در جهان قابل مشاهده چند اتم وجود دارد؟ – تی ام گیم

تعداد پروتون‌ها، نوترون‌ها و الکترون‌های یک اتم تعیین می‌کند که آن عنصر در جدول تناوبی به کدام عنصر تعلق دارد و بر نحوه واکنش آن با سایر اتم‌های اطراف آن تأثیر می‌گذارد. هر چیزی که در اطراف خود می‌بینید فقط پیکربندی‌ای از اتم‌های مختلف است که به روش‌های منحصر به فردی با یکدیگر تعامل دارند.
 
به گزارش تی ام گیم و به نقل از لایوساینس، حدود ۷ اکتیلیون یا ۷x۱۰^۲۷ (رقم ۷ به دنبال آن ۲۷ صفر) اتم در بدن یک انسان متوسط وجود دارد.

با توجه به این مجموعه عظیم اتم‌ها تنها در یک فرد، ممکن است فکر کنید که تعیین تعداد اتم‌ها در کل جهان غیرممکن است. البته درست فکر می‌کنید؛ از آنجا که ما نمی‌دانیم واقعاً کل جهان چقدر است، پس نمی‌توانیم بفهمیم که چند اتم در آن وجود دارد.
 
با این حال، با استفاده از برخی فرضیات کیهان‌شناسی و کمی محاسبات ریاضی، می‌توان به طور تقریبی تعداد اتم‌های موجود در جهان قابل مشاهده یعنی بخشی از جهان را که می‌توانیم ببینیم و مطالعه کنیم، به دست بیاوریم.
 

جهان قابل مشاهده

 
جهان ۱۳٫۸ میلیارد سال پیش در طی مهبانگ ایجاد شد. در هنگام این انفجار، کل جهان از یک نقطه منفرد با جرم و دمای بی‌نهایت شروع به انبساط کرد و این انبساط از آن زمان تاکنون متوقف نشده است.
 
از آنجایی که جهان ۱۳٫۸ میلیارد سال سن دارد و جهان قابل مشاهده به همان اندازه‌ای امتداد دارد که نور می‌تواند از زمان تولد جهان طی کند، ممکن است فرض کنید که جهان قابل مشاهده هم در هر جهت تنها ۱۳٫۸ میلیارد سال نوری امتداد دارد. اما چون جهان دائما در حال انبساط است، اینطور نیست.
 
هنگامی که ما یک کهکشان یا ستاره دوردست را رصد می‌کنیم، چیزی که واقعاً می‌بینیم این است که در هنگام انتشار نور در کجا بوده است. اما زمانی که نور به ما می‌رسد، کهکشان یا ستاره بسیار دورتر از زمانی است که ما آن را دیدیم.
 
با استفاده از تشعشعات پس‌زمینه مایکروویو کیهانی، می‌توانیم سرعت انبساط کیهانی را بررسی کنیم و چون این سرعت ثابت است (که در حال حاضر بهترین حدس دانشمندان است، اگرچه برخی دانشمندان فکر می‌کنند ممکن است در حال کاهش باشد)، پس جهان قابل مشاهده در واقع ۴۶ میلیارد سال نوری در همه جهات امتداد دارد.
 
اما دانستن اینکه جهان قابل مشاهده چقدر بزرگ است، تعداد اتم‌های آن را به ما نمی‌گوید؛ در واقع ما باید این راه هم بدانیم که چه مقدار ماده در آن وجود دارد.

مفروضات کیهانی

 
ماده تنها شیء موجود در جهان نیست. به گفته ناسا، ماده در واقع تنها حدود ۵ درصد از کیهان را تشکیل می‌دهد. بقیه کیهان از انرژی تاریک و ماده تاریک تشکیل شده است، اما از آنجایی که آنها از اتم تشکیل نشده‌اند، لازم نیست برای این معما نگران باشیم.
 
طبق معادله معروف E=mc^۲ انیشتین، انرژی و جرم یا ماده قابل تبدیل به یکدیگر هستند، بنابراین ممکن است ماده از انرژی ایجاد شود یا به انرژی تبدیل شود. به گفته ساینتیفیک امریکن، ماده متناهی است، بنابراین در جهان قابل مشاهده همان تعداد اتم وجود دارد که همیشه وجود داشته است.
 
طبق مشاهدات ما از جهان شناخته شده، قوانین فیزیکی حاکم بر جهان در همه جا یکسان است.

با این فرض که انبساط جهان ثابت است، پس در مقیاس بزرگ، ماده به طور یکنواخت در سراسر کیهان توزیع شده است. این مفهوم به عنوان اصل کیهان‌شناسی شناخته می‌شود.

به عبارت دیگر، هیچ منطقه‌ای از جهان وجود ندارد که بیش از سایرین ماده داشته باشد. این ایده به دانشمندان اجازه می‌دهد تا تعداد ستاره‌ها و کهکشان‌ها را در کیهان قابل مشاهده به‌طور دقیق تخمین بزنند، که اتفاقاً نکته مفیدی است؛ زیرا بیشتر اتم‌ها در ستارگان یافت می‌شوند.
 

فرض‌های ساده‌انگارانه

 
دانستن اندازه جهان قابل مشاهده و اینکه ماده به طور مساوی و محدود در سراسر آن توزیع شده است، محاسبه تعداد اتم‌ها را بسیار آسان‌تر می‌کند. با این حال، چند فرض دیگر وجود دارد که باید با آنها آشنا شویم و درنظر بگیریم.
 
نخست اینکه باید فرض کنیم همه اتم‌ها در درون ستاره‌ها قرار دارند، حتی اگر اینطور نباشد! متأسفانه، در مقایسه با ستارگان ما تصور بسیار کمتری از تعداد سیارات، قمرها و سنگ‌های فضایی در جهان قابل مشاهده داریم.

بدین ترتیب اضافه کردن آنها به معادله دشوارتر است. اما از آنجایی که بیشتر اتم‌های جهان درون ستارگان قرار دارند، می‌توانیم تقریب خوبی از تعداد اتم‌های جهان به دست آوریم؛ به این ترتیب که فقط تعداد اتم‌های ستاره‌ها را درنظر بگیریم و مابقی را نادیده بگیریم.
 
دوم اینکه، باید فرض کنیم همه اتم‌های جهان، اتم‌های هیدروژن هستند، حتی اگر اینطور نباشد!

طبق آزمایشگاه ملی لوس آلاموس در ایالات متحده، اتم‌های هیدروژن حدود ۹۰ درصد از کل اتم‌های جهان را و درصد بزرگی از اتم‌های ستاره‌ها را تشکیل می‌دهند که ما روی همین نکته تمرکز می‌کنیم. همانطور که به زودی خواهید دید، این فرض محاسبات را نیز بسیار ساده‌تر می‌کند.

انجام محاسبات

 
حالا، بالاخره وقت آن است که محاسبات را انجام دهیم. برای تعیین تعداد اتم‌های جهان قابل مشاهده، باید جرم آن را بدانیم، به این معنی که باید تعداد ستاره‌ها را بدانیم.

بنابر گزارش آژانس فضایی اروپا، حدود ۱۰^۱۱ تا ۱۰^۱۲ کهکشان در جهان قابل مشاهده وجود دارد و هر کهکشان بین ۱۰^۱۱ تا ۱۰^۱۲ ستاره دارد. با این حساب، چیزی بین ۱۰^۲۲ تا ۱۰^۲۴ ستاره داریم.

برای این محاسبه، می‌توان گفت که ۱۰^۲۳ ستاره در جهان قابل مشاهده وجود دارد. البته این فقط یک حدس است؛ چون کهکشان‌ها می‌توانند از نظر اندازه و تعداد ستاره‌ها متغیر باشند، اما چون نمی‌توانیم آنها را به‌صورت جداگانه بشماریم، فعلاً این بهترین کاری است که می‌توانیم انجام دهیم.
 
یک ستاره به طور متوسط نزدیک به ۱۰^۳۲ کیلوگرم وزن دارد، به این معنی که جرم جهان نزدیک به ۱۰^۵۵ کیلوگرم است. اکنون که جرم یا مقدار ماده را می‌دانیم، باید ببینیم چند اتم در آن قرار می‌گیرد.

به طور متوسط هر گرم از ماده نزدیک به ۱۰^۲۴ پروتون دارد؛ به این معنا که با تعداد اتم‌های هیدروژن یکسان است؛ زیرا هر اتم هیدروژن فقط یک پروتون دارد (ما فرض قبلی در مورد اتم‌های هیدروژن را درنظر گرفتیم).
 
این محاسبه به ما ۱۰^۸۲ اتم در جهان قابل مشاهده می‌دهد. برای اینکه تصور دقیق‌تری از این عدد داشته باشیم، آن را به طور کامل می‌نویسیم:
۱۰٬۰۰۰٬۰۰۰٬۰۰۰٬۰۰۰٬۰۰۰٬۰۰۰٬۰۰۰٬۰۰۰٬۰۰۰٬۰۰۰٬۰۰۰٬۰۰۰٬۰۰۰٬۰۰۰٬۰۰۰٬۰۰۰٬۰۰۰٬۰۰۰٬۰۰۰٬۰۰۰٬۰۰۰٬۰۰۰٬۰۰۰٬۰۰۰٬۰۰۰٬۰۰۰٬۰۰۰

البته این عدد تنها یک حدس تقریبی است که بر اساس شماری تقریب‌ها و فرضیات به دست آمده است؛ اما با توجه به درک فعلی ما از جهان قابل مشاهده، بعید به نظر می‌رسد که خیلی دور از انتظار باشد.