چند اتم در جهان مرئی وجود دارد؟

مجله علمی ایلیاد - همه چیز در جهان فارغ از بزرگ و کوچک بودن و یا پیر و جوان بودن آن از اتم ساخته شده است. هر کدام از این بلوک‌های سازنده‌ی مواد از هسته با بار مثبت، و الکترون با بار منفی ساخته شده‌اند. هسته‌ی اتم نیز از نوترون و پروتون ساخته شده است. تعداد پروتون، نوترون و الکترون‌هایی که هر اتم دارد تعیین‌کننده‌ی مکان آن در جدول تناوبی عناصر است و این مکان تعیین‌کننده‌ی واکنش اتم با اتم‌های دیگر است. هر چیزی که در اطراف مشاهده می‌کنید در واقع ترکیب منحصربه‌فردی از قرارگیری اتم‌های مختلف در کنار یکدیگر است که با هم به صورت خاص برهمکنش دارند. حال که همه چیز از اتم ساخته شده است، آیا می‌توان تعداد کل اتم‌های موجود در جهان را محاسبه کرد؟

برای شروع کار لازم است بدانید در بدن انسان ۷ اکتیلیون اتم (عدد ۷ با ۲۷ عدد صفر در جلوی آن) جا گرفته است. وقتی این تعداد اتم در بدن انسان جا گرفته است، احتمالاً فکر می‌کنید محاسبه‌ی تعداد اتم‌های کل جهان کاری غیرممکن است. شاید چنین نحوه‌ی تفکر اشتباه نباشد، زیرا انسان‌ها هنوز نمی‌دانند جهان تا کجا ادامه دارد و بزرگای آن‌را نشناخته‌اند. با این حال می‌توان در مورد تعداد اتم‌های موجود در جهان مرئی فکر کرد و با استفاده از فرضیات کیهان‌شناسی تعداد اتم‌های موجود در آن‌را محاسبه کرد.

جهان حدود ۱۳.۸ میلیارد سال پیش پس از انفجار بزرگ به‌وجود آمده است. در واقع جهان از انفجار یک نقطه با جرم نامحدود و دمای نامحدود ایجاد شده است و از زمان انفجار بزرگ تا کنون در حال انبساط بوده است.

از آنجا که ۱۳.۸ میلیارد سال از عمر جهان هستی می‌گذرد و جهان مرئی با سرعت نور در حال منبسط شدن بوده است، می‌توان این فرضیه را مطرح کرد که جهان مرئی از هر طرف حدود ۱۳.۸ میلیارد سال نوری کش آمده است. اما از آنجا که جهان به صورت ثابت در حال منبسط شدن بوده است این فرضیه نمی‌تواند صحت داشته باشد. زمانی که ما یک کهکشان یا یک ستاره را مشاهده می‌کنیم در واقع نوری را می‌بینیم که آن کهکشان یا ستاره برای بار اول منتشر کرده‌اند. دانشمندان با استفاده از تابش‌های مایکروویو پس‌زمینه نشان داده‌اند که جهان از هر طرف ۴۶ میلیارد سال نوری کش آمده است. با این حال باز هم دانستن بزرگی جهان مرئی نمی‌تواند تعداد اتم‌های درون آن‌را برای ما بازگو کند و نیاز است بدانیم میزان مواد موجود در این جهان چقدر است.

ماده تنها چیزی نیست که در جهان وجود دارد، بلکه تنها ۵ درصد از جهان را شامل می‌شود و بقیه‌ی آن‌را انرژی تاریک و ماده‌ی تاریک اشغال کرده‌اند. از آنجا که ماده و انرژی تاریک از اتم ساخته نشده‌اند، لازم نیست در محاسبات مربوط به تعداد اتم‌ها وارد شوند.

بر اساس فرمول معروف E=mc² اینشتین، انرژی و جرم قابلیت تبدیل به یکدیگر را دارند، بنابراین ممکن است ماده از انرژی ساخته شده باشد و یا به انرژی تبدیل شود. در مقیاس کیهانی می‌توان این فرض را مطرح کرد که میزان ماده ثابت باقی خواهد ماند و محدود است و به همین دلیل می‌توان گفت تعداد اتم‌های موجود در جهان ثابت است.

بر اساس رصدهایی که از جهان شناخته‌شده انجام شده است، قوانین فیزیکی در همه جا یکسان است. با این فرض که انبساط جهان با سرعت ثابتی انجام شده است می‌توان گفت که توزیع ماده در جهان نیز یکنواخت است و جایی از جهان وجود ندارد که اتم‌های بیشتری از جاهای دیگر داشته باشد. دانشمندان با این فرض می‌توانند تعداد ستاره‌ها و کهکشان‌ها در جهان مرئی را تخمین بزنند.

اگر این فرض را اضافه کنیم که همه‌ی ماده‌ی موجود در جهان مرئی در ستاره‌ها جمع شده‌اند می‌توان به تخمین تعداد اتم‌های جهان مرئی نزدیک شد. البته در سیاره‌ها و سنگ‌های فضایی نیز ماده وجود دارد، ولی نسبت به ماده‌ی موجود در ستاره‌ها قابل اغماض هستند.

فرض دیگری که باید انجام داد این است که همه‌ی اتم‌های موجود در جهان هیدروژن هستند. در واقع هیدروژن ۹۰ درصد کل اتم‌های موجود در جهان را شامل می‌شود.

اگر فرض کنیم که تعداد ۱۰^۱۱ تا ۱۰^۱۲ کهکشان در جهان وجود دارد و درون هر کدام نیز  ۱۰^۱۱ تا ۱۰^۱۲ ستاره وجود داشته باشد، بنابراین حدود ۱۰^۲۲ تا ۱۰^۲۴ ستاره در جهان وجود دارد. هر ستاره به طور متوسط ۱۰^۳۲ کیلوگرم جرم دارد و به این ترتیب می‌توان نتیجه گرفت که جرم جهان مرئی ۱۰^۵۵ کیلوگرم است. هر ۱۰^۲۴ پروتون حدود یک گرم وزن دارد و هر اتم هیدروژن تنها یک پروتون دارد. بنابراین می‌توان نتیجه گرفت که در جهان مرئی حدود ۱۰^۸۲ اتم وجود دارد.