Между нами может быть множество различий: разные национальности, вероисповедания, страны, занятия и даже вкусы, но есть одна общая черта для всех нас … мы все состоим из атомов. Это относится ко всем существующим формам материи, от бактерий и бабочек до львов, континентов и даже звезд.

Все объекты, имеющие массу – это скопление атомов, которые являются строительными блоками материи. Число атомов в наблюдаемой вселенной конечно, поэтому атомы продолжают менять свое расположение, формируя новые объекты. А раз оно конечно, то мы можем вычислить количество общих атомов во вселенной или, по крайней мере, достичь приблизительной цифры. Однако для этого нам необходимо понять происхождение материи и самой вселенной.

Большой взрыв

Вселенная – чрезвычайно обширное место, но согласно теории Большого взрыва она возникла из точки с бесконечной плотностью и температурой, где никакая форма материи не могла существовать. Этот вывод был сделан путем обратной экстраполяции наблюдаемого расширения Вселенной во времени с использованием общей теории относительности.

Нам известно время, когда произошёл Большой взрыв – 13,8 миллиардов лет назад. Первыми атомами, которые начали формироваться приблизительно через 380 000 лет после Большого взрыва, были водород и гелий.

Существуют некоторые физические барьеры, которые ограничивают наш взгляд на вселенную. А именно, мы можем наблюдать только те части Вселенной, электромагнитное излучение которых успело достичь пределов нашей Солнечной системы. Мы не знаем, что находится за горизонтом наблюдаемой вселенной, поэтому когда мы рассчитываем количество атомов, наше предположение основывается лишь на наблюдаемой вселенной, а не на всей существующей вселенной.

Космологический принцип

Еще одна вещь, которую следует учитывать, – это плотность и распределение материи во вселенной. Основываясь на космологическом принципе, вселенная является однородной и изотропной. Это означает, что физические законы действуют равномерно по всей вселенной и не должны иметь каких-либо видимых изменений в крупномасштабных структурах. Это относится также и к материи, которая равномерно распределена по всей вселенной. Принцип помогает оценить количество галактик и звезд во Вселенной в среднем.

Проще говоря, вселенная выглядит одинаково для каждого наблюдателя, где бы он не находился.

Считаем количество атомов в наблюдаемой вселенной

Для более простого расчета предположим, что Вселенная состоит только из атомов водорода. Начнем с вычисления количества атомов водорода в нашем Солнце. Масса солнца составляет 2,011 × 10^33  г. Масса атома водорода составляет 1,008 а.е.м. Чтобы рассчитать число атомов на Солнце, нам нужно разделить массу Солнца на молярную массу атома водорода и умножить ее на число Авогадро. Это даст нам количество атомов.

Число Авогадро – это количество элементарных частиц, таких как молекулы, атомы, соединения и т. д. на моль вещества.

Итак, число атомов на Солнце составляет 1.201 × 10^57

Мы знаем, что в Млечном Пути приблизительно 10^11 звезд. Таким образом, умножив количество звезд на количество атомов в Солнце, мы получаем 1.201 × 10^68 звезд в нашей галактике.

Точно также, мы знаем, что в наблюдаемой вселенной существует приблизительно 10^11 галактик. Мы найдем количество атомов во вселенной, умножив количество атомов в нашей галактике на количество галактик во вселенной. Итак, общее количество атомов во вселенной достигает 10^78!

Еще один способ вычисления

Другой способ найти нужное количество – это вычислить массу вселенной. В среднем мы знаем, что в наблюдаемой вселенной насчитывается около 400 миллиардов галактик, что составляет около 1,2*10^23  звезд или более 100 секстиллионов. В среднем, звезда весит около 10^35 граммов, что составляет общую массу 1,2 х 10^52 тонн. Каждый грамм вещества содержит около 10^24 протонов (мы ведь предполагаем, что все атомы в составе являются водородом, так как атом водорода содержит только один протон). Общее количество атомов водорода тогда составит 10^86 или сто тысяч квадриллионов вигинтиллионов.

А еще лучше, что это будет выглядеть вот так: 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 атомов…

Конечно, мы понимаем, что эти расчеты весьма приблизительны, и варьируются от 10^78 до 10^86.

Несмотря на то, что это количество атомов кажется просто невообразимо огромным, материя составляет всего 4,9% наблюдаемой Вселенной. Остальная часть состоит из 68,3% темной энергии и 26,8% темной материи. Их свойства практически не изучены, но все согласны с тем, что они влияют на расширении Вселенной.

Стоит также отметить, что это приблизительные оценки, основанные на многих общих предположениях. По мере дальнейшего развития науки мы будем изобретать еще более эффективные способы изучения окружающего пространства, например, путем компьютерного моделирования.