Сколько атомов в наблюдаемой Вселенной

Сколько атомов в наблюдаемой Вселенной?

Вся материя во Вселенной – независимо от того, насколько она большая, маленькая, молодая или старая – состоит из атомов.

Каждый из этих строительных блоков состоит из положительно заряженного ядра, включающего протоны и нейтроны, и отрицательно заряженные электроны, движущиеся по орбите. Количество протонов, нейтронов и электронов в атоме влияет на то, как он реагирует с другими атомами, находящимися вокруг него. Всё, что вы видите вокруг себя, – это просто конфигурация различных атомов, взаимодействующих друг с другом уникальным образом.

Итак, если всё состоит из атомов, знаем ли мы, сколько атомов во Вселенной?

Если начать с “малого”, то по данным The Guardian, в среднем в человеческом теле содержится около 7 октиллионов, или 7*10 27 (7 с последующими 27 нулями) атомов. Учитывая такое огромное количество атомов только в одном человеке, вы можете подумать, что невозможно определить, сколько атомов во всей Вселенной. И вы будете правы: поскольку мы понятия не имеем, насколько велика вся Вселенная на самом деле, мы не можем узнать, сколько атомов в ней.

Однако можно приблизительно рассчитать, сколько атомов находится в наблюдаемой Вселенной – той части Вселенной, которую мы можем видеть и изучать, – используя некоторые космологические предположения и немного математики.

Наблюдаемая Вселенная

Вселенная была создана во время Большого Взрыва 13,8 миллиардов лет назад. Когда она возникла из единой точки бесконечной массы и температуры, Вселенная начала расширяться и с тех пор этот процесс не прекращается.

Поскольку Вселенной 13,8 миллиарда лет, а наблюдаемая Вселенная простирается от нас настолько далеко, насколько смог переместиться свет за время, прошедшее с момента рождения Вселенной, вы можете предположить, что наблюдаемая Вселенная простирается всего на 13,8 миллиардов световых лет во всех направлениях. Но поскольку Вселенная постоянно расширяется, это не так. Когда мы наблюдаем далёкую галактику или звезду, на самом деле мы видим то место, где она была, когда впервые испустила свет. Но когда свет достиг нас, то галактика или звезда на самом деле находится уже намного дальше.

На этом изображении показана самая далёкая галактика GN-z11. Авторы и права: NASA / ESA / P. Oesch, Yale University / G. Brammer, STScI / P. van Dokkum, Yale University / G. Illingworth, University of California, Santa Cruz.

Используя космическое микроволновое фоновое излучение, мы можем определить, насколько быстро Вселенная расширяется, и поскольку эта скорость постоянна – что в настоящее время является лучшим предположением учёных (хотя некоторые учёные считают, что она может замедляться), – это означает, что размер наблюдаемой нами Вселенной на самом деле простирается на 46 миллиардов световых лет во всех направлениях.

Но знание того, насколько велика наблюдаемая Вселенная, не даст нам ответ на вопрос о том сколько в ней атомов. Нам также нужно знать, сколько в ней материи или чего-либо ещё.

Космические предположения

Как известно материя – не единственное, что есть во Вселенной. Фактически, по данным НАСА, она составляет всего около 5% Вселенной. Остальное – это тёмная энергия и тёмная материя, но поскольку они не состоят из атомов, нам не нужно беспокоиться.

Согласно знаменитому уравнению Эйнштейна E=mc 2 , энергия и масса или материя взаимозаменяемы, поэтому материя может быть создана из энергии или преобразована в неё. Но в космическом масштабе Вселенной мы можем предположить, что количество созданной и несотворённой материи компенсирует друг друга. Это означает, что материя конечна, поэтому, по данным Scientific American, в наблюдаемой Вселенной количество атомов постоянно. Это важно, потому что наша картина наблюдаемой Вселенной не является единым моментальным снимком во времени.

Тёмная энергия, нормальная и тёмная материя. Авторы и права: NASA.

Согласно нашим наблюдениям за известной Вселенной, физические законы, управляющие ею, везде одинаковы. В сочетании с предположением, что расширение Вселенной постоянно, это означает, что в больших масштабах материя равномерно распределена по всему космосу – концепция, известная как космологический принцип. Другими словами, во Вселенной нет регионов, в которых материи больше, чем в других. Эта идея позволяет учёным точно оценить количество звёзд и галактик в наблюдаемой Вселенной, что полезно, потому что большинство атомов находится внутри звёзд.

Упрощения уравнения

Знание размера наблюдаемой Вселенной и того, что материя равномерно и конечным образом распределена по ней, значительно упрощает вычисление количества атомов. Однако есть ещё несколько предположений, которые мы должны сделать, прежде чем мы перейдём к подсчётам.

Во-первых, мы должны предположить, что все атомы содержатся внутри звёзд, хотя это не так. К сожалению, у нас есть гораздо менее точное представление о том, сколько планет, спутников, комет и астероидов существует в наблюдаемой Вселенной, что означает, что их сложнее добавить в уравнение. Но поскольку подавляющее большинство атомов во Вселенной содержится в звёздах, мы можем получить хорошее приближение количества атомов во Вселенной, вычислив, сколько атомов в звёздах, и игнорируя всё остальное.

Во-вторых, мы должны предположить, что все атомы во Вселенной являются атомами водорода, хотя это также совсем не так. По данным Лос-Аламосской национальной лаборатории, на атомы водорода приходится около 90% всех атомов во Вселенной. Как вы вскоре увидите, это упрощение также значительно упростит вычисления.

Осталась математика

Теперь, наконец, пора заняться математикой.

Чтобы вычислить количество атомов в наблюдаемой Вселенной, нам нужно знать её массу, а это значит, что мы должны выяснить, сколько существует звёзд. По данным Европейского космического агентства, в наблюдаемой Вселенной от 10 11 до 10 12 галактик, и каждая галактика содержит от 10 11 до 10 12 звёзд. Это даёт нам примерно 10 22 и 10 24 звёзд. Таким образом мы можем сказать, что в наблюдаемой Вселенной 10 23 звёзд. Конечно, это всего лишь предположение, галактики могут различаться по размеру и количеству звёзд.

Читать еще:  Движение - Астрономия и Космос

На этой иллюстрации показана эволюция Вселенной, от Большого Взрыва слева до современности справа. Авторы и права: NASA.

Согласно Science ABC, в среднем звезда весит около 2,2*10 32 килограмма, что означает, что масса Вселенной составляет около 2,2*10 55 килограмм. Теперь, когда мы знаем массу или количество вещества, нам нужно определить, сколько атомов в нём помещается. По данным Fermilab, национальной лаборатории физики элементарных частиц в Иллинойсе, в среднем каждый грамм вещества содержит около 10 24 протонов. Это означает, что это то же самое, что и количество атомов водорода, потому что каждый атом водорода имеет только один протон (именно поэтому мы и сделали более раннее допущение об атомах водорода).

Это даёт нам 10 82 атомов в наблюдаемой Вселенной. Чтобы лучше представить, это 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 атомов.

Это число является лишь приблизительным предположением, основанным на ряде приближений и предположений. Но, учитывая наше нынешнее понимание наблюдаемой Вселенной, вряд ли оно будет слишком далеко от истины.

Все люди Земли могли бы уместиться в апельсине

Вы, должно быть, знаете, что 99,9% атома — просто пустое пространство. Это довольно очевидный факт. По сути, атом можно сжать до точки, которую практически невозможно будет увидеть и которая будет несоизмеримо меньше текущего размера атома.

Если вы уберете все свободное пространство из атомов, которые составляют всех людей на планете, вы могли бы поместить нас всех в один апельсин. Слова «пустое место» по отношению к человеку приобретают смысл.

Атомы окружают нас повсюду, будучи фундаментальными строительными блоками Вселенной. Солнце содержит 99,86% массы всей Солнечной системы. Масса Солнца приблизительно в 330 000 раз больше массы Земли. Солнце на три четверти состоит из водорода и на одну четверть из гелия.

Понимаете, к чему я клоню? Точно так же, как единственное светило берет на себя почти всю массу нашей Солнечной системы, так и все человечество могло бы уместиться на ладони, в буквальном смысле.

Атомы — вообще очень странная штука. Они невероятно малы, но именно им все сущее обязано своим существованием. Одна нить паутины имеет около миллиона атомов в диаметре. Ее масса, или 0,1% фактического материала, сконцентрирована в центре нити, в области в 1 триллионную часть сантиметра. По оставшемуся пространству с головокружительной скоростью носятся электроны. Если провести аналогию, в которой ядро атома будет размером с футбольный мяч, ближайший электрон будет в 0,8 километра от него.

Хуже попытки понять атомы может быть только это: попытка понять, почему…

Согласно популярной теории Большого взрыва, 13,7 миллиарда лет назад вся материя имела бесконечные плотность и температуру и была сосредоточена в маленькой точке пространства. При этом само понятие пространства и времени не существовало. Такое состояние материи ученые называют сингулярностью. По некоторой причине произошел взрыв изначальной материи в результате которого Вселенная начала расширяться, а ее плотность и температура стали постоянно уменьшаться.

Таким образом, Большой Взрыв произошел из сингулярности, которая является физическим объектом, не поддающимся описанию с помощью известных законов физики. Однако современная физика может описать, что было после Большого взрыва. Так, температура Вселенной через одну минуту после этого колоссального процесса оценивается в 1 миллиард кельвинов.

Числа-гиганты

Миллион = 1 000 000 = 10⁶

Наша первая остановка — «миллион» или 10 в 6-й степени. Это большое число, но все-таки оно не поражает воображение настолько, насколько это делают те числа, к которым мы перейдем вскоре. С миллионами чего-либо мы сталкиваемся довольно часто. До миллиона можно даже досчитать, и один весьма необычный человек по имени Джереми Харпер сделал это, транслируя свой трехмесячный счетный марафон в Интернет. Кстати, миллион секунд — это всего-навсего 11,5 дней. Миллиона рублей может не хватить для покупки хорошего автомобиля или скромной квартиры в Санкт-Петербурге. Стопка из миллиона книг, поставленных друг на друга, не выйдет даже за пределы атмосферы Земли. В свою очередь, из миллиона букв можно составить одну, достаточно большую, книгу (например, полная Библия состоит из более чем 2,5 миллионов букв). Миллион горошин поместится в большом мешке, который в принципе можно будет даже приподнять, если вы не боитесь надорваться. Миллион песчинок запросто поместится в пригоршне.

А миллион бактерий будет едва различим невооруженному глазу. Человеческий волос, увеличенный в миллион раз, будет диаметром около 100 метров. Здание в миллион этажей (если бы такое можно было построить) поднялось бы в высоту на 2,5 тысячи километров, — в 4 с лишним раза выше, чем летает телескоп Хаббла и большинство искусственных спутников Земли.

Миллиард = 1 000 000 000 = 10⁹

Всё это достаточно любопытно, но особо не впечатляет. Впрочем, мы только начали свой путь. И наше следующее число — «миллиард» или 10 в 9-й степени. С миллиардами мы встречаемся гораздо реже. Если мы хотим увидеть миллиард чего-либо и при этом не быть раздавленными, то придется брать что-то очень, очень маленькое. Например, молекулы. Конечно, одна молекула невооруженным взглядом не видна (да и не во всякий микроскоп ее можно разглядеть). А вот миллиард молекул, поставленных «плечом к плечу», займут около 30 сантиметров (вообще, молекулы сильно различаются по своим размерам и для примера мы взяли молекулу воды, состоящую, как известно, из двух атомов водорода и одного атома кислорода). Сумму в миллиард долларов еще можно как-то представить. Это цена какого-нибудь суперсовременного боевого самолета или военного авианосца (да, война это очень дорогостоящее мероприятие). Стоимость Большого Адронного Коллайдера — около 10 миллиардов долларов. Головной мозг человека состоит из 100 миллиардов нейронов.

И столько же, но только людей, жило на нашей планете за всю ее историю. Теперь давайте посмотрим наверх. Если разделить расстояние от Земли до Луны на миллиард, то получится примерно 40 сантиметров. А если на тот же миллиард разделить расстояние от Земли до Солнца, то получится уже 150 метров, а это большой такой небоскреб высотой почти в половину Эйфелевой башни. Сама Земля, уменьшенная в миллиард раз, станет размером с виноградину, — и, кстати, тогда она превратится в черную дыру. Космические аппараты «Вояджер», запущенные в 1977 году, пролетели почти по 20 миллиардов километров каждый. Космос по-настоящему огромен, и мы еще ощутим это в полной мере, когда перейдем к числам гораздо большим. А что насчет времени? Миллиард секунд — это 31,7 года, целое поколение. Если увеличить атом водорода в миллиард раз, то его диаметр составит целых 10 сантиметров, хотя его ядро даже при таком увеличении все равно не разглядишь. В этом масштабе мельчайшие вирусы будут гигантами размером в несколько десятков, а то и сотен метров. И даже молекула ДНК будет шириной в целых 3 метра.

Читать еще:  Лунный календарь садовода и огородника на 7 май 2021 года

Триллион = 1 000 000 000 000 = 10¹²

Наш третий гость — «триллион» или 10 в 12-й степени. И чтобы представить его наглядно, уже придется потрудиться. Например, что может стоить триллион долларов? По некоторым подсчетам, это цена экспедиции на Марс. А как вы думаете, сколько всего наличных денег на планете Земля? Около 4 триллионов долларов. Забавно, что государственный долг США почти в 5 раз больше. А если сложить вообще всё то, что можно купить сегодня за деньги, то это будет стоить почти 100 триллионов долларов.

Общая масса воздуха, который вдыхают все люди на нашей планете за 1 год, составляет около 6 триллионов килограмм. В океанах нашей планеты обитает около триллиона рыб. Триллион секунд, как вы наверняка уже догадались, это в тысячу раз дольше, чем миллиард, — то есть 31 с лишним тысяча лет. Примерно столько времени назад вымерли неандертальцы. Но это секунды. А вот через триллион лет случится нечто гораздо более интересное — в галактиках прекратят образовываться новые звезды. Триллион километров — такое расстояние свет в вакууме проходит чуть больше чем за месяц. А 42 триллиона километров — это расстояние до ближайшей к нам звезды (Проксимы Центавра). Если мы возьмем триллион бактерий (допустим, у нас как-то получится их собрать всех вместе), то они займут объем одного кубика сахара. Примерно столько бактерий содержится на теле человека. А число клеток в нем — несколько десятков триллионов. Во всех когда-либо отпечатанных книгах за всю историю книгопечатания около 100 триллионов букв. Вообще, кажется, что триллион это очень много. Но попробуем взять что-нибудь по-настоящему маленькое, — например атом. Горстку из триллиона атомов даже не увидеть невооруженным взглядом, вот насколько они малы. Давайте лучше увеличим что-нибудь в триллион раз. Например, электрон. Он будет размером с горошину. А вот кварки, увеличенные в триллион раз, все еще не будут видны. Кстати, вы же понимаете, что взять триллион штук чего-либо это совсем не то же самое, что увеличить это что-то в триллион раз?

Квадриллион = 1 000 000 000 000 000 = 10¹⁵

Четвертое число — «квадриллион» или 10 в 15-й степени. Это название уже не на слуху и редко кто пользуется им в обыденной жизни. Например, квадриллион долларов — это сумма неиспользуемая в практическом смысле. Даже не понятно, что может стоить так много. Разве что небольшая гора высотой метров в 200, состоящая из цельного куска платины (если бы такая существовала и если бы мы умудрились продать ее на рынке по текущему курсу). В теле человека (не только на коже, как в предыдущем абзаце) обитает до 1 квадриллиона бактерий, и их общий вес составляет около 2 килограмм. А еще на нашей планете живет примерно квадриллион муравьев (да, их гораздо больше, чем людей, — примерно в 100 тысяч раз).

Если пролететь квадриллион километров (а это примерно 100 световых лет), то можно посетить несколько ближайших к Земле звезд и вернуться обратно. Через 200 квадриллионов секунд Солнце перейдет в стадию красного гиганта. Помните кварки из нашего предыдущего абзаца? Давайте увеличим их в квадриллион раз. Размер самых больших из них будет равен примерно 1 миллиметру, а самые маленькие (так называемые «истинные» кварки) все еще не будут видны. И нейтрино, кстати, тоже видны не будут, хотя об их размерах мы можем судить только весьма приблизительно. А еще самые мощные современные компьютеры выдают несколько десятков квадриллионов операций в секунду (петафлопсов).

Квинтиллион = 1 000 000 000 000 000 000 = 10¹⁸

Наш пятый гость — «квинтиллион» или 10 в 18-й степени. Он в тысячу раз больше квадриллиона. Квинтиллион километров — это примерный диаметр нашей галактики, которая называется Млечный Путь. До нашей соседки — галактики Андромеды — 25 квинтиллионов (и, кстати, это расстояние сокращается на 300 километров каждую секунду, потому что мы сближаемся именно с такой скоростью). Квинтиллион секунд — это время в 2 раза большее, чем то, которое прошло от Большого Взрыва и до сегодняшнего момента. Для того чтобы вычерпать все мировые океаны, достаточно 5-6 квинтиллионов стаканов. А если мы возьмем квинтиллион молекул чернил, то сможем написать ими какое-нибудь одно, не очень большое, слово. 25-30 квинтиллионов молекул содержится в 1 куб.см воздуха при нормальной температуре и давлении (в основном, это молекулы азота – 78% и кислорода – 21%). Масса всей атмосферы Земли — около 5 квинтиллионов килограмм. Число возможных комбинаций кубика Рубика — 43 квинтиллиона с лишним. Для размещения квинтиллиона бактерий нам потребуется достаточно большая бочка, впрочем всего одна. Компьютер с производительностью квинтиллион операций в секунду должен появиться через пару лет. И наконец, если мы хотим кинуть монету таким образом, чтобы она упала на ребро 5 раз подряд, то в среднем нам придется сделать для этого около 8 квинтиллионов попыток (хотя, конечно, это сильно зависит от того, что это за монета и как именно мы ее кидаем).

Читать еще:  Измеряя массу экзопланеты, оказалось, что она весит половину Венеры

Секстиллион = 1 000 000 000 000 000 000 000 = 10²¹

Двигаемся дальше. «Секстиллион» или 10 в 21-й степени. Столько атомов содержится в небольшом шарике из алюминия, диаметром в пару миллиметров.

За один вдох мы захватываем около 10 секстиллионов молекул воздуха (причем среди них почти наверняка будут несколько молекул, которые были выдохнуты какой-нибудь выдающейся исторической личностью, например Элвисом Пресли). Вес гидросферы Земли – полтора секстиллиона килограмм, а Луны около 70 секстиллионов. Увеличив в секстиллион раз нейтрино, мы наконец-то сможем его разглядеть, хотя он будет совсем крошечным даже при таком фантастическом приближении. Количество песчинок на всех пляжах Земли — несколько секстиллионов, хотя это сильно зависит от того, как и что именно мы считаем. При этом, звезд во Вселенной даже еще больше (об этом чуть ниже). А размер видимой ее части — примерно 130 секстиллионов километров. Разумеется, такие расстояния никто в километрах не меряет, а использует для этого куда более подходящие световые годы и парсеки.

Септиллион = 1 000 000 000 000 000 000 000 000 = 10²⁴

Наш следующий на очереди гигант это «септиллион» или 10 в 24-й степени. Находить примеры из жизни становится всё труднее. 6 септиллионов килограмм весит наша Земля. Количество звезд в обозримой Вселенной — септиллион или совсем немного меньше.

Знаменитое число Авогадро, обозначающее количество молекул в одном моле вещества, составляет почти септиллион (более точное значение: 6 на 10²³ степени). 10 септиллионов молекул воды поместится в одном стакане. А если выложить в ряд 50 септиллионов маковых зерен, то такая цепочка протянется до Туманности Андромеды.

Октиллион = 1 000 000 000 000 000 000 000 000 000 = 10²⁷

10 в 27-й степени это «октиллион». Октиллион горошин займут такой же объем как планета Земля. Еще это число интересно тем, что если взять 5-10 октиллионов атомов, то из них можно составить человеческое тело.

Нониллион = 1 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 = 10³⁰

И, наконец, 10 в 30-й степени — это «нониллион». Приходится обращаться к примерам из чистой фантастики. Нониллион долларов стоили бы 5 планет размером с Землю, если бы они состояли из чистой платины. Для того, чтобы разглядеть невооруженным взглядом базовые составляющие материи (предполагается, что это одномерные квантовые струны), их придется увеличить в 100 нониллионов раз. Достаточно сказать, что толщина человеческого волоса при таком увеличении превысит размеры обозримой Вселенной. Масса Солнца — 2 нониллиона килограмм, а всей Солнечной системы лишь ненамного больше.

Время жизни протона – минимум нониллион лет (а скорее всего, намного больше). В 1 килограмме вещества примерно 1 нониллион электронов. А из нониллиона молекул можно составить целого слона.

10 в 33-й степени называется дециллион, но дальше мы обойдемся уже без обозначений. Масса Галактики – 2 на 10⁴¹ килограмм. Число возможных комбинаций в колоде из 36 карт – 3.72 на 10⁴¹, а позиций в шахматах – 4.6 на 10⁴². Энергия взрыва сверхновой звезды – 10⁴² джоуля. Количество молекул воздуха на Земле – 10⁴⁴, а количество атомов, составляющих всю нашу планету, – 10⁵⁰. Масса всей Вселенной – 1.7 на 10⁵³ килограмм. Типичный белый карлик состоит из 10⁵⁷ частиц. Если поделить самое большое из реально существующих расстояний (радиус Вселенной) на самое малое (длину Планка), то получится 4.6 на 10⁶¹. 10⁶⁶ лет – время испарения черной дыры с массой Солнца. Число атомов в Галактике – 10⁶⁷, а во всей Вселенной – 10⁷⁷. При этом, элементарных частиц во Вселенной – 10⁸⁰, а число фотонов и того больше, – 10⁹⁰. Число 10¹⁰⁰ имеет красивое название «Гугол». Через Гугол лет испарятся последние черные дыры и наша Вселенная погрузится во тьму (наверное). Количество неповторяющихся шахматных партий (так называемое Число Шеннона) равно минимум 10¹¹⁸.

Если набить всю обозримую Вселенную «под завязку» протонами, то их в нее поместится около 10¹²². А если взять для той же самой цели самый малый из известных науке объемов (планковский объем), то получится 10¹⁸⁵. Поистине ошеломляюще. Наверное, здесь заканчивается теоретическая физика и начинается чистая математика — царица всех наук.

Да, есть числа и гораздо большие, но они уже не имеют применения в реальном мире. Одним из самых больших чисел (а до недавнего времени — самым большим) из тех, которые использовались в доказательствах теорем, является число Грэма, введенное математиком Рональдом Грэмом. Оно настолько велико, что для его обозначения пришлось использовать совершенно новую нотацию, то есть систему записи чисел. Единственное, что можно сказать о числе Грэма, так это то, что каким бы вы его не представили, на самом деле оно гораздо, гораздо больше. Заканчивается оно на 387, а вот с какой цифры начинается, не знает никто и не узнает, судя по всему, никогда.

Поскольку в данном тексте я обращался к очень большим числам, то наверняка допускал неточности, хотя и старался по возможности их не делать, проверяя то, что пишу, во внушающих доверие источниках. Конечно, если мы говорим, например, о квинтиллионе частиц, то ошибка в 10 раз будет почти незаметна (10¹⁸ и 10¹⁹ на глаз различаются не слишком сильно). Если же вы считаете, что где-то я допустил более грубую ошибку, то пожалуйста напишите об этом.

Сколько атомов во Вселенной?

Если учесть, что такая точка . содержит примерно 125 миллионов атомов, то можно ожидать, что общее количество атомов в наблюдаемой Вселенной будет очень большим. И ученые работали над оценкой этого количества.

И их ответ был таков – во Вселенной минимум 10 в 78 степени атомов, а максимум 10 в 82. Помните, вторые цифры – это то, сколько нулей будет после 1.

И речь здесь идет не о всей Вселенной, а лишь о той ее части, которую мы наблюдаем…

Если вы нашли ошибку, пожалуйста, выделите фрагмент текста и нажмите Ctrl+Enter.

Ссылка на основную публикацию
Статьи на тему:

Adblock
detector