Hur många atomer finns det i universum?

Vi kan ha många olikheter mellan oss; olika klasser, trosuppfattningar, länder, yrken och till och med smaker, men en sak som vi alla har gemensamt är vår mikroskopiska ritning… vi är alla gjorda av atomer. Detta delas inte bara mellan medmänniskor, utan det gäller för varje form av materia som existerar, från bakterier och fjärilar till lejon, kontinenter och till och med kolossala stjärnor.

Allt som har en massa är ett arrangemang av atomer, eftersom de är materiens byggstenar. Antalet atomer i det observerbara universum är ändligt, så atomerna ändrar hela tiden sitt arrangemang för att bilda nya saker. Om de är ändliga kan vi beräkna det totala antalet atomer i universum, eller åtminstone nå en ungefärlig siffra. För att göra det måste vi dock förstå materiens och själva universums ursprung.

Big Bang

Universum är en extremt vidsträckt plats, men enligt Big Bang-teorin expanderade det från en oändligt liten punkt. Denna slutsats kom genom bakåtriktad extrapolering av den observerbara expansionen av universum genom tiden med hjälp av den allmänna relativitetsteorin. Denna extrapolering leder tillbaka till en infinitesimal punkt med oändlig täthet och temperatur, där ingen form av materia skulle kunna existera.

Denna Big Bang spåras tillbaka till en ändlig tid – 13.8 miljarder år sedan, den kända åldern för vårt universum. De första atomer som bildades var väte och helium, som började bildas cirka 380 000 år efter Big Bang.

Det finns vissa fysiska hinder som begränsar vår syn på universum. Vi kan nämligen bara observera de delar av universum från områden där elektromagnetisk strålning har hunnit nå vårt solsystem. Vi vet alltså inte vad som ligger bortom horisonten för det observerbara universumet, så när vi beräknar antalet atomer baseras vårt antagande på det observerbara universumet, snarare än på hela universum.

Den kosmologiska principen

En annan sak att ta hänsyn till är materiens täthet och fördelning i universum. Enligt den kosmologiska principen är universum homogent och isotropt när det betraktas i stor skala. Detta innebär att de fysiska lagarna verkar enhetligt i universum som helhet och borde inte ha några observerbara oregelbundenheter i storskaliga strukturer. Detta gäller även för materia, som är jämnt fördelad i hela universum. Detta hjälper till att uppskatta antalet galaxer och stjärnor i universum i genomsnitt. Denna princip säger också att tyngre grundämnen inte producerades vid Big Bang, utan bildades senare i jättestjärnor.

Simpelt uttryckt ser universum likadant ut för alla observatörer, varhelst de än tittar på det; materietätheten är densamma över stora skalor.

Antalet atomer i det observerbara universum

För den här beräkningen antar vi att universum endast består av väteatomer. Detta kommer att ge oss enhetlighet för att underlätta beräkningen. Vi börjar med att beräkna antalet väteatomer i vår sol. Solens massa är 2,011×1033 g. Väteatomens genomsnittliga atommassa är 1,008 amu. För att få fram antalet atomer i solen måste vi dividera solens massa med väteatomens molära massa och multiplicera det med Avogadros tal. Avogadros tal är antalet elementarpartiklar, såsom molekyler, atomer, föreningar osv. per mol av ett ämne; detta ger oss antalet atomer.

Antalet atomer i solen uppgår till 1,201×1057. Vi vet att det finns ungefär 1011 stjärnor i vår galax, Vintergatan. Antalet atomer i vår galax blir därför 1,201×1068 när antalet stjärnor multipliceras med antalet atomer i solen.

För det observerbara universum vet vi att det finns ungefär 1011 galaxer. Vi hittar antalet atomer i universum genom att multiplicera antalet atomer i vår galax med antalet galaxer i universum. Det totala antalet atomer i universum blir då… 1078!

Ett annat sätt att göra denna beräkning är att beräkna universums massa. Vi vet i genomsnitt att det finns cirka 400 miljarder galaxer i det observerbara universum, vilket motsvarar cirka 1,2 x 1023 stjärnor eller över 100 sextiljoner. I genomsnitt väger en stjärna cirka 1035 gram, vilket gör att universums totala massa är 1058 eller 1,2 x 1052 metriska ton. Varje gram materia innehåller cirka 1024 protoner, vilket är detsamma om vi antar att alla atomer är väte, eftersom en väteatom bara innehåller en proton. Det totala antalet väteatomer kommer då att uppgå till 1086 eller etthundratusen quadrillion vigintillion.

Dessa grova beräkningar sträcker sig från 1078 till 1086. I lekmannatermer handlar det om tio kvadrillion vigintiljoner och etthundratusen kvadrillion vigintiljoner atomer. (Foto: Marcel Drechsler/ )

Även om detta antal atomer verkar vara mycket, består materia endast av 4,9 % av det observerbara universum. Resten består av 68,3 % mörk energi och 26,8 % mörk materia. Mörk energi och mörk materia postuleras också vara jämnt fördelade eller organiserade i klumpar, precis som vanlig materia, i hela universum. Deras egenskaper är till stor del okända, men man är överens om att de bidrar till universums expansion.

Vi måste notera att detta är grova uppskattningar som bygger på många breda antaganden. När vetenskapen går vidare kommer vi att hitta ännu bättre sätt att göra mer exakta uppskattningar, nämligen genom att simulera universum i datorer.

I vilket fall som helst kommer atomerna att fortsätta att omvandlas till olika arrangemang av andra saker, precis som de atomer som en gång ingick i en stjärna nu utgör dig och mig. Med allt detta i åtanke kommer det att bli svårt att någonsin glömma att du är gjord av stjärnmaterial!