Viaje al micromundo

En un artículo anterior, hablamos sobre números gigantes . Podemos decir que hicimos un viaje al infinito, y cuando nos acercamos al Número de Graham, personalmente tuve la sensación de que solo un poco más, y lo tocaríamos con la mano. Hoy te ofrezco otro viaje. Esta vez en el micromundo: el mundo de los objetos pequeños. Tan pequeño que entre todos los que consideramos, el grano de arena será el más grande. Debo decir de inmediato que este artículo no trata sobre física. No hablaremos sobre los efectos cuánticos, el principio de incertidumbre y la teoría de cuerdas. No soy físico (sin embargo, creo que entendiste esto sobre la base de mi texto anterior). Este artículo trata sobre números, escala y belleza. Bienvenidos.

Pero comenzaremos desde una perspectiva completamente diferente. Antes de emprender un viaje a las profundidades de la materia, volvamos nuestra mirada hacia arriba. Me parece que la macroescala todavía nos es familiar un poco mejor que la micro. Un lector educado imagina más o menos cuán grandes son las distancias en el universo. Por ejemplo, se sabe que para la Luna, en promedio, casi 400 mil kilómetros, para el Sol - 150 millones, para el ahora de moda Plutón (que ya no es visible sin un telescopio) - 6 mil millones, para la estrella más cercana Proxima Centauri (no visible también) - 40 billones, 25 quintillones a la galaxia grande más cercana de la nebulosa de Andrómeda (pero es notablemente visible sin ningún instrumento) y finalmente a las afueras del Universo observable (si son visibles o no, un punto discutible) - 130 sextillones. Impresionante, por supuesto, pero a todos nos encantan las noticias espaciales y, francamente,en algún lugar en el fondo ya se resignó al hecho de que el cosmos es muy, muy, muy grande. Y la diferencia entre todos estos "quadri-", "quinti-" y "sexty-" no parece tan grande, aunque difieren en mil veces. El micromundo es otra cosa. ¿Es posible que tantas cosas interesantes puedan estar ocultas en él, porque simplemente no tiene dónde caber allí? Entonces el sentido común nos dice y está equivocado.

Intenta responder a esa pregunta. Si en un extremo de la escala logarítmica dejamos de lado la distancia más pequeña conocida en el Universo, y en el otro, la más grande, ¿qué habrá en el medio? ¿Cuál es esta distancia "promedio"? Si solo pensabas en galaxias y estrellas, entonces probablemente asumas que debería ser lo suficientemente grande, porque el Universo es muy grande. Pero, de hecho, esta distancia será de aproximadamente 0.1 milímetros. Increíble verdad? Algo muy inexplicable está sucediendo en este microcosmos, ya que supera la mayor parte de todo el cosmos. Entonces, 0.1 mm es el tamaño de un grano de arena, comencemos con él.



Un grano de arena es uno de los objetos más pequeños que aún vemos a simple vista. 100 granos de arena, colocados en una fila, caben en la uña de un dedo humano. 10 mil granos de arena, y ahora tenemos ante nosotros un metro. Y si los coloca "uno al lado del otro" a lo largo del ecuador de la Tierra, entonces necesitamos 400 mil millones de piezas. Sólo. ¿Te das cuenta de que todos estos granos de arena se pueden recolectar en una bolsa grande, pero no enorme, y pesará solo una tonelada?

¿Qué más tenemos que difícilmente pueda considerarse? Cabello humano. El cabello de las personas es diferente, pero en promedio su grosor es de 50-70 micras, es decir, 15-20 de ellas por milímetro. Para establecer la distancia a la luna, necesitarán 8 billones de cabello (si los pliegas no en longitud sino en anchura, por supuesto). Como hay alrededor de 100 mil de ellos en la cabeza de una persona, si recoges cabello de toda la población de Rusia, es más que suficiente para la luna e incluso permanecerá.



Nos movemos más allá, en el mundo de los objetos ya invisibles a simple vista. Bacterias Su tamaño puede variar 10 veces, de 0.5 a 5 micras (aunque hay especímenes únicos de hasta 1 milímetro de tamaño). Por lo tanto, en el grosor de un cabello humano, caben hasta 100 y en un centímetro, hasta 20 mil piezas. Si aumenta la bacteria promedio a un tamaño tal que quepa cómodamente en nuestra palma (100 mil veces), el cabello tendrá 5 metros de grosor. Por cierto, un billón entero de bacterias viven dentro del cuerpo humano, y su peso total es de 2 kilogramos. Detente por un segundo y piensa cuánto de ti son bacterias. En realidad, hay más de ellos que las células del cuerpo mismo. Por lo tanto, es bastante posible decir que una persona es simplemente un organismo de este tipo, que consiste en bacterias y virus con pequeñas intercalaciones de otra cosa.



Virus Puedo admitir fácilmente que a alguien le parecen aproximadamente lo mismo que las bacterias: yo mismo a veces uso estas palabras como sinónimos. Los tamaños de los virus difieren aún más que las bacterias, casi 100 mil veces. Si este fuera el caso de las personas, entonces crecerían de 1 centímetro a 1 kilómetro, y su interacción social se convertiría en algo curioso. Pero en general, los virus son más pequeños que las bacterias. La longitud promedio de las variedades más comunes es de 100 nanómetros o 10 ^-7 grados de un metro. Si nuevamente realizamos la operación de aproximación para que el virus tenga el tamaño de una palma, entonces la longitud de la bacteria será de 1 metro y el grosor del cabello de 50 metros.

Y, por cierto, es en esta escala que nos estamos acercando a tamaños que ya no podemos discernir en un microscopio óptico. Y es por eso. La longitud de onda de la luz visible es de 400-750 nanómetros, y es simplemente imposible ver objetos más pequeños que este valor (a menos que aplique algún truco, por ejemplo, haciendo que emitan). Intentando iluminar el objeto, la onda simplemente lo rodeará y no se reflejará. A veces preguntan cómo se ve el átomo o de qué color es.. Érase una vez, me pareció que para responderlo solo necesita mirar a través de un microscopio, y si no hay suficiente aumento, tome otro y adjunte al primero, y luego una y otra vez, hasta obtener una imagen brillante y clara, que realmente obviamente habrá alguna forma y algo de color (sí, yo era inteligente y me pareció una gran idea). De hecho, el átomo no se ve de ninguna manera. Simplemente nada en absoluto. Y no porque nuestros microscopios no sean lo suficientemente buenos, sino porque el tamaño del átomo es menor que la distancia para la cual existe la noción de "visibilidad" ... Simplemente me pareció importante notar esto porque todas las ilustraciones adicionales serán más probablemente solo imágenes, pero no es algo que realmente refleje las formas de los objetos en cuestión.

De vuelta a los virus. Si volvemos a tomar el grosor de un cabello humano para compararlo, entonces caben alrededor de 500 piezas de tamaño mediano. La próxima vez que mire el cabello que se encuentra en la sopa, imagine cómo una danza redonda de 1.5 mil virus lo rodea. Y a lo largo de la circunferencia del globo, se pueden colocar densamente 400 billones de virus. Un montón de. Tal distancia en kilómetros de luz pasa en 40 años. Pero si los pones todos juntos, caben fácilmente en la punta de tu dedo. Sólo.



En general, en la escala de nanómetros hay muchos objetos interesantes diferentes, pero solo nos detendremos en aquellos cuyos nombres son ampliamente conocidos. Por lo tanto, nuestra siguiente parada son las moléculas. Por ejemplo, una molécula de ADN con un ancho de 3 por 10 ^-9metro. Es decir, con un aumento de un millón de veces su ancho será igual a 3 milímetros, y si en mil millones - 3 metros (por otro lado, si solo toma mil millones de moléculas, ni siquiera serán visibles sin gafas). Por lo tanto, la molécula de ADN es varias decenas de veces más pequeña que el virus promedio. Aunque esto no es del todo honesto, estamos comparando el ancho (ADN) con la longitud (del virus). Pero de todos modos, las proporciones aquí son más o menos las mismas. Tomemos una molécula de agua para comparar. Su tamaño aproximado es de 3 por ^10-10 metros. En un vaso de agua de tales moléculas hay 10 septillones, aproximadamente tantos milímetros de nosotros a la galaxia de Andrómeda. Y en un centímetro cúbico de aire, las moléculas son 30 quintillones (principalmente nitrógeno y oxígeno).



Se sabe que las moléculas están compuestas de átomos, y sus tamaños son bastante comparables. Por ejemplo, el diámetro del átomo de carbono (la base de toda la vida en la Tierra) es de 3,5 por ^10-10 metros, es decir, incluso un poco más grande que las moléculas de agua. El átomo de hidrógeno es 10 veces más pequeño: 3 por ^10-11 metros. Esto, por supuesto, no es suficiente. ¿Pero qué poco? Sorprende cualquier imaginación (saludable), el hecho es que el grano de sal más pequeño y apenas distinguible consiste en 1 quintillón de átomos. Y no me refiero a la sal gruesa con gránulos grandes y claramente distinguibles, sino a la sal fina, la que se encuentra en los saleros. En ocasiones, trate de seleccionar uno de ellos, mire la luz y díganse: “qui nti-lli-on” (por cierto, esto es 10 ¹⁸) Volvamos a nuestra escala estándar y acerquemos el átomo de hidrógeno para que quepa cómodamente en la mano. Los virus tendrán un tamaño de 300 metros, las bacterias de 3 kilómetros y el grosor del cabello será igual a 150 kilómetros, e incluso cuando esté acostado irá más allá de la atmósfera (y puede llegar a la luna en longitud).



Nos sumergimos un paso más profundo. Un "escalón" tan pequeño es inmediatamente de 4 órdenes de magnitud, desde el tamaño de un estadio de fútbol hasta el tamaño de una abeja sentada en el centro de su campo. Partículas Debería decirse inmediatamente que a tales escalas el concepto mismo de tamaño es bastante arbitrario. Y si estamos hablando de partículas elementales, entonces ya tenemos que considerar qué modelo usamos, cuántico o clásico. El llamado diámetro del electrón "clásico" es 5.5 femtómetros o 5.5 por ^10-15metro. Las dimensiones del protón y el neutrón son aún más pequeñas y ascienden a aproximadamente 1,5 femtómetros. La ironía es que los protones son 1.836 veces más pesados ​​que los electrones; esto solo debería decir algo sobre las convenciones de las dimensiones anteriores. Hay aproximadamente la misma cantidad de protones en un metro que las hormigas en el planeta Tierra, aunque no estoy seguro de que estos dos valores estén de alguna manera relacionados entre sí (personalmente, me sorprende no solo que el protón sea tan pequeño, sino que las hormigas tienen hay muchos de nosotros de alguna manera). Usamos el aumento ya familiar. El protón está convenientemente en nuestra palma, y ​​luego el tamaño del virus promedio será igual a 7,000 kilómetros (casi como toda Rusia de oeste a este, por cierto), y el grosor del cabello será 2 veces el tamaño del sol.


¿No crees que simplemente no hay nada más que ser? Sí, escuchamos algo sobre los quarks, pero es difícil decir algo definitivo sobre su tamaño. Se supone que están en algún lugar entre ^10-19 y ^10-18 metros. El más pequeño, un verdadero quark, con un diámetro (escribamos esta palabra entre comillas para recordarle lo anterior) es de 10 a ²² metros. Existen los neutrinos. Mira tu palma. Un billón de neutrinos emitidos por el Sol vuela a través de él cada segundo. Y no puedes esconder tu mano detrás de tu espalda. Los neutrinos pasarán fácilmente a través de su cuerpo, y a través de la pared, y a través de todo nuestro planeta, e incluso a través de una capa de plomo de 1 año luz de espesor. El "diámetro" del neutrino es ^10-24metro: esta partícula es 100 veces más pequeña que el verdadero quark, o mil millones de veces más pequeña que el protón, o 10 septillones de veces más pequeña que el tiranosaurio. Casi al mismo tiempo, el tiranosaurio en sí es más pequeño que todo el Universo observable (más precisamente, fue más pequeño hasta que se extinguió). Si aumenta el neutrino para que sea del tamaño de una naranja, incluso un protón será 10 veces más grande que la Tierra. Me gusta esto.



Y ahora espero sinceramente que una de las siguientes dos cosas te golpee. Elige cualquiera de ellos y disfruta. Primero, podemos ir aún más lejos (e incluso hacer algunas suposiciones significativas sobre lo que sucederá allí). El segundo, pero al mismo tiempo, es imposible avanzar sin parar hacia las profundidades de la materia, y pronto llegaremos a un callejón sin salida. ¿Cuál de estas afirmaciones te parece más sorprendente? Personalmente, probablemente todavía tenga el segundo. Eso es solo para lograr estos mismos tamaños de "callejón sin salida", tenemos que bajar otros 11 órdenes de magnitud, si contamos desde el neutrino. Es decir, estos tamaños son 100 mil millones de veces más pequeños que los neutrinos. Por la misma cantidad, un grano de arena es más pequeño que todo nuestro planeta, por cierto. Si esto no te golpea, entonces no sé de qué puedes hablar ...

Entonces, en los tamaños 10 ^-35metros, estamos esperando un concepto tan maravilloso como la longitud de Planck: la distancia mínima posible en el mundo real (hasta donde se cree comúnmente en la ciencia moderna). Las cadenas cuánticas aún viven aquí: objetos bastante notables desde cualquier punto de vista (por ejemplo, son unidimensionales, no tienen grosor), pero para nuestro tema es importante que su longitud también esté dentro de los ^10-35 metros. Hagamos nuestro experimento estándar de "aumento" por última vez. Una cuerda cuántica se convierte en un tamaño conveniente, y la sostenemos en nuestras manos como un lápiz. En este caso, el neutrino será 7 veces más grande que el Sol, y el átomo de hidrógeno tendrá 300 veces el tamaño de la Vía Láctea.



Finalmente, llegamos a la estructura misma del universo: la escala a la que el espacio se vuelve como el tiempo, el tiempo en el espacio y otras cosas extrañas suceden. No hay nada más (probablemente) ...

Bueno, espero que te haya interesado, y que si lees en este lugar, no te arrepientas del tiempo dedicado. Si es así, no seas demasiado vago para ir al siguiente enlace , y puedes ver todo lo mismo y mucho más, pero solo en imágenes y con una escala de las escalas reales de los objetos de micro y macrocosmos.

Y si nota algún error en mi texto, escriba sobre esto en los comentarios. Estaré encantado de corregir este texto para que refleje con mayor precisión la realidad que nos rodea, tan sorprendente y diversa.

Source: https://habr.com/ru/post/es381967/