從不同的角度分析一下宇宙中質量最大的物質是什麼

2021-01-07 時空通訊

有人提出這樣一個問題:以宇宙為範圍,已知什麼物質質量最大?

這個問題沒有規定前提,因此有多種解答。

我想可以根據這麼幾個不同的側面來考量:宏觀天體、元素、微觀粒子。

宏觀天體是人類能夠觀測到宇宙中最大的事物,這裡面又可以分為幾類:天體結構、星系、黑洞、恆星。

天體結構有多個層次,如果從地球算起,就有地月系、太陽系、銀河系、星系群(團)、超星系團等。

我們地月系統只佔太陽質量的0.0003%;我們太陽系引力影響半徑約1光年,太陽質量就佔了整個太陽系的99.86%;銀河系直徑20萬光年,包含2000~4000億顆恆星,質量為太陽的2100萬倍。

銀河系是本星系群中約50個星系中的一員,不過佔有老二的位置;本星系群又是超星系團中約100個星系中的一個小團體,而這個超星系團中的老大室女座星系團,就包含了2500個星系以上;在本超星系團之上,是拉尼亞凱亞超星系團,這個超大星系團擁有10萬個星系,覆蓋範圍達到5.7億光年,而現在發現宇宙中還有更大的天體結構,一個叫「武仙~北冕座長城」的天體結構長達100億光年,是目前被認為最大的天體結構。

但總體上來說,星系還是被認為宇宙中較為緊密的基本天體結構單元。

星系是由於引力相互作用結合在一起各種天體的集合體,包含演化過程中的恆星、恆星殘骸(白矮星、中子星、黑洞等)、氣體的星際物質、宇宙塵和暗物質等。星系一般由幾百億顆到幾千億顆恆星等天體組成,大的星系也有數萬億顆恆星的。

現在已知最大的星系是距離我們10.45億光年的IC 1101星系,是阿爾貝2029星系群的中心星系,直徑約為400萬光年,是銀河系的20倍,包含恆星100萬億顆。

如果要說單個質量的最大天體,就是黑洞莫屬了。

我們銀核系中心有一個黑洞,其質量約太陽的400萬倍。但這個黑洞在宇宙中完全就是小兒科,我們本超星系團的M87星系中心黑洞,距離我們5500萬光年,質量為太陽的65億倍;而迄今為止最大的黑洞是在一個距離我們104億光年,叫TON 618的類星體中心,這個黑洞質量達到太陽的660億倍,史瓦西半徑為1920億千米,也被認為是迄今為止人類發現最大質量的單一天體。

恆星就比黑洞小多了,目前發現最大的恆星是距離我們16萬光年,藏身於大麥哲倫星系中的R136a1恆星,質量是太陽的約300倍。

但這些天體大小嚴格意義上來說,不能算作最大「物質」,物質從本質上來說,是由原子組成,什麼樣的原子就會組成什麼樣的物質,可以說物質是原子的集合體。

組成各種物質的分子也可以是單體原子,也可以是多種原子的化合物。因此真正意義上的物質應該是元素。元素是單種原子的總稱,原子是元素的最小單位。

目前人類已經發現了118種元素,其中26種由人工合成。這些元素最輕的是氫,原子序數為1,原子量也是1;最重的元素是金屬鋨,原子序數為76,原子量為190.2。

氫的密度為0.00008342克/cm^3,鋨的密度為22.6克/cm^3,後者是前者密度的27萬多倍,是地球上存在單位質量最大的物質。金的密度為19.32克/cm^3,鉑的密度為21.45克/cm^3,是次於金屬鋨密度的金屬。

宇宙中還有一種物質,嚴格意義上來說已經不屬於人類認知的任何物質,就是白矮星和中子星上特殊狀態下的物質。

白矮星上的物質狀態就是在極強大的引力壓力下,把原子壓碎了,電子離開了原子核成為自由電子,原子核擠在一起;中子星上的物質狀態是原子核也被壓碎了,電子與質子壓在了一切,變成了中子,這樣整個星球就變成了一個由中子組成的大中子核。

這兩種特殊狀態的物質在地球上沒有,也無法製造。白矮星物質密度高達1000000~10000000克/cm^3,也就是每個立方釐米1~10噸;中子星密度更是驚人,是白矮星的1億倍以上,每個立方釐米達到1~20億噸。

密度更大的東西(已經無法稱為物質,甚至不是我們這個時空的東西了)就是黑洞奇點了。

那裡的東西無法用現有科學解釋,只能用無限來說明,無限密度。這是因為奇點已經變得無限小,既然無限小到無法衡量,那密度也就無法衡量了。但如果按照黑洞的史瓦西半徑來計算密度,就是一個很小的密度了,這樣越大質量的黑洞密度就越小。

物質的定義還有一種微觀定義,這就是粒子。

粒子是人類認知構成物質的最小最基本的單位,是組成原子的基礎,是不改變物質屬性前提下最小體積的物質。根據作用力不同,基本粒子分為夸克、輕子和傳播子三大類。

現在人類已經發現了400多種粒子。夸克分為上夸克、下夸克、奇夸克、粲夸克、底夸克、頂夸克六種,夸克組成的粒子叫強子,包括質子、中子、介子、超子;輕子主要有電子、電子中微子、謬(u)子和謬子中微子、陶(T)子和陶子中微子等;傳播子又稱媒介子,主要有光子、膠子、引力子(未證實存在)等。

這些粒子中,傳播子被認為沒有靜質量,質量最輕的是電子中微子,最重的是頂夸克。電子中微子質量極小,但認為不為零,而頂夸克的質量達到173.1 ± 0.6 GeV,與鎢原子質量相當,是質子質量的200倍,是頂夸克的100萬億倍!

粒子物理學家們認為,粒子本來沒有質量,是一種叫做希格斯玻色子的粒子與其他粒子的相互作用才使它們產生質量,因此這種粒子被號稱為「上帝粒子」。

這裡面的機制很複雜,就不在這裡扯了。

這就是我們宇宙物質質量最大從不同角度的分析,歡迎討論。

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