Помните, как в прошлый раз мы ныряли в бездну гигантских чисел? Добирались до самой границы, за которой начинается что-то почти непостижимое? Когда дело дошло до Числа Грэма, было ощущение, что если потянуться ещё чуть-чуть, то можно прямо рукой ухватить бесконечность.
Ну, сегодня у нас новое путешествие, но теперь – в обратную сторону. В мир всего крошечного. Настолько крошечного, что песчинка тут – буквально великанша.
Сразу предупреждаем: физики в этой статье не будет. Никаких квантовых эффектов, принципа неопределённости и прочих загадочных материй. Сегодня мы говорим о цифрах, масштабах и той красоте, которая скрыта в микромире. Готовы? Тогда поехали!
Но прежде чем окунуться в глубины материи, давайте взглянем наверх. Космос нам всё-таки привычнее, чем микромир, верно? В конце концов, мы с детства слышали про гигантские расстояния: от Земли до Луны – почти 400 тысяч километров, до Солнца – 150 миллионов, до Плутона – 6 миллиардов, а до ближайшей звезды – каких-то 40 триллионов километров! Ну а дальше начинаются квинтиллионы, секстиллионы – и вообще цифры, после которых сознание сдаётся. Но, признаться, к этому мы уже как-то привыкли. Нам не кажется удивительным, что космос огромен.
А вот микромир – совсем другое дело. Он вроде бы и не должен быть настолько бездонным. Ну сколько там можно уместить интересного? Маленькое ведь – значит простое. Так нам подсказывает логика. И так же нас безбожно обманывает.
Вот вам задачка: если на одном конце шкалы отложить самое большое расстояние во Вселенной, а на другом – самое маленькое, что окажется ровно посередине? Вы, наверное, думаете про что-то внушительное – планеты, звёзды, галактики.
А вот и нет. Это всего лишь 0.1 миллиметра. То есть размер обычной песчинки.
Представляете? Что-то в этом микромире явно нечисто, если он может сравниться с масштабами целого космоса!
Ладно, начнём с этой самой песчинки. Она – один из последних рубежей, который мы можем увидеть невооружённым глазом. Сто песчинок, выстроенных в ряд, с лёгкостью поместятся на ногте пальца. Десять тысяч – и вот у нас уже метр. А если выложить их вдоль земного экватора? Нужно будет всего-то 400 миллиардов песчинок. И самое удивительное – они легко поместятся в один большой мешок, который будет весить всего около тонны. Мир вдруг стал чуть меньше, правда?
А теперь – ещё мельче. Волос. Тот самый, что остаётся на расчёске. Толщина его – примерно 50-70 микрон. На одном миллиметре их можно уместить штук 15-20. Если бы мы захотели выложить ими расстояние до Луны, нам понадобилось бы… 8 триллионов волос! Звучит безумно, но если собрать их со всех жителей России, то, знаете, вполне реально. Может, парикмахерам стоит предложить новый амбициозный проект?
Но мы идём дальше. В мир, который глаз уже не различает. Добро пожаловать к бактериям! Они – существа совсем миниатюрные, от 0.5 до 5 микрон (а есть и мутанты до миллиметра, но это редкость). В толщине человеческого волоса таких малышей уместится около сотни. В одном сантиметре – уже 20 тысяч. А теперь давайте вообразим: если бактерию вдруг увеличить до удобного для ладони размера, то волос окажется толщиной в пять метров. Пять метров!
Но подождите, вот ещё кое-что интересное. В вашем теле живёт около квадриллиона бактерий. Общим весом – примерно два килограмма. И если задуматься, то не бактерий, вас самих в вас… даже меньше, чем их. Получается, мы – это просто сложные организмы, где бактерии решили поселиться, а мы всего лишь предоставляем им уютное жильё.
Мобильные биодомики для бактерий. Немного пугающе? Ну, как сказать…
Вирусы: малютки, которые правят миром
Вы когда-нибудь задумывались, насколько малы вирусы? Легко представить, что они чем-то похожи на бактерии, и многие ловили себя на том, что используют эти слова как синонимы. Но если мы заглянем глубже, окажется, что разница между ними просто колоссальная. Размеры вирусов варьируются еще сильнее, чем у бактерий — до 100 тысяч раз! Представьте себе мир, в котором люди бывают ростом от 1 сантиметра до километра. Как бы мы тогда общались? Как бы выглядел утренний час пик? Вирусы, конечно, не ходят в метро, но в их микроскопическом мире тоже есть свои удивительные масштабы.
Средний вирус — это всего 100 нанометров, или 10⁻⁷ метра.
А теперь давайте поиграем с воображением: увеличим вирус до размера ладони. Тогда бактерия рядом с ним превратится в человека ростом метр, а человеческий волос, лежащий на ладони… в небоскреб высотой 50 метров!
И тут мы подбираемся к границе, которую уже не преодолеть оптическому микроскопу. Видимый свет имеет длину волны от 400 до 750 нанометров, и все, что меньше, просто теряется для наших глаз. Даже если взять самый мощный оптический микроскоп и попытаться рассмотреть вирус, ничего не выйдет — свет попросту огибает такие крошечные объекты, как вода обтекает камень в реке.
Поэтому, когда нас спрашивают, как выглядит атом или какого он цвета, правильный ответ — никак. У него нет ни формы, ни цвета, потому что сам термин «видимость» к нему уже не применим.
Но давайте вернемся к вирусам. Помните тот самый волос, который иногда попадается в супе? Так вот, на его поперечном срезе уместится около 500 вирусов. А теперь представьте, что по этому волоску в танце кружатся 1,5 тысячи вирусов! И если выложить вирусы цепочкой вдоль экватора, их понадобится… 400 триллионов. Чтобы свет преодолел такое количество километров, ему бы понадобилось 40 лет. А теперь главное: если собрать все эти вирусы в одну кучу, они легко поместятся… на кончике пальца. Всего-то.
Погружение в глубину: мир молекул
Но что там вирусы! Давайте копнем еще глубже. Например, молекулы — всем известные, но такие крошечные, что представить их размер сложно. Возьмем ДНК. Ее ширина — всего 3 нанометра, то есть 3×10⁻⁹ метра. Если увеличить ее в миллион раз, она станет шириной 3 миллиметра — как тонкая ниточка. А в миллиард раз? Получится уже 3 метра! Кстати, если просто взять миллиард молекул ДНК и попытаться их разглядеть… ничего не выйдет. Они все равно будут настолько малы, что без специальных приборов мы их не увидим.
Давайте для контраста возьмем что-то еще более знакомое — молекулу воды. Ее размер 3×10⁻¹⁰ метра. В стакане воды таких молекул 10 септиллионов! Это примерно столько же миллиметров, сколько от нас до Галактики Андромеды. А теперь попробуйте представить, что в одном кубическом сантиметре воздуха находится 30 квинтиллионов молекул (и это в основном азот и кислород, которыми мы дышим).
Дальше — атомы
Как мы знаем, молекулы состоят из атомов. Их размеры уже сопоставимы друг с другом. Например, атом углерода (основа всей жизни на Земле) имеет диаметр 3,5×10⁻¹⁰ метра. Водородный атом еще меньше — 3×10⁻¹¹ метра. И вот тут начинается настоящая магия чисел. Взгляните на мельчайшую крошку соли. Так вот, в ней содержится 1 квинтиллион атомов. Квинтиллион! Это 10¹⁸, если вдруг стало интересно.
Хотите почувствовать этот масштаб? Давайте снова сыграем в «увеличение». Пусть атом водорода станет размером с ладонь. Тогда вирусы станут 300-метровыми гигантами, бактерии вырастут до размеров 3-километрового города, а человеческий волос растянется на 150 километров! Это уже не просто длинный волос, а целая магистраль!
Шаг еще глубже: элементарные частицы
Вы готовы, дети? Я не слышу!
Теперь шагнем еще дальше, в мир, где размеры теряют привычный смысл. Добро пожаловать в царство элементарных частиц! Диаметр электрона — 5,5×10⁻¹⁵ метра. Протоны и нейтроны еще меньше — около 1,5 фемтометров (то есть 10⁻¹⁵ метра). Но вот что забавно: протон в 1836 раз тяжелее электрона, хотя его размеры кажутся меньше.
Попробуем еще одно сравнение. Если представить протон в виде мяча, удобно лежащего в руке, то вирус рядом с ним окажется размером… 7 000 километров! Это почти как расстояние от Москвы до Владивостока! А толщина человеческого волоса при таком увеличении станет вдвое больше Солнца.
Дальше уже некуда? Или все-таки есть?
Кажется, мы уже нырнули так глубоко, что дальше просто нечего искать. Ну правда, после всех этих вирусов, молекул и атомов – что там еще может быть? Да, мы слышали про кварки, но их размеры — это уже почти философия.
Говорят, что они находятся где-то в пределах 10⁻¹⁹ — 10⁻¹⁸ метра, а самый крошечный из них — истинный кварк — имеет «диаметр» (ставлю кавычки, потому что на таких масштабах слово «диаметр» уже не особо применимо) 10⁻²² метра.
Но если вам казалось, что это предел, приготовьтесь. Потому что у нас есть еще кое-что в запасе. Знакомьтесь — нейтрино.
Призрачные путешественники сквозь Вселенную
Посмотрите на свою ладонь. Готово? А теперь представьте, что прямо сейчас, каждую секунду, через нее пролетает триллион (!) нейтрино, испущенных Солнцем. Триллион, Карл! И знаете что? Они пройдут сквозь вашу руку, не заметив ее. Они пройдут сквозь стену. Они пройдут сквозь Землю, как будто ее нет. И даже если вы вдруг решите спрятаться за толстый слой свинца толщиной в… один световой год, нейтрино просто пройдут дальше, не обращая внимания.
Почему так? Потому что их «размер» — 10⁻²⁴ метра. Это в 100 раз меньше, чем истинный кварк. В миллиард раз меньше протона. В 10 септиллионов раз меньше тираннозавра! Если вас не впечатлило последнее сравнение, попробуйте вот это: если увеличить нейтрино до размера апельсина, то даже протон по сравнению с ним будет больше Земли.
И тут мы подходим к интересному моменту.
Что удивительнее: бесконечная глубина или стена в конце пути?
Вот вам выбор. Что вас поражает больше?
- Мы можем заглянуть еще дальше, и даже делать осмысленные предположения о том, что там есть.
- Но… при этом бесконечно углубляться нельзя. Мы неизбежно уткнемся в предел, в своеобразную «стену», за которую проникнуть невозможно.
Больше, конечно, впечатляет второе. Потому что, казалось бы, если материя делится и делится, то почему бы ей не делиться до бесконечности? Но нет. В какой-то момент мы натыкаемся на абсолютный предел.
Чтобы дойти до него, нужно опуститься еще на 11 порядков ниже нейтрино. Это 100 миллиардов раз меньше, чем нейтрино. Примерно во столько же раз песчинка меньше всей Земли. Если после этого вас ничто не впечатляет, то… просто не ясно, о чем с вами разговаривать.
Планковская длина — край мироздания
Добро пожаловать на самый-самый край реальности. Тут, на масштабе 10⁻³⁵ метра, живет нечто особенное — планковская длина. Это минимальное расстояние, которое вообще имеет смысл в физике. Ниже этого предела теряют смысл даже привычные нам понятия пространства и времени. Здесь же обитают квантовые струны — необычные объекты, которые, представьте себе, вообще не имеют толщины.
Ну и, конечно, мы не можем не провести наш любимый мысленный эксперимент. Допустим, квантовая струна вдруг стала размером с карандаш, который удобно лежит в вашей руке. Тогда нейтрино станет больше Солнца. А атом водорода… превысит размеры всей нашей галактики в 300 раз.
И что дальше?
Дальше — ничего.
Серьезно. На этом уровне пространство перестает быть пространством, а время перестает быть временем. Все привычные законы физики превращаются в нечто странное, непонятное и выходящее за пределы нашего воображения. Возможно, именно здесь скрываются тайны всего мироздания.
А может, мы просто дошли до края.
Как бы то ни было, это было путешествие в глубины материи, где каждая новая остановка разрушала привычные представления о размерах.
👍 Если вам нравится канал, ваши лайки, репосты и комментарии очень помогут его развитию. Спасибо. ❤️
✅ Подпишитесь, чтобы не пропустить новые публикации.