈性,所以未來新的宇宙質量上下浮動的數值也會很大很大。


宇宙觀察記錄



題主提問宇宙總質量多少?因為沒有人知道宇宙的大小,所以我們不能真正談論宇宙的總質量,但是我們可以談論可觀測宇宙的質量,通常說的是宇宙中物質的密度,這是決定宇宙命運的重要因素:宇宙是有一天會崩潰,還是會永遠膨脹下去。

宇宙中物質的密度可以用各種各樣的方法來測量,科學家們通過研究宇宙微波背景、超星系團、太初核合成等的波動來測量密度,這些方法太過技術化和深奧,非常不容易理解。



但科學家根據這些研究,宇宙中物質的密度約為3×10-30g/cm3 ,這意味著它的密度比水低3000億倍。請注意,這包括暗物質的貢獻,因此發光物質(恆星和星系)的密度只有上面給出的數字的十分之一。

現在,可觀測宇宙的大小約為140億光年,使用上述密度值,你可以得到約3×10^55kg ,大約是250億個銀河系大小的星系質量。


軍機處留級大學士


宇宙浩瀚,其中有大小星系、天體、暗物質、暗能量等等不計其數。雖然很大,不過科學家可以估算出宇宙的總質量是多少。一些自媒體上瘋傳的正反宇宙抵消後總的質量為0,或者宇宙質量是28克,那些都是一些胡說八道。目前可估算出宇宙總質量為十的53次方千克,用多種方法得到的宇宙總質量都是這個數量級。

這裡介紹一種容易理解的簡單估算方法,就是先計算恆星的質量,之後估算星系的質量,再估算整個宇宙的質量。

太陽的質量是很容易計算出來的,太陽系中的行星圍繞著太陽轉動,知道了一顆行星繞太陽轉動的軌道半徑以及公轉週期,根據萬有引力等於向心力列式即可解出太陽的質量。

其他恆星的質量也可以根據天文觀測數據利用萬有引力計算出來。積攢了很多恆星的質量數據後,就能夠發現一個規律,就是恆星的光譜與絕對亮度以及恆星的質量存在著關係。根據觀察到的數據就可以推出恆星的質量是多少。

然後根據天文觀測推出銀河系的大致形狀,以及銀河系內大小恆星的數量。在根據大小恆星繞銀河系銀心的轉動情況分析出銀河系中暗物質的質量,這樣就能夠估算出銀河系的總質量。

銀河系的質量搞定了,宇宙中還有數千億個星系。在分析恆星的質量時總結出了恆星光譜、光度與質量之間的關係,類似的關係也可以用到星系上。知道了銀河系的質量、光譜、光度等就可以推出其他星系的質量。

還有一個特點就是宇宙在大尺度上表現出各向同性,在這個方向觀測到一萬個星系,在另一個方向上大致也能夠觀測到一萬個星系。這樣就能夠估算出總星系的質量。再將通過觀測分析出的暗物質、暗能量算進去可以得出宇宙的質量大約十的53次方千克。


刁博


這個嘛,很簡單。銀河系有二千億個太陽的質量,可觀測的宇宙呢有二千億個相近的星系,都乘起來,就是了。加上互相轉動,一算,不對了,那不散架了嗎,故而,那個暗物質,必須有。


aging74755260


宇宙為絕對無限大,沒有總質量之說,哪一個科學家也計算不出來!


中承明


永遠也沒有人能計算出宇宙的總質量。


昊田2


答:對於可觀測宇宙的總質量,大概的數量級是10^53kg,這隻包含普通物質,在我們宇宙中,暗能量佔了68.3%,暗物質佔了26.8%,普通物質只有4.9%。


我們宇宙非常廣袤,並且有著138億年的歷史,由於宇宙年齡有限,使得較為遙遠的光線還沒有足夠時間到達地球,目前我們能觀測到的宇宙範圍稱之為可觀測宇宙,直徑大約930億光年,而宇宙的實際大小無人知曉。

關於可觀測宇宙(以下均簡稱宇宙)的大小,可以利用萬有引力定律,以及相應的宇宙學原理進行粗略估計,計算是一步一步進行的。


太陽質量

牛頓建立萬有引力定律後,理論上我們就可以根據萬有引力定律推導出地球和太陽的質量,但是萬有引力定律依賴於一個常數——萬有引力常數G。

英國科學家卡文迪許巧妙地利用扭秤實驗得到了地球的密度,從而計算出地球的質量,卡文迪許也被稱作“第一個稱量地球的人”,使用卡文迪許的數據就可以得到萬有引力常數。有了萬有引力常數後,我們利用向心力和萬有引力定律,就可以輕鬆計算出太陽的質量,大約是2*10^30kg。

在我們的太陽系中,太陽質量佔了整個太陽系質量的99.86%,至於八大行星、彗星、矮行星、小行星、星際氣體等等的質量,相對於太陽來說可以忽略不計。


銀河系質量

銀河系主要由數以億計的恆星組成,當然還有一些黑洞、中子星、白矮星等等,太陽的質量在銀河系中,屬於中等偏下的恆星(黃矮星)。

宇宙中的恆星分佈呈金字塔型,質量越小的恆星數量越多:

恆星的最小質量是0.08倍太陽質量,最大質量大約是300倍太陽質量;最新的數據表明,銀河系中的恆星大約有2000億顆,加上其他天體的質量,以此估算銀河系質量大約是4*10*41kg。


宇宙質量

在現代宇宙學中,有一個各向同性原理,說無論我們朝著宇宙的哪個方向進行觀測,宇宙中星系的分佈都是相似的,也就是說星系在宇宙大尺度下是均勻分佈的。

我們所處的銀河系,在宇宙中屬於中等質量星系,銀河系所處的本星系群有50多個星系,佔據著直徑1000萬光年的區域,宇宙中普通物質的質量,主要來源於星系,所以只要我們知道了宇宙中的星系數量,就可以得到宇宙質量。

而最新的天文觀測表明,在我們可觀測宇宙中,可能有超過1萬億個星系,以此進行估算的話,宇宙質量大概是:

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

也就是說宇宙質量的數量級,大約是10^53kg,宇宙中的普通物質主要由氫元素和氦元素組成,而前者就佔了大約75%,單個氫原子質量為1.674*10^-27kg,以此進行估算的話,宇宙中的原子數目大約是10^80個。


我的內容就到這裡,喜歡我們文章的讀者朋友,記得點擊關注我們——艾伯史密斯!


艾伯史密斯


你也太迷信科學了!宇宙包涵萬有萬法!當然涵科學!科學是宇宙世間法!它不是萬能的!它只能注繹宇宙的萬有!它不是出世間的道,天道!!!科學只能探索宇宙!它不能於宇宙比!!還質量,還算出來???統是瞎唄!科學都弄不明白!他自已父母未生他之前!他是誰?他在那裡???死後他去那裡???它怎麼質,什麼質!到目前物質有無限可分性!!!歸O後,是什麼還存在!宇宙間佰分之95還弄不明白???還算出來???笑話!!!


尋道底呢


〔宇宙定律〕

一 、物質的電磁力{吸引力}{反推力}

物質存在電磁力,同一種物質介質相互吸引,不是同一種物質介質相互推。多的物質會把少的物質推成圓球,因為兩種物質都在推,而且同一種物質任何一點推力都一樣大。推力又稱為反推力反推力是很均勻的力。被推成球型的物質任何一點向外發出推力都一樣大,但兩種物質的反推力不一定是一樣大。又因兩種物質都在使勁推少的物質被迫成圓球。圓球是物質組成的不是空的所以有個球面稱為圓球面。圓球面所受到的反推力越往球中心力線越密承受的推力越多。因圓球面任何一點都承受來自各個方向的力必然有一條力線經過球心垂直於球心,所以從球面到球心越往中心垂直力線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。故而越遠離球心所承受的反推力越小越少。

只要中心有物質壓力重力的天體,它的最外層表層必須是球形(圓球),天體的球面如果變成方形……中心不但沒有物質壓力而且重力也不存在。

二、光聚焦 能量聚焦、熱能量聚焦、正負(反)能量聚焦

光與一切物質同在充滿整個物質世界。太陽、恆星、一切星系是光聚焦取得能量,只有光永遠聚焦才能永遠發光發熱。我們看到的會發光發熱的星星、星系、恆星、太陽、行星中心,行星的衛星中心、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、恆星、太陽、行星的外面外層都有一個圓球面可以光聚焦到中心。圓球面是平凸透鏡、凹凸透鏡, 只要形成平凸透鏡、凹凸透鏡就可以光聚焦。

光聚焦……光是用不完的循環的。

三、對環流層{上層與下層對環流}

自轉與公轉運動的動力層,宇宙間天體的公轉自轉都是有對環流層推動帶動運動的。同一個星球自轉有對環流層推動自轉……公轉有對環流層帶動運動,自轉與公轉運動是二個環流層,二個對環流層不是在同一個中心上的。沒有大氣層或有大氣層大氣只對流不進行對環流的星球(孤獨行星、流浪行星)、行星、小行星、行星的衛星是一定不會自轉的。

♥♥♥………………………………

【真實的宇宙形態結構】

宇宙是時間無限空間無涯物質有限世界。空間存在著一個一個大型的物質世界它們是沒有相連被真空隔離。各個物質世界都遵循同樣的物理規律,我們生活在其中一個大型物質世界裡。

我們的大型物質世界最多最外層的物質緊緊的吸引在一起它的外型是可以任何形態。它把比它少的一切各種各樣不相混合的物質反推成一個一個許許多的大圓球每一個大圓球都有一個圓球面及一箇中心,我們就在其中一個大圓球面裡面。這個大圓球內最多的物質又把比它少的一切各種各樣不相混合的物質反推成一個一個許許多的大圓球每一個圓球都有一個圓球面及一箇中心,其中一個大圓球就是我們的圓球……………………總星系。總星系有一個圓球面及一箇中心。在總星系圓球面內最多的物質又把比它少的一切各種各樣不相混合的物質反推成一個一個許許多的大圓球每一個圓球都有一個圓球面及一箇中心。其中一個大圓球就是我們的圓球銀河系它有一個圓球面及一箇中心。銀河系內最多的物質又把比它少的一切各種各樣不相混合的物質反推成一個一個許許多的圓球每一個圓球都有一個圓球面及一箇中心,其中一個大圓球就是我們的圓球太陽系它有一個圓球面及一箇中心,太陽系內最多的物質又把比它少的一切各種各樣不相混合的物質反推成一個一個許許多的圓球每一個圓球都有一個圓球面及一箇中心,其中一個就是地球系(包括月球),地球是中心它的圓球面在月球之外,地球氣態圓球面內的最多氣態物質又把月球及其他各種各樣不相混合的氣態物質反推成一個一個圓球。

這些大大小小從大到小的圓球剛剛形成光‘就聚焦在它們的中心點上使中心發光發熱,太陽、行星中心、銀河系中心、總星系中心、星系中心、恆星都是有光聚焦才發光發熱的。因光聚焦在中心點上發光發熱就會發生對流 對環流。每一箇中心點上有一組或多組對環流層,接近中心的對環流層可帶動中心轉動自轉,遠離中心的對環流層可推動天體、星系、恆星、物體、物質、行星等等繞中心公轉。月球有氣態層只有局部的對流沒有對環流所以沒有自轉只有公轉,月球公轉是地球最外面的一組對環流層推動月球繞地球公轉的……其它行星的衛星公轉類同。靠近地殼的對環流層(有對流層與中間層組成交替環流)帶動地球自轉其他行星自轉類同。地球月球在同一個圓球面內被太陽系的對環流層推動繞太陽公轉的其他行星公轉類同。太陽系圓球面內全部行星被銀河系的對環流層推動繞銀河系中心公轉的其他恆星系公轉類同。銀河系圓球面內的恆星系被總星系的對環流層推動繞總星系中心公轉的其他星系仙女系公轉類同。總星系圓球面內的星系被更大的對環流層推動繞更大的中心公轉。就這樣以此類推外面外層到底有多少層次我不敢下決定…… 根據天文文明可能有三十六層。我們是被套在圓球內從最大的圓球一直到最小的圓球……大圓球套比它小的圓球。就這樣圓球中有圓球,我們是被幾十層的圓球套著。


分享到:


相關文章: