宇宙中有多少物质？

到底有多少东西？是否有可能以任何有意义的方式估计可观测宇宙中的物质数量？

要了解宇宙中有多少物质，首先要了解我们谈论的是什么物质。我们目前认为，只有大约5%的宇宙是由“普通”(或“重子”)物质组成的，也就是质子和中子之类的东西。剩下的95%由“暗物质”和“暗能量”组成。

但是，我们怎么知道宇宙中只有5%是由普通物质组成的呢?而实际上有多少转化成多少“物质”呢?天文学家能够确定宇宙内容的方法之一是通过观察宇宙微波背景(CMB)。这就像早期宇宙的快照，当时它只有大约37万年的历史，标志着光子或光粒子第一次能够在宇宙中自由传播的时刻。

今天，我们看到的第一束光的残余均匀地分布在天空中，有轻微的波动。事实证明，这些波动取决于宇宙中存在多少物质，以及它是什么样的物质。由于光只与宇宙中的普通物质相互作用，改变了它的数量。

还有其他的方法来衡量同样的事情，幸运的是，它们或多或少都是一致的。大爆炸后不久发生的某些化学反应取决于宇宙中普通物质的数量。例如，如果有更多的碳存在，这些化学反应就会产生更多的氦、氘、锂和其他元素。

通过测量这些元素在非常古老的天体中的比例，我们可以估算出这些反应发生时存在多少普通物质。最近，天文学家研究了“快速射电暴”的方式，这是一种来自遥远宇宙的神秘无线电波闪光，当它们穿越宇宙时与普通物质相互作用。这提供了一种额外的测量方法。

那么有多少呢?如果你使用我上面描述的方法来计算宇宙中普通物质的密度，并且你对可观测宇宙的体积有一个很好的估计(大约4 × 10⁸⁰立方米)，我们得到宇宙中大约10⁸⁰个普通物质粒子的值。虽然这听起来很多，但宇宙是如此之大，当你把它转化为密度时，你会发现，平均而言，宇宙中每立方米只有一个普通物质的粒子。

宇宙中更大的比例是由暗物质和暗能量等物质组成的，这两者我们仍然没有完全理解。

这个问题很难回答，如果不是不可能的话，部分原因是我们不知道宇宙的大小或它的最终命运。

宇宙始于大约138亿年前的大爆炸。在1998年之前，宇宙学家认为引力会减缓空间的膨胀，因为星系之间会相互吸引。根据流行的模型，如果宇宙有一个临界密度，它最终会停止膨胀并变得静止。更高的密度，它会在大挤压中坍缩;更小的密度会让它永远膨胀。

临界密度约为每立方米10-26千克，相当于每立方米约6个质子。可观测宇宙的估计体积是4 × 10⁸⁰立方米。质量是密度和体积的乘积;使用临界密度，在可观测的宇宙中，所有类型的物质的质量都达到了4 × 10⁵⁴千克。

在20世纪90年代，大多数科学家都将赌注押在一个临界密度的宇宙上，因为这更符合粒子物理学，并且要求暗物质的存在，这是由天体物理学观测推断出来的。

然而，所有的赌注在1998年都落空了，当时两个研究小组独立地报告说，宇宙的膨胀正在加速。目前的共识是，宇宙是由5%的重子物质，25%的暗物质和约70%的暗能量混合而成的。虽然它仍然没有明确的解释，但暗能量的行为就像反重力，排斥质量，而不是吸引它们。

总而言之，如果我们假设可观测宇宙的密度，我们就能算出它的质量，但宇宙的真实大小却让我们无从得知。在计算宇宙的质量时，我们是否应该考虑能量，因为能量和质量是等价的?如果我们存在于一个多元宇宙中，那么我们如何计算出宇宙总质量的比例是多少呢?也许我们的宇宙是唯一一个有重子物质的宇宙。