Quanti atomi ci sono nell’universo?

Possiamo avere molte differenze tra noi; diverse classi, credenze, paesi, occupazioni e persino gusti, ma una cosa che tutti noi abbiamo in comune è il nostro microscopico progetto… siamo tutti fatti di atomi. Questo non è solo condiviso tra gli esseri umani; piuttosto, è il caso di ogni forma di materia esistente, dai batteri e le farfalle ai leoni, i continenti e persino le stelle colossali.

Tutto ciò che ha una massa è una disposizione di atomi, poiché sono i mattoni della materia. Il numero di atomi nell’universo osservabile è finito, quindi gli atomi continuano a cambiare la loro disposizione per formare nuove cose. Se sono finiti, allora possiamo calcolare il numero totale di atomi nell’universo, o almeno raggiungere una cifra approssimativa. Per farlo, però, dobbiamo capire le origini della materia e dell’universo stesso.

Il Big Bang

L’universo è un luogo estremamente vasto, ma secondo la teoria del Big Bang si è espanso da un punto infinitesimale. Questa conclusione è arrivata per estrapolazione a ritroso dell’espansione osservabile dell’universo attraverso il tempo usando la relatività generale. Questa estrapolazione porta ad un punto infinitesimale dove c’è densità e temperatura infinite, dove nessuna forma di materia potrebbe esistere.

Questo Big Bang viene fatto risalire a un tempo finito – 13.8 miliardi di anni fa, l’età conosciuta del nostro universo. I primi atomi a formarsi furono l’idrogeno e l’elio, che iniziarono a formarsi circa 380.000 anni dopo il Big Bang.

Ci sono alcune barriere fisiche che limitano la nostra visione dell’universo. Vale a dire, possiamo osservare solo le parti dell’universo dalle zone in cui la radiazione elettromagnetica ha avuto il tempo di raggiungere il nostro sistema solare. Quindi, non sappiamo cosa c’è oltre l’orizzonte dell’universo osservabile, quindi quando calcoliamo il numero di atomi, la nostra ipotesi si basa sull’universo osservabile, piuttosto che sull’intero universo.

Il principio cosmologico

Un’altra cosa da considerare è la densità e la distribuzione della materia nell’universo. In base al principio cosmologico, l’universo è omogeneo e isotropo se visto su larga scala. Questo significa che le leggi fisiche agiscono uniformemente in tutto l’universo e non dovrebbero avere irregolarità osservabili nelle strutture su larga scala. Questo vale anche per la materia, che è uniformemente distribuita in tutto l’universo. Questo aiuta a stimare il numero di galassie e stelle nell’universo, in media. Questo principio afferma anche che gli elementi più pesanti non sono stati prodotti dal Big Bang, ma si sono formati più tardi nelle stelle giganti.

In parole povere, l’universo sembra lo stesso per ogni osservatore da qualsiasi parte lo si guardi; la densità della materia è la stessa su larga scala.

Il numero di atomi nell’universo osservabile

Ai fini di questo calcolo, assumeremo che l’universo sia composto solo da atomi di idrogeno. Questo ci darà uniformità per facilitare il calcolo. Inizieremo calcolando il numero di atomi di idrogeno nel nostro Sole. La massa del sole è 2,011×1033 g. La massa atomica media dell’atomo di idrogeno è 1,008 amu. Per ottenere il numero di atomi nel Sole, dovremmo dividere la massa del sole per la massa molare dell’atomo di idrogeno e moltiplicarla per il numero di Avogadro. Il numero di Avogadro è il numero di particelle elementari, come molecole, atomi, composti, ecc. per mole di una sostanza; questo ci darà il numero di atomi.

Il numero di atomi nel sole arriva a 1,201×1057. Sappiamo che ci sono circa 1011 stelle nella nostra galassia, la Via Lattea. Il numero di atomi nella nostra galassia arriva quindi a 1,201×1068 quando il numero di stelle viene moltiplicato per il numero di atomi nel sole.

Per l’universo osservabile, sappiamo che ci sono circa 1011 galassie. Troveremo il numero di atomi nell’universo moltiplicando il numero di atomi nella nostra galassia per il numero di galassie nell’universo. Il numero totale di atomi nell’universo risulta quindi… 1078!

Un altro modo per fare questo calcolo è calcolare la massa dell’universo. Sappiamo in media che ci sono circa 400 miliardi di galassie nell’universo osservabile, il che equivale a circa 1,2 x 1023 stelle o oltre 100 sestilioni. In media, una stella pesa circa 1035 grammi, il che rende la massa totale dell’universo 1058 o 1,2 x 1052 tonnellate metriche. Ogni grammo di materia contiene circa 1024 protoni, il che è lo stesso se assumiamo che tutti gli atomi siano di idrogeno, poiché un atomo di idrogeno contiene un solo protone. Il numero totale di atomi di idrogeno sarà quindi pari a 1086 o centomila quadrilioni di vigintillioni.

Questi calcoli approssimativi vanno da 1078 a 1086. In termini profani, si tratta di circa dieci quadrilioni di vigintillioni e centomila quadrilioni di vigintillioni di atomi. Meglio ancora, sembrerebbe 10 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 atomi… un sacco di zero davvero!

Anche se quel numero di atomi sembra molto, la materia comprende solo il 4,9% dell’universo osservabile. Il resto è composto dal 68,3% di energia oscura e dal 26,8% di materia oscura. L’energia oscura e la materia oscura sono anche postulati per essere uniformemente distribuiti o organizzati in grumi, proprio come la materia normale, in tutto l’universo. Le loro proprietà sono in gran parte sconosciute, ma si concorda sul fatto che aiutano l’espansione dell’universo.

Dobbiamo notare che queste sono stime approssimative basate su molte ipotesi di massima. Con il progredire della scienza, escogiteremo modi ancora migliori per fare stime più accurate, in particolare simulando l’universo nei computer.

In ogni caso, gli atomi continueranno a trasformarsi in diverse disposizioni di altre cose, proprio come gli atomi che una volta erano in una stella ora compongono me e te. Con tutto questo in mente, sarà difficile dimenticare che sei fatto di roba stellare!