Wenn Sie alle zufälligen Bewegungen interner Moleküle kombinieren, wie weit und wie schnell wird sich das Subjekt bewegen?

Millionen sahen Äpfel fallen und nur Newton fragte warum.
- Bernard Baruch

Eine der größten Freuden eines Wissenschaftlers, der über Lieblingsthemen für alle Ankömmlinge schreibt, ist, dass Sie von Zeit zu Zeit auf eine Person stoßen, die sich ihr ganzes Leben lang für eine Frage interessiert hat, auf die sie keine Antwort erhalten hat. Wenn Sie dieses Gefühl haben, können Sie mir Ihre Frage senden, und vielleicht haben Sie genauso viel Glück wie Mike, der fragt:

Diese Frage hat mich seit meiner Kindheit gestört. Wie weit bewegt sich der Apfel, wenn alle zufälligen thermischen Bewegungen der Moleküle im Apfel dieselbe Richtung einschlagen? Und was wird dann passieren?

Was stellen Sie sich vor, wenn Sie über die mikroskopischen Ebenen großer Objekte nachdenken?

Gefärbte Apfelzellen

Unlackierte Apfelzellen.

Vielleicht können Sie sich vorstellen, dass der Zellpegel hunderte Male höher ist, als wir durch ein Mikroskop sehen können. Aber du kannst noch tiefer gehen.

Jede Zelle besteht aus Organellen, jede Organelle hat ihre eigenen molekularen Konfigurationen, die ihr Struktur und Funktion verleihen, und jedes Molekül selbst besteht aus kleineren Teilchen: Atomen, Elektronen, Kernen und noch kleineren, Quarks und Gluonen.

Vielleicht stellen Sie sich die kleinsten Materieteilchen vor und überlegen, wie sie sich in einem Apfel dorthin bewegen.

Wenn dies ein genaues Bild eines Apfels wäre, müsste zur Beantwortung von Mikes Frage die Temperatur des Apfels gemessen werden - beispielsweise eine Raumtemperatur von 298 K -, um die Partikelmasse zu berechnen, beispielsweise ein Zuckermolekül von 342,3 a. Verwenden Sie die kinetische Molekulartheorie, um herauszufinden, wie schnell sich die Moleküle im Durchschnitt bewegen.

Es wird ungefähr 147 m / s oder 529 km / h sein. Dies ist dreimal schneller als ein Apfel, der aus einer Apfelkanone fliegt.

Wenn es Ihnen gelingt, die gesamte Wärmeenergie der Bewegungen dieser Atome im Apfel zu erfassen und mit 100% Wirkungsgrad in die kinetische Energie des Apfels umzuwandeln, wird dies so ausfallen.

Aber mit solchen Überlegungen gibt es zwei Probleme, oder vielmehr zwei Gründe, warum ein Apfel von so etwas niemals wegwerfen wird.

1) Das ärgerliche Gesetz der Impulserhaltung. Die thermische Bewegung ist zufällig, was bedeutet, dass sich für jedes Atom oder Molekül, das sich in eine Richtung bewegt, ein anderes Atom oder Molekül in die entgegengesetzte Richtung bewegt. Natürlich können sich einzelne Komponenten schnell bewegen, aber im Durchschnitt ist der Impuls eines Apfels Null. Ebenso kann ein Apfel aus 10 ²⁷ Protonen und 10 ^{27 bestehen}Elektronen, aber im Durchschnitt werden keine riesigen elektrischen Kräfte beobachtet, da ihre Gesamtladung ausgeglichen und gleich Null ist. Aus dem gleichen Grund ist es unmöglich, eine zufällige Energiekonfiguration ohne eine gewisse Kompensation und ohne gleichen und entgegengesetzt gerichteten Impuls, der sich in die entgegengesetzte Richtung zum Apfel bewegt, in eine gerichtete Kinetik umzuwandeln.

Wenn dies die einzige Einschränkung wäre, hätte er überlistet werden können.

Man könnte einen kleinen Teil der Apfelmasse mit Hilfe eines Rückpralls in eine Richtung senden: Eine kleine Masse prallt von einer großen ab, die von einer noch größeren abprallt, und so weiter.

Diese Methode ist übrigens für die Kernphysik sehr wichtig und funktioniert in einem Phänomen, das als Mossbauer-Effekt oder nukleare Gammaresonanz bekannt ist. Es macht die Kristallkerne stationär, was zu einer kleinen Änderung des Impulses des gesamten Kristalls führt, wodurch einzelne Teilchen (Photonen) mit großen Energien / Geschwindigkeiten strahlen. Der inverse Mossbauer-Effekt könnte es dem Apfel ermöglichen, relativ langsam zu fliegen (147 m / s), während ein kleiner Teil davon mit einem großen Impuls in die andere Richtung fliegen würde.

Aber es gibt einen zweiten Grund, warum dies nicht passieren wird, und es ist sehr wichtig.

2) Diese Atome sind nicht frei, sondern zu Molekülen gebunden, die hauptsächlich zu großen festen Strukturen zusammengebunden sind. Zuvor stellten wir uns Atome vor, die voneinander abprallen - und es beschreibt Flüssigkeiten gut und noch besser - Gase und Plasma. Wir können jedoch nicht denselben Ansatz auf Feststoffe anwenden. Wir bekommen Vibrations- und Rotationsbewegungen, aber keine freie und schnelle Kinetik.

Eine große Energiemenge wird in den Bindungen eines Feststoffs gespeichert, aber die vorhandene Wärmeenergie, die die Atome zum Schwingen bringt, reicht nicht aus, um diese Bindungen aufzubrechen, und daher bleibt der Apfel in einem festen Zustand.

Um diese Bindungen zu lösen, benötigen Sie eine große Menge an Wärmeenergie, die Sie nur erreichen können, wenn Sie den Apfel trocknen, da bei einer Temperatur über 373 K einfach das gesamte Wasser im Inneren gekocht wird.

Wenn wir verstehen, dass es in unserem Apfel keine separaten, freien Moleküle aus Wasser, Zucker und anderen Molekülen gibt, sondern nur große Strukturen (wie Zellen), werden wir feststellen, dass die einzelnen „zufälligen“ Bewegungen tatsächlich viel kleiner sind. Selbst wenn wir annehmen (und dies wird eine große Übertreibung sein), dass der Apfel in frei bewegliche Partikel mit einer Masse von Nanogramm unterteilt ist, stellen wir fest, dass ihre thermische Bewegung extrem gering ist: Die Geschwindigkeit beträgt etwa 100 Mikrometer pro Sekunde.

Mit anderen Worten, da der Apfel fest ist und die darin enthaltenen Moleküle miteinander verbunden sind, können Sie mit dieser thermischen Bewegung keine spürbare Geschwindigkeit erreichen. Selbst wenn Sie versuchen, diesen Zustand zu erreichen, erhalten Sie als Ergebnis einen warmen Apfel, der sich nirgendwo bewegt.

Und obwohl dies möglicherweise nicht die Antwort ist, auf die Sie gewartet haben, hilft uns die Berücksichtigung der Gesetze der Physik, die Natur der Materie zu studieren und ein wenig mehr über die Funktionsweise des Universums zu lernen. Senden Sie mir Ihre Fragen und Vorschläge zu den folgenden Artikeln.

Fragen Sie Ethan Nr. 93: Random Newton's Apple

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