In jeder der größten Bibliotheken der Welt scheinen sich Räume und Bücherregale für immer zu erstrecken. Die Anzahl der Bände in der
Library of Congress beträgt mehrere zehn Millionen. Jeder von ihnen präsentiert verschiedene Geschichten, detaillierte Analysen, historische Dokumente - alle mit ihrer eigenen Meinung. Aber all diese Millionen Bücher, die auf Englisch geschrieben sind, bestehen nur aus einigen Zehntausenden von Wörtern, und jedes Wort besteht aus einer Kombination von nur 26 Buchstaben - von A bis Z [
plus Leerzeichen, Interpunktion und Zahlen - ca. perev. ].
In der Zwischenzeit leben wir alle umgeben von einer riesigen und erstaunlichen Vielfalt an Materialien - einschließlich der vielen Arten von biologischen Strukturen, aus denen unser Körper und alle Körper von Tieren, Pflanzen und anderen Lebewesen bestehen. Der Planet, auf dem wir leben, besteht aus allen Arten von Steinen, von denen einige hart und spröde sind, einige aus Kunststoff, mit verschiedenen Farben und Texturen. Neben Wasser haben wir Alkohol, Säuren, Zucker und Öle in verschiedenen Formen. Im Ofen zubereitete Lebensmittel geben verschiedene Aromen ab, die wir aus der Luft atmen. Synthetische Materialien, einschließlich einer Vielzahl von Kunststoffen, müssen Salzen, Kreide und Legierungen zugesetzt werden. Es ist jedoch wichtig, sich daran zu erinnern, dass der enorme Reichtum der Materialbibliothek aus einer kleinen (wenn auch recht vielfältigen) Auswahl von Molekülen besteht, die wiederum aus nur hundert Atomen bestehen - Elementen von H bis U und darüber hinaus (von Wasserstoff bis Uran und darüber hinaus).
Die Komplexität einer geschriebenen Sprache wie Englisch basiert auf Wörtern, und die Komplexität von Materialien beginnt mit Molekülen. Auf die gleiche Weise können Anweisungen zum Aufbau eines riesigen Satzes biologischer Formen in DNA -
Desoxyribonukleinsäure - und speziell in den Fäden ihrer dreimolekularen Silben, die aus vier einfachen Molekülen bestehen, Nukleobasen kodiert werden. Der Grund für die Komplexität beruht auf einer einfachen mathematischen Tatsache - aus einer kleinen Anzahl von Inhaltsstoffen kann eine Vielzahl von Kombinationen entstehen. Eine Zutat ist nicht genug. Aus dem Buchstaben "a" können nur zehn verschiedene Wörter bestehen, deren Länge zehn Buchstaben nicht überschreitet: "a", "aa", "aaa" usw. Von 26 Buchstaben können jedoch bereits 26
2 Wörter mit zwei Buchstaben erhalten werden, dh 676, und Wörter mit zehn Buchstaben - insgesamt 141 167 095 653 376 - viel mehr, als für die Sprache erforderlich ist. Nur ein paar Zehntausende von Wörtern, ausgewählt aus vielen Millionen oder Milliarden von Potenzialen, reichen aus, um die gesamte englische Literatur zu erstellen. Die gleichen Prinzipien des exponentiellen Wachstums der Anzahl von Kombinationen ermöglichen es unserer Umwelt, sich aus nur hundert Arten von Atomen zu bilden, die aus unzähligen Molekülen bestehen können, deren Größe von wenigen Atomen bis zu Hunderten und Tausenden reicht.
Beginnend mit Wörtern oder Molekülen können Sie sich zu Forschungszwecken in zwei Richtungen bewegen. Sie können versuchen zu verstehen, wie komplexe Objekte aus ihren Bestandteilen zusammengesetzt werden: Was steckt hinter der Existenz eines einzelnen Buches oder einer Reihe von Büchern? Woher kommt dieses Material oder diese Materialklasse? Oder Sie bewegen sich in eine andere Richtung und bestimmen die Quelle der Buchstaben und Atome, die Hauptbausteine.
Der Zweck dieses und nachfolgender Artikel ist die Beantwortung der zweiten Frage von den Molekülen bis zu ihren Quellen. Natürlich ist es sehr interessant, eine Vielzahl von Materialien zu studieren, die in der Natur vorkommen, von denen es in der Library of Congress so viele wie Bücher gibt. Andererseits erweist sich der Ursprung von Molekülen und Atomen als weniger umfangreiches Thema. Natürlich kann nicht gesagt werden, dass die Antwort auf diese Fragen einfach und unkompliziert ist. Er enthüllt viele erstaunliche und unerwartete Details der Atom-, Kernphysik und Teilchenphysik (oder hoher Energien). Wie bei der Quelle der Buchstaben des Alphabets erweisen sich die
Konsequenzen der Beantwortung dieser Frage als immer interessanter, als man es sich zunächst hätte vorstellen können. Dies führt zu Entdeckungen, die nicht auf die einfachen Eigenschaften von Materialien beschränkt sind. Er führt die Physik zum Verständnis des Lichts, der Sonne und anderer Sterne, der Geschichte der Erde, des Raums und der Zeit sowie des Universums, auf dem sich Erde und Sonne bewegen.
Aber vorher müssen Sie noch ein paar Fragen berücksichtigen. Woher wissen wir, dass alle Materialien aus Molekülen bestehen? Historisch gesehen wurde die Antwort auf diese Frage durch komplexe logische Ketten und eine Vielzahl wissenschaftlicher Experimente erhalten. Bis vor kurzem konnte die Existenz von Molekülen nur erraten werden, nicht direkt, sondern überzeugend, um auf der Grundlage schlauer wissenschaftlicher Analysen und chemischer Experimente zu sprechen. Heute können wir eine einfachere Antwort geben - denn heute können wir
das Molekül "sehen" . Wir sehen sie durch Mikroskope, obwohl es sich nicht um so klassische Typen handelt, die auf den Tisch gelegt und durch die Okulare untersucht werden können. Dies sind
Rasterkraftmikroskope , und ihre Betrachtungsmethode ähnelt eher dem Lesen von Braille. aber sie erfüllen ihre Aufgabe. Sie ermöglichen es Wissenschaftlern, Materialien zu fotografieren, ihre Struktur im Detail zu untersuchen und frühere Vorhersagen zu bestätigen. Sie erlaubten sogar
, die vorherigen Rätsel bestimmter Moleküle
zu lösen . Mit neuen Methoden können Sie alle indirekten Argumente direkt überprüfen. Nicht, dass wir daran gezweifelt hätten, denn sie wurden so oft erfolgreich zur Vorhersage der Ergebnisse chemischer Reaktionen und zur Entwicklung und Schaffung neuer Materialien eingesetzt! Trotzdem ist es schön zu wissen, dass diese Diskussion nicht abstrakt ist: Die Moleküle existieren tatsächlich und mit Hilfe moderner Technologien können wir sie direkt erkennen.
Im nächsten Artikel werden wir Atome betrachten, woraus sie bestehen und wie Moleküle aus ihnen hergestellt werden.