Ile atomów jest we wszechświecie?

Możemy mieć wiele różnic między nami; różne klasy, wierzenia, kraje, zawody, a nawet upodobania, ale jedną rzeczą, którą wszyscy mamy wspólną jest nasz mikroskopijny schemat… wszyscy jesteśmy zbudowani z atomów. To nie jest wspólne tylko dla ludzi, ale dla każdej formy materii, która istnieje, od bakterii i motyli do lwów, kontynentów, a nawet kolosalnych gwiazd.

Wszystko, co ma masę, składa się z atomów, ponieważ są one budulcem materii. Liczba atomów w obserwowalnym wszechświecie jest skończona, więc atomy wciąż zmieniają swój układ, tworząc nowe rzeczy. Jeśli są one skończone, to możemy obliczyć całkowitą liczbę atomów we wszechświecie, a przynajmniej osiągnąć przybliżoną wartość. Aby to jednak zrobić, musimy zrozumieć pochodzenie materii i samego wszechświata.

Wielki Wybuch

Wszechświat jest niezwykle rozległym miejscem, ale zgodnie z Teorią Wielkiego Wybuchu, rozszerzył się z nieskończenie małego punktu. Wniosek ten został wyciągnięty przez wsteczną ekstrapolację obserwowalnej ekspansji wszechświata w czasie przy użyciu ogólnej teorii względności. Ta ekstrapolacja prowadzi z powrotem do nieskończonego punktu, gdzie jest nieskończona gęstość i temperatura, gdzie żadna forma materii nie mogłaby prawdopodobnie istnieć.

Ten Wielki Wybuch jest prześledzony do skończonego czasu – 13.8 miliardów lat temu, znanego wieku naszego wszechświata. Pierwszymi atomami, które się uformowały były wodór i hel, które zaczęły się tworzyć około 380 000 lat po Wielkim Wybuchu.

Istnieją pewne fizyczne bariery, które ograniczają nasz ogląd wszechświata. Mianowicie, możemy obserwować tylko te części wszechświata z obszarów, gdzie promieniowanie elektromagnetyczne zdążyło dotrzeć do naszego Układu Słonecznego. Nie wiemy więc, co leży poza horyzontem obserwowalnego wszechświata, więc kiedy obliczamy liczbę atomów, nasze założenie opiera się na obserwowalnym wszechświecie, a nie na całym wszechświecie.

Zasada kosmologiczna

Inną rzeczą, którą należy rozważyć, jest gęstość i rozmieszczenie materii we wszechświecie. W oparciu o zasadę kosmologiczną, wszechświat jest jednorodny i izotropowy, gdy patrzy się na niego w dużej skali. Oznacza to, że prawa fizyczne działają jednolicie we wszechświecie jako całości i nie powinny mieć żadnych obserwowalnych nieregularności w strukturach wielkoskalowych. Dotyczy to również materii, która jest równomiernie rozłożona w całym wszechświecie. Pomaga to w oszacowaniu średniej liczby galaktyk i gwiazd we wszechświecie. Zasada ta stwierdza również, że cięższe pierwiastki nie zostały wytworzone w Wielkim Wybuchu, lecz powstały później w olbrzymich gwiazdach.

Praktycznie rzecz ujmując, wszechświat wygląda tak samo dla każdego obserwatora z dowolnego miejsca, w którym jest oglądany; gęstość materii jest taka sama w dużych skalach.

Liczba atomów w obserwowalnym wszechświecie

Dla celów tego obliczenia założymy, że wszechświat składa się tylko z atomów wodoru. Zapewni nam to jednorodność ze względu na łatwiejsze obliczenia. Zaczniemy od obliczenia liczby atomów wodoru w naszym Słońcu. Masa Słońca wynosi 2,011×1033 g. Średnia masa atomowa atomu wodoru wynosi 1,008 amu. Aby otrzymać liczbę atomów w Słońcu, musielibyśmy podzielić masę Słońca przez masę molową atomu wodoru i pomnożyć to przez liczbę Avogadro. Liczba Avogadro’a to liczba cząstek elementarnych, takich jak molekuły, atomy, związki, itp. na mol substancji; to da nam liczbę atomów.

Liczba atomów w Słońcu wynosi 1.201×1057. Wiemy, że w naszej galaktyce, Drodze Mlecznej, znajduje się około 1011 gwiazd. Liczba atomów w naszej galaktyce wynosi zatem 1.201×1068, gdy liczbę gwiazd pomnożymy przez liczbę atomów w słońcu.

W odniesieniu do obserwowalnego wszechświata wiemy, że istnieje około 1011 galaktyk. Liczbę atomów we wszechświecie znajdziemy mnożąc liczbę atomów w naszej galaktyce przez liczbę galaktyk we wszechświecie. Całkowita liczba atomów we wszechświecie wynosi wtedy… 1078!

Innym sposobem na wykonanie tych obliczeń jest obliczenie masy wszechświata. Wiemy średnio, że w obserwowalnym wszechświecie znajduje się około 400 miliardów galaktyk, co daje około 1,2 x 1023 gwiazd lub ponad 100 sekstylionów. Przeciętnie jedna gwiazda waży około 1035 gramów, co daje całkowitą masę wszechświata 1058 lub 1,2 x 1052 ton metrycznych. Każdy gram materii zawiera około 1024 protonów, czyli tyle samo, jeśli założymy, że wszystkie atomy są wodorem, ponieważ atom wodoru zawiera tylko jeden proton. Całkowita liczba atomów wodoru będzie wtedy wynosić 1086 lub sto tysięcy kwadrylionów wigintillionów.

Te przybliżone obliczenia wahają się od 1078 do 1086. W terminologii laika jest to około dziesięć kwadrylionów wigintillionów i sto tysięcy kwadrylionów wigintillionów atomów. Jeszcze lepiej, wyglądałoby to jak 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 atomów… mnóstwo zer w rzeczy samej!

Mimo że ta liczba atomów wydaje się duża, materia składa się tylko z 4,9% obserwowalnego wszechświata. Reszta składa się z 68,3% ciemnej energii i 26,8% ciemnej materii. Postuluje się również, że ciemna energia i ciemna materia są równomiernie rozmieszczone lub zorganizowane w skupiska, tak jak normalna materia, w całym wszechświecie. Ich właściwości są w dużej mierze nieznane, ale zgadza się, że pomagają one w ekspansji wszechświata.

Musimy zauważyć, że są to przybliżone szacunki oparte na wielu szerokich założeniach. W miarę dalszego postępu nauki opracujemy jeszcze lepsze sposoby dokonywania dokładniejszych szacunków, mianowicie poprzez symulowanie wszechświata w komputerach.

W każdym razie atomy będą się przekształcać w różne układy innych rzeczy, tak jak atomy, które kiedyś były w gwieździe, teraz tworzą ciebie i mnie. Mając to wszystko na uwadze, trudno będzie kiedykolwiek zapomnieć, że jesteś zrobiony z gwiezdnego materiału!