Wie viele Atome gibt es im Universum?

Wir mögen viele Unterschiede zwischen uns haben; verschiedene Klassen, Glaubensrichtungen, Länder, Berufe und sogar Geschmäcker, aber eines haben wir alle gemeinsam: unseren mikroskopischen Bauplan… wir bestehen alle aus Atomen. Das gilt nicht nur für unsere Mitmenschen, sondern für jede Form von Materie, die es gibt, von Bakterien und Schmetterlingen bis hin zu Löwen, Kontinenten und sogar kolossalen Sternen.

Alles, was eine Masse hat, ist eine Anordnung von Atomen, denn sie sind die Bausteine der Materie. Die Anzahl der Atome im beobachtbaren Universum ist endlich, also ändern die Atome ständig ihre Anordnung, um neue Dinge zu bilden. Wenn sie endlich sind, dann können wir die Gesamtzahl der Atome im Universum berechnen oder zumindest eine ungefähre Zahl ermitteln. Dazu müssen wir jedoch den Ursprung der Materie und des Universums selbst verstehen.

Der Urknall

Das Universum ist extrem groß, aber nach der Urknalltheorie hat es sich von einem winzigen Punkt aus ausgedehnt. Diese Schlussfolgerung ergibt sich aus der Rückwärtsextrapolation der beobachtbaren Expansion des Universums durch die Zeit unter Verwendung der allgemeinen Relativitätstheorie. Diese Extrapolation führt zurück zu einem infinitesimalen Punkt, an dem unendliche Dichte und Temperatur herrschen und keine Form von Materie existieren kann.

Dieser Urknall wird auf eine endliche Zeit zurückgeführt – 13.8 Milliarden Jahren, dem bekannten Alter unseres Universums. Die ersten Atome, die sich bildeten, waren Wasserstoff und Helium, die sich etwa 380.000 Jahre nach dem Urknall zu bilden begannen.

Es gibt einige physikalische Barrieren, die unseren Blick auf das Universum begrenzen. Wir können nämlich nur die Teile des Universums beobachten, in denen die elektromagnetische Strahlung Zeit hatte, unser Sonnensystem zu erreichen. Wir wissen also nicht, was jenseits des Horizonts des beobachtbaren Universums liegt. Wenn wir also die Anzahl der Atome berechnen, basieren unsere Annahmen auf dem beobachtbaren Universum und nicht auf dem gesamten Universum.

Das kosmologische Prinzip

Ein weiterer Punkt, der zu berücksichtigen ist, ist die Dichte und Verteilung der Materie im Universum. Das kosmologische Prinzip besagt, dass das Universum im großen Maßstab homogen und isotrop ist. Das bedeutet, dass die physikalischen Gesetze im gesamten Universum gleichmäßig wirken und es keine beobachtbaren Unregelmäßigkeiten in den großräumigen Strukturen geben sollte. Dies gilt auch für die Materie, die gleichmäßig im Universum verteilt ist. Dies hilft bei der Schätzung der durchschnittlichen Anzahl von Galaxien und Sternen im Universum. Dieses Prinzip besagt auch, dass schwerere Elemente nicht beim Urknall entstanden sind, sondern sich später in Riesensternen gebildet haben.

Einfach ausgedrückt, sieht das Universum für jeden Beobachter von jedem Ort aus gleich aus; die Materiedichte ist über große Skalen hinweg gleich.

Die Anzahl der Atome im beobachtbaren Universum

Für die Zwecke dieser Berechnung nehmen wir an, dass das Universum nur aus Wasserstoffatomen besteht. Dies dient der Vereinheitlichung und erleichtert die Berechnung. Wir beginnen mit der Berechnung der Anzahl der Wasserstoffatome in unserer Sonne. Die Masse der Sonne beträgt 2,011×1033 g. Die durchschnittliche Atommasse eines Wasserstoffatoms beträgt 1,008 amu. Um die Anzahl der Atome in der Sonne zu ermitteln, müssen wir die Masse der Sonne durch die molare Masse des Wasserstoffatoms teilen und das Ergebnis mit der Avogadroschen Zahl multiplizieren. Die Avogadrosche Zahl ist die Anzahl der Elementarteilchen wie Moleküle, Atome, Verbindungen usw. pro Mol einer Substanz; daraus ergibt sich die Anzahl der Atome.

Die Anzahl der Atome in der Sonne beläuft sich auf 1,201×1057. Wir wissen, dass es in unserer Galaxie, der Milchstraße, etwa 1011 Sterne gibt. Die Anzahl der Atome in unserer Galaxie beträgt also 1,201×1068, wenn man die Anzahl der Sterne mit der Anzahl der Atome in der Sonne multipliziert.

Für das beobachtbare Universum wissen wir, dass es ungefähr 1011 Galaxien gibt. Wir finden die Anzahl der Atome im Universum, indem wir die Anzahl der Atome in unserer Galaxie mit der Anzahl der Galaxien im Universum multiplizieren. Die Gesamtzahl der Atome im Universum beträgt dann… 1078!

Eine andere Möglichkeit, diese Berechnung durchzuführen, ist die Berechnung der Masse des Universums. Wir wissen, dass es im Durchschnitt etwa 400 Milliarden Galaxien im beobachtbaren Universum gibt, was etwa 1,2 x 1023 Sternen oder über 100 Sextillionen entspricht. Im Durchschnitt wiegt ein Stern etwa 1035 Gramm, so dass die Gesamtmasse des Universums 1058 oder 1,2 x 1052 Tonnen beträgt. Jedes Gramm Materie enthält etwa 1024 Protonen, was auch der Fall ist, wenn man davon ausgeht, dass alle Atome Wasserstoff sind, da ein Wasserstoffatom nur ein Proton enthält. Die Gesamtzahl der Wasserstoffatome beträgt dann 1086 oder einhunderttausend Billiarden Vigintillionen.

Diese groben Berechnungen reichen von 1078 bis 1086. Für den Laien sind das etwa zehn Quadrillionen Vigintillionen und einhunderttausend Quadrillionen Vigintillionen Atome. Besser gesagt, es wären 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 Atome… viele Nullen in der Tat!

Auch wenn diese Anzahl von Atomen viel zu sein scheint, macht die Materie nur 4,9 % des beobachtbaren Universums aus. Der Rest setzt sich aus 68,3 % dunkler Energie und 26,8 % dunkler Materie zusammen. Auch dunkle Energie und dunkle Materie sollen wie die normale Materie gleichmäßig im Universum verteilt oder in Klumpen organisiert sein. Ihre Eigenschaften sind weitgehend unbekannt, aber man ist sich einig, dass sie zur Ausdehnung des Universums beitragen.

Wir müssen beachten, dass es sich hierbei um grobe Schätzungen handelt, die auf vielen allgemeinen Annahmen beruhen. Wenn die Wissenschaft weiter fortschreitet, werden wir noch bessere Möglichkeiten finden, genauere Schätzungen vorzunehmen, insbesondere durch Simulation des Universums in Computern.

Auf jeden Fall werden sich die Atome immer wieder in verschiedene Anordnungen anderer Dinge umwandeln, so wie die Atome, die einst in einem Stern waren, jetzt dich und mich ausmachen. Mit all dem im Hinterkopf wird es schwer sein, jemals zu vergessen, dass du aus Sternenmaterial gemacht bist!