Câți atomi există în univers?

Am putea avea multe diferențe între noi; clase, credințe, țări, ocupații și chiar gusturi diferite, dar un lucru pe care îl avem cu toții în comun este planul nostru microscopic… suntem cu toții făcuți din atomi. Acest lucru nu este împărtășit doar între semenii noștri; mai degrabă, este cazul fiecărei forme de materie care există, de la bacterii și fluturi până la lei, continente și chiar stele colosale.

Toate lucrurile cu o masă sunt un aranjament de atomi, deoarece aceștia sunt elementele constitutive ale materiei. Numărul de atomi din universul observabil este finit, astfel încât atomii își schimbă în permanență aranjamentul pentru a forma lucruri noi. Dacă aceștia sunt fini, atunci putem calcula numărul total de atomi din univers sau, cel puțin, putem ajunge la o cifră aproximativă. Pentru a face acest lucru, însă, trebuie să înțelegem originile materiei și ale universului însuși.

Big Bang-ul

Universul este un loc extrem de vast, dar, conform teoriei Big Bang, acesta s-a extins dintr-un punct infinitezimal. Această concluzie a venit prin extrapolarea inversă a expansiunii observabile a universului în timp, folosind relativitatea generală. Această extrapolare duce înapoi la un punct infinitezimal în care există o densitate și o temperatură infinite, unde nu ar putea exista nicio formă de materie.

Acest Big Bang este urmărit până la un timp finit – 13.8 miliarde de ani în urmă, vârsta cunoscută a universului nostru. Primii atomi care s-au format au fost hidrogenul și heliul, care au început să se formeze la aproximativ 380.000 de ani după Big Bang.

Există unele bariere fizice care ne limitează viziunea asupra universului. Și anume, putem observa doar părțile universului din zonele în care radiația electromagnetică a avut timp să ajungă în sistemul nostru solar. Astfel, nu știm ce se află dincolo de orizontul universului observabil, așa că atunci când calculăm numărul de atomi, presupunerea noastră se bazează pe universul observabil, mai degrabă decât pe întregul univers.

Principiul cosmologic

Un alt lucru care trebuie luat în considerare este densitatea și distribuția materiei în univers. Pe baza principiului cosmologic, universul este omogen și izotropic atunci când este privit la scară mare. Acest lucru înseamnă că legile fizice acționează în mod uniform în întregul univers și nu ar trebui să prezinte nereguli observabile în structurile la scară largă. Acest lucru este valabil și pentru materie, care este distribuită în mod uniform în întregul univers. Acest lucru ajută la estimarea numărului de galaxii și stele din univers, în medie. Acest principiu afirmă, de asemenea, că elementele mai grele nu au fost produse de Big Bang, ci s-au format ulterior în stele gigantice.

Simplu spus, universul arată la fel pentru fiecare observator de oriunde ar fi privit; densitatea materiei este aceeași la scară mare.

Numărul de atomi din universul observabil

În scopul acestui calcul, vom presupune că universul este alcătuit numai din atomi de hidrogen. Acest lucru ne va oferi uniformitate pentru a facilita calculele. Vom începe prin a calcula numărul de atomi de hidrogen din Soarele nostru. Masa Soarelui este de 2,011×1033 g. Masa atomică medie a atomului de hidrogen este de 1,008 amu. Pentru a obține numărul de atomi din Soare, ar trebui să împărțim masa Soarelui la masa molară a atomului de hidrogen și să înmulțim acest rezultat cu numărul lui Avogadro. Numărul lui Avogadro este numărul de particule elementare, cum ar fi moleculele, atomii, compușii etc. per mol dintr-o substanță; acest lucru ne va da numărul de atomi.

Numărul de atomi din soare ajunge la 1,201×1057. Știm că în galaxia noastră, Calea Lactee, există aproximativ 1011 stele. Prin urmare, numărul de atomi din galaxia noastră ajunge la 1,201×1068 atunci când numărul de stele este înmulțit cu numărul de atomi din soare.

Pentru universul observabil, știm că există aproximativ 1011 galaxii. Vom afla numărul de atomi din univers înmulțind numărul de atomi din galaxia noastră cu numărul de galaxii din univers. Numărul total de atomi din univers ajunge atunci la… 1078!

O altă modalitate de a face acest calcul este prin calcularea masei universului. Știm că, în medie, există aproximativ 400 de miliarde de galaxii în universul observabil, ceea ce înseamnă aproximativ 1,2 x 1023 stele sau peste 100 de sextilioane. În medie, o stea cântărește în jur de 1035 de grame, ceea ce face ca masa totală a universului să fie de 1058 sau 1,2 x 1052 tone metrice. Fiecare gram de materie conține aproximativ 1024 de protoni, ceea ce este același lucru dacă presupunem că toți atomii sunt de hidrogen, deoarece un atom de hidrogen conține doar un singur proton. Numărul total de atomi de hidrogen va totaliza atunci 1086 sau o sută de mii de cvadrilioane de vigintilioane.

Aceste calcule aproximative variază între 1078 și 1086. În termeni profani, aceasta înseamnă aproximativ zece cvadrilioane de vigintillioane și o sută de mii de cvadrilioane de vigintillioane de atomi. Mai bine, ar arăta ca 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 de atomi… într-adevăr, o mulțime de zerouri!

Chiar dacă acest număr de atomi pare foarte mare, materia cuprinde doar 4,9% din universul observabil. Restul este alcătuit din 68,3% energie întunecată și 26,8% materie întunecată. Se postulează, de asemenea, că energia întunecată și materia întunecată sunt distribuite uniform sau organizate în aglomerări, la fel ca materia normală, în întregul univers. Proprietățile lor sunt în mare parte necunoscute, dar se convine că ele ajută la expansiunea universului.

Trebuie să observăm că acestea sunt estimări aproximative bazate pe multe ipoteze generale. Pe măsură ce știința va progresa în continuare, vom concepe modalități și mai bune de a face estimări mai precise, și anume prin simularea universului în computere.

În orice caz, atomii vor continua să se transforme în diferite aranjamente ale altor lucruri, la fel cum atomii care au fost cândva într-o stea ne alcătuiesc acum pe tine și pe mine. Ținând cont de toate acestea, va fi greu să uiți vreodată că ești făcut din materie stelară!

.