深度長文：宇宙這么大，科學(xué)家們是如何計(jì)算宇宙總質(zhì)量的？

宇宙，這片浩瀚無垠的時(shí)空疆域，承載著無數(shù)的星系、恒星、行星，還有神秘的暗物質(zhì)與暗能量。從人類仰望星空的那一刻起，對(duì)宇宙的好奇與探索就從未停止，而“宇宙究竟有多重”這個(gè)問題，更是成為了天文學(xué)界長期鉆研的核心課題之一。在廣袤的宇宙中，可見的天體如星系、恒星、行星等只是“冰山一角”，那些無法直接觀測(cè)卻主導(dǎo)著宇宙演化的暗物質(zhì)、暗能量，更是讓宇宙質(zhì)量的估算充滿了挑戰(zhàn)。

如今，隨著觀測(cè)技術(shù)的進(jìn)步和理論體系的完善，科學(xué)家們已經(jīng)能夠通過多種科學(xué)方法估算出宇宙的總質(zhì)量，得出的結(jié)果均指向同一個(gè)數(shù)量級(jí)——10的53次方千克。然而，在自媒體的傳播中，卻出現(xiàn)了諸多荒誕不經(jīng)的說法：“正反宇宙抵消后總質(zhì)量為0”“宇宙質(zhì)量僅28克”……這些缺乏科學(xué)依據(jù)的言論混淆了大眾的認(rèn)知。本文將深入剖析宇宙質(zhì)量的科學(xué)估算方法，澄清不實(shí)傳言，帶大家走進(jìn)真實(shí)的宇宙質(zhì)量之謎。

首先，我們必須明確一個(gè)核心前提：宇宙的質(zhì)量絕非虛無，也不可能是微不足道的28克。那些“總質(zhì)量為0”的說法，本質(zhì)上是對(duì)“正反物質(zhì)湮滅”理論的誤解。從理論上來說，宇宙大爆炸初期可能產(chǎn)生了等量的正物質(zhì)和反物質(zhì)，正物質(zhì)與反物質(zhì)相遇會(huì)發(fā)生湮滅，釋放出巨大的能量。但現(xiàn)實(shí)情況是，我們所處的宇宙中，正物質(zhì)占據(jù)了絕對(duì)主導(dǎo)地位，反物質(zhì)的數(shù)量極其稀少，遠(yuǎn)遠(yuǎn)不足以與正物質(zhì)完全抵消。科學(xué)家們至今仍在探索“正反物質(zhì)不對(duì)稱”的起源，但這并不影響宇宙存在明確總質(zhì)量這一基本事實(shí)。而“28克宇宙”的說法，更是對(duì)宇宙學(xué)概念的惡意曲解或錯(cuò)誤類比，完全脫離了觀測(cè)數(shù)據(jù)和理論支撐，屬于毫無根據(jù)的謠言。

要準(zhǔn)確估算宇宙的總質(zhì)量，科學(xué)家們采用了“由小及大、層層遞進(jìn)”的思路：從我們最熟悉的恒星（太陽）質(zhì)量計(jì)算入手，逐步擴(kuò)展到銀河系的總質(zhì)量，再利用宇宙大尺度的均勻性特征，推算出整個(gè)可觀測(cè)宇宙的總質(zhì)量，最后納入暗物質(zhì)、暗能量的貢獻(xiàn)，得出最終的估算結(jié)果。這種方法的核心邏輯是“從已知推未知”，借助萬有引力定律、電磁輻射規(guī)律等基礎(chǔ)物理原理，將局部觀測(cè)數(shù)據(jù)推廣到宇宙大尺度范圍。

第一步：從太陽質(zhì)量的計(jì)算開始——萬有引力定律的應(yīng)用

在估算宇宙總質(zhì)量的鏈條中，最基礎(chǔ)的環(huán)節(jié)是計(jì)算單個(gè)恒星的質(zhì)量，而我們的太陽，正是最理想的“樣本恒星”。太陽的質(zhì)量并非無法測(cè)量，而是可以通過太陽系內(nèi)行星的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，結(jié)合萬有引力定律精確計(jì)算得出。這一計(jì)算過程的原理并不復(fù)雜：行星圍繞太陽公轉(zhuǎn)時(shí)，太陽對(duì)行星的萬有引力提供了行星做圓周運(yùn)動(dòng)的向心力。

根據(jù)萬有引力定律，太陽與行星之間的萬有引力F=G*(M*m)/r2，其中G是萬有引力常數(shù)（約6.67×10的-11次方牛·米2/千克2），M是太陽質(zhì)量，m是行星質(zhì)量，r是行星繞太陽公轉(zhuǎn)的軌道半徑。而行星做圓周運(yùn)動(dòng)的向心力F= m*(4π2r)/T2，其中T是行星的公轉(zhuǎn)周期。將兩個(gè)公式聯(lián)立，我們可以消去行星質(zhì)量m，得到太陽質(zhì)量M= (4π2r3)/(G*T2)。

這一公式的巧妙之處在于，它不需要知道行星的質(zhì)量，只需測(cè)量出行星的軌道半徑r和公轉(zhuǎn)周期T，就能計(jì)算出太陽的質(zhì)量。以地球?yàn)槔厍蚶@太陽公轉(zhuǎn)的軌道半徑約為1.5×10的11次方米，公轉(zhuǎn)周期T約為365天（即3.15×10的7次方秒）。將這些數(shù)據(jù)代入公式，計(jì)算得出太陽的質(zhì)量約為2×10的30次方千克。這一結(jié)果經(jīng)過了無數(shù)次的驗(yàn)證，是天文學(xué)界公認(rèn)的精確值，也成為了后續(xù)計(jì)算其他天體質(zhì)量的“質(zhì)量單位”——天文學(xué)中常用“太陽質(zhì)量”（M☉）作為天體質(zhì)量的基準(zhǔn)，1M☉=2×10的30次方千克。

第二步：其他恒星質(zhì)量的測(cè)量——光譜與光度的“密碼”

知道了太陽的質(zhì)量，接下來的問題是：宇宙中其他恒星的質(zhì)量該如何測(cè)量？顯然，我們無法像測(cè)量太陽質(zhì)量那樣，借助每一顆恒星周圍行星的運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)——大多數(shù)恒星的行星難以被直接觀測(cè)到。這時(shí)，科學(xué)家們發(fā)現(xiàn)了一個(gè)重要的規(guī)律：恒星的光譜、絕對(duì)亮度與質(zhì)量之間存在著明確的對(duì)應(yīng)關(guān)系，這一關(guān)系被稱為“質(zhì)光關(guān)系”。

恒星的光譜是恒星的“身份名片”，通過光譜分析，我們可以得知恒星的表面溫度、化學(xué)成分、運(yùn)動(dòng)速度等關(guān)鍵信息。而絕對(duì)亮度則是恒星本身真實(shí)的發(fā)光強(qiáng)度（區(qū)別于地球上觀測(cè)到的視亮度，視亮度會(huì)受距離影響）。科學(xué)家們通過對(duì)大量近距離恒星（這些恒星的距離可以通過三角視差法精確測(cè)量，進(jìn)而推算出絕對(duì)亮度）的觀測(cè)和分析，發(fā)現(xiàn)了質(zhì)光關(guān)系的規(guī)律：對(duì)于主序星（恒星一生中穩(wěn)定發(fā)光的階段，太陽就處于主序星階段）來說，恒星的絕對(duì)亮度與質(zhì)量的3.5次方成正比。簡單來說，恒星的質(zhì)量越大，其內(nèi)部的核聚變反應(yīng)就越劇烈，釋放的能量就越多，絕對(duì)亮度也就越高。

借助質(zhì)光關(guān)系，科學(xué)家們只需觀測(cè)到某顆恒星的光譜（確定其處于主序星階段）和視亮度，結(jié)合距離測(cè)量數(shù)據(jù)推算出絕對(duì)亮度，就能通過質(zhì)光關(guān)系反推出這顆恒星的質(zhì)量。對(duì)于那些不處于主序星階段的恒星（如紅巨星、白矮星），科學(xué)家們則會(huì)結(jié)合其他觀測(cè)數(shù)據(jù)（如脈動(dòng)周期、表面重力加速度等），采用更復(fù)雜的理論模型來估算其質(zhì)量。經(jīng)過長期的觀測(cè)積累，科學(xué)家們已經(jīng)建立了完善的恒星質(zhì)量數(shù)據(jù)庫，為后續(xù)估算星系質(zhì)量奠定了基礎(chǔ)。

第三步：銀河系總質(zhì)量的估算——暗物質(zhì)的“隱藏貢獻(xiàn)”

在掌握了單個(gè)恒星的質(zhì)量估算方法后，我們可以進(jìn)一步推算整個(gè)銀河系的總質(zhì)量。銀河系是一個(gè)由數(shù)千億顆恒星、大量氣體、塵埃以及暗物質(zhì)組成的棒旋星系，要估算其總質(zhì)量，需要考慮兩個(gè)核心部分：可見物質(zhì)（恒星、氣體、塵埃）的質(zhì)量和暗物質(zhì)的質(zhì)量。

首先是可見物質(zhì)的質(zhì)量估算。科學(xué)家們通過天文觀測(cè)，已經(jīng)大致確定了銀河系的形狀和結(jié)構(gòu)：銀河系擁有一個(gè)銀心核球、一個(gè)銀盤和一個(gè)銀暈。銀盤是銀河系的主要部分，集中了大部分的恒星、氣體和塵埃；銀心核球位于銀河系中心，是恒星密集的區(qū)域；銀暈則是包裹在銀盤和核球外圍的稀疏區(qū)域，主要由年老的恒星和球狀星團(tuán)組成。通過對(duì)銀河系不同區(qū)域的觀測(cè)，科學(xué)家們可以統(tǒng)計(jì)出各個(gè)區(qū)域內(nèi)不同質(zhì)量恒星的數(shù)量（結(jié)合質(zhì)光關(guān)系估算），再加上氣體和塵埃的質(zhì)量（通過射電觀測(cè)、紅外觀測(cè)等手段測(cè)量），就能得出銀河系可見物質(zhì)的總質(zhì)量，大約為10的11次方太陽質(zhì)量（即2×10的41次方千克）。

然而，當(dāng)科學(xué)家們通過恒星繞銀心的轉(zhuǎn)動(dòng)情況來驗(yàn)證這一質(zhì)量時(shí)，卻發(fā)現(xiàn)了一個(gè)奇怪的現(xiàn)象：根據(jù)萬有引力定律，星系邊緣恒星的公轉(zhuǎn)速度應(yīng)該隨著距離銀心的增加而減小（就像太陽系中，外圍行星的公轉(zhuǎn)速度比內(nèi)圍行星慢）。但實(shí)際觀測(cè)數(shù)據(jù)顯示，銀河系邊緣恒星的公轉(zhuǎn)速度并沒有減小，反而保持恒定。這一現(xiàn)象表明，銀河系中存在著大量我們無法直接觀測(cè)到的物質(zhì)，這些物質(zhì)提供了額外的引力，維持了邊緣恒星的高速公轉(zhuǎn)——這就是暗物質(zhì)。

暗物質(zhì)是一種不與電磁輻射發(fā)生相互作用的物質(zhì)，因此我們無法通過光學(xué)、射電等傳統(tǒng)觀測(cè)手段直接看到它，但它的存在可以通過引力效應(yīng)被感知。為了準(zhǔn)確估算銀河系的總質(zhì)量，科學(xué)家們通過分析不同距離處恒星繞銀心的公轉(zhuǎn)速度，建立了銀河系的引力模型，進(jìn)而推算出暗物質(zhì)的質(zhì)量。結(jié)果顯示，暗物質(zhì)的質(zhì)量占據(jù)了銀河系總質(zhì)量的絕大部分——銀河系的總質(zhì)量約為10的12次方太陽質(zhì)量（即2×10的42次方千克），其中暗物質(zhì)的質(zhì)量約為可見物質(zhì)質(zhì)量的10倍。這一結(jié)果也得到了其他觀測(cè)手段的驗(yàn)證（如引力透鏡效應(yīng)、星系碰撞觀測(cè)等），證實(shí)了暗物質(zhì)在銀河系中的普遍存在。

第四步：宇宙總質(zhì)量的推算——大尺度均勻性與星系質(zhì)量關(guān)聯(lián)

在估算出銀河系的總質(zhì)量后，我們可以進(jìn)一步推算整個(gè)可觀測(cè)宇宙的總質(zhì)量。這里需要借助宇宙大尺度上的一個(gè)重要特征：各向同性和均勻性。宇宙學(xué)原理指出，在足夠大的尺度上（大于1億光年），宇宙在任何方向上都是均勻的，即宇宙中星系的分布密度是恒定的。簡單來說，在這個(gè)方向上觀測(cè)到1萬個(gè)星系，在另一個(gè)方向上大致也能觀測(cè)到1萬個(gè)星系；在這個(gè)區(qū)域內(nèi)星系的平均質(zhì)量，與其他區(qū)域內(nèi)星系的平均質(zhì)量大致相同。

基于這一原理，科學(xué)家們采用了類似“以點(diǎn)代面”的方法來估算宇宙總質(zhì)量。首先，通過對(duì)銀河系的研究，我們已經(jīng)掌握了銀河系的質(zhì)量、光譜、光度等關(guān)鍵數(shù)據(jù)。科學(xué)家們發(fā)現(xiàn)，銀河系的這些特征與其他類似的棒旋星系存在著普遍的關(guān)聯(lián)規(guī)律——就像恒星的質(zhì)光關(guān)系一樣，星系的質(zhì)量與光譜特征、光度之間也存在著明確的對(duì)應(yīng)關(guān)系，這一關(guān)系被稱為“星系質(zhì)光關(guān)系”。

借助星系質(zhì)光關(guān)系，科學(xué)家們只需觀測(cè)到其他星系的光譜和視亮度，結(jié)合距離測(cè)量數(shù)據(jù)推算出絕對(duì)亮度，就能通過星系質(zhì)光關(guān)系反推出這些星系的質(zhì)量。通過對(duì)大量星系的觀測(cè)和質(zhì)量估算，科學(xué)家們得出了可觀測(cè)宇宙中星系的平均質(zhì)量和數(shù)量：可觀測(cè)宇宙中大約存在2萬億個(gè)星系，每個(gè)星系的平均質(zhì)量約為10的11次方太陽質(zhì)量。據(jù)此推算，所有星系的總質(zhì)量約為2×10的53次方千克。

但這還不是宇宙的總質(zhì)量，因?yàn)槌诵窍祪?nèi)的暗物質(zhì)，宇宙中還存在著星系際暗物質(zhì)和暗能量。通過對(duì)宇宙微波背景輻射、宇宙大尺度結(jié)構(gòu)形成、超新星紅移等觀測(cè)數(shù)據(jù)的分析，科學(xué)家們已經(jīng)精確測(cè)量出了宇宙中各種成分的占比：暗能量約占宇宙總能量密度的68%，暗物質(zhì)約占27%，可見物質(zhì)僅占5%。

需要注意的是，根據(jù)愛因斯坦的質(zhì)能方程E=mc2，能量和質(zhì)量可以相互轉(zhuǎn)化，因此在計(jì)算宇宙總質(zhì)量時(shí)，需要將暗能量的能量密度轉(zhuǎn)化為質(zhì)量密度。

結(jié)合宇宙的膨脹速率、可觀測(cè)宇宙的體積（可觀測(cè)宇宙的半徑約為465億光年，體積約為3.6×10的80次方立方米）以及各種成分的能量密度數(shù)據(jù)，科學(xué)家們最終推算出，可觀測(cè)宇宙的總質(zhì)量約為10的53次方千克。這一結(jié)果與通過不同方法（如星系計(jì)數(shù)法、引力透鏡法、宇宙微波背景輻射分析法等）得出的估算結(jié)果處于同一個(gè)數(shù)量級(jí)，進(jìn)一步證實(shí)了這一數(shù)值的科學(xué)性和可靠性。

第五步：科學(xué)估算的局限性與未來探索方向

需要強(qiáng)調(diào)的是，我們目前估算的是“可觀測(cè)宇宙”的總質(zhì)量，而非整個(gè)宇宙的總質(zhì)量。可觀測(cè)宇宙是指以地球?yàn)橹行模庠谟钪婺挲g（約138億年）內(nèi)能夠到達(dá)地球的區(qū)域，其半徑約為465億光年。在可觀測(cè)宇宙之外，宇宙可能還在無限延伸，存在著更多的星系和物質(zhì)，但由于這些區(qū)域的光還沒有足夠的時(shí)間到達(dá)地球，我們無法對(duì)其進(jìn)行觀測(cè)，因此也無法將其納入質(zhì)量估算范圍。

此外，暗物質(zhì)和暗能量的本質(zhì)仍然是尚未解決的科學(xué)難題。雖然我們能夠通過引力效應(yīng)感知到暗物質(zhì)的存在，通過宇宙膨脹加速的現(xiàn)象感知到暗能量的存在，但我們對(duì)它們的成分、性質(zhì)還一無所知。未來，隨著新一代觀測(cè)設(shè)備（如詹姆斯·韋伯太空望遠(yuǎn)鏡、歐洲極大望遠(yuǎn)鏡、中國空間站巡天空間望遠(yuǎn)鏡等）的投入使用，以及理論物理的不斷突破，我們有望更精確地測(cè)量宇宙的總質(zhì)量，揭開暗物質(zhì)和暗能量的神秘面紗。