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, включающего протоны и нейтроны, и отрицательно заряженные электроны, движущиеся по орбите. Количество протонов, нейтронов и электронов в атоме влияет на то, как он реагирует с другими атомами, находящимися вокруг него. Всё, что вы видите вокруг себя, – это просто конфигурация различных атомов, взаимодействующих друг с другом уникальным образом.
Итак, если всё состоит из атомов, знаем ли мы, сколько атомов во Вселенной?
Если начать с “малого”, то по данным The Guardian, в среднем в человеческом теле содержится около 7 октиллионов, или 7*1027 (7 с последующими 27 нулями) атомов. Учитывая такое огромное количество атомов только в одном человеке, вы можете подумать, что невозможно определить, сколько атомов во всей Вселенной. И вы будете правы: поскольку мы понятия не имеем, 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.
Наблюдаемая Вселенная
Вселенная была создана во время Большого Взрыва 13,8 миллиардов лет назад. Когда она возникла из единой точки бесконечной массы и температуры, Вселенная начала расширяться и с тех пор этот процесс не прекращается.
Поскольку Вселенной 13,8 миллиарда лет, а наблюдаемая Вселенная простирается от нас настолько далеко, насколько смог переместиться свет за время, прошедшее с момента рождения Вселенной, вы можете предположить, что наблюдаемая Вселенная простирается всего на 13,8 миллиардов световых лет во всех направлениях. Но поскольку Вселенная постоянно расширяется, это не так. Когда мы наблюдаем далёкую галактику или звезду, на самом деле мы видим то место, где она была, когда впервые испустила свет. Но когда свет достиг нас, то галактика или звезда на самом деле находится уже намного дальше.
Используя космическое микроволновое фоновое излучение, мы можем определить, насколько быстро Вселенная расширяется, и поскольку эта скорость постоянна – что в настоящее время является лучшим предположением учёных (хотя некоторые учёные считают, что она может замедляться), – это означает, что размер наблюдаемой нами Вселенной на самом деле простирается на 46 миллиардов световых лет во всех направлениях.
Но знание того, насколько велика наблюдаемая Вселенная, не даст нам ответ на вопрос о том сколько в ней атомов. Нам также нужно знать, сколько в ней материи или чего-либо ещё.
Космические предположения
Как известно материя – не единственное, что есть во Вселенной. Фактически, по данным НАСА, она составляет всего около 5% Вселенной. Остальное – это тёмная энергия и тёмная материя, но поскольку они не состоят из атомов, нам не нужно беспокоиться.
Согласно знаменитому уравнению Эйнштейна E=mc2, энергия и масса или материя взаимозаменяемы, поэтому материя может быть создана из энергии или преобразована в неё. Но в космическом масштабе Вселенной мы можем предположить, что количество созданной и несотворённой материи компенсирует друг друга. Это означает, что материя конечна, поэтому, по данным Scientific American, в наблюдаемой Вселенной количество атомов постоянно. Это важно, потому что наша картина наблюдаемой Вселенной не является единым моментальным 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, во Вселенной нет регионов, в которых материи больше, чем в других. Эта идея позволяет учёным точно оценить количество звёзд и галактик в наблюдаемой Вселенной, что полезно, потому что большинство атомов находится внутри звёзд.
Упрощения уравнения
Знание размера наблюдаемой Вселенной и того, что материя равномерно и конечным образом распределена по ней, значительно упрощает вычисление количества атомов. Однако есть ещё несколько предположений, которые мы должны сделать, прежде чем мы перейдём к подсчётам.
Во-первых, мы должны предположить, что все атомы содержатся внутри звёзд, хотя это не так. К сожалению, у нас есть гораздо менее точное представление о том, сколько планет, спутников, комет и астероидов существует в наблюдаемой Вселенной, что означает, что их сложнее добавить в уравнение. Но поскольку подавляющее большинство атомов во Вселенной содержится в звёздах, мы можем получить хорошее приближение количества атомов во Вселенной, вычислив, сколько атомов в звёздах, и игнорируя всё остальное.
Во-вторых, мы должны предположить, что все атомы во Вселенной являются атомами водорода, хотя это также совсем не так. По данным Лос-Аламосской национальной лаборатории, на атомы водорода приходится около 90% всех атомов во Вселенной. Как вы вскоре увидите, это упрощение также значительно упростит вычисления.
Осталась математика
Теперь, наконец, пора заняться математикой.
Чтобы вычислить количество атомов в наблюдаемой Вселенной, нам нужно знать её массу, а это значит, что мы должны выяснить, сколько существует звёзд. По данным Европейского космического агентства, в наблюдаемой Вселенной от 1011 до 1012 галактик, и каждая галактика содержит от 1011 до 1012 звёзд. Это даёт нам примерно 1022 и 1024 звёзд. Таким образом мы можем сказать, что в наблюдаемой Вселенной 1023 звёзд. Конечно, это всего лишь предположение, галактики могут различаться по размеру и количеству звёзд.
Согласно Science ABC, в среднем звезда весит около 2,2*1032 килограмма, что означает, что масса Вселенной составляет около 2,2*1055 килограмм. Теперь, когда мы знаем массу или количество вещества, нам нужно определить, сколько атомов в нём помещается. По данным Fermilab, национальной лаборатории физики элементарных частиц в Иллинойсе, в среднем каждый грамм вещества содержит около 1024 протонов. Это означает, что это то же самое, что и количество атомов водорода, потому что каждый атом водорода имеет только один протон (именно поэтому мы и сделали более раннее допущение об атомах водорода).
Это даёт нам 1082 атомов в наблюдаемой Вселенной. Чтобы лучше представить, 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 оно будет слишком далеко от истины.
