Hány atom van az univerzumban?

Lehet, hogy sok különbség van közöttünk; különböző osztályok, hitek, országok, foglalkozások és még ízlések is, de egy dolog közös bennünk: a mikroszkopikus tervrajzunk… mindannyian atomokból állunk. Ez nem csak embertársaink között közös, hanem az anyag minden létező formájára igaz, a baktériumoktól és pillangóktól kezdve az oroszlánokon és kontinenseken át a kolosszális csillagokig.

Minden, aminek tömege van, atomokból áll, hiszen ezek az anyag építőkövei. Az atomok száma a megfigyelhető világegyetemben véges, ezért az atomok folyamatosan változtatják elrendezésüket, hogy új dolgokat alkossanak. Ha végesek, akkor ki tudjuk számítani az univerzumban lévő összes atom számát, vagy legalábbis eljuthatunk egy hozzávetőleges számadathoz. Ehhez azonban meg kell értenünk az anyag és magának az univerzumnak az eredetét.

A Nagy Bumm

A világegyetem rendkívül hatalmas, de a Nagy Bumm elmélet szerint egy végtelenül kicsi pontból tágult ki. Ez a következtetés a világegyetem megfigyelhető tágulásának az időben visszafelé történő extrapolálásával jött létre az általános relativitáselmélet segítségével. Ez az extrapoláció visszavezet egy végtelenül kicsi ponthoz, ahol végtelen sűrűség és hőmérséklet van, ahol az anyag semmilyen formája nem létezhet.

Az ősrobbanást egy véges időpontig követhetjük vissza – 13.8 milliárd évvel ezelőttre, a mi világegyetemünk ismert korára. Az első atomok a hidrogén és a hélium voltak, amelyek körülbelül 380 000 évvel az ősrobbanás után kezdtek kialakulni.

Vannak olyan fizikai akadályok, amelyek korlátozzák a világegyetemről alkotott képünket. Nevezetesen, a világegyetemnek csak azokat a részeit tudjuk megfigyelni azokról a területekről, ahonnan az elektromágneses sugárzásnak volt ideje elérni a Naprendszerünket. Így nem tudjuk, mi van a megfigyelhető univerzum horizontján túl, így amikor kiszámítjuk az atomok számát, a feltételezésünk a megfigyelhető univerzumon alapul, nem pedig a teljes univerzumon.

A kozmológiai elv

A másik dolog, amit figyelembe kell venni, az az anyag sűrűsége és eloszlása az univerzumban. A kozmológiai elv alapján a világegyetem nagy léptékben nézve homogén és izotróp. Ez azt jelenti, hogy a fizikai törvények egységesen hatnak a világegyetem egészére, és a nagy léptékű struktúrákban nem lehetnek megfigyelhető szabálytalanságok. Ez igaz az anyagra is, amely egyenletesen oszlik el a világegyetemben. Ez segít megbecsülni a galaxisok és csillagok átlagos számát a világegyetemben. Ez az elv azt is kimondja, hogy a nehezebb elemek nem az ősrobbanáskor keletkeztek, hanem később, óriáscsillagokban keletkeztek.

Egyszerűen fogalmazva, a világegyetem minden megfigyelő számára ugyanúgy néz ki, bárhonnan is nézzük; az anyag sűrűsége a nagy léptékekben azonos.

A megfigyelhető univerzumban lévő atomok száma

A számításhoz feltételezzük, hogy az univerzum csak hidrogénatomokból áll. Ez egységességet biztosít számunkra a könnyebb számítás érdekében. Kezdjük azzal, hogy kiszámítjuk a Napunkban lévő hidrogénatomok számát. A Nap tömege 2,011×1033 g. A hidrogénatom átlagos atomtömege 1,008 amu. Ahhoz, hogy megkapjuk a Napban lévő atomok számát, el kell osztanunk a Nap tömegét a hidrogénatom moláris tömegével, és ezt meg kell szoroznunk Avogadro számával. Az Avogadro-szám az elemi részecskék, például molekulák, atomok, vegyületek stb. száma egy molnyi anyagra vetítve; ez adja meg az atomok számát.

A Napban lévő atomok száma 1,201×1057. Tudjuk, hogy galaxisunkban, a Tejútrendszerben körülbelül 1011 csillag található. A galaxisunkban lévő atomok száma tehát 1,201×1068, ha a csillagok számát megszorozzuk a Napban lévő atomok számával.

A megfigyelhető világegyetemről tudjuk, hogy körülbelül 1011 galaxis van. A világegyetemben lévő atomok számát úgy találjuk meg, hogy a galaxisunkban lévő atomok számát megszorozzuk a világegyetemben lévő galaxisok számával. Az univerzumban lévő atomok teljes száma ekkor… 1078!

A számítás másik módja az univerzum tömegének kiszámítása. Tudjuk, hogy átlagosan körülbelül 400 milliárd galaxis van a megfigyelhető világegyetemben, ami körülbelül 1,2 x 1023 csillagot vagy több mint 100 szekszmilliárdot jelent. Egy csillag átlagosan körülbelül 1035 grammot nyom, ami a világegyetem teljes tömegét 1058 vagy 1,2 x 1052 metrikus tonnára teszi. Minden gramm anyag körülbelül 1024 protont tartalmaz, ami akkor is így van, ha feltételezzük, hogy minden atom hidrogén, mivel egy hidrogénatom csak egy protont tartalmaz. A hidrogénatomok teljes száma ekkor 1086 vagy százezer kvadrillió vigintillió lesz.

Ezek a durva számítások 1078 és 1086 között mozognak. Laikus nyelven ez körülbelül tíz kvadrillió vigintillió és százezer kvadrillió vigintillió atomot jelent. Jobban mondva, ez úgy nézne ki, mint 10 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000… valóban sok nulla!

Az anyag a megfigyelhető világegyetem mindössze 4,9%-át teszi ki. (Photo Credit : Marcel Drechsler/ )

Noha az atomok száma soknak tűnik, az anyag a megfigyelhető világegyetemnek csupán 4,9%-át teszi ki. A maradékot 68,3%-ban sötét energia és 26,8%-ban sötét anyag alkotja. A sötét energiáról és a sötét anyagról is azt feltételezik, hogy a normál anyaghoz hasonlóan egyenletesen eloszlanak vagy csomókba rendeződnek a világegyetemben. Tulajdonságaik nagyrészt ismeretlenek, de abban egyetértés van, hogy hozzájárulnak a világegyetem tágulásához.

Meg kell jegyeznünk, hogy ezek durva becslések, amelyek számos általános feltételezésen alapulnak. Ahogy a tudomány tovább fejlődik, még jobb módszereket fogunk kitalálni a pontosabb becslések elkészítésére, nevezetesen a világegyetem számítógépes szimulációjával.

Az atomok mindenesetre folyamatosan átalakulnak más dolgok különböző elrendezéseivé, ahogyan az egykor egy csillagban lévő atomok ma téged és engem alkotnak. Mindezt szem előtt tartva nehéz lesz valaha is elfelejteni, hogy csillaganyagból vagy!