จำนวนอะตอมในจักรวาลมีเท่าไร ทำไมนักวิทยาศาสตร์ยังพอคำนวณได้

จำนวนอะตอมในจักรวาล มากจนจินตนาการแทบไม่ออก

หลายคนเคยสงสัยว่า ถ้านำอะตอมทุกอะตอมในจักรวาลมานับจริง ๆ จะได้ตัวเลขเท่าไร คำตอบคือไม่มีใครนับได้ทีละอะตอม แต่สิ่งที่น่าสนใจคือ นักดาราศาสตร์สามารถประมาณจำนวนได้จากแบบจำลองของจักรวาล ความหนาแน่นของสสาร และข้อมูลจากการสังเกตการณ์ด้วยกล้องโทรทรรศน์สมัยใหม่ ทำให้เราได้ตัวเลขที่ใกล้เคียงความเป็นจริงอย่างน่าทึ่ง

ตัวเลขที่ถูกอ้างถึงบ่อยที่สุด

ค่าประมาณที่ได้รับการยอมรับในวงกว้างคือ จักรวาลที่เราสังเกตได้มีอะตอมอยู่ราว 1080 อะตอม หรือเขียนแบบเต็ม ๆ ได้เป็นเลข 1 ตามด้วยเลขศูนย์อีกประมาณ 80 ตัว ตัวเลขนี้เรียกกันว่า Eddington Number แม้จะเป็นเพียงค่าประมาณ แต่ก็สะท้อนขนาดอันมหาศาลของเอกภพได้เป็นอย่างดี

หลายคนอาจคิดว่าเมื่อเทคโนโลยีพัฒนาแล้ว ตัวเลขนี้น่าจะระบุได้อย่างแม่นยำกว่านี้ ความจริงคือเราไม่สามารถมองเห็นทั้งจักรวาลได้ทั้งหมด สิ่งที่นักวิทยาศาสตร์ศึกษาคือ จักรวาลที่สังเกตได้ ซึ่งมีขอบเขตจำกัดตามระยะทางที่แสงเดินทางมาถึงโลกตั้งแต่เกิดบิกแบงเมื่อประมาณ 13.8 พันล้านปีก่อน นั่นหมายความว่านอกเหนือจากขอบเขตดังกล่าวอาจยังมีสสารอีกมหาศาลที่เราไม่สามารถตรวจจับได้ในปัจจุบัน

เขาคำนวณจากอะไร

การประมาณจำนวนอะตอมไม่ได้เกิดจากการนับทีละชิ้น แต่เริ่มจากการประเมินปริมาตรของจักรวาลที่สังเกตได้ จากนั้นคำนวณความหนาแน่นเฉลี่ยของสสารปกติ หรือที่เรียกว่า Baryonic Matter ซึ่งประกอบด้วยโปรตอน นิวตรอน และอิเล็กตรอน เมื่อทราบมวลรวมของสสารชนิดนี้แล้ว จึงแปลงกลับเป็นจำนวนอะตอมโดยอาศัยมวลเฉลี่ยของธาตุต่าง ๆ ที่พบในจักรวาล

สิ่งที่หลายคนอาจแปลกใจคือ สสารธรรมดาที่ประกอบเป็นดาวเคราะห์ ดวงดาว และตัวเรา มีสัดส่วนเพียงประมาณ 5% ของพลังงานและสสารทั้งหมดในจักรวาล ส่วนที่เหลือเป็นสสารมืดและพลังงานมืด ซึ่งยังไม่สามารถอธิบายได้ทั้งหมด ดังนั้นตัวเลข 1080 จึงหมายถึงจำนวนอะตอมของสสารธรรมดา ไม่ใช่องค์ประกอบทั้งหมดของจักรวาล

อะตอมจำนวนมหาศาลแค่ไหน

ลองจินตนาการว่าหากนับหนึ่งอะตอมต่อวินาทีโดยไม่หยุดพัก แม้เวลาจะผ่านไปนานกว่าช่วงอายุของจักรวาลหลายล้านล้านล้านล้านเท่า ก็ยังนับไม่ครบ ตัวเลข 1080 ใหญ่จนเกินกว่าที่สมองมนุษย์จะสร้างภาพได้โดยตรง นักคณิตศาสตร์จึงนิยมใช้เลขยกกำลังแทนการเขียนตัวเลขเต็ม

เพื่อเปรียบเทียบให้เห็นภาพ เม็ดทรายทั้งหมดบนชายหาดทุกแห่งบนโลกมีจำนวนประมาณ 1018 ถึง 1024 เม็ด ซึ่งยังน้อยกว่าจำนวนอะตอมในจักรวาลแบบเทียบกันแทบไม่ได้ ความแตกต่างของเลขชี้กำลังเพียงหลักเดียวก็หมายถึงการเพิ่มขึ้นอีกสิบเท่า ดังนั้นช่องว่างระหว่าง 1024 กับ 1080 จึงมหาศาลเกินกว่าจะอธิบายด้วยคำว่า 'มาก'

ตัวเลขนี้จะเปลี่ยนแปลงหรือไม่

มีโอกาสเปลี่ยนได้หากแบบจำลองจักรวาลได้รับการปรับปรุง หรือมีข้อมูลใหม่จากภารกิจสำรวจอวกาศในอนาคต อย่างไรก็ตาม การเปลี่ยนแปลงมักเป็นการปรับค่าประมาณ ไม่ได้ทำให้จำนวนลดลงหรือเพิ่มขึ้นแบบหลายหลัก เพราะหลักการคำนวณอาศัยข้อมูลเชิงฟิสิกส์ที่ได้รับการตรวจสอบจากหลายวิธี

สิ่งที่น่าทึ่งที่สุดไม่ใช่ตัวเลขเพียงอย่างเดียว แต่คือความสามารถของมนุษย์ในการใช้คณิตศาสตร์ ฟิสิกส์ และการสังเกตการณ์จากโลกใบเล็ก ๆ เพื่อทำความเข้าใจเอกภพอันกว้างใหญ่ แม้จะไม่มีใครสามารถนับอะตอมได้จริง แต่เราก็สามารถประมาณจำนวนของมันได้อย่างมีเหตุผล จนกลายเป็นหนึ่งในตัวเลขที่สะท้อนความยิ่งใหญ่ของจักรวาลได้ดีที่สุด