Kolik atomů je ve vesmíru?

Můžeme mít mezi sebou mnoho rozdílů; různé třídy, víry, země, povolání, a dokonce i chutě, ale jedno máme všichni společné – náš mikroskopický plán… všichni jsme složeni z atomů. To není společné jen pro naše bližní, ale pro všechny formy hmoty, které existují, od bakterií a motýlů až po lvy, kontinenty a dokonce i kolosální hvězdy.

Vše, co má nějakou hmotnost, je uspořádáno z atomů, protože ty jsou stavebními kameny hmoty. Počet atomů v pozorovatelném vesmíru je konečný, takže atomy neustále mění své uspořádání a vytvářejí nové věci. Pokud jsou konečné, pak můžeme vypočítat celkový počet atomů ve vesmíru nebo alespoň dospět k přibližnému číslu. K tomu však potřebujeme pochopit původ hmoty a samotného vesmíru.

Velký třesk

Vesmír je nesmírně rozsáhlý, ale podle teorie velkého třesku se rozpínal z nekonečně malého bodu. K tomuto závěru se dospělo zpětnou extrapolací pozorovatelného rozpínání vesmíru v čase pomocí obecné teorie relativity. Tato extrapolace vede zpět k nekonečně malému bodu, kde je nekonečná hustota a teplota a kde nemůže existovat žádná forma hmoty.

Tento velký třesk je vysledován zpět do konečného času – 13. století.8 miliard let, což je známé stáří našeho vesmíru. Prvními vzniklými atomy byly vodík a helium, které se začaly tvořit asi 380 000 let po velkém třesku.

Existují určité fyzikální překážky, které omezují náš pohled na vesmír. Konkrétně můžeme pozorovat pouze ty části vesmíru z oblastí, kde elektromagnetické záření stihlo dosáhnout naší sluneční soustavy. Nevíme tedy, co se nachází za horizontem pozorovatelného vesmíru, takže při výpočtu počtu atomů vycházíme spíše z pozorovatelného vesmíru než z celého vesmíru.

Kosmologický princip

Další věcí, kterou je třeba zvážit, je hustota a rozložení hmoty ve vesmíru. Na základě kosmologického principu je vesmír při pohledu ve velkém měřítku homogenní a izotropní. To znamená, že fyzikální zákony působí ve vesmíru jako celku rovnoměrně a neměly by v něm být pozorovatelné žádné nepravidelnosti ve velkorozměrových strukturách. To platí i pro hmotu, která je ve vesmíru rovnoměrně rozložena. To pomáhá při odhadu průměrného počtu galaxií a hvězd ve vesmíru. Tento princip také říká, že těžší prvky nevznikly při velkém třesku, ale byly vytvořeny později v obřích hvězdách.

Zjednodušeně řečeno, vesmír vypadá pro každého pozorovatele z libovolného místa, odkud se na něj dívá, stejně; hustota hmoty je ve velkých měřítkách stejná.

Počet atomů v pozorovatelném vesmíru

Pro účely tohoto výpočtu budeme předpokládat, že vesmír je tvořen pouze atomy vodíku. Tím získáme jednotnost z důvodu snazšího výpočtu. Začneme výpočtem počtu atomů vodíku v našem Slunci. Hmotnost Slunce je 2,011×1033 g. Průměrná atomová hmotnost atomu vodíku je 1,008 amu. Abychom získali počet atomů ve Slunci, museli bychom hmotnost Slunce vydělit molární hmotností atomu vodíku a vynásobit ji Avogadrovým číslem. Avogadrovo číslo je počet elementárních částic, jako jsou molekuly, atomy, sloučeniny atd. na mol látky; tím získáme počet atomů.

Počet atomů ve Slunci vychází 1,201×1057. Víme, že v naší galaxii, Mléčné dráze, je přibližně 1011 hvězd. Počet atomů v naší galaxii tedy vyjde 1,201×1068, když počet hvězd vynásobíme počtem atomů ve Slunci.

Pro pozorovatelný vesmír víme, že existuje přibližně 1011 galaxií. Počet atomů ve vesmíru zjistíme vynásobením počtu atomů v naší galaxii počtem galaxií ve vesmíru. Celkový počet atomů ve vesmíru pak činí… 1078!

Jiný způsob, jak tento výpočet provést, je spočítat hmotnost vesmíru. V průměru víme, že v pozorovatelném vesmíru je asi 400 miliard galaxií, což vychází přibližně na 1,2 x 1023 hvězd neboli více než 100 sextilionů. Jedna hvězda váží v průměru asi 1035 gramů, což činí celkovou hmotnost vesmíru 1058 neboli 1,2 x 1052 metrických tun. Každý gram hmoty obsahuje přibližně 1024 protonů, což je stejné, pokud předpokládáme, že všechny atomy jsou vodíkové, protože atom vodíku obsahuje pouze jeden proton. Celkový počet atomů vodíku pak bude činit 1086 neboli sto tisíc kvadrilionů vigintilionů.

Tyto hrubé výpočty se pohybují od 1078 do 1086. Laicky řečeno se jedná o deset kvadrilionů vigintilionů a sto tisíc kvadrilionů vigintilionů atomů. Ještě lépe by to vypadalo na 10 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 atomů… opravdu hodně nul!“

Přestože se tento počet atomů zdá být velký, hmota tvoří pouze 4,9 % pozorovatelného vesmíru. Zbytek tvoří 68,3 % temné energie a 26,8 % temné hmoty. Předpokládá se také, že temná energie a temná hmota jsou v celém vesmíru rovnoměrně rozloženy nebo uspořádány do shluků, stejně jako normální hmota. Jejich vlastnosti jsou z velké části neznámé, ale panuje shoda, že pomáhají při rozpínání vesmíru.

Musíme si uvědomit, že se jedná o hrubé odhady založené na mnoha obecných předpokladech. Jak bude věda dále postupovat, vymyslíme ještě lepší způsoby přesnějších odhadů, konkrétně simulací vesmíru v počítačích.

V každém případě se atomy budou stále proměňovat v různá uspořádání jiných věcí, stejně jako atomy, které byly kdysi ve hvězdě, nyní tvoří vás a mě. S tím vším na paměti bude těžké někdy zapomenout, že jste z hvězdné hmoty!“