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 7x10 ^ 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 Вселенная на самом деле, мы не можем узнать, сколько атомов в ней.
Однако можно приблизительно рассчитать, сколько атомов находится в наблюдаемой Вселенной - той части, которую мы можем видеть и изучать, - используя некоторые космологические предположения и немного математики.
Что такое - Наблюдаемая Вселенная
Вселенная была создана во время Большого взрыва 13,8 миллиарда лет назад. Когда она возникла из единой точки бесконечной массы то начала расширяться, и этот процесс продолжается до сих пор.
Поскольку Большой взрыв произошел 13,8 миллиардов лет назад, а наблюдаемая Вселенная простирается от нас настолько далеко, насколько может переместиться свет за время, прошедшее с момента ее рождения, можно сделать вывод, что она простирается 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 выпустила лучи света. 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 наблюдаемая Вселенная на самом деле простирается на 46 миллиардов световых лет во всех направлениях. Космические предположения
Однако материя - не единственное, что есть во Вселенной. Фактически, по данным НАСА, она составляет всего около 5% Вселенной. Остальные 95% - темная энергия и темная материя. Но, поскольку они не состоят из атомов, нам не нужно принимать их во внимание.
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 количество атомов остается неизменным. Это важно, потому что наша картина наблюдаемой Вселенной — это не единый моментальный снимок.
Согласно 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 мест, в которых материи больше, чем в других. Эта идея позволяет ученым точно оценить количество звезд и галактик в наблюдаемой Вселенной, что имеет важное значение, ведь большинство атомов находится внутри звезд.
Упростим уравнение
Знание масштабов наблюдаемой Вселенной и того, что материя равномерно и конечным образом распределена по ней, значительно упрощает вычисление количества атомов. Однако есть еще несколько предположений, которые нужно сделать, прежде чем перейти к калькулятору.
Во-первых, нужно предположить, что все атомы содержатся внутри звезд, хотя это не так. К сожалению, у ученых представление о том, сколько планет, лун и космических камней существует в наблюдаемой Вселенной, гораздо менее точное по сравнению со звездами, что означает, что сложнее добавить их в уравнение. Но поскольку подавляющее большинство атомов во Вселенной содержится в звездах, приблизительное их количество вычислить все-таки можно.
Во-вторых, нужно 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 сосредоточен расчет. Как вы вскоре увидите, это также значительно упрощает вычисления.
Математические расчеты
Теперь, наконец, пришло время 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 этого расчета можно взять среднее значение - 10 ^ 23 звезд. Конечно, это всего лишь предположение. Галактики могут различаться по размеру и количеству звезд, но подсчитать все светла по отдельности просто нет возможности.
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 известны масса или количество вещества, нужно узнать, 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. Эта величина равняется и количеству атомов водорода, так как каждый его атом имеет только один протон (поэтому выше и было сделано предположение об атомах водорода).
Таким образом получается, что в наблюдаемой Вселенной содержится около 10 ^ 82 атомов. Визуально эта цифра выглядит так: 1000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000.
Это число является лишь приблизительным, так как получено на целом ряде предположений. Но, учитывая нынешнее понимание человека о наблюдаемой Вселенной, вряд ли оно находится слишком далеко от истины.
