Reise in die Mikrowelt

In einem früheren Artikel haben wir über riesige Zahlen gesprochen . Wir können sagen, dass wir eine Reise ins Unendliche gemacht haben, und als wir uns der Graham-Nummer näherten, hatte ich persönlich das Gefühl, dass nur ein bisschen mehr - und wir würden es mit unserer Hand berühren. Heute biete ich Ihnen eine weitere Reise an. Diesmal in der Mikrowelt - der Welt der kleinen Objekte. So klein, dass unter allen, die wir betrachten, das Sandkorn das größte sein wird. Ich muss sofort sagen, dass es in diesem Artikel nicht um Physik geht. Wir werden nicht über Quanteneffekte, das Unsicherheitsprinzip und die Stringtheorie sprechen. Ich bin kein Physiker (ich denke jedoch, dass Sie dies auf der Grundlage meines vorherigen Textes verstanden haben). Dieser Artikel handelt von Zahlen, Maßstab und Schönheit. Willkommen zurück.

Aber wir werden aus einer ganz anderen Perspektive beginnen. Bevor wir uns auf eine Reise in die Tiefen der Materie begeben, lassen Sie uns unseren Blick nach oben richten. Es scheint mir, dass uns die Makroskala noch ein bisschen besser vertraut ist als das Mikro. Ein gebildeter Leser stellt sich mehr oder weniger vor, wie groß die Entfernungen im Universum sind. Zum Beispiel ist bekannt, dass zum Mond im Durchschnitt fast 400.000 Kilometer, zur Sonne - 150 Millionen, zum jetzt modischen Pluto (der ohne Teleskop nicht mehr sichtbar ist) - 6 Milliarden, zum nächsten Stern Proxima Centauri (auch nicht sichtbar) - 40 Billionen, 25 Billionen zur nächsten großen Galaxie des Andromeda-Nebels (aber ohne Instrumente ist es nur bemerkenswert sichtbar) und schließlich zum Rand des beobachtbaren Universums (ob sichtbar oder nicht - ein strittiger Punkt) - 130 Sextillionen. Beeindruckend natürlich, aber wir alle lieben Weltraumnachrichten und ehrlich gesagtIrgendwo tief im Inneren hat sich bereits damit abgefunden, dass der Kosmos sehr, sehr, sehr groß ist. Und der Unterschied zwischen all diesen „Quadri-“, „Quinti-“ und „Sexty-“ scheint nicht so groß zu sein, obwohl sie sich tausendmal unterscheiden. Die Mikrowelt ist eine ganz andere Sache. Ist es möglich, dass so viele interessante Dinge in ihm verborgen sind, weil er einfach nirgendwo hineinpasst. Der gesunde Menschenverstand sagt es uns und irrt sich.

Versuchen Sie, eine solche Frage zu beantworten. Wenn wir an einem Ende der logarithmischen Skala den kleinsten bekannten Abstand im Universum und am anderen - den größten - beiseite legen, was wird dann in der Mitte sein? Was ist diese "durchschnittliche" Entfernung? Wenn Sie nur an Galaxien und Sterne gedacht haben, dann nehmen Sie wahrscheinlich an, dass es groß genug sein sollte, weil das Universum so groß ist. Tatsächlich beträgt dieser Abstand jedoch ungefähr 0,1 Millimeter. Erstaunlich, oder? In diesem Mikrokosmos geschieht etwas sehr Unerklärliches, da es den Großteil des gesamten Kosmos überwiegt. 0,1 mm ist also so groß wie ein Sandkorn. Beginnen wir damit.



Ein Sandkorn ist eines der kleinsten Objekte, die wir noch mit bloßem Auge sehen. 100 Sandkörner in einer Reihe passen auf den Nagel eines menschlichen Fingers. Zehntausend Sandkörner - und jetzt haben wir einen Meter vor uns. Und wenn Sie sie "nebeneinander" entlang des Erdäquators platzieren, brauchen wir 400 Milliarden Stück. Gerade. Ist Ihnen klar, dass all diese Sandkörner in einem großen, aber überhaupt nicht großen Beutel gesammelt werden können und nur etwa eine Tonne wiegen?

Was haben wir sonst noch, das kaum in Betracht gezogen werden kann? Menschliches Haar. Die Haare der Menschen sind unterschiedlich, aber im Durchschnitt sind sie 50 bis 70 Mikrometer dick, dh 15 bis 20 Mikrometer pro Millimeter. Um den Abstand zum Mond zu bestimmen, benötigen sie 8 Billionen Haare (wenn Sie sie nicht in der Länge, sondern in der Breite falten, natürlich). Da sich ungefähr 100.000 auf dem Kopf einer Person befinden, ist es mehr als genug für den Mond und wird sogar bleiben, wenn Sie die Haare von der gesamten Bevölkerung Russlands sammeln.



Wir bewegen uns weiter - in die Welt der Objekte, die für das bloße Auge bereits unsichtbar sind. Bakterien. Ihre Größe kann 10-mal variieren - von 0,5 bis 5 Mikrometer (obwohl es einzigartige Proben mit einer Größe von bis zu 1 Millimeter gibt). So passen sie in der Dicke eines menschlichen Haares bis zu 100 und in einem Zentimeter - bis zu 20.000 Stück. Wenn Sie das durchschnittliche Bakterium so groß machen, dass es bequem in unsere Handfläche passt (100.000 Mal), wird das Haar 5 Meter dick. Übrigens leben eine ganze Billiarde Bakterien im menschlichen Körper und ihr Gesamtgewicht beträgt 2 Kilogramm. Halten Sie für eine Sekunde inne und überlegen Sie, wie viele von Ihnen Bakterien sind. Es gibt tatsächlich mehr von ihnen als die Zellen des Körpers selbst. Man kann also durchaus sagen, dass eine Person genau ein solcher Organismus ist, der aus Bakterien und Viren mit kleinen Einstreuungen von etwas anderem besteht.



Viren. Ich kann leicht zugeben, dass sie für jemanden ungefähr so ​​aussehen wie Bakterien - ich selbst benutze diese Wörter manchmal als Synonyme. Die Größe von Viren unterscheidet sich sogar noch mehr als die von Bakterien - fast 100.000 Mal. Wenn dies bei Menschen der Fall wäre, würden sie von 1 Zentimeter auf 1 Kilometer wachsen, und ihre soziale Interaktion würde zu einem merkwürdigen Anblick werden. Insgesamt sind Viren jedoch kleiner als Bakterien. Die durchschnittliche Länge der häufigsten Sorten beträgt 100 Nanometer oder 10 bis ⁷ Grad Meter. Wenn wir die Approximationsoperation erneut durchführen, so dass das Virus die Größe einer Handfläche annimmt, beträgt die Länge des Bakteriums 1 Meter und die Haardicke 50 Meter.

Übrigens nähern wir uns in dieser Größenordnung Größen, die wir mit einem optischen Mikroskop nicht mehr erkennen können. Und deshalb. Die Wellenlänge des sichtbaren Lichts beträgt 400-750 Nanometer, und es ist einfach unmöglich, Objekte zu sehen, die kleiner als dieser Wert sind (es sei denn, Sie wenden einen Trick an, indem Sie sie beispielsweise emittieren lassen). Beim Versuch, das Objekt zu beleuchten, wird die Welle einfach um das Objekt herumgehen und nicht reflektiert. Manchmal fragen sie, wie das Atom aussieht oder welche Farbe es hat.. Es schien mir einmal, dass man zur Beantwortung nur durch ein Mikroskop schauen muss. Wenn die Vergrößerung nicht ausreicht, nehmen Sie ein anderes und hängen Sie es an das erste und dann immer wieder an, bis Sie ein helles und klares Bild erhalten, was wirklich der Fall ist Offensichtlich wird es eine Form und eine Farbe geben (ja, ich war schlau klein und es schien mir eine großartige Idee zu sein). Tatsächlich sieht das Atom in keiner Weise aus. Einfach gar nichts. Und nicht, weil unsere Mikroskope nicht gut genug sind, sondern weil die Größe des Atoms geringer ist als die Entfernung, für die das Konzept der „Sichtbarkeit“ existiert ... Es schien mir nur wichtig, dies zu beachten, auch weil alle weiteren Abbildungen eher nur Bilder sein werden, aber nicht wirklich etwas, das die Formen der fraglichen Objekte widerspiegelt.

Zurück zu den Viren. Wenn wir zum Vergleich noch einmal die Dicke eines menschlichen Haares heranziehen, passen dort etwa 500 mittelgroße Stücke. Wenn Sie sich das nächste Mal die Haare in der Suppe ansehen, stellen Sie sich vor, wie ein Rundtanz von 1,5 Tausend Viren darum herumgeht. Und entlang des Erdumfangs können 400 Billionen Viren dicht platziert werden. Viel. Eine solche Entfernung in Kilometern Licht vergeht in 40 Jahren. Aber wenn Sie sie alle zusammenfügen, passen sie leicht auf Ihre Fingerspitze. Gerade.



Im Allgemeinen gibt es im Nanometerbereich viele verschiedene interessante Objekte, aber wir werden uns nur mit denen befassen, deren Namen weithin bekannt sind. Daher sind Moleküle unser nächster Stopp. Zum Beispiel ein DNA-Molekül mit einer Breite von 3 mal 10 ^-9Meter. Das heißt, mit einer Vergrößerung von einer Million Mal entspricht ihre Breite 3 Millimetern, und wenn in einer Milliarde - 3 Metern (wenn Sie dagegen nur eine Milliarde Moleküle nehmen, sind sie ohne Brille nicht einmal sichtbar). Somit ist das DNA-Molekül mehrere zehnmal kleiner als das durchschnittliche Virus. Obwohl dies nicht ganz ehrlich ist, vergleichen wir die Breite (DNA) mit der Länge (des Virus). Trotzdem sind die Verhältnisse hier ungefähr gleich. Nehmen wir zum Vergleich ein Wassermolekül. Seine ungefähre Größe beträgt 3 mal 10 ^-10 Meter. In einem Glas Wasser solcher Moleküle befinden sich 10 Septillionen - ungefähr so ​​viele Millimeter von uns bis zur Andromeda-Galaxie. Und in einem Kubikzentimeter Luft sind Moleküle 30 Billionen (hauptsächlich Stickstoff und Sauerstoff).



Es ist bekannt, dass Moleküle aus Atomen bestehen, und ihre Größen sind ziemlich vergleichbar. Zum Beispiel ist der Durchmesser des Kohlenstoffatoms (die Grundlage allen Lebens auf der Erde) 3,5 von 10 ^-10 Meter, die auch etwas größer als Wassermoleküle ist. Das Wasserstoffatom ist 10-mal kleiner - 3 mal 10 ^-11 Meter. Das reicht natürlich nicht aus. Aber wie wenig? Tatsache ist, dass das kleinste, kaum unterscheidbare Salzkorn aus 1 Billion Atomen besteht. Und ich meine nicht grobes Salz mit großen, klar unterscheidbaren Körnchen, sondern feines Salz - das in Salzstreuern. Versuchen Sie gelegentlich, einen von ihnen herauszusuchen, schauen Sie auf das Licht und sagen Sie sich: „qui nti-lli-on“ (das ist übrigens 10 ¹⁸) Kehren wir zu unserer Standardskala zurück und zoomen Sie auf das Wasserstoffatom, damit es bequem in der Hand liegt. Die Viren werden dann 300 Meter groß sein, Bakterien 3 Kilometer, und das Haar wird 150 Kilometer dick, und selbst wenn es liegt, geht es über die Atmosphäre hinaus (und kann den Mond in der Länge erreichen).



Wir tauchen einen Schritt tiefer. Ein so kleiner „Schritt“ hat sofort eine Größenordnung von 4 Größenordnungen, von der Größe eines Fußballstadions bis zur Größe einer Biene, die in der Mitte ihres Feldes sitzt. Partikel. Es sollte sofort gesagt werden, dass auf solchen Skalen das Konzept der Größe eher willkürlich ist. Und wenn wir über Elementarteilchen sprechen, müssen wir bereits überlegen, welches Modell wir verwenden, Quanten oder Klassik. Der sogenannte "klassische" Elektronendurchmesser beträgt 5,5 Femtometer oder 5,5 pro ^10-15Meter. Die Abmessungen des Protons und des Neutrons sind noch kleiner und betragen etwa 1,5 Femtometer. Die Ironie ist, dass Protonen 1.836-mal schwerer als Elektronen sind - dies allein sollte etwas über die Konventionen der obigen Dimensionen aussagen. Es gibt ungefähr die gleiche Anzahl von Protonen in einem Meter wie Ameisen auf dem Planeten Erde, obwohl ich nicht sicher bin, ob diese beiden Werte irgendwie miteinander zusammenhängen (persönlich schockiert es mich nicht nur, dass das Proton so klein ist, sondern dass die Ameisen es haben es gibt irgendwie zu viele von uns). Wir nutzen die bereits bekannte Erhöhung. Das Proton befindet sich bequem in unserer Handfläche, und dann beträgt die Größe des durchschnittlichen Virus 7.000 Kilometer (übrigens fast wie ganz Russland von West nach Ost), und die Haardicke beträgt das Zweifache der Größe der Sonne.


Glaubst du nicht, dass es einfach nichts mehr zu geben gibt? Ja, wir haben etwas über Quarks gehört, aber es ist schwer, etwas Bestimmtes über ihre Größe zu sagen. Es wird angenommen, dass sie irgendwo zwischen 10 ^-19 - 10 ^-18 Metern liegen. Der kleinste - ein echter Quark - mit einem Durchmesser (schreiben wir dieses Wort in Anführungszeichen, um Sie an das Obige zu erinnern) beträgt 10 bis ²² Meter. Es gibt so etwas wie Neutrinos. Schau auf deine Handfläche. Eine Billion Neutrinos, die von der Sonne emittiert werden, fliegen jede Sekunde durch sie hindurch. Und du kannst deine Hand nicht hinter deinem Rücken verstecken. Neutrinos passieren leicht Ihren Körper, die Wand, unseren gesamten Planeten und sogar eine 1 Lichtjahr dicke Bleischicht. Der "Durchmesser" des Neutrinos beträgt 10 ^-24Meter - Dieses Teilchen ist 100-mal kleiner als der wahre Quark oder eine Milliarde Mal kleiner als das Proton oder 10 Septillionen Mal kleiner als der Tyrannosaurus. Fast genauso oft ist der Tyrannosaurus selbst kleiner als das gesamte beobachtbare Universum (genauer gesagt, er war kleiner, bis er ausgestorben ist). Wenn Sie das Neutrino so erhöhen, dass es die Größe einer Orange hat, ist sogar ein Proton zehnmal größer als die Erde. So.



Und jetzt hoffe ich aufrichtig, dass Ihnen eines der beiden folgenden Dinge auffällt. Wählen Sie eine davon und genießen Sie. Erstens können wir noch weiter gehen (und sogar einige aussagekräftige Annahmen darüber treffen, was dort passieren wird). Der zweite - aber gleichzeitig ist es unmöglich, sich endlos in die Tiefen der Materie zu bewegen, und bald werden wir zum Stillstand kommen. Welche dieser Aussagen erscheint Ihnen überraschender? Persönlich habe ich wahrscheinlich noch die zweite. Um diese "Sackgassen" -Größen zu erreichen, müssen wir weitere 11 Größenordnungen reduzieren, wenn wir vom Neutrino zählen. Das heißt, diese Größen sind 100 Milliarden Mal kleiner als Neutrinos. Um die gleiche Menge ist ein Sandkorn übrigens kleiner als unser gesamter Planet. Wenn Ihnen das nicht auffällt, weiß ich einfach nicht, worüber Sie sprechen können ...

Also, bei den Größen 10 bis ³⁵Meter warten wir auf ein so wunderbares Konzept wie die Planck-Länge - die in der realen Welt mögliche Mindestentfernung (soweit dies in der modernen Wissenschaft allgemein angenommen wird). Hier leben noch Quantenketten - Objekte, die aus jeder Sicht bemerkenswert sind (zum Beispiel sind sie eindimensional, sie haben keine Dicke), aber für unser Thema ist es wichtig, dass ihre Länge auch innerhalb von 10 bis ³⁵ Metern liegt. Lassen Sie uns zum letzten Mal unser Standard-Vergrößerungsexperiment durchführen. Eine Quantenkette wird zu einer geeigneten Größe, und wir halten sie wie einen Bleistift in unseren Händen. In diesem Fall ist das Neutrino 7-mal größer als die Sonne und das Wasserstoffatom 300-mal so groß wie die Milchstraße.



Schließlich kamen wir zur Struktur des Universums - der Skala, in der Raum wie Zeit, Zeit in Raum wird und verschiedene andere bizarre Dinge passieren. Es gibt (wahrscheinlich) nichts weiter ...

Nun, ich hoffe, dass Sie interessiert waren und dass Sie die aufgewendete Zeit nicht bereut haben, wenn Sie an diesem Ort gelesen haben. Wenn ja, dann seien Sie nicht zu faul, um zum folgenden Link zu gelangen , und Sie können alle gleich und noch viel mehr sehen, aber nur in Bildern und mit einer Skala der realen Skalen von Mikro- und Makrokosmosobjekten.

Und wenn Sie einen Fehler in meinem Text bemerken, schreiben Sie dies bitte in den Kommentaren. Ich werde diesen Text gerne korrigieren, damit er die uns umgebende Realität, so erstaunlich und vielfältig, genauer widerspiegelt.

Source: https://habr.com/ru/post/de381967/