[Bạn có biết] Có bao nhiêu nguyên tử trong phần vũ trụ quan sát được?

Tất cả mọi thứ trong vũ trụ, dù to hay nhỏ, mới hay cũ, tất cả đều được cấu thành từ nguyên tử. Đây được xem là đơn vị cơ bản của vật chất với cấu tạo bao gồm một hạt nhân ở trung tâm. Hạt nhân nguyên tử là một gắn kết của hai loại hạt proton mang điện dương và neutron trung hoà về điện. Ngoài ra, nguyên tử còn được bao quanh bởi đám mây electron mang điện tích âm. Dù khoa học tiến bộ đã tìm ra được nhiều loại hạt còn nhỏ hơn nguyên tử, nhưng đây vẫn được xem là đơn vị cơ bản của vật chất. Vậy có bao giờ anh em tự hỏi rằng trong phần vũ trụ quan sát được có bao nhiêu nguyên tử không?

Phần vũ trụ quan sát được

Muốn biết có bao nhiêu nguyên tử trong vũ trụ thì chúng ta phải biết vũ trụ rộng lớn bao la như thế nào đã. Theo rất nhiều giả thuyết về sự hình thành và phát triển của vũ trụ, giả thuyết Big Bang là giả thuyết phổ biến và được nhiều người chấp nhận nhất. Theo ước tính, tuổi của vũ trụ là 13.8 tỷ năm và nó được hình thành từ một điểm vật chất duy nhất có nhiệt độ vô hạn. Từ điểm này, vụ nổ diễn ra, hình thành vũ trụ và liên tục nở rộng ra từ đó đến nay.



Để tính phần vũ trụ quan sát được, chúng ta thường nghĩ nó có kích thước vào khoảng 13.8 tỷ năm ánh sáng. Tuy nhiên phép tính này là sai vì vũ trụ liên tục mở rộng, và tốc độ mở rộng có thể còn nhanh hơn vận tốc ánh sáng. Theo phát biển của Einstein, ánh sáng là tốc độ nhanh nhất trong vũ trụ, tuy nhiên nhấn mạnh là “trong vũ trụ” còn bản thân vũ trụ thì lại là câu chuyện khác. Giả thiết cho việc tốc độ giãn nở vũ trụ nhanh hơn vận tốc ánh sáng đã không ít lần được các nhà khoa học đề cập tới và chứng minh.

Năm 1929, Edwin Hubble đã phát hiện ra một định luật nêu bật sự liên hệ giữa vận tốc dịch chuyển của một thiên hà và khoảng cách của nó đến vị trí quan sát bằng công thức v = H0.D - trong đó v là vận tốc dịch chuyển của thiên hà, D là khoảng cách từ thiên hà đến vị trí người quan sát và H0 là hằng số Hubble tại một thời điểm. Vào năm 2020, người ta đo được H0 của năm đó vào khoảng 67.6km/s/Mpc. Trong đó 1 Mpc tương đương 3260000 năm ánh sáng. Từ công thức trên, dễ thấy D càng lớn thì v càng lớn, nghĩa là giả sử chúng ta đang quan sát thiên hà A, A càng tiến ra xa thì vận tốc di chuyển của A càng lớn.



Các nhà khoa học đã tính được rằng phần vũ trụ quan sát được hiện tại có bán kính vào khoảng 46 tỷ năm ánh sáng. Một thông tin thú vị là hồi cuối năm 2020, các nhà khoa học cũng phát hiện được một thiên hà cổ xưa nhất và cách xa Trái Đất nhất. Thiên hà này có tuổi là 13.4 tỉ năm ánh sáng, tức là hình thành sau vụ nổ Big Bang chỉ 400 triệu năm. Tính theo tốc độ giãn nở tới hiện tại thì khoảng cách của thiên hà này có thể đã cách chúng ta tới 32 tỷ năm ánh sáng.

Vật chất trong vũ trụ

Các vật chất không phải là thứ duy nhất tồn tại trong vũ trụ, và nó chỉ chiếm khoảng 5% vũ trụ. Phần còn lại có thể kể đến như phản vật chất hay vật chất tối, những thứ đang làm đau đầu các nhà khoa học về sự tồn tại của chúng. Tuy nhiên các thứ không phải vật chất không được hình thành từ nguyên tử, nên kệ nó đi…



Theo các nhà khoa học, dù vũ trụ liên tục giãn nở, nhưng số lương nguyên tử trong vũ trụ luôn không đổi và có hạn. Và các nhà khoa học cũng không quên đưa ra cái gọi là nguyên tắc vũ trụ (cosmological principle), trong đó nói rằng không có nơi nào trong vũ trụ có số vật chất nhiều hơn nơi khác, hay nói cách khác là vật chất được phân bổ đồng đều trong toàn bộ vũ trụ, và nguyên tử cũng thế. Chính ý tưởng này cho phép các nhà khoa học ước tính một cách chính xác số lượng ngôi sao, thiên hà trong vũ trụ, và cũng giúp cho việc tính lượng nguyên tử dễ dàng hơn mà không phải ngồi đếm từng cái…

Đơn giản hoá phép tính

Biết được kích thước và tính chất phân phối đều của nguyên tử là quan trọng, nhưng để tính chính xác số lượng nguyên tử thì chúng ta cần phải thêm một số giả định. Đầu tiên là chúng ta phải quy ước rằng tất cả nguyên tử đều được chứa trong những ngôi sao, mặc dù thực tế không phải vậy. Làm như vậy là vì, chúng ta có ít số liệu chính xác về số lượng các mặt trăng, hành tinh hay những thiên thể khác trong vũ trụ, trong khi số lượng các ngôi sao thì các nhà khoa học đã ước lượng được một cách có-thể-xem-như-là-chính-xác.

Và cũng vì các ngôi sao chứa phần lớn các nguyên tử với mật độ rất cao, do đó việc giả định như vậy không làm cho kết quả phép tính trở nên quá sai đến mức không thể chấp nhận được. Do đó, chúng ta cần quy ước các nguyên tử đều được chứa trong những ngôi sao, bỏ qua các thứ khác.

Giả định thứ hai là cho rằng các nguyên tử trong vũ trụ đều là nguyên tử hydro, tức là chỉ có 1 electron bay quanh 1 proton. Dĩ nhiên giả định này cũng khác thực tế rất nhiều, nhưng điều này sẽ giúp đơn giản phép tính hơn. Mặc dù nói là khác thực tế, nhưng thực tế của thực tế là vũ trụ chứa tới 90% là hydro và thậm chí, một ngôi sao còn chứa tỉ lệ hydro cao hơn thế nữa.

Bước tính toán cuối cùng

Để tìm ra được số nguyên tử, chúng ta cần biết thêm khối lượng của vũ trụ nữa, hay nói các khác là tìm xem có bao nhiêu ngôi sao trong vũ trụ, nặng trung bình bao nhiêu cân. Theo ước tính của Cơ quan Vũ trụ Châu Âu ESA, có khoảng 10^11 đến 10^12 thiên hà trong vũ trụ khả kiến, mỗi thiên hà lại chứa từ 10^11 đến 10^12 sao. Như vậy, chúng ta có khoảng 10^22 đến 10^24 sao, lấy trung bình là 10^23 nhé. Dĩ nhiên đây chỉ là ước tính.

Trung bình, một ngôi sao sẽ nặng khoảng 10^32kg, như vậy, vũ trụ sẽ nặng khoảng 10^55kg. Trung bình, mỗi gam vật chất sẽ có khoảng 10^24 proton, theo quy ước mọi nguyên tử trong phép tính này đều là nguyên tử hydro. Vậy nói cách khác, mỗi gam vật chất sẽ chứa 10^24 nguyên tử, tương đương 1kg vật chất sẽ chứa 10^27 nguyên tử. Như vậy, cả vũ trụ khả kiến sẽ chứa 10^82 nguyên tử. Viết dạng số sẽ là:

100,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000 nguyên tử.

Dĩ nhiên, con số này chỉ là tính toán thô, dựa trên các số liệu ước tính và xấp xỉ cộng với giả định khác thực tế phần nào. Tuy nhiên đây vẫn là kết quả cho chúng ta thấy vũ trụ quá bao la và rộng lớn. Mong là trong tương lai, con người lại có thể tiếp tục khai phá được khoảng không vô tận này.
Tham khảo (1), (2), (3), (4)