Viagem ao microworld

Em um artigo anterior, falamos sobre números gigantes . Podemos dizer que fizemos uma jornada ao infinito e, quando nos aproximamos do Número Graham, eu pessoalmente tive a sensação de um pouco mais - e tocávamos com a mão. Hoje ofereço-lhe outra jornada. Desta vez no microworld - o mundo dos pequenos objetos. Tão pequeno que, entre todos aqueles que consideramos, o grão de areia será o maior. Devo dizer imediatamente que este artigo não é sobre física. Não falaremos sobre efeitos quânticos, o princípio da incerteza e a teoria das cordas. Eu não sou físico (no entanto, acho que você entendeu isso com base no meu texto anterior). Este artigo é sobre números, escala e beleza. Bem-vinda.

Mas começaremos de uma perspectiva completamente diferente. Antes de embarcar em uma jornada para as profundezas da matéria, vamos voltar o olhar. Parece-me que a macroescala ainda nos é familiar um pouco melhor que a micro. Um leitor educado imagina mais ou menos como são grandes as distâncias no universo. Por exemplo, sabe-se que para a Lua, em média, quase 400 mil quilômetros, para o Sol - 150 milhões, para o agora elegante Plutão (que não é mais visível sem um telescópio) - 6 bilhões, para a estrela mais próxima Proxima Centauri (também não visível) - 40 trilhões, 25 quintilhões para a galáxia grande mais próxima da nebulosa de Andrômeda (mas é notavelmente visível sem instrumentos) e, finalmente, para os arredores do Universo observável (sejam eles visíveis ou não - um ponto discutível) - 130 sextilhões. Impressionante, é claro, mas todos gostamos de notícias espaciais e, francamente,em algum lugar no fundo já renunciou ao fato de que o cosmos é muito, muito, muito grande. E a diferença entre todos esses "quadri-", "quinti-" e "sexty-" não parece tão grande, embora eles diferam mil vezes. O microworld é outra questão. É possível que tantas coisas interessantes possam estar escondidas nele, porque ele simplesmente não tem onde se encaixar lá. Portanto, o senso comum nos diz e está enganado.

Tente responder a essa pergunta. Se, em uma extremidade da escala logarítmica, deixarmos de lado a menor distância conhecida no Universo, e na outra - a maior, então o que estará no meio? Qual é essa distância "média"? Se você pensou em galáxias e estrelas, provavelmente presume que deva ser grande o suficiente, porque o Universo é muito grande. Mas, de fato, essa distância será de aproximadamente 0,1 milímetros. Incrível né? Algo muito inexplicável está acontecendo neste mesmo microcosmo, uma vez que supera a maior parte de todo o cosmos. Então, 0,1 mm é do tamanho de um grão de areia, vamos começar com isso.



Um grão de areia é um dos menores objetos que ainda vemos a olho nu. 100 grãos de areia, colocados em uma fileira, cabem na unha de um dedo humano. 10 mil grãos de areia - e agora temos diante de nós um metro. E se você os colocar "lado a lado" ao longo do equador da Terra, precisaremos de 400 bilhões de peças. Somente. Você percebe que todos esses grãos de areia podem ser coletados em um saco grande, mas não muito grande, e pesará apenas cerca de uma tonelada?

O que mais temos que dificilmente pode ser considerado? Cabelo humano. O cabelo das pessoas é diferente, mas, em média, sua espessura é de 50 a 70 mícrons, ou seja, 15 a 20 por milímetro. Para estabelecer a distância da lua, eles precisarão de 8 trilhões de cabelos (se você os dobrar não de comprimento, mas de largura, é claro). Como existem cerca de 100 mil na cabeça de uma pessoa, se você coletar o cabelo de toda a população da Rússia, será mais que suficiente para a lua e permanecerá.



Nós avançamos mais - no mundo dos objetos já invisíveis a olho nu. Bactérias. Seu tamanho pode variar 10 vezes - de 0,5 a 5 mícrons (embora existam amostras únicas com tamanho de até 1 milímetro). Assim, na espessura de um cabelo humano, cabem até 100 e em um centímetro - até 20 mil peças. Se você aumentar a bactéria média para um tamanho que caiba confortavelmente na palma da mão (100 mil vezes), o cabelo ficará com 5 metros de espessura. A propósito, todo um quadrilhão de bactérias vive dentro do corpo humano e seu peso total é de 2 kg. Pare por um segundo e pense em quanto de vocês são bactérias. Na verdade, existem mais do que as células do próprio corpo. Portanto, é bem possível dizer que uma pessoa é exatamente esse organismo, consistindo de bactérias e vírus com pequenas intercalações de outra coisa.



Vírus. Posso admitir facilmente que, para alguém, elas parecem aproximadamente o mesmo que bactérias - às vezes eu mesmo uso essas palavras como sinônimos. Os tamanhos dos vírus diferem ainda mais que as bactérias - quase 100 mil vezes. Se esse fosse o caso das pessoas, elas aumentariam de 1 centímetro para 1 quilômetro e sua interação social se tornaria uma visão curiosa. Mas, no geral, os vírus são menores que as bactérias. O comprimento médio das variedades mais comuns é de 100 nanômetros ou 10 a ⁷ graus de metro. Se executarmos novamente a operação de aproximação para que o vírus se torne do tamanho de uma palma, o comprimento da bactéria será de 1 metro e a espessura do cabelo de 50 metros.

E, a propósito, é nessa escala que estamos nos aproximando de tamanhos que não podemos mais discernir em um microscópio óptico. E é por causa disso. O comprimento de onda da luz visível é de 400 a 750 nanômetros e é simplesmente impossível ver objetos menores que esse valor (a menos que você aplique algum truque, por exemplo, fazendo-os emitir). Tentando iluminar o objeto, a onda irá simplesmente contorná-lo e não será refletida. Às vezes, perguntam como é o átomo ou de que cor é.. Era uma vez, para mim, que para responder, basta olhar através de um microscópio e, se não houver ampliação suficiente, pegue outro e anexe-o ao primeiro, e repetidamente, até obter uma imagem clara e brilhante, o que realmente obviamente haverá alguma forma e alguma cor (sim, eu era esperto e parecia uma ótima idéia para mim). De fato, o átomo não parece de maneira alguma. Apenas nada. E não porque nossos microscópios não sejam bons o suficiente, mas porque o tamanho do átomo é menor que a distância para a qual existe o próprio conceito de "visibilidade" ... Pareceu-me importante observar isso também porque todas as ilustrações adicionais provavelmente serão apenas imagens, mas não algo realmente refletindo as formas dos objetos em questão.

De volta aos vírus. Se compararmos novamente a espessura de um cabelo humano, cerca de 500 peças de tamanho médio serão ajustadas lá. Na próxima vez que você olhar para os cabelos encontrados na sopa, imagine como uma dança redonda de 1,5 mil vírus ocorre. E ao longo da circunferência do globo, 400 trilhões de vírus podem ser colocados densamente. Muito de. Essa distância em quilômetros de luz passa em 40 anos. Mas se você juntá-los todos, eles se encaixam facilmente na ponta dos dedos. Somente.



Em geral, na escala de nanômetros, existem muitos objetos interessantes diferentes, mas vamos nos concentrar apenas naqueles cujos nomes são amplamente conhecidos. Portanto, nossa próxima parada são as moléculas. Por exemplo, uma molécula de DNA com uma largura de 3 por 10 ^-9metro. Ou seja, com um aumento de um milhão de vezes, sua largura será igual a 3 milímetros e, se em um bilhão - 3 metros (por outro lado, se você pegar apenas um bilhão de moléculas, elas nem serão visíveis sem óculos). Assim, a molécula de DNA é várias dezenas de vezes menor que o vírus médio. Embora isso não seja totalmente honesto, estamos comparando largura (DNA) com comprimento (de vírus). Mas, mesmo assim, as proporções aqui são praticamente as mesmas. Vamos pegar uma molécula de água para comparação. Seu tamanho aproximado é de 3 por 10 a ¹⁰ metros. Em um copo de água de tais moléculas, existem 10 septilhões - cerca de milímetros a mais que a galáxia de Andrômeda. E em um centímetro cúbico de ar, as moléculas são 30 quintilhões (principalmente nitrogênio e oxigênio).



Sabe-se que as moléculas são compostas de átomos e seus tamanhos são bastante comparáveis. Por exemplo, o diâmetro do átomo de carbono (a base de toda a vida na Terra) é de 3,5 por 10 a ¹⁰ metros, ou seja, um pouco maior que as moléculas de água. O átomo de hidrogênio é 10 vezes menor - 3 por 10 ^-11 metros. Isso, é claro, não é suficiente. Mas quão pequeno? Atingindo qualquer imaginação (saudável), o fato é que o menor grão de sal, quase não distinguível, consiste em 1 quintilhão de átomos. E não quero dizer sal grosso com grânulos grandes e claramente distinguíveis, mas sal fino - aquele em saleiros. Ocasionalmente, tente destacar um deles, olhe para a luz e diga para si mesmo: “qui nti-lli-on” (a propósito, isso é 10 ¹⁸) Vamos voltar à nossa escala padrão e ampliar o átomo de hidrogênio para que ele caiba confortavelmente na mão. Os vírus terão então 300 metros de tamanho, bactérias de 3 quilômetros, e a espessura do cabelo será igual a 150 quilômetros, e mesmo quando estiver deitado, irá além da atmosfera (e poderá atingir a lua em comprimento).



Mergulhamos um passo mais fundo. Um pequeno “passo” é imediatamente em quatro ordens de magnitude, desde o tamanho de um estádio de futebol até o tamanho de uma abelha sentada no centro de seu campo. Partículas. Importa dizer imediatamente que, em tais escalas, o próprio conceito de tamanho é bastante arbitrário. E se estamos falando de partículas elementares, já temos que considerar qual modelo usamos, quântico ou clássico. O chamado diâmetro "clássico" do elétron é de 5,5 femtômetros ou 5,5 por 10 a ¹⁵metro. As dimensões do próton e do nêutron são ainda menores e chegam a cerca de 1,5 femtômetros. A ironia é que os prótons são 1.836 vezes mais pesados ​​que os elétrons - isso por si só deve dizer algo sobre as convenções das dimensões acima. Há aproximadamente o mesmo número de prótons em um metro do que as formigas no planeta Terra, embora eu não tenha certeza de que esses dois valores estejam de alguma forma relacionados entre si (pessoalmente, isso me choca não apenas pelo fato de o próton ser tão pequeno, mas também pelas formigas). há muitos de nós de alguma forma). Usamos o aumento já familiar. O próton está convenientemente na palma da mão e, em seguida, o tamanho do vírus médio será igual a 7.000 quilômetros (a propósito, como toda a Rússia, de oeste a leste), e a espessura do cabelo será 2 vezes o tamanho do sol.


Você não acha que simplesmente não há mais nada? Sim, ouvimos algo sobre quarks, mas é difícil dizer algo definitivo sobre seu tamanho. Supõe-se que eles estejam entre 10 e ¹⁹ - 10 a ¹⁸ metros. O menor - um verdadeiro quark - com um diâmetro (vamos escrever esta palavra entre aspas para lembrá-lo do acima) é de 10 a ²² metros. Existe algo como neutrinos. Olhe para a palma da mão. Um trilhão de neutrinos emitidos pelo Sol voa através dele a cada segundo. E você não pode esconder sua mão atrás das costas. Os neutrinos passarão facilmente pelo seu corpo, pela parede e por todo o planeta e até mesmo por uma camada de chumbo com 1 ano-luz de espessura. O "diâmetro" do neutrino é 10 ^-24metro - essa partícula é 100 vezes menor que o verdadeiro quark, ou um bilhão de vezes menor que o próton, ou 10 septilhões de vezes menor que o tiranossauro. Quase ao mesmo tempo, o tiranossauro em si é menor que todo o universo observável (mais precisamente, era menor até morrer). Se você aumentar o neutrino para que ele fique do tamanho de uma laranja, mesmo um próton será 10 vezes maior que a Terra. Como isso.



E agora espero sinceramente que uma das duas coisas a seguir aconteça. Escolha qualquer um deles e divirta-se. Primeiro, podemos ir ainda mais longe (e até fazer algumas suposições significativas sobre o que acontecerá lá). O segundo - mas, ao mesmo tempo, é impossível avançar infinitamente para as profundezas da matéria, e em breve chegaremos a um beco sem saída. Qual destas declarações parece mais surpreendente para você? Pessoalmente, provavelmente ainda tenho o segundo. Isso é apenas para atingir esses mesmos tamanhos de "beco sem saída" que temos que descer mais 11 ordens de magnitude, se contarmos com o neutrino. Ou seja, esses tamanhos são 100 bilhões de vezes menores que os neutrinos. Pela mesma quantidade, um grão de areia é menor do que todo o nosso planeta, a propósito. Se isso não lhe impressionar, simplesmente não sei do que você pode falar ...

Então, nos tamanhos 10 a ³⁵metros, estamos aguardando um conceito maravilhoso como o comprimento de Planck - a distância mínima possível no mundo real (na medida em que se acredita na ciência moderna). As cordas quânticas ainda vivem aqui - objetos bastante notáveis ​​de qualquer ponto de vista (por exemplo, são unidimensionais, não têm espessura), mas para o nosso tópico é importante que o comprimento também esteja entre 10 e ³⁵ metros. Vamos fazer nosso experimento padrão de "ampliação" pela última vez. Uma corda quântica se torna um tamanho conveniente, e a seguramos em nossas mãos como um lápis. Nesse caso, o neutrino será 7 vezes maior que o Sol, e o átomo de hidrogênio terá 300 vezes o tamanho da Via Láctea.



Finalmente, chegamos à própria estrutura do universo - a escala na qual o espaço se torna como tempo, tempo no espaço e várias outras coisas bizarras acontecem. Não há mais nada (provavelmente) ...

Bem, espero que você tenha se interessado e que, se você ler este lugar, não se arrependerá do tempo gasto. Nesse caso, não fique com preguiça de ir para o link a seguir e poderá ver tudo a mesma coisa e muito mais, mas apenas em imagens e com uma escala da escala real de objetos de micro e macrocosmo.

E se você perceber algum erro no meu texto, escreva sobre isso nos comentários. Ficarei feliz em corrigir este texto para que ele reflita com mais precisão a realidade que nos rodeia, tão surpreendente e diversificada.

Source: https://habr.com/ru/post/pt381967/