Сколько атомов во Вселенной?

Вся материя во Вселенной — независимо от того, насколько она большая, маленькая, молодая или старая — состоит из атомов .

Каждый из этих строительных блоков состоит из положительно заряженного ядра, состоящего из протонов и нейтронов, и отрицательно заряженных электронов, движущихся по орбите.

Число протонов, нейтронов и электронов в атоме определяет, к какому элементу он принадлежит в периодической таблице, и влияет на то, как он реагирует с другими атомами вокруг него. Все, что вы видите вокруг себя, — это просто конфигурация различных атомов, взаимодействующих друг с другом уникальным образом.

Итак, если все состоит из атомов, знаем ли мы, сколько атомов во Вселенной

Начнем с того, что в среднем человеческом теле около 7 октиллионов, или 7×10 ^ 27 (7 с последующими 27 нулями) атомов, по данным The Guardian . Учитывая такое огромное количество атомов только в одном человеке, вы можете подумать, что невозможно определить, сколько атомов во всей Вселенной. И вы были бы правы: поскольку мы не знаем, насколько велика вся Вселенная на самом деле, мы не можем узнать, сколько атомов в ней.

Однако можно приблизительно рассчитать, сколько атомов находится в наблюдаемой Вселенной — той части Вселенной, которую мы можем видеть и изучать, — используя некоторые космологические предположения и немного математики.

Наблюдение за  Вселенной

Вселенная была создана во время Большого взрыва 13,8 миллиарда лет назад. Когда она возникла из единой точки бесконечной массы и температуры, Вселенная начала расширяться наружу и с тех пор не прекращалась.

Поскольку Вселенной 13,8 миллиарда лет, а наблюдаемая Вселенная простирается от нас настолько далеко, насколько может перемещаться свет за время, прошедшее с момента рождения Вселенной, вы можете предположить, что наблюдаемая Вселенная простирается всего на 13,8 миллиарда световых лет во всех направлениях.

Но поскольку Вселенная постоянно расширяется, это не так. Когда мы наблюдаем далекую галактику или звезду, на самом деле мы видим то место, где она была, когда впервые испустила свет.

Но когда свет достигает нас, галактика или звезда оказывается намного дальше, чем когда мы видели ее. Используя космическое микроволновое фоновое излучение, мы можем определить, насколько быстро Вселенная расширяется, и поскольку эта скорость постоянна — что в настоящее время является лучшим предположением ученых (хотя некоторые ученые считают, что она может замедляться), — это означает, что размер Наблюдаемая нами Вселенная на самом деле простирается на 46 миллиардов световых лет во всех направлениях.

Но знание того, насколько велика наблюдаемая Вселенная, не говорит нам всего, что мы знаем о том, сколько в ней атомов. Нам также нужно знать, сколько в нем материи или чего-то еще.

Космические предположения

Однако материя — не единственное, что есть во Вселенной. Фактически, по данным НАСА , она составляет всего около 5% Вселенной . Остальное состоит из темной энергии и темной материи , но поскольку они не состоят из атомов, нам не нужно беспокоиться о них для этой загадки.

Согласно знаменитому уравнению Эйнштейна E = mc ^ 2, энергия и масса или материя взаимозаменяемы, поэтому материя может быть создана из энергии или преобразована в нее. Но в космическом масштабе Вселенной мы можем предположить, что количество созданной и несотворенной материи компенсирует друг друга.

Это означает, что материя конечна, поэтому, по данным Scientific American, в наблюдаемой Вселенной такое же количество атомов, как и всегда . Это важно, потому что наша картина наблюдаемой Вселенной — это не единый моментальный снимок.

Согласно нашим наблюдениям за известной Вселенной, физические законы, управляющие ею, везде одинаковы. В сочетании с предположением, что расширение Вселенной постоянно, это означает, что в больших масштабах материя равномерно распределена по всему космосу — концепция, известная как космологический принцип.

Другими словами, во Вселенной нет регионов, в которых материи больше, чем в других. Эта идея позволяет ученым точно оценить количество звезд и галактик в наблюдаемой Вселенной, что полезно, потому что большинство атомов находится внутри звезд.

Упрощение уравнения

Знание размера наблюдаемой Вселенной и того, что материя равномерно и конечным образом распределена по ней, значительно упрощает вычисление количества атомов. Однако есть еще несколько предположений, которые мы должны сделать, прежде чем мы перейдем к калькулятору.

Во-первых, мы должны предположить, что все атомы содержатся внутри звезд, хотя это не так. К сожалению, у нас есть гораздо менее точное представление о том, сколько планет, лун и космических камней существует в наблюдаемой Вселенной, по сравнению со звездами, что означает, что сложнее добавить их в уравнение.

Но поскольку подавляющее большинство атомов во Вселенной содержится в звездах, мы можем получить хорошее приближение количества атомов во Вселенной, вычислив, сколько атомов во Вселенной, и игнорируя все остальное.

Во-вторых, мы должны предположить, что все атомы во Вселенной являются атомами водорода , хотя это не так. По данным Лос-Аламосской национальной лаборатории , на атомы водорода приходится около 90% всех атомов во Вселенной, и еще больший процент атомов в звездах, на которых мы сосредоточены. Как вы вскоре увидите, это также значительно упрощает вычисления.

Теперь, наконец, пора заняться математикой.

Чтобы вычислить количество атомов в наблюдаемой Вселенной, нам нужно знать ее массу, а это значит, что мы должны выяснить, сколько существует звезд. По данным Европейского космического агентства, в наблюдаемой Вселенной от 10 ^ 11 до 10 ^ 12 галактик, и каждая галактика содержит от 10 ^ 11 до 10 ^ 12 звезд .

Это дает нам где-то между 10 ^ 22 и 10 ^ 24 звездами. Для целей этого расчета мы можем сказать, что в наблюдаемой Вселенной 10 ^ 23 звезд. Конечно, это всего лишь предположение; Галактики могут различаться по размеру и количеству звезд, но поскольку мы не можем подсчитать их по отдельности, на данный момент это нужно сделать.

Согласно Science ABC , в среднем звезда весит около 2,2х10 ^ 32 фунта (10 ^ 32 кг), что означает, что масса Вселенной составляет примерно 2,2 х 10 ^ 55 фунтов (10 ^ 55 кг). Теперь, когда мы знаем массу или количество вещества, нам нужно увидеть, сколько атомов в нем помещается.

По данным Fermilab , национальной лаборатории физики элементарных частиц в Иллинойсе, в среднем каждый грамм вещества содержит около 10 ^ 24 протонов . Это означает, что это то же самое, что и количество атомов водорода, потому что каждый атом водорода имеет только один протон (поэтому мы сделали более раннее предположение об атомах водорода).

Это дает нам 10 ^ 82 атомов в наблюдаемой Вселенной. Чтобы поместить это в контекст, это 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 атомов.

Это число является лишь приблизительным предположением, основанным на ряде приближений и предположений. Но, учитывая наше нынешнее понимание наблюдаемой Вселенной, вряд ли это будет слишком далеко от истины.