ในจักรวาลที่สังเกตได้มีกี่อะตอม?

ทุกเรื่องในจักรวาล - ไม่ว่าจะใหญ่เล็กเด็กหรือผู้ใหญ่ - ถูกสร้างขึ้นมาจากอะตอม-

หน่วยการสร้างแต่ละแห่งเหล่านี้ประกอบด้วยนิวเคลียสที่มีประจุบวกซึ่งประกอบด้วยโปรตอนและนิวตรอนและอิเล็กตรอนที่มีประจุลบ จำนวนโปรตอนนิวตรอนและอิเล็กตรอนอะตอมได้กำหนดองค์ประกอบที่เป็นของในตารางธาตุและมีอิทธิพลต่อวิธีที่มันทำปฏิกิริยากับอะตอมอื่น ๆ รอบ ๆ มัน ทุกสิ่งที่คุณเห็นรอบตัวคุณเป็นเพียงการกำหนดค่าของอะตอมที่แตกต่างกันซึ่งมีปฏิสัมพันธ์กันด้วยวิธีที่ไม่เหมือนใคร

ดังนั้นหากทุกอย่างทำจากอะตอมเรารู้ไหมว่ามีอะตอมกี่อะตอมในจักรวาล?

ที่เกี่ยวข้อง:ทำไม Outer Space จึงดูเป็นสีดำ?

ในการเริ่มต้น "เล็ก" มีประมาณ 7 ล้านล้านหรือ 7x10^27 (7 ตามด้วย 27 ศูนย์) อะตอมโดยเฉลี่ยร่างกายมนุษย์, ตามผู้พิทักษ์- ด้วยอะตอมจำนวนมหาศาลนี้ในคนเดียวคุณอาจคิดว่ามันเป็นไปไม่ได้ที่จะกำหนดจำนวนอะตอมในจักรวาลทั้งหมด และคุณจะพูดถูก: เพราะเราไม่รู้ว่าทั้งจักรวาลมีขนาดใหญ่เพียงใดเราไม่สามารถค้นหาได้ว่ามีอะตอมอยู่ในนั้นมากแค่ไหน

อย่างไรก็ตามมีความเป็นไปได้ที่จะทำงานประมาณจำนวนอะตอมในสังเกตได้จักรวาล - ส่วนหนึ่งของจักรวาลที่เราสามารถเห็นและศึกษา - ใช้สมมติฐานทางดาราศาสตร์และคณิตศาสตร์เล็กน้อย

จักรวาลที่สังเกตได้

จักรวาลถูกสร้างขึ้นในระหว่างบิ๊กแบง13.8 พันล้านปีก่อน เมื่อมันระเบิดออกมาจากจุดเดียวของมวลและอุณหภูมิที่ไม่มีที่สิ้นสุดจักรวาลก็เริ่มขยายออกไปด้านนอกและยังไม่หยุดตั้งแต่นั้นมา

รับการค้นพบที่น่าสนใจที่สุดในโลกที่ส่งตรงไปยังกล่องจดหมายของคุณ

เนื่องจากจักรวาลมีอายุ 13.8 พันล้านปีและจักรวาลที่สังเกตได้นั้นทอดยาวไปไกลจากเราเนื่องจากแสงสามารถเดินทางได้ในเวลานั้นนับตั้งแต่จักรวาลเกิดคุณอาจคิดว่าจักรวาลที่สังเกตได้นั้นมีเพียง 13.8 พันล้านปีแสงในทุกทิศทาง แต่เนื่องจากจักรวาลกำลังขยายตัวอยู่ตลอดเวลานี่ไม่ใช่กรณี เมื่อเราสังเกตสิ่งที่ห่างไกลกาแล็กซี่หรือดาวสิ่งที่เราเห็นจริงๆคือเมื่อมันปล่อยแสงออกมาครั้งแรก แต่เมื่อถึงเวลาที่แสงมาถึงเรากาแล็กซี่หรือดาวนั้นอยู่ไกลกว่าที่เราเห็น การใช้รังสีพื้นหลังของไมโครเวฟคอสมิคเราสามารถหาได้ว่าจักรวาลขยายตัวเร็วแค่ไหนและเนื่องจากอัตรานั้นคงที่-ซึ่งปัจจุบันเป็นการคาดเดาที่ดีที่สุดของนักวิทยาศาสตร์ (แม้ว่านักวิทยาศาสตร์บางคนคิดว่ามันอาจจะชะลอตัวลง)-นั่นหมายความว่าจักรวาลที่สังเกตได้นั้นยืด 46 พันล้านปีแสงในทุกทิศทางSpace.com-

แต่การรู้ว่าจักรวาลที่สังเกตได้นั้นใหญ่แค่ไหนไม่ได้บอกทุกสิ่งที่เรารู้เกี่ยวกับจำนวนอะตอมในนั้น นอกจากนี้เรายังต้องรู้ว่ามีความสำคัญหรือสิ่งของอยู่ในนั้น

สมมติฐานของจักรวาล

อย่างไรก็ตามเรื่องไม่ใช่สิ่งเดียวในจักรวาล ในความเป็นจริงมันคิดเป็นเพียงประมาณ 5% ของจักรวาลตามนาซ่า- ส่วนที่เหลือประกอบด้วยพลังงานมืดและสสารมืดแต่เนื่องจากพวกเขาไม่ได้ทำจากอะตอมเราจึงไม่จำเป็นต้องกังวลเกี่ยวกับพวกเขาสำหรับความลึกลับนี้

ที่เกี่ยวข้อง:จะเกิดอะไรขึ้นในพื้นที่อวกาศ?

ตามของ EinsteinE = MC^2 สมการพลังงานและมวลหรือสสารที่มีชื่อเสียงสามารถใช้แทนกันได้ดังนั้นจึงเป็นไปได้ที่จะสร้างสสารหรือเปลี่ยนเป็นพลังงาน แต่บนเกี่ยวกับจักรวาลมาตราส่วนของจักรวาลเราสามารถสันนิษฐานได้ว่าปริมาณของสสารที่สร้างขึ้นและยกเลิกการยกเลิกซึ่งกันและกัน ซึ่งหมายความว่าเรื่องมี จำกัด ดังนั้นจึงมีจำนวนอะตอมเท่ากันในจักรวาลที่สังเกตได้เช่นเดียวกับนักวิทยาศาสตร์อเมริกัน- สิ่งนี้มีความสำคัญเนื่องจากภาพจักรวาลที่สังเกตได้ของเราไม่ได้เป็นภาพรวมเดียวในเวลา

จากการสังเกตของเราเกี่ยวกับจักรวาลที่รู้จักกฎหมายทางกายภาพที่ควบคุมมันเหมือนกันทุกที่ เมื่อรวมกับสมมติฐานที่ว่าการขยายตัวของจักรวาลนั้นคงที่ซึ่งหมายความว่าในขนาดใหญ่สสารได้รับการกระจายอย่างสม่ำเสมอทั่วจักรวาลซึ่งเป็นแนวคิดที่เรียกว่าหลักการทางดาราศาสตร์ กล่าวอีกนัยหนึ่งไม่มีภูมิภาคของจักรวาลที่มีความสำคัญมากกว่าคนอื่น ๆ ความคิดนี้ช่วยให้นักวิทยาศาสตร์สามารถประเมินจำนวนดาวและกาแลคซีในจักรวาลที่สังเกตได้อย่างแม่นยำซึ่งมีประโยชน์เนื่องจากพบอะตอมส่วนใหญ่ภายในดาว

ทำให้สมการง่ายขึ้น

การรู้ขนาดของจักรวาลที่สังเกตได้และเรื่องนั้นมีการกระจายอย่างเท่าเทียมกันและตรงไปตรงมาทำให้มันง่ายขึ้นมากในการคำนวณจำนวนอะตอม อย่างไรก็ตามมีสมมติฐานอีกสองสามข้อที่เราต้องทำก่อนที่เราจะแยกเครื่องคิดเลขออก

อันดับแรกเราต้องสมมติว่าอะตอมทั้งหมดมีอยู่ในดวงดาวแม้ว่าจะไม่ได้ก็ตาม น่าเสียดายที่เรามีความคิดที่แม่นยำน้อยกว่าว่ามีดาวเคราะห์ดวงจันทร์และหินอวกาศกี่ดวงที่มีอยู่ในจักรวาลที่สังเกตได้เมื่อเทียบกับดาวซึ่งหมายความว่ามันยากที่จะเพิ่มเข้าไปในสมการ แต่เนื่องจากอะตอมส่วนใหญ่ในจักรวาลมีอยู่ในดวงดาวเราจึงสามารถประมาณจำนวนอะตอมในจักรวาลได้ดีโดยการหาจำนวนอะตอมที่มีอยู่ในดวงดาวและไม่สนใจทุกอย่างอื่น

ประการที่สองเราต้องสมมติว่าอะตอมทั้งหมดในจักรวาลเป็นไฮโดรเจนอะตอมแม้ว่าพวกเขาจะไม่ได้ อะตอมไฮโดรเจนคิดเป็นประมาณ 90% ของอะตอมทั้งหมดในจักรวาลตามห้องปฏิบัติการแห่งชาติ Los Alamosและเปอร์เซ็นต์ที่สูงขึ้นของอะตอมในดวงดาวซึ่งเรามุ่งเน้นไปที่ อย่างที่คุณจะเห็นในไม่ช้ามันก็ทำให้การคำนวณง่ายขึ้นมาก

ทำคณิตศาสตร์

ตอนนี้ถึงเวลาทำคณิตศาสตร์แล้ว

ในการหาจำนวนอะตอมในจักรวาลที่สังเกตได้เราจำเป็นต้องรู้มวลของมันซึ่งหมายความว่าเราต้องค้นหาว่ามีดาวกี่ดวง มีกาแลคซีประมาณ 10^11 ถึง 10^12 ในจักรวาลที่สังเกตได้และกาแลคซีแต่ละแห่งมีระหว่าง 10^11 และ 10^12 ดาวตามสำนักงานอวกาศยุโรป- สิ่งนี้ทำให้เราอยู่ระหว่าง 10^22 และ 10^24 ดาว สำหรับจุดประสงค์ของการคำนวณนี้เราสามารถพูดได้ว่ามี 10^23 ดาวในจักรวาลที่สังเกตได้ แน่นอนว่านี่เป็นเพียงการคาดเดาที่ดีที่สุด กาแลคซีสามารถมีขนาดและจำนวนดาว แต่เนื่องจากเราไม่สามารถนับได้เป็นรายบุคคลจึงต้องทำในตอนนี้

โดยเฉลี่ยแล้วดาวมีน้ำหนักประมาณ 2.2x10^32 ปอนด์ (10^32 กิโลกรัม)วิทยาศาสตร์ ABCซึ่งหมายความว่ามวลของจักรวาลอยู่ที่ประมาณ 2.2x10^55 ปอนด์ (10^55 กิโลกรัม) ตอนนี้เรารู้ว่ามวลหรือปริมาณของสสารเราต้องดูว่ามีกี่อะตอมที่พอดีกับมัน โดยเฉลี่ยแล้วแต่ละแกรมของสสารมีโปรตอนประมาณ 10^24 ตามปิดห้องปฏิบัติการแห่งชาติสำหรับฟิสิกส์อนุภาคในรัฐอิลลินอยส์ นั่นหมายความว่ามันเหมือนกับจำนวนอะตอมไฮโดรเจนเนื่องจากอะตอมไฮโดรเจนแต่ละตัวมีโปรตอนเพียงตัวเดียว (ดังนั้นทำไมเราจึงตั้งสมมติฐานก่อนหน้านี้เกี่ยวกับอะตอมไฮโดรเจน)

สิ่งนี้ทำให้เรา 10^82 อะตอมในจักรวาลที่สังเกตได้ เพื่อนำไปสู่บริบทนั่นคือ 10,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000 อะตอม

ตัวเลขนี้เป็นเพียงการคาดเดาคร่าวๆตามจำนวนของการประมาณและสมมติฐาน แต่ด้วยความเข้าใจในปัจจุบันของเราเกี่ยวกับจักรวาลที่สังเกตได้มันไม่น่าจะอยู่ไกลเกินกว่าเครื่องหมาย

หมายเหตุบรรณาธิการ: บทความนี้ได้รับการอัปเดตเวลา 12:10 น. ET ในวันที่ 12 กรกฎาคม 2021 เพื่อลบศูนย์พิเศษจากหมายเลข 10^82

เผยแพร่ครั้งแรกใน Live Science