Perjalanan ke microworld

Dalam artikel sebelumnya, kami berbicara tentang angka raksasa . Kita dapat mengatakan bahwa kita melakukan perjalanan hingga tak terbatas, dan ketika kita mendekati Nomor Graham, saya secara pribadi memiliki perasaan bahwa hanya sedikit lagi - dan kita akan menyentuhnya dengan tangan kita. Hari ini saya menawarkan Anda perjalanan lain. Kali ini di microworld - dunia benda kecil. Begitu kecil sehingga di antara semua yang kita pertimbangkan, butiran pasir akan menjadi yang terbesar. Saya harus segera mengatakan bahwa artikel ini bukan tentang fisika. Kami tidak akan berbicara tentang efek kuantum, prinsip ketidakpastian, dan teori string. Saya bukan seorang fisikawan (namun, saya pikir Anda memahami ini berdasarkan teks saya sebelumnya). Artikel ini adalah tentang angka, skala, dan keindahan. Selamat datang.

Tetapi kita akan mulai dari perspektif yang sama sekali berbeda. Sebelum memulai perjalanan ke kedalaman materi, mari kita menengadah. Sepertinya saya bahwa macroscale masih akrab bagi kita sedikit lebih baik daripada mikro. Seorang pembaca yang berpendidikan kurang lebih membayangkan betapa hebatnya jarak yang ada di alam semesta. Misalnya, diketahui bahwa ke Bulan, rata-rata, hampir 400 ribu kilometer, ke Matahari - 150 juta, ke Pluto yang sekarang modis (yang tidak lagi terlihat tanpa teleskop) - 6 miliar, kepada bintang terdekat Proxima Centauri (tidak terlihat juga) - 40 triliun, 25 trilyun ke galaksi besar terdekat dari nebula Andromeda (tetapi hanya terlihat jelas tanpa instrumen apa pun) dan akhirnya ke pinggiran Alam Semesta yang dapat diamati (apakah mereka terlihat atau tidak - titik moot) - 130 sextillion. Tentu saja mengesankan, tetapi kita semua menyukai berita ruang angkasa dan, terus terang,suatu tempat jauh di lubuk hati telah mengundurkan diri pada kenyataan bahwa kosmos sangat, sangat, sangat besar. Dan perbedaan antara semua "quadri-", "quinti-" dan "sexty-" ini tampaknya tidak begitu besar, meskipun mereka berbeda ribuan kali. Microworld adalah masalah lain. Mungkinkah ada begitu banyak hal menarik yang bisa disembunyikan di dalam dirinya, karena ia tidak punya tempat untuk masuk ke sana. Jadi akal sehat memberi tahu kita dan salah.

Cobalah untuk menjawab pertanyaan seperti itu. Jika pada satu ujung skala logaritmik kita sisihkan jarak terkecil yang diketahui di alam semesta, dan di sisi lain - yang terbesar, lalu apa yang akan terjadi di tengah? Berapa jarak "rata-rata" ini? Jika Anda hanya berpikir tentang galaksi dan bintang, maka mungkin berasumsi bahwa itu harus cukup besar, karena Semesta sangat besar. Namun pada kenyataannya, jarak ini akan menjadi sekitar 0,1 milimeter. Luar biasa bukan? Sesuatu yang sangat tidak dapat dijelaskan sedang terjadi dalam mikrokosmos ini, karena ia melebihi sebagian besar keseluruhan kosmos. Jadi, 0,1 mm adalah ukuran sebutir pasir, mari kita mulai dengan itu.



Butir pasir adalah salah satu benda terkecil yang masih kita lihat dengan mata telanjang. 100 butir pasir, ditempatkan dalam satu baris, akan pas di kuku jari manusia. 10 ribu butir pasir - dan sekarang kita miliki sebelum kita satu meter. Dan jika Anda menempatkannya "berdampingan" di sepanjang khatulistiwa Bumi, maka kita membutuhkan 400 miliar keping. Hanya. Apakah Anda menyadari bahwa semua butiran pasir ini dapat dikumpulkan dalam satu tas besar, tetapi tidak sama sekali besar, dan beratnya hanya sekitar satu ton?

Apa lagi yang kita miliki yang sulit untuk dipertimbangkan? Rambut manusia. Rambut orang berbeda, tetapi rata-rata ketebalannya 50-70 mikron, yaitu 15-20 dari mereka per milimeter. Untuk menjabarkan jarak ke bulan, mereka akan membutuhkan 8 triliun rambut (jika Anda melipatnya tidak panjang tetapi lebarnya, tentu saja). Karena ada sekitar 100 ribu dari mereka di kepala satu orang, maka jika Anda mengumpulkan rambut dari seluruh populasi Rusia, itu lebih dari cukup untuk bulan dan bahkan akan tetap ada.



Kami bergerak lebih jauh - ke dunia benda yang sudah tidak terlihat oleh mata telanjang. Bakteri. Ukurannya dapat bervariasi 10 kali - dari 0,5 hingga 5 mikron (walaupun ada spesimen unik hingga ukuran 1 milimeter). Dengan demikian, dalam ketebalan rambut manusia, mereka akan muat hingga 100, dan dalam sentimeter - hingga 20 ribu keping. Jika Anda meningkatkan rata-rata bakteri hingga ukuran yang pas di telapak tangan kita (100 ribu kali), rambut akan menjadi 5 meter. Ngomong-ngomong, seluruh kwadriliun bakteri hidup di dalam tubuh manusia, dan berat totalnya 2 kilogram. Berhentilah sejenak dan pikirkan tentang seberapa banyak dari Anda adalah bakteri. Sebenarnya ada lebih banyak dari mereka daripada sel-sel tubuh itu sendiri. Jadi sangat mungkin untuk mengatakan bahwa seseorang hanyalah organisme seperti itu, yang terdiri dari bakteri dan virus dengan selingan kecil dari sesuatu yang lain.



Virus. Saya dapat dengan mudah mengakui bahwa bagi seseorang mereka sepertinya kurang lebih sama dengan bakteri - Saya sendiri terkadang menggunakan kata-kata ini sebagai sinonim. Ukuran virus berbeda bahkan lebih dari bakteri - hampir 100 ribu kali. Jika demikian halnya dengan manusia, maka mereka akan tumbuh dari 1 sentimeter menjadi 1 kilometer, dan interaksi sosial mereka akan menjadi pemandangan yang aneh. Namun secara keseluruhan, virus lebih kecil dari bakteri. Panjang rata-rata varietas paling umum adalah 100 nanometer atau 10 ^-7 derajat meter. Jika kita kembali melakukan operasi perkiraan sehingga virus menjadi seukuran telapak tangan, maka panjang bakteri akan menjadi 1 meter dan ketebalan rambut 50 meter.

Omong-omong, pada skala inilah kita mendekati ukuran sehingga kita tidak bisa lagi melihat dalam mikroskop optik. Dan itulah kenapa. Panjang gelombang cahaya tampak adalah 400-750 nanometer, dan tidak mungkin untuk melihat benda yang lebih kecil dari nilai ini (kecuali jika Anda menerapkan beberapa trik, misalnya, dengan membuatnya memancarkan). Mencoba menerangi objek, gelombang hanya akan mengelilinginya dan tidak akan tercermin. Terkadang mereka bertanya seperti apa atom itu atau warna apa itu.. Sekali waktu, bagi saya tampaknya untuk menjawabnya Anda hanya perlu melihat melalui mikroskop, dan jika tidak ada perbesaran yang cukup, maka ambil yang lain dan tempelkan pada yang pertama, dan kemudian lagi dan lagi, sampai Anda mendapatkan gambar yang terang dan jelas, yang benar-benar jelas akan ada beberapa bentuk dan warna (ya, saya pintar kecil dan sepertinya ide bagus bagi saya). Faktanya, atom tidak terlihat sama sekali. Tidak ada sama sekali. Dan bukan karena mikroskop kita tidak cukup baik, tetapi karena ukuran atom kurang dari jarak di mana gagasan "visibilitas" ada ... Sepertinya penting bagi saya untuk mencatat ini karena semua ilustrasi lebih lanjut akan lebih cenderung hanya gambar, tetapi bukan sesuatu yang benar-benar mencerminkan bentuk objek yang dimaksud.

Kembali ke virus. Jika kita kembali mengambil ketebalan rambut manusia untuk perbandingan, maka sekitar 500 potong ukuran sedang akan muat di sana. Lain kali ketika Anda melihat rambut yang ditemukan dalam sup, bayangkan bagaimana tarian bundar 1,5 ribu virus mengitarinya. Dan di sepanjang lingkaran dunia, 400 triliun virus dapat ditempatkan dengan padat. Banyak. Jarak cahaya dalam kilometer seperti itu dalam 40 tahun. Tetapi jika Anda menggabungkan semuanya, mereka dengan mudah pas di ujung jari Anda. Hanya.



Secara umum, pada skala nanometer ada banyak objek menarik yang berbeda, tetapi kita hanya akan memikirkan mereka yang namanya dikenal luas. Karena itu, perhentian kami berikutnya adalah molekul. Misalnya, molekul DNA dengan lebar 3 kali 10 ^-9meter. Artinya, dengan peningkatan sejuta kali lebarnya akan sama dengan 3 milimeter, dan jika dalam satu miliar - 3 meter (di sisi lain, jika Anda hanya mengambil satu miliar molekul, maka mereka bahkan tidak akan terlihat tanpa kacamata). Dengan demikian, molekul DNA beberapa puluh kali lebih kecil dari rata-rata virus. Meskipun ini tidak sepenuhnya jujur, kami membandingkan lebar (DNA) dengan panjang (virus). Tetapi semua sama, rasio di sini kira-kira sama. Mari kita ambil molekul air untuk perbandingan. Ukuran perkiraannya adalah 3 kali 10 ^-10 meter. Dalam segelas air molekul seperti itu ada 10 septillion - sekitar milimeter dari kita ke Galaksi Andromeda. Dan dalam sentimeter kubik udara, molekul adalah 30 triliun (terutama nitrogen dan oksigen).



Molekul diketahui terdiri dari atom, dan ukurannya cukup sebanding. Sebagai contoh, diameter atom karbon (dasar dari semua kehidupan di Bumi) adalah 3,5 kali 10 ^-10 meter, yaitu, bahkan sedikit lebih besar dari molekul air. Atom hidrogen 10 kali lebih kecil - 3 kali 10 ^-11 meter. Ini tentu saja tidak cukup. Tapi seberapa kecil? Menyerang imajinasi (sehat) mana pun, faktanya adalah butiran garam terkecil dan hampir tidak dapat dibedakan terdiri dari 1 trilyun atom. Dan yang saya maksud bukan garam kasar dengan butiran besar yang dapat dibedakan dengan jelas, tetapi garam halus - garam yang mengocok garam. Kadang-kadang, cobalah untuk memilih salah satu dari mereka, melihat cahaya dan berkata pada diri sendiri: "qui nti-lli-on" (omong-omong, ini adalah 10 ¹⁸) Mari kita kembali ke skala standar kami dan memperbesar atom hidrogen sehingga cocok di tangan. Virus-virus itu kemudian akan berukuran 300 meter, bakteri 3 kilometer, dan rambut akan menjadi 150 kilometer tebal, dan bahkan ketika berbaring, itu akan melampaui atmosfer (dan dapat mencapai panjang bulan).



Kami menyelam satu langkah lebih dalam. “Langkah” sekecil itu dengan segera ada pada 4 urutan besarnya, mulai dari ukuran stadion sepak bola hingga seukuran lebah yang duduk di tengah-tengah ladangnya. Partikel. Harus segera dikatakan bahwa pada skala semacam itu konsep ukurannya agak sewenang-wenang. Dan jika kita berbicara tentang partikel elementer, maka kita harus mempertimbangkan model mana yang kita gunakan, kuantum atau klasik. Diameter elektron "klasik" adalah 5,5 femtometer atau 5,5 per 10 ^-15meter. Dimensi proton dan neutron bahkan lebih kecil dan jumlahnya sekitar 1,5 femtometer. Ironisnya adalah bahwa proton 1,836 kali lebih berat dari elektron - ini saja harus mengatakan sesuatu tentang konvensi dimensi di atas. Ada sekitar jumlah proton yang sama dalam satu meter seperti ada semut di planet Bumi, meskipun saya tidak yakin bahwa kedua nilai ini saling terkait satu sama lain (secara pribadi, mengejutkan saya tidak hanya karena protonnya sangat kecil, tetapi juga semut memiliki ada terlalu banyak dari kita entah bagaimana). Kami menggunakan peningkatan yang sudah akrab. Proton berada di telapak tangan kita, dan kemudian ukuran virus rata-rata akan sama dengan 7.000 kilometer (hampir seperti seluruh Rusia dari barat ke timur, omong-omong), dan ketebalan rambut akan 2 kali ukuran matahari.


Tidakkah Anda berpikir bahwa tidak ada yang lebih dari itu? Ya, kami mendengar sesuatu tentang quark, tetapi sulit untuk mengatakan sesuatu yang pasti tentang ukurannya. Diasumsikan bahwa mereka berada di suatu tempat antara 10 ^-19 - 10 ^-18 meter. Yang terkecil - quark sejati - dengan diameter (mari kita tuliskan kata ini dalam tanda kutip untuk mengingatkan Anda tentang hal di atas) adalah 10 ^-22 meter. Ada yang namanya neutrino. Lihatlah telapak tanganmu. Satu triliun neutrino yang dipancarkan Matahari terbang menembusnya setiap detik. Dan Anda tidak bisa menyembunyikan tangan Anda di belakang. Neutrino akan dengan mudah melewati tubuh Anda, dan melalui dinding, dan melalui seluruh planet kita, dan bahkan melalui lapisan timah setebal 1 tahun cahaya. "Diameter" neutrino adalah 10 ^-24meter - partikel ini 100 kali lebih kecil dari quark yang sebenarnya, atau satu miliar kali lebih kecil dari proton, atau 10 septillion kali lebih kecil dari tyrannosaurus. Jumlah yang hampir sama dengan tyrannosaurus itu sendiri lebih kecil dari seluruh Semesta yang dapat diamati (lebih tepatnya, itu lebih kecil sampai mati). Jika Anda meningkatkan neutrino sehingga seukuran jeruk, maka bahkan proton akan 10 kali lebih besar dari Bumi. Seperti ini.



Dan sekarang saya dengan tulus berharap bahwa salah satu dari dua hal berikut ini akan mengejutkan Anda. Pilih salah satu dari mereka dan nikmati. Pertama, kita dapat melangkah lebih jauh (dan bahkan membuat beberapa asumsi yang bermakna tentang apa yang akan terjadi di sana). Yang kedua - tetapi pada saat yang sama, tidak mungkin untuk bergerak tanpa henti ke kedalaman materi, dan segera kita akan menemui jalan buntu. Manakah dari pernyataan ini yang lebih mengejutkan bagi Anda? Secara pribadi, saya mungkin masih memiliki yang kedua. Itu hanya untuk mencapai ukuran "jalan buntu" yang sama ini kita harus turun 11 urutan besarnya, jika kita hitung dari neutrino. Artinya, ukuran ini 100 miliar kali lebih kecil dari neutrino. Dengan jumlah yang sama, sebutir pasir lebih kecil dari seluruh planet kita. Jika ini tidak mengejutkan Anda, maka saya tidak tahu apa yang bisa Anda bicarakan ...

Jadi, pada ukuran 10 ^-35meter, kami sedang menunggu konsep yang luar biasa seperti panjang Planck - jarak minimum yang mungkin di dunia nyata (sejauh itu umumnya diyakini dalam sains modern). String kuantum masih hidup di sini - objek yang cukup luar biasa dari sudut pandang mana pun (misalnya, mereka satu dimensi, tidak memiliki ketebalan), tetapi untuk tema kami, penting bahwa panjangnya juga dalam 10 ^-35 meter. Mari kita lakukan percobaan "pembesar" standar kami untuk yang terakhir kalinya. Tali kuantum menjadi ukuran yang nyaman, dan kami memegangnya di tangan kami seperti pensil. Dalam hal ini, neutrino akan 7 kali lebih besar dari Matahari, dan atom hidrogen akan 300 kali ukuran Bima Sakti.



Akhirnya, kita sampai pada struktur alam semesta - skala di mana ruang menjadi seperti waktu, waktu ke ruang, dan berbagai hal aneh lainnya terjadi. Tidak ada yang lebih lanjut (mungkin) ...

Yah, saya harap Anda tertarik, dan bahwa jika Anda membaca di tempat ini, Anda tidak menyesali waktu yang dihabiskan. Jika demikian, maka jangan terlalu malas untuk pergi ke tautan berikut , dan Anda dapat melihat semua sama dan lebih banyak lagi, tetapi hanya dalam gambar dan dengan skala skala nyata benda mikro dan makrokosmos.

Dan jika Anda melihat ada kesalahan dalam teks saya, silakan tulis tentang ini di komentar. Saya akan dengan senang hati memperbaiki teks ini sehingga lebih akurat mencerminkan kenyataan di sekitar kita, sangat menakjubkan dan beragam.

Source: https://habr.com/ru/post/id381967/