20 завораживающих фактов о невообразимо маленьких объектах
1. Но начнем мы совсем с другой стороны. Прежде чем отправиться в путешествие к глубинам материи, давайте обратим свой взор вверх.
Например, известно, что до Луны в среднем почти 400 тысяч километров, до Солнца — 150 миллионов, до Плутона (который уже не виден без телескопа) — 6 миллиардов, до ближайшей звезды Проксимы Центавра — 40 триллионов, до ближайшей крупной галактики туманности Андромеды — 25 квинтиллионов, и наконец до окраин обозримой Вселенной — 130 секстиллионов.
Впечатляюще, конечно, но разница между всеми этими «квадри-», «квинти-» и «сексти-» не кажется столь уж огромной, хотя они и различаются между собой в тысячу раз. Совсем другое дело микромир. Разве в нем может быть скрыто так уж много интересного, ведь ему просто негде там поместиться. Так говорит нам здравый смысл и ошибается.
2. Если на одном конце логарифмической шкалы отложить самое маленькое известное расстояние во Вселенной, а на другом — самое большое, то посередине окажется… песчинка. Её диаметр — 0.1 мм.
3. Если положить в ряд 400 млрд песчинок, их ряд обогнёт весь земной шар по экватору. А если собрать эти же 400 млрд в мешок, весить он будет около тонны.
4. Толщина человеческого волоса — 50–70 микронам, то есть их 15–20 штук на миллиметр. Для того чтобы выложить ими расстояние до Луны, потребуется 8 триллионов волос (если складывать их не по длине, а по ширине, конечно). Поскольку на голове у одного человека их около 100 тысяч, то если собрать волосы у всего населения России, до Луны хватит с лихвой и даже еще останется.
5. Размер бактерий — от 0.5 до 5 микрон. Если увеличить среднюю бактерию до такого размера, что она удобно ляжет нам в ладонь (в 100 тысяч раз), толщина волоса станет равной 5 метрам.
6. Кстати, внутри человеческого тела обитает целый квадриллион бактерий, а их общий вес составляет 2 килограмма. Их, собственно, даже больше, чем клеток самого тела. Так что вполне можно сказать, что человек — это просто такой организм, состоящий из бактерий и вирусов с небольшими вкраплениями чего-то еще.
7. Размеры вирусов различаются еще больше, чем бактерий, — чуть ли не в 100 тысяч раз. Если бы дело обстояло так с людьми, то они были бы ростом от 1 сантиметра до 1 километра, и их социальное взаимодействие стало бы любопытным зрелищем.
8. Средняя длина наиболее распространенных разновидностей вирусов — 100 нанометров или 10^(-7) степени метра. Если мы снова выполним операцию приближения таким образом, чтобы вирус стал размером с ладонь, то длина бактерии будет 1 метр, а толщина волоса — 50 метров.
9. Длина волны видимого света — 400–750 нанометров, и увидеть объекты меньше этой величины попросту невозможно. Попытавшись осветить такоей объект, волна просто обогнет его и не отразится.
10. Иногда задают вопрос, как выглядит атом или какого он цвета. На самом деле, атом не выглядит никак. Просто вообще никак. И не потому, что у нас недостаточно хорошие микроскопы, а потому что размеры атома меньше расстояния, для которого существует само понятие «видимости»…
11. Вдоль окружности земного шара можно плотно разместить 400 триллионов вирусов. Много. Такое расстояние в километрах свет проходит за 40 лет. Но если собрать их всех вместе, то они легко поместятся на кончике пальца.
12. Примерный размер молекулы воды — 3 на 10^(-10) метра. В стакане воды таких молекул 10 септиллионов — примерно столько миллиметров от нас до Галактики Андромеды. А в кубическом сантиметре воздуха молекул 30 квинтиллионов (в основном, азота и кислорода).
13. Диаметр атома углерода (основы всей жизни на Земле) — 3.5 на 10^(-10) метра, то есть даже чуть больше, чем молекулы воды. Атом водорода в 10 раз меньше — 3 на 10^(-11) метра. Это, конечно, мало. Но насколько мало? Поражающий всякое воображение факт состоит в том, что мельчайшая, едва различимая крупинка соли состоит из 1 квинтиллиона атомов.
Давайте обратимся к нашему стандартному масштабу и приблизим атом водорода так, чтобы он удобно лег в руку. Вирусы тогда будут 300-метрового размера, бактерии 3-километрового, а толщина волоса станет равна 150 километрам, и даже в лежащем состоянии он выйдет за границы атмосферы (а в длину может достать и до Луны).
14. Так называемый «классический» диаметр электрона — 5.5 фемтометров или 5.5 на 10^(-15) метра. Размеры протона и нейтрона еще меньше и составляют около 1.5 фемтометров. Протонов в метре примерно столько же, сколько муравьев на планете Земля. Используем уже привычное нам увеличение. Протон удобно лежит у нас в ладони, — и тогда размер среднего вируса окажется равным 7 000 километрам (почти как вся Россия с запада на восток, между прочим), а толщина волоса в 2 раза превысит размеры Солнца.
15. О размерах сложно сказать что-то определенное. Предполагается, что они находятся где-то в пределах 10^(-19) — 10^(-18) метра. Самый маленький — истинный кварк — «диаметром» (давайте для напоминания о вышесказанном будем писать это слово в кавычках) 10^(-22) метра.
16. Есть еще такая штука как нейтрино. Посмотрите на свою ладонь. Через нее ежесекундно пролетает триллион нейтрино, испущенных Солнцем. И можете не прятать руку за спину. Нейтрино с легкостью пройдут и сквозь ваше тело, и сквозь стену, и сквозь всю нашу планету, и даже сквозь слой свинца толщиной в 1 световой год. «Диаметр» нейтрино равен 10^(-24) метра — эта частица в 100 раз меньше истинного кварка, или в миллиард раз меньше протона, или в 10 септиллионов раз меньше тираннозавра. Почти во столько же раз сам тираннозавр меньше всей обозримой Вселенной. Если увеличить нейтрино так, чтобы он был размером с апельсин, то даже протон будет в 10 раз больше Земли.
17. А сейчас я искренне надеюсь, что вас должна поразить одна из двух нижеследующих вещей. Первая — мы можем продвинуться еще дальше (и даже сделать какие-то осмысленные предположения о том, что там будет). Вторая — но при этом двигаться вглубь материи бесконечно все-таки нельзя, и вскоре мы уткнемся в тупик. Вот только для достижения этих самых «тупиковых» размеров нам придется опуститься еще на 11 порядков, если считать от нейтрино. То есть эти размеры меньше нейтрино в 100 миллиардов раз. Во столько же раз песчинка меньше всей нашей планеты, кстати.
18. Итак, на размерах 10^(-35) метра нас ждет такое замечательное понятие, как планковская длина, — минимальное расстояние из возможных в реальном мире (насколько это принято считать в современной науке).
19. Еще здесь обитают квантовые струны — объекты весьма примечательные с любой точки зрения (например, они одномерны, — у них нет толщины), но для нашей темы важно, что их длина тоже находится в пределах 10^(-35) метра. Давайте проделаем наш стандартный «увеличительный» эксперимент в последний раз. Квантовая струна становится удобного размера, и мы держим ее в руке как карандаш. При этом нейтрино будет в 7 раз больше Солнца, а атом водорода в 300 раз превысит размеры Млечного Пути.
20. Наконец мы подошли к самой структуре мироздания — масштабу, на котором пространство становится похожим на время, время на пространство, и происходят разные другие причудливые штуки. Дальше уже ничего нет (наверное)…
Источник
Матрешка Мироздания. Глава 1. АТОМЫ в ТЕЛЕ Гиганта.
Изменим условия задачи для мудрецов. Сделаем их зрячими и поместим в большого СЛОНА, внутри которого живут маленькие слонята (возможно другой породы, — нам это неизвестно). Мудрецам нужно ответить на вопрос: как устроен СЛОН и чем он отличается от слоненка?
Мудрецы разделились на две группы и назвались астрономами и физиками. Одни изучают большого СЛОНА, другие маленьких.
Астрономы оказались дружелюбными ребятами. Они взяли телескопы и стали наблюдать изнутри мирно пасущегося СЛОНА. Но, глаза и телескопы были устроены так, что они видели СЛОНА насквозь. Рядом с их СЛОНОМ паслись другие СЛОНЫ. Их тоже видели насквозь. Астрономы никак не могли понять: что же они видят?
Физики оказались более кровожадными. Чтобы оказаться в аналогичных с астрономами условиях, они взяли микроскопы и решили проникнуть внутрь слоненка. Он не захотел пускать мудрецов в себя. Тогда, физики решили использовать древний и проверенный научный способ. Этот способ называется «охота на мамонта». Они загоняют слоненка в ловушку (синхрофазотрон, коллайдер) и закидывают его кусками другого слоника.
Слоненок ревет, брыкается, излучает всякие флюиды, но физики продолжают разбивать его на части, чтобы увидеть внутренности. Били, били, а до конца так и не разбили. (Мышку забыли позвать!)
В результате длительных и тщательных исследований мудрецы пришли к выводу, что слон и слоненок – абсолютно разные животные и законы их жизни не похожи!
Слон обиделся на мудрецов и отвернулся…
Теперь серьезно. Глядя на многообразие моделей атома, ядра, электрона, фотона складывается впечатление, что у каждого, уважающего себя физика, есть своя модель объектов микромира.
Такое разнообразие говорит только об одном: никто точно не знает, как устроен атом внутри. Давайте разбираться на примере Солнечной системы.
Я не собираюсь доказывать, что Солнечная система и атом устроены одинаково и живут по одним и тем же законам. Я собираюсь доказать, что Солнечная система функционально выполняет ту же роль, что и атом внутри нашего тела. Похожи они или нет, — вопрос десятый… Оставим эти споры для других объектов: молекул, органоидов и клеток.
Полного знания об устройстве атома и Солнечной системы мы сегодня не имеем. Есть лишь модели, которые считаются общепризнанными на данный момент (рис. 1-5).
Имеются фотографии, подтверждающие, что оболочка возбужденного атома выглядит именно так (рис. 1-6). Но модель ядра является чисто гипотетической.
В Солнечной системе — все наоборот. Мы знаем, как выглядит центральная часть (Солнце и планеты), а наличие кометной оболочки (Облако Орта) — гипотетическое.
Глядя на рисунок 1-5, напрашиваются очевидные аналогии:
1. Солнце и планеты являются ЯДРОМ АТОМА верхнего уровня МАТЕРИИ.
2. Кометное облако является ЭЛЕКТРОННЫМ ОБЛАКОМ этого АТОМА.
Может быть, ядра этих объектов устроены и по-разному. В нашей притче СЛОН и слоненок живут на разных этажах Мироздания. Мироздание, — не хрущевская пятиэтажка, поэтому Солнечная система и атом могут чем-то и отличаться. Дело не во внешнем сходстве или различии этих объектов, а в их функциональности. Солнечная система и атом являются «кирпичиками», из которых построена материя данного этажа. Солнечная система и атом – это слоны, на которых держатся разные этажи Мира!
Акцентируем свое внимание не на различиях, а на сходстве этих объектов. Попробуем найти уровень, на котором данные астрономов и физиков совпадают.
Рассмотрим эволюцию Солнечной системы (рис. 1-7).
Если астрономы не ошиблись с этой цепочкой, то сейчас наше Солнце находится в середине жизненного цикла. Это стабильный период жизни. Солнце ровно светит, планеты, кометы, астероиды спокойно вращаются. Придет время, когда Солнце начнет расширяться и превратится в Красного гиганта. Затем Красный гигант превратится в Планетарную туманность.
«Планетарная туманность — астрономический объект, состоящий из ионизирован-ной газовой оболочки и центральной звезды, белого карлика. Планетарные туманности образуются при сбросе внешних слоёв (оболочек) красных гигантов и сверхгигантов на завершающей стадии их эволюции. Планетарная туманность — быстропротекающее (по астрономическим меркам) явление, длящееся всего несколько десятков тысяч лет, при продолжительности жизни звезды-предка в несколько миллиардов лет. В настоящее время в нашей галактике известно около 1500 планетарных туманностей.
Многие планетарные туманности имеют очень сложную и своеобразную структуру (рис. 1-9). Несмотря на то, что приблизительно пятая часть из них имеет околосферическую форму, большинство не обладает какой бы то ни было сферической симметрией. Механизмы, благодаря которым возможно образование такого многообразия форм, остаются на сегодняшний день до конца не выясненными ». Википедия.
Чтобы разобраться с « механизмами, благодаря которым возможно образование такого многообразия форм », сравним их с формами электронных оболочек атома (рис. 1-10).
Формы электронных оболочек приведены для атома водорода. В других атомах эти оболочки входят друг в друга, создавая порой очень сложную структуру. Рассмотрим это более детально (рис. 12).
Интересное сходство! Формы электронных оболочек образованы электромагнитным полем. Формы планетарных туманностей – гравитационным. Получается, что для микро и макро миров действует единый закон, вынуждающий разноуровневые структуры, при определенных условиях, приобретать одинаковые формы сферических гармоник (рис. 1-14).
Сегодня имеются два фундаментальных взаимодействия: гравитационное и электро-сильно-слабое. Считается, что объединить их никогда не удастся, так как они имеют разную природу. Так ли это? Давайте разбираться.
Атомы и молекулы, внутри нашего тела, связаны электрическими силами. Если Гигант устроен по той же схеме, то ЕГО АТОМЫ (Солнечные системы) и МОЛЕКУЛЫ (двойные, кратные звезды и галактики) должны быть связаны ЭЛЕКТРИЧЕСКИМИ СИЛАМИ ЕГО УРОВНЯ МАТЕРИИ. То, что мы считаем гравитацией, для НЕГО — проявление КУЛОНОВСКИХ СИЛ. ЕГО КУЛОНОВСКИЕ СИЛЫ действуют (в основном) на ЭЛЕМЕНТАРНЫЕ ЧАСТИЦЫ ЕГО МИРА (наши звезды, планеты и т.д.), но не оказывают заметного влияния на элементарные частицы нашего уровня материи.
Основным отличием кулоновских сил от гравитационных считается то, что заряды могут, как притягиваться, так и отталкиваться, а гравитация — только притягивает.
Начнем с зарядов. Явные проявления отталкивания заряженных тел мы наблюдаем (в основном) не в живой природе, а в опытах физиков и электротехнических приборах. Отталкивание, в природе, не такое явное и проявляется в процессе расширения (роста) органической материи.
Мы живем внутри КЛЕТКИ Гиганта. Эта КЛЕТКА недавно (по ЕГО меркам) пережила процесс деления. Для того чтобы достичь размеров материнской КЛЕТКИ, ЕЙ нужно увеличить свой объем в восемь раз. Расширение нашей Вселенной является процессом РОСТА (расширения) КЛЕТКИ Гиганта. За счет каких сил, происходит расширение нашей клетки? В этом процессе проявляются различные действия электрических (электромагнитных) сил нашего уровня материи. Перенесем аналогию с нашей клетки на ЕГО и отменим закон Всемирного тяготения вместе с Теорией Большого Взрыва. Все в ПРИРОДЕ связано единой электромагнитной силой. Сила эта единая, но проявляется очень разнообразно.
Совершенно очевидно, что скорость распространения ЕГО ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ ВОЛН, должна быть на несколько порядков больше нашей скорости света. ДЛИНЫ ВОЛН — значительно больше наших, а ЧАСТОТА — гораздо ниже. Все это можно рассчитать. Попробуем это сделать в главе «Вселенная — ЧЕЛОВЕК», а пока вернемся к атомам.
Выходит, что атомы (как и звезды) приобретают такие формы в конце своей жизни. Но, электронные оболочки считаются местом вероятностного нахождения электрона. На примере планетарных туманностей мы видим не вероятностное, а реальное нахождение материи в этих оболочках. Из чего эта материя состоит?
По данным спектрального анализа, планетарная туманность состоит из молекул, атомов и ионов (плазмы) различных газов. Кроме этого, в спектрах присутствуют линии элементов не известных на Земле. Астрофизики решили, что так излучают известные нам элементы в неизвестных нам условиях!
Подобная ситуация наблюдается и с кометами. В их спектрах тоже присутствуют линии не соответствующие ни одному известному нам элементу. Ученые объясняют это наличием пыли в их хвостах.
Кометы – большая головная боль для науки. Порой они плюют на все законы движения и излучения. Не превышая по размеру одной миллионной доли массы Земли, комета может иметь размер оболочки, превышающий диаметр Солнца! Хвосты могут выкидывать во все стороны по несколько штук, а иногда просто откидывать, как ящерица (кометы Лулинь, Энке). Могут фрагментировать на несколько частей (как электрон, вроде один, а лезет во все щели!). Многие не имеют постоянных орбит и могут резко менять траекторию движения. Ядро кометы Хартли-2 вращается вокруг своей оси и одновременно совершает кувырки в других плоскостях (эффект Джанибекова). По законам Ньютона они все должны крутиться вокруг Солнца, но комета в 1881 году, не долетев до Венеры, развернулась и ушла восвояси. Химический состав ядра, головы и хвоста кометы не совпадает! У каждой кометы наблюдается свой состав элементов. Считается, что кометы состоят из замерзших газов и грязи. Почему они, подлетая к Солнцу, не плавятся? Это все равно, что мороженное кинуть в кипяток и через полчаса достать его целым. Комета светит не отраженным светом, а собственным, который лишь возбуждается солнцем.
Внешнее кометное облако Оорта, как предполагают, содержит несколько триллионов ядер комет. Там кометы находятся в неактивном состоянии. Представьте, что будет, если они все начнут светиться? Красный гигант (новая или сверхновая звезда), сбрасывая свою оболочку, активизирует кометы, и Облако Оорта начинает светиться как лампочка. Рассмотрим это на конкретном примере.
В феврале 1987 года был зафиксирован взрыв сверхновой звезды SN 1987 A. Снимки показывают, как расширяющиеся ударная волна и вспышка, сталкиваясь с Облаком Оорта, постепенно начинают его активизировать.
Последний снимок датирован декабрем 2006 года (рис. 1-16). Дальнейшее развитие событий с этой звездой не афишируется.
Источник