چه تعداد اتم در جهان مشاهده می‌شود؟
خوشبختانه، لازم نیست که آنها را یکی یکی بشماریم.
(اعتبار تصویر: Shutterstock)
تمام مواد موجود در جهان – چه بزرگ، چه کوچک، چه جوان و چه پیر – از اتم تشکیل شده است.
هر یک از این بلوکهای ساختمانی از یک هسته با بار مثبت تشکیل شده است که از پروتون‌ها و نوترون‌ها تشکیل شده است و دارای الکترون‌هایی با مدار منفی هستند. تعداد پروتون‌ها، نوترون‌ها و الکترون‌های یک اتم تعیین می‌کند که به کدام عنصر در جدول تناوبی تعلق دارد و بر نحوه واکنش آن با سایر اتمهای اطراف تأثیر می‌گذارد. هر آنچه در اطراف خود می‌بینید فقط پیکربندی اتمهای مختلف است که به طرق منحصر به فرد با یکدیگر در تعامل هستند.
بنابراین، اگر همه چیز از اتم ساخته شده باشد، آیا می‌دانیم تعداد اتمهای جهان چقدر است؟
به گفته گاردین، برای شروع در بدن یک انسان، حدود 7 اکتیلون اتم وجود دارد. با توجه به این مقدار عظیم اتم فقط در یک شخص، ممکن است تصور کنید تعیین تعداد اتم در کل جهان غیرممکن است و شما درست می‌گویید: از آنجا که ما نمی‌دانیم کل جهان واقعاً چقدر بزرگ است، نمی‌توانیم دریابیم که چند اتم درون آن هستند.
با این وجود می‌توان با استفاده از برخی فرضیات کیهان‌شناسی و کمی ریاضیات، تقریباً تعداد اتمهای موجود در جهان را مشاهده کرد – بخشی از جهان که می‌توانیم آن را ببینیم و مطالعه کنیم.
جهان قابل مشاهده
جهان در زمان انفجار بزرگ 13.8 بیلیون سال پیش ایجاد شده است. همانطور که منفجر شد، از یک نقطه واحد جرم و دمای نامحدود، جهان شروع به گسترش کرد و از آن زمان متوقف نشده است.
از آنجا که جهان 13.8 بیلیون سال قدمت دارد و جهان قابل مشاهده به همان اندازه که نور می‌تواند در زمان تولد جهان حرکت کند، از ما فاصله دارد، ممکن است تصور کنید که جهان مشاهده شده از هر جهت فقط 13.8 بیلیون سال نوری گسترش یافته است. اما از آنجا که جهان دائما در حال انبساط است، چنین نیست. وقتی یک کهکشان یا ستاره دور را مشاهده می‌کنیم، چیزی که واقعاً می‌بینیم این است که در آن هنگام تابش نور کجا بوده است. اما تا زمان رسیدن نور به ما، کهکشان یا ستاره بسیار دورتر از زمانی است که ما آن را دیدیم. با استفاده از تابش زمینه مایکروویو کیهانی، می‌توانیم بفهمیم که جهان با چه سرعتی در حال انبساط است و چون این میزان ثابت است – که در حال حاضر بهترین حدس دانشمندان است (اگرچه برخی از دانشمندان فکر می‌کنند ممکن است سرعت آن کاهش یابد) – این بدان معناست که جهان قابل مشاهده در واقع 46 بیلیون سال نوری از همه جهات گسترش یافته است.
اما دانستن اینکه جهان قابل مشاهده چقدر بزرگ است، هر آنچه راجع به تعداد اتمهای موجود در آن می‌دانیم چیز زیادی نمی‌توانیم بدست بیاوریم. همچنین باید بدانیم که مقدار ماده یا مواد موجود در آن چیست.
توجه داشته باشید که چگونه جهان از زمان وقوع انفجار بزرگ در 13.8 بیلیون سال پیش گسترش یافته است. (اعتبار تصویر: Shutterstock)
فرضیات کیهانی
با این حال ماده تنها چیز در جهان نیست. در واقع، طبق گفته ناسا، تنها حدود 5٪ از جهان را تشکیل می‌دهد. بقیه از انرژی تاریک و ماده تاریک تشکیل شده است، اما از آنجا که از اتم تشکیل نشده است، نیازی به نگرانی در مورد آنها برای این رمز و راز نداریم.
طبق معادله معروف E = mc ^ 2 انیشتین، انرژی و جرم یا ماده قابل تعویض هستند، بنابراین امکان ایجاد ماده از انرژی یا تبدیل آن به انرژی وجود دارد. اما در مقیاس کیهانی جهان، می‌توانیم فرض کنیم که مقدار ماده ایجاد شده و خلق نشده یکدیگر را لغو می‌کند. این به این معنی است که ماده محدود است، بنابراین در جهان قابل مشاهده همان تعداد اتم وجود دارد که همیشه وجود داشته است. این مهم است زیرا تصویر ما از جهان مشاهده شده تنها یک عکس فوری در زمان نیست.
طبق مشاهدات ما از جهان شناخته شده، قوانین فیزیکی حاکم بر آن در همه جا یکسان است. همراه با این فرض که انبساط جهان ثابت است، این بدان معنی است که، در مقیاس بزرگ، ماده به طور یکنواخت در سراسر کیهان توزیع می‌شود – مفهومی که به عنوان اصل کیهان‌شناسی شناخته می‌شود. به عبارت دیگر، هیچ منطقه‌ای از جهان وجود ندارد که بیش از مناطق دیگر ماده داشته باشد. این ایده به دانشمندان اجازه می‌دهد تعداد ستاره‌ها و کهکشان‌ها در جهان قابل مشاهده را به طور دقیق تخمین بزنند که مفید است زیرا بیشتر اتمها در داخل ستارگان یافت می‌شوند.
ساده سازی معادله
دانستن اندازه جهان قابل مشاهده و اینکه ماده به طور مساوی و محدود در آن توزیع شده است، محاسبه تعداد اتمها را بسیار ساده‌تر می‌کند. با این حال، چند فرض دیگر وجود دارد که ما باید ارائه دهیم.
اول، باید فرض کنیم که همه اتمها درون ستاره‌ها هستند، حتی اگر اینگونه نباشند. متأسفانه، ما تصور دقیق کمتری در مورد تعداد سیارات، قمرها و سنگهای فضایی موجود در جهان مشاهده شده در مقایسه با ستاره‌ها داریم، به این معنی که افزودن آنها به معادله دشوارتر است. اما از آنجا که اکثریت قریب به اتفاق اتمهای جهان در درون ستارگان قرار دارند، ما می‌توانیم با کشف تعداد اتمهای موجود در ستاره و نادیده گرفتن سایر موارد، تقریب خوبی از تعداد اتمهای جهان بدست آوریم.
دوم، باید فرض کنیم که همه اتمهای جهان اتمهای هیدروژن هستند، حتی اگر اینگونه نباشند. طبق آزمایشگاه ملی لوس آلاموس، اتمهای هیدروژن حدود 90٪ از کل اتمهای جهان را تشکیل می‌دهند و حتی درصد بیشتری از اتمهای ستاره‌ها که ما روی آنها تمرکز می‌کنیم. همانطور که به زودی خواهید دید، این کار محاسبات را بسیار ساده‌تر می‌کند.
انجام ریاضی
اکنون، سرانجام وقت آن است که ریاضیات را انجام دهیم.
برای بررسی تعداد اتمها در جهان قابل مشاهده، باید جرم آن را بدانیم، این بدان معناست که باید دریابیم که تعداد ستاره‌ها چقدر است. طبق گفته آژانس فضایی اروپا حدود 10 ^ 11 تا 10 ^ 12 کهکشان در جهان مشاهده می‌شود و هر کهکشان شامل 10 ^ 11 تا 10 ^ 12 ستاره است. این به ما بین 10 ^ 22 و 10 ^ 24 ستاره می‌دهد. برای اهداف این محاسبه، می‌توان گفت که 10 ^ 23 ستاره در جهان مشاهده شده وجود دارد. البته، این فقط بهترین حدس است. کهکشان‌ها از نظر اندازه و تعداد ستاره‌ها می‌توانند متغیر باشند، اما چون نمی‌توانیم آنها را به صورت جداگانه بشماریم، فعلاً این کار باید انجام شود.
به طور متوسط وزن یک ستاره حدود 2.2×10^32 پوند (10 ^ 32 کیلوگرم) است، بدین معنی که جرم جهان در حدود 2.2×10^55 پوند (10 ^ 55 کیلوگرم) است. اکنون که به جرم یا مقدار ماده پی بردیم، باید ببینیم چه تعداد اتم در آن جای می‌گیرد. طبق گفته فرمی‌لب، آزمایشگاه ملی فیزیک ذرات در ایلینوی، به طور متوسط ، هر گرم ماده حدود 10 ^ 24 پروتون دارد. این بدان معناست که همان تعداد اتمهای هیدروژن است، زیرا هر اتم هیدروژن فقط یک پروتون دارد (از این رو ما فرض قبلی را در مورد اتمهای هیدروژن مطرح کردیم).
این به ما 10 ^ 82 اتم در جهان قابل مشاهده می‌دهد.
این تعداد تنها بر اساس تعدادی از تقریب‌ها و فرضیات، حدس تقریبی است. اما با توجه به درک فعلی ما از جهان قابل مشاهده ، بعید است که خیلی دور از انتظار باشد.
ترجمه: سارا سیدحاتمی
منبع:
How many atoms are in the observable universe?
By Harry Baker – Staff Writer
https://www.livescience.com/how-many-atoms-in-universe.html