К счастью, нам не нужно пересчитывать их по одному. Вся материя во Вселенной — неважно, много её или мало, молодая она или старая — состоит из атомов.
Каждый из этих «строительных блоков» состоит из положительно заряженного ядра, состоящего из протонов и нейтронов, и отрицательно заряженных орбитальных электронов. Количество протонов, нейтронов и электронов, которыми обладает атом, определяет, к какому элементу периодической системы он принадлежит. Это влияет на то, как он взаимодействует с другими атомами вокруг него. Всё, что вы видите вокруг себя — это просто конфигурация различных атомов, взаимодействующих друг с другом уникальными способами.
Итак, если всё состоит из атомов, знаем ли мы, сколько атомов во Вселенной?
Чтобы начать с «малого» — в среднем человеческом теле, согласно Guardian, содержится около 7 октиллионов, или 7x10^27 атомов (семёрка, за которой следуют 27 нулей). Учитывая такое огромное число атомов в одном человеке, вы можете подумать, что невозможно определить, сколько атомов во всей Вселенной. И вы были бы правы: поскольку мы понятия не имеем, насколько велика вся Вселенная на самом деле, мы не можем узнать, сколько атомов в ней.
Однако можно приблизительно вычислить, сколько атомов находится в наблюдаемой вселенной — той части Вселенной, которую мы можем видеть и изучать — используя некоторые космологические предположения и немного арифметики.
Наблюдаемая Вселенная
Вселенная появилась во время Большого взрыва 13,8 миллиарда лет назад. Когда она взорвалась из одной точки бесконечной массы и температуры, Вселенная начала расширяться, и с тех пор не прекращает этого делать.
Поскольку возраст Вселенной составляет 13,8 миллиарда лет, а наблюдаемая вселенная простирается от нас настолько далеко, насколько свет может пройти за время, прошедшее с момента её рождения, вы можете предположить, что наблюдаемая вселенная простирается на 13,8 миллиарда световых лет во всех направлениях.
Но поскольку Вселенная постоянно расширяется, это не так. Когда мы наблюдаем далёкую галактику или звезду, то, что мы действительно видим — это где она была, когда впервые испустила свет. Но к тому времени, когда свет достигает нас, галактика или звезда находится уже гораздо дальше, чем мы её видим. Через реликтовое излучение мы можем понять, как быстро расширяется Вселенная. Поскольку эта величина является постоянной (хотя некоторые учёные считают, что может иметь место и замедление), в настоящее время учёные полагают, что наблюдаемая Вселенная тянется на 46 миллиардов световых лет во всех направлениях.
Но знание того, насколько велика наблюдаемая Вселенная, не говорит нам достаточно, чтобы узнать, сколько в ней атомов. Нам нужно знать, сколько в ней материи или объектов.
Предположения
Материя — не единственная вещь во Вселенной. На самом деле, по данным НАСА, она составляет всего около 5% Вселенной. Остальное состоит из тёмной энергии и тёмной материи. Поскольку они не состоят из атомов, нам не нужно беспокоиться о них.
Согласно знаменитому уравнению Эйнштейна E=mc^2, энергия и масса, или материя, взаимозаменяемы. Поэтому материя может быть создана из энергии или преобразована в энергию. Но в космическом масштабе Вселенной мы можем предположить, что количество созданной и несозданной материи уравновешивает друг друга. Это означает, что материя конечна, а в наблюдаемой Вселенной существует постоянное количество атомов. Это важно, потому что наша картина наблюдаемой Вселенной не является единым снимком во времени.
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, нет ни одной области Вселенной, в которой было бы больше материи, чем в других. Эта идея позволяет учёным точно оценить количество звёзд и галактик в наблюдаемой Вселенной. Это полезно, поскольку большинство атомов находится внутри звёзд.
Упрощение уравнения
Зная размер наблюдаемой Вселенной и то, что материя равномерно и конечно распределена по ней, намного легче вычислить число атомов. Тем не менее, есть ещё несколько предположений, которые мы должны сделать, прежде чем возьмём в руки калькулятор.
Во-первых, мы должны предположить, что все атомы содержатся в звёздах, хотя это и не так. К сожалению, у нас есть гораздо менее точное представление о том, сколько планет, лун и иных космических тел существует в наблюдаемой Вселенной по сравнению с количеством звёзд, что означает, что их трудно добавить в уравнение. Но поскольку подавляющее большинство атомов во Вселенной содержится в звёздах, мы можем получить хорошее приближение числа атомов во Вселенной, выяснив, сколько атомов есть в звёздах, игнорируя всё остальное.
Во-вторых, мы должны предположить, что все атомы во Вселенной являются атомами водорода, хотя это тоже не так. Атомы водорода составляют около 90% от общего количества атомов во Вселенной, по данным Лос-Аламосской национальной лаборатории. Это значительно упрощает вычисления.
Займёмся арифметикой
Теперь, наконец, пришло время сделать расчёт.
Чтобы вычислить количество атомов в наблюдаемой Вселенной, нам нужно знать её массу, а это значит, что мы должны выяснить, сколько звёзд существует. По данным Европейского космического агентства, в наблюдаемой Вселенной существует от 10^11 до 10^12 галактик, а каждая галактика содержит от 10^11 до 10^12 звёзд. Это даёт нам что-то между 10^22 и 10^24 звёзд. Для целей этого расчета мы можем взять, что в наблюдаемой Вселенной есть 10^23 звезды. Конечно, это всего лишь предположение. Галактики могут варьироваться по размеру и количеству звёзд, но поскольку мы не можем считать их по отдельности, это придётся усреднить.
В среднем звезда весит около 10^32 килограмма, согласно Science ABC, что означает, что масса Вселенной составляет около 10^55 килограммов. Теперь, когда мы знаем массу или количество материи, нам нужно увидеть, сколько атомов в ней помещается. В среднем каждый грамм вещества содержит около 10^24 протонов, согласно данным национальной лаборатории физики элементарных частиц в Иллинойсе. Это совпадает с числом атомов водорода, потому что каждый атом водорода имеет только один протон (поэтому мы и сделали выше «приближение» об атомах водорода).
Это даёт нам 10^82 атома в наблюдаемой вселенной.
Это число является лишь приблизительным, основанным на ряде приближений и предположений. Но, учитывая наше нынешнее понимание наблюдаемой Вселенной, это не должно быть слишком далеко от истины.
По материалам публикации (англ.).
