Вопрос о числе элементарных частиц во Вселенной кажется абстрактным, но он лежит в основе космологии, термодинамики и теории информации. Учёные оперируют понятием наблюдаемой Вселенной — шара радиусом около 46,5 миллиардов световых лет, за пределами которого свет просто не успел долететь до нас за 13,8 миллиарда лет. Именно в этом конечном объёме проводятся все расчёты.
Главный сюрприз для неподготовленного читателя: абсолютное большинство частиц — это не атомы, из которых состоим мы, планеты и звезды. Стандартная модель космологии (ΛCDM) утверждает, что барионная материя составляет лишь около 5% от общей энергетической плотности. Остальное — тёмная материя и тёмная энергия, природа которых до сих пор остаётся загадкой.
Что считаем за «частицу» и где проходит граница подсчёта
Прежде чем называть цифры, необходимо определить таксономию. В космологию под «частицами» понимают кванты всех известных полей: кварки и лептоны (вещество), бозоны-переносчики взаимодействий (фотоны, глюоны, W/Z-бозоны) и гипотетические частицы тёмной материи. Границу подсчёта задаёт частицовый горизонт — максимальное расстояние, с которого сигнал мог достичь наблюдателя за возраст Вселенной.
Объём наблюдаемой Вселенной составляет примерно 4×1080 м3. Умножая этот объём на среднюю численную плотность каждой разновидности частиц, получают порядковые оценки. Важно понимать: эти числа — не результат прямого пересчёта, а следствие измерения параметров Космического микроволнового фона (CMB) спутниками Planck и WMAP.
⚠️ Внимание: термин «Вселенная» в научной литературе почти всегда подразумевает «Наблюдаемую Вселенную». Вся Вселенная может быть бесконечной, и тогда общее число частиц в ней бесконечно или не определено.
Барионы: протоны, нейтроны и число Эддингтона
Барионная материя — это «обычная» материя из таблицы Менделеева. Основные носители массы — протоны и нейтроны. Их совокупное число в наблюдаемой Вселенной известно как число Эддингтона (Eddington number). Современные данные миссии Planck дают оценку порядка 1080 барионов. Это колоссальное число, но оно уступает по величине числу фотонов на 9 порядков.
Получают эту оценку через барион-фотонное отношение η = nb/nγ ≈ 6×10-10. Зная точное число фотонов реликтового излучения (см. ниже), космологи восстанавливают число барионов. Интересно, что Артур Эддингтон в 1930-х годах предсказал это число чисто теоретически, опираясь на тонкую структурную постоянную, и ошибся всего на порядок.
- 🔬 Протоны — стабильные барионы, ядра водорода.
- 🧪 Нейтроны — в свободном состоянии нестабильны (полураспад ~10 мин), стабильны в ядрах.
- ⚛️ Антибарионы — практически отсутствуют в наблюдаемой Вселенной (барионная асимметрия).
- 📊 Общая масса барионов ~1053 кг.
Фотоны и нейтрино: истинные короли количества
Если вы думали, что атомов больше всего — это ошибка. Фотоны реликтового излучения (CMB) превосходят барионы в 1,9 миллиарда раз. Их температура сегодня 2,725 К, а числовая плотность ~411 см-3. Умножение на объём даёт ~1089 фотонов. Это делает их самыми многочисленными частицами со спином 1 в наблюдаемой Вселенной.
На втором месте — реликтовые нейтрино (CνB). Они расцеплялись от материи ещё раньше фотонов (через 1 секунду после Большого взрыва). Их температура ниже (~1,95 К), но из-за спиновой статистики (фермионы) и трёх поколений (электронное, мюонное, тау) их общее число сравнимо с фоторами — тоже порядка 1089. Прямое обнаружение CνB пока недоступно современным детекторам.
⚠️ Внимание: часто встречается утверждение, что число частиц во Вселенной — 1080. Это верно только для барионов. Общее число известных частиц (включая фотоны и нейтрино) ближе к 1089–1090.
Фотоны и нейтрино превосходят барионы по количеству почти на 10 порядков. Атомы — это «пыль» на фоне реликтового моря элементарных частиц.
Тёмная материя: неизвестное количество неизвестных частиц
Тёмная материя составляет ~27% энергетической плотности Вселенной. Но её число частиц зависит от массы гипотетической частицы-кандидата. Если это WIMPs (массивные слабо взаимодействующие частицы) массой ~100 ГэВ, их число ~1077 — меньше, чем барионов. Если это аксионы с массой ~10-5 эВ, их число взлетает до 1090 и выше, обгоняя фотоны.
На данный момент прямых доказательств существования какой-либо конкретной частицы тёмной материи нет. Эксперименты XENONnT, LZ, ADMX лишь сужают параметрическое пространство. Поэтому любой расчёт общего числа частиц во Вселенной с включением тёмной материи остаётся спекулятивным.
Основные кандидаты в частицы тёмной материи и их оценки количества
WIMPs (Weakly Interacting Massive Particles): масса ~10-1000 ГэВ, число ~10^77-10^79. Классические кандидаты суперсимметрии.Аксионы: масса ~мкэВ-мэВ, число ~10^88-10^92. Решают сильную CP-проблему КХД.Sterile Neutrinos (Стерильные нейтрино): масса ~кэВ, число ~10^87-10^89. Кандидаты в тёплую тёмную материю.Primordial Black Holes (Первичные чёрные дыры): не частицы в строгом смысле, но MACHO-кандидаты. Число зависит от спектра масс.
Методы расчёта: от плотности к абсолютным числам
Как вообще получают эти числа? Алгоритм выглядит так: измеряют температуру CMB → определяют плотность энтропии → через сохранение энтропии на комовом объёме находят численную плотность фотонов → используют барион-фотонное отношение η из анизотропий CMB → получают плотность барионов → умножают на объём наблюдаемой Вселенной.
Для нейтрино используют теоретическое соотношение температур Tν = (4/11)1/3 Tγ. Для тёмной материи — подбирают массу частицы так, чтобы дать наблюдаемую плотность ΩDMh2 ≈ 0,12. Вся эта цепочка опирается на модель ΛCDM и данные Planck 2018.
☑️ Алгоритм оценки числа частиц
| Тип частицы | Примерная числовая плотность (см-3) | Оценка общего числа в наблюд. Вселенной | Статус |
|---|---|---|---|
| Фотоны (CMB) | ~411 | ~2×1089 | Наблюдаются напрямую |
| Нейтрино (CνB) | ~336 (на вид) | ~1,5×1089 | Косвенные доказательства |
| Барионы (п/н) | ~2,5×10-7 | ~1080 | Наблюдаются напрямую |
| Электроны | ~2,5×10-7 | ~1080 | Наблюдаются напрямую |
| Тёмная материя (WIMP) | ~10-5–10-6 | ~1077–1078 | Гипотеза |
Энтропия, информация и число частиц
Число частиц тесно связано с энтропией Вселенной. По Бекенштейну-Хокингу, энтропия горизонта событий наблюдаемой Вселенной ~10123 kB. Энтропия реликтового излучения ~1088 kB. Разница в 35 порядков означает: большая часть энтропии (и информационной ёмкости) скрыта в гравитационных степенях свободы (чёрные дыры, горизонт Хаббла), а не в газовых частицах.
Это ведёт к гипотезе голографического принципа: вся информация внутри объёма кодируется на его границе. Если считать «частицами» кванты пространства-времени (плосковские ячейки), их число будет ~10184 — число, делающее 1089 ничтожно малым. Но это уже квантовая гравитация, а не Стандартная модель.
Для запоминания порядков: барионы 10^80, фотоны/нейтрино 10^89, энтропия горизонта 10^123, плосковские ячейки 10^184. Каждый шаг — это фундаментально новый уровень физики.
Частые заблуждения и уточнения
Многие популярные источники путают массу и число, или полную Вселенную с наблюдаемой. Масса Вселенной (~1054 кг) в основном задаётся тёмной энергией и тёмной материей, а не барионами. Число атомов (~1080) часто выдают за число всех частиц, игнорируя фотоны и нейтрино.
Ещё одно заблуждение: «частиц конечное число, значит Вселенная конечна». Наблюдаемая Вселенная — конечно. Вся Вселенная может быть бесконечной (плоская геометрия с простой топологией), тогда частиц бесконечно много. Космология оперирует только наблюдаемым патчем.
⚠️ Внимание: любая цифра «числа частиц во Вселенной» без оговорки «наблюдаемой» и без указания типа частиц (барионы? фотоны? все вместе?) является научной неточностью. Контекст критически важен.
FAQ: Часто задаваемые вопросы
Сколько всего атомов во Вселенной? В наблюдаемой Вселенной примерно 1080 барионов, что соответствует примерно такому же числу атомов (в основном водорода и гелия).