Voyage dans le micromonde

Dans un article précédent, nous avons parlé des nombres géants . Nous pouvons dire que nous avons fait un voyage vers l'infini, et quand nous nous sommes approchés du Graham Number, j'ai personnellement eu le sentiment que juste un peu plus - et nous le toucherions avec notre main. Aujourd'hui, je vous propose un autre voyage. Cette fois dans le micromonde - le monde des petits objets. Si petit que parmi tous ceux que nous considérons, le grain de sable sera le plus gros. Je dois dire tout de suite que cet article ne concerne pas la physique. Nous ne parlerons pas des effets quantiques, du principe d'incertitude et de la théorie des cordes. Je ne suis pas physicien (cependant, je pense que vous avez compris cela sur la base de mon texte précédent). Cet article porte sur les chiffres, l'échelle et la beauté. Bienvenue.

Mais nous partirons d'une perspective complètement différente. Avant de nous lancer dans un voyage dans les profondeurs de la matière, tournons notre regard vers le haut. Il me semble que le macroscale nous est encore un peu mieux connu que le micro. Un lecteur instruit imagine plus ou moins à quel point les distances sont grandes dans l'univers. Par exemple, on sait que sur la Lune, en moyenne, près de 400 mille kilomètres, sur le Soleil - 150 millions, sur le désormais à la mode Pluton (qui n'est plus visible sans télescope) - 6 milliards, sur l'étoile la plus proche Proxima Centauri (non visible aussi) - 40 billions, 25 quintillions à la grande galaxie la plus proche de la nébuleuse d'Andromède (mais elle est juste remarquablement visible sans aucun instrument) et enfin à la périphérie de l'Univers observable (qu'ils soient visibles ou non - un point discutable) - 130 sextillions. Impressionnant bien sûr, mais nous aimons tous les nouvelles spatiales et, franchement,quelque part au fond déjà résigné au fait que le cosmos est très, très, très grand. Et la différence entre tous ces "quadri-", "quinti-" et "sexty-" ne semble pas si énorme, bien qu'ils diffèrent par mille fois. Le micromonde est une tout autre affaire. Est-il possible que tant de choses intéressantes puissent être cachées en lui, car il n'a tout simplement nulle part où s'intégrer là-dedans. Le bon sens nous le dit et se trompe.

Essayez de répondre à une telle question. Si à une extrémité de l'échelle logarithmique nous mettons de côté la plus petite distance connue dans l'Univers, et à l'autre - la plus grande, alors qu'est-ce qui sera au milieu? Quelle est cette distance «moyenne»? Si vous venez de penser aux galaxies et aux étoiles, alors supposez probablement qu'elles devraient être assez grandes, car l'Univers est tellement énorme. Mais en fait, cette distance sera d'environ 0,1 millimètre. Incroyable non? Quelque chose de très inexplicable se produit dans ce microcosme même, car il l'emporte sur la majeure partie du cosmos entier. Donc, 0,1 mm est la taille d'un grain de sable, commençons par cela.



Un grain de sable est l'un des plus petits objets que nous voyons encore à l'œil nu. 100 grains de sable, placés dans une rangée, s'adapteront sur l'ongle d'un doigt humain. 10 mille grains de sable - et maintenant nous avons devant nous un mètre. Et si vous les placez «côte à côte» le long de l'équateur terrestre, nous avons besoin de 400 milliards de pièces. Juste. Vous rendez-vous compte que tous ces grains de sable peuvent être collectés dans un grand sac, mais pas du tout énorme, et qu'il ne pèsera que d'une tonne environ?

Qu'avons-nous d'autre qui puisse difficilement être envisagé? Cheveux humains. Les cheveux des gens sont différents, mais leur épaisseur est en moyenne de 50 à 70 microns, soit 15 à 20 par millimètre. Afin de déterminer la distance à la lune, ils auront besoin de 8 billions de cheveux (si vous les pliez non pas en longueur mais en largeur, bien sûr). Puisqu'il y en a environ 100 000 sur la tête d'une seule personne, alors si vous collectez les cheveux de toute la population de la Russie, c'est plus que suffisant pour la lune et cela restera même.



Nous allons plus loin - dans le monde d'objets déjà invisibles à l'œil nu. Les bactéries. Leur taille peut varier de 10 fois - de 0,5 à 5 microns (bien qu'il existe des spécimens uniques jusqu'à 1 millimètre). Ainsi, dans l'épaisseur d'un cheveu humain, ils s'adapteront jusqu'à 100, et dans un centimètre - jusqu'à 20 mille pièces. Si vous augmentez la bactérie moyenne à une taille telle qu'elle tient confortablement dans notre paume (100 000 fois), les cheveux auront une épaisseur de 5 mètres. Soit dit en passant, tout un quadrillion de bactéries vivent à l'intérieur du corps humain et leur poids total est de 2 kilogrammes. Arrêtez-vous une seconde et réfléchissez à la quantité de bactéries que vous êtes. Il y en a en fait plus que les cellules du corps lui-même. Il est donc tout à fait possible de dire qu'une personne n'est qu'un tel organisme, composé de bactéries et de virus avec de petites intersections d'autre chose.



Virus. Je peux facilement admettre que pour quelqu'un, ils semblent à peu près les mêmes que les bactéries - j'utilise parfois moi-même ces mots comme synonymes. La taille des virus diffère encore plus que celle des bactéries - près de 100 000 fois. Si c'était le cas avec les gens, alors ils passeraient de 1 centimètre à 1 kilomètre, et leur interaction sociale deviendrait un spectacle curieux. Mais dans l'ensemble, les virus sont plus petits que les bactéries. La longueur moyenne des variétés les plus courantes est de 100 nanomètres ou 10 ^-7 degrés de mètre. Si nous effectuons à nouveau l'opération d'approximation pour que le virus devienne la taille d'un palmier, la longueur de la bactérie sera de 1 mètre et l'épaisseur des cheveux de 50 mètres.

Et au fait, c'est à cette échelle que nous approchons de tailles que nous ne pouvons plus discerner au microscope optique. Et c'est pourquoi. La longueur d'onde de la lumière visible est de 400 à 750 nanomètres, et il est tout simplement impossible de voir des objets plus petits que cette valeur (sauf si vous appliquez une astuce, par exemple, en les faisant émettre). En essayant d'éclairer l'objet, l'onde va simplement le contourner et ne sera pas réfléchie. Parfois, ils demandent à quoi ressemble l'atome ou de quelle couleur il est.. Il était une fois, il me semblait que pour y répondre, il suffit de regarder à travers un microscope, et s'il n'y a pas assez d'agrandissement, puis en prendre un autre et le fixer au premier, puis encore et encore, jusqu'à obtenir une image lumineuse et claire, ce qui vraiment évidemment, il y aura une forme et une couleur (oui, j'étais petit et intelligent et cela me semblait une excellente idée). En fait, l'atome ne ressemble en rien. Rien du tout. Et ce n'est pas parce que nos microscopes ne sont pas assez bons, mais parce que la taille de l'atome est inférieure à la distance pour laquelle le concept même de «visibilité» existe ... Il m'a simplement semblé important de le noter également parce que toutes les autres illustrations seront plus probablement des images, mais pas quelque chose qui reflète vraiment les formes des objets en question.

Revenons aux virus. Si nous prenons à nouveau l'épaisseur d'un cheveu humain à titre de comparaison, alors environ 500 morceaux de taille moyenne les y adapteront. La prochaine fois que vous regarderez les cheveux trouvés dans la soupe, imaginez comment une danse ronde de 1,5 mille virus le contourne. Et le long de la circonférence du globe, 400 billions de virus peuvent être densément placés. Beaucoup de. Une telle distance en kilomètres de lumière passe en 40 ans. Mais si vous les mettez tous ensemble, ils s'adaptent facilement au bout de vos doigts. Juste.



En général, à l'échelle des nanomètres, il existe de nombreux objets intéressants, mais nous ne nous attarderons que sur ceux dont les noms sont largement connus. Par conséquent, notre prochain arrêt est les molécules. Par exemple, une molécule d'ADN d'une largeur de 3 par 10 ^-9mètre. Autrement dit, avec une augmentation d'un million de fois sa largeur sera égale à 3 millimètres, et si dans un milliard - 3 mètres (d'autre part, si vous prenez juste un milliard de molécules, elles ne seront même pas visibles sans lunettes). Ainsi, la molécule d'ADN est plusieurs dizaines de fois plus petite que le virus moyen. Bien que ce ne soit pas tout à fait honnête, nous comparons la largeur (ADN) à la longueur (du virus). Mais tout de même, les ratios ici sont à peu près les mêmes. Prenons une molécule d'eau pour comparaison. Sa taille approximative est de 3 sur 10 à ¹⁰ mètres. Dans un verre d'eau contenant de telles molécules, il y a 10 septillions - à peu près autant de millimètres de nous jusqu'à la galaxie d'Andromède. Et dans un centimètre cube d'air, les molécules représentent 30 quintillions (principalement d'azote et d'oxygène).



Les molécules sont connues pour être composées d'atomes et leurs tailles sont assez comparables. Par exemple, le diamètre de l'atome de carbone (la base de toute vie sur Terre) est de 3,5 sur 10 à ¹⁰ mètres, c'est-à-dire même légèrement plus grand que les molécules d'eau. L'atome d'hydrogène est 10 fois plus petit - 3 sur 10 ^-11 mètres. Bien sûr, cela ne suffit pas. Mais combien peu? Frappant toute imagination (saine), le fait est que le plus petit grain de sel à peine distinct se compose de 1 quintillion d'atomes. Et je ne parle pas de gros sel avec de gros granules clairement visibles, mais du sel fin - celui des salières. À l'occasion, essayez de distinguer l'un d'eux, regardez la lumière et dites-vous: «qui nti-lli-on» (au fait, c'est 10 ¹⁸) Revenons à notre échelle standard et zoomons sur l'atome d'hydrogène pour qu'il tienne confortablement dans la main. Les virus auront alors une taille de 300 mètres, les bactéries 3 kilomètres et l'épaisseur des cheveux sera égale à 150 kilomètres, et même en position couchée, elle ira au-delà de l'atmosphère (et pourra atteindre la lune en longueur).



Nous plongeons un peu plus loin. Un si petit «pas» est immédiatement de 4 ordres de grandeur, de la taille d'un stade de football à la taille d'une abeille assise au centre de son terrain. Particules. Il faut dire immédiatement qu'à de telles échelles, le concept même de taille est plutôt arbitraire. Et si nous parlons de particules élémentaires, alors nous devons déjà considérer quel modèle nous utilisons, quantique ou classique. Le diamètre électronique dit «classique» est de 5,5 femtomètres ou 5,5 pour ^10-15mètre. Les dimensions du proton et du neutron sont encore plus petites et s'élèvent à environ 1,5 femtomètres. L'ironie est que les protons sont 1 836 fois plus lourds que les électrons - cela seul devrait dire quelque chose sur les conventions des dimensions ci-dessus. Il y a environ le même nombre de protons dans un mètre qu'il y a de fourmis sur la planète Terre, bien que je ne suis pas sûr que ces deux valeurs soient en quelque sorte liées l'une à l'autre (personnellement, cela me choque non seulement que le proton soit si petit, mais que les fourmis aient nous sommes trop nombreux en quelque sorte). Nous utilisons l'augmentation déjà familière. Le proton est commodément dans notre paume, puis la taille du virus moyen sera égale à 7000 kilomètres (presque comme toute la Russie d'ouest en est, soit dit en passant), et l'épaisseur des cheveux sera 2 fois la taille du soleil.


Ne pensez-vous pas qu'il n'y a tout simplement plus rien à faire? Oui, nous avons entendu quelque chose sur les quarks, mais il est difficile de dire quoi que ce soit de précis sur leur taille. On suppose qu'ils se situent quelque part entre 10 ^-19 - 10 ^-18 mètres. Le plus petit - un vrai quark - d'un diamètre (écrivons ce mot entre guillemets pour vous rappeler ce qui précède) est de 10 à ²² mètres. Les neutrinos existent. Regardez votre paume. Un billion de neutrinos émis par le Soleil le survole à chaque seconde. Et vous ne pouvez pas cacher votre main derrière votre dos. Les neutrinos passeront facilement à travers votre corps, et à travers le mur, et à travers notre planète entière, et même à travers une couche de plomb d'une année-lumière d'épaisseur. Le "diamètre" du neutrino est de 10 à ²⁴mètre - cette particule est 100 fois plus petite que le vrai quark, ou un milliard de fois plus petite que le proton, ou 10 septillions fois plus petite que le tyrannosaure. Presque le même nombre de fois que le tyrannosaure lui-même est plus petit que tout l'univers observable (plus précisément, il était plus petit jusqu'à ce qu'il s'éteigne). Si vous augmentez le neutrino pour qu'il ait la taille d'une orange, alors même un proton sera 10 fois plus grand que la Terre. Comme ça.



Et maintenant, j'espère sincèrement que l'une des deux choses suivantes devrait vous frapper. Choisissez l'un d'entre eux et profitez-en. Premièrement, nous pouvons aller encore plus loin (et même faire des hypothèses significatives sur ce qui se passera là-bas). Le deuxième - mais en même temps, il est impossible de se déplacer sans fin dans les profondeurs de la matière, et bientôt nous tomberons dans une impasse. Laquelle de ces affirmations vous semble la plus surprenante? Personnellement, j'ai probablement encore le second. C'est juste pour atteindre ces mêmes tailles "sans issue" que nous devons descendre de 11 autres ordres de grandeur, si nous comptons à partir du neutrino. Autrement dit, ces tailles sont 100 milliards de fois plus petites que les neutrinos. D'ailleurs, un grain de sable est plus petit que notre planète entière, soit dit en passant. Si cela ne vous frappe pas, alors je ne sais pas de quoi vous pouvez parler ...

Donc, aux tailles 10 à ³⁵mètres, nous attendons un concept aussi merveilleux que la longueur de Planck - la distance minimale possible dans le monde réel (pour autant que cela soit communément admis dans la science moderne). Les cordes quantiques vivent toujours ici - des objets tout à fait remarquables à tout point de vue (par exemple, ils sont unidimensionnels, ils n'ont aucune épaisseur), mais pour notre sujet, il est important que leur longueur soit également comprise entre 10 et ³⁵ mètres. Faisons notre expérience standard de «grossissement» pour la dernière fois. Une chaîne quantique devient une taille pratique et nous la tenons dans nos mains comme un crayon. Dans ce cas, le neutrino sera 7 fois plus grand que le Soleil, et l'atome d'hydrogène sera 300 fois la taille de la Voie lactée.



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