Давайте спробуєм. Не думаю, що все написане нижче цілком справедливо, і я цілком міг щось упустити, але аналіз існуючих відповідей на подібні запитання та власні роздуми вишикувалися ось у що:
Візьмемо атом водню: один протон та один електрон на його орбіті.
Радіус атома водню - це радіус орбіти його електрона. У природі він дорівнює 53 пікометрам, тобто 53×10^-12 метра, ми ж хочемо збільшити його до 30×10^-2 метра – десь у 5 мільярдів разів.
Діаметр протона (тобто нашого атомного ядра) - 1.75×10^-15 м. Якщо збільшити його до бажаних розмірів, він виявиться розміром 1×10^-5 метра, тобто одна сота міліметра. Це невиразно неозброєним поглядом.
Давайте краще збільшимо протон одразу до розмірів горошини. Орбіта електрона виявиться тоді радіусом із футбольне поле.
Протон буде область позитивного заряду. Він складається з трьох кварків, які менші за нього приблизно в тисячу разів - їх ми точно не побачимо. Існує думка, що якщо посипати цей гіпотетичний об'єкт магнітною стружкою, вона збереться навколо центру у сферичну хмарку.
Електрон побачити не вийде. Ніяка кулька навколо атомного ядра літати не буде, «орбіта» електрона є лише область, у різних точках якої електрон може бути з різною ймовірністю. Можна уявити це як сферу діаметром зі стадіон навколо нашої горошини. У випадкових точках усередині цієї сфери виникає і моментально пропадає негативний електричний заряд. Причому робить це настільки швидко, що навіть у будь-який окремо взятий момент часу говорити про його конкретне розташування не має сенсу... так, це незбагненно. Простіше кажучи, це не «виглядає».
Цікаво, до речі, що, збільшивши атом до макроскопічних розмірів, ми сподіваємося його «побачити» - тобто засікти відбите від нього світло. Насправді ж атоми звичайних розмірів світло не відображають, у атомних масштабах йдеться про взаємодії між електронами та фотонами. Електрон може поглинути фотон і перейти на наступний енергетичний рівень, він може випустити фотон і таке інше. При гіпотетичному збільшенні цієї системи до розмірів футбольного поля знадобиться занадто багато припущень, щоб передбачити поведінку цієї неможливої конструкції: чи фотон так само впливатиме на гігантський атом? Чи потрібно "дивитися" на нього, бомбардуючи його спеціальними гігантськими фотонами? Чи випромінюватиме він гіганські фотони? Всі ці питання, строго кажучи, не мають сенсу. Думаю, втім, можна з упевненістю сказати, що атом не відображатиме світло так, як робила б це металева кулька.
1. Але ми почнемо зовсім з іншого боку. Перш ніж вирушити в подорож до глибин матерії, звернімо свій погляд вгору.
Наприклад, відомо, що до Місяця в середньому майже 400 тисяч кілометрів, до Сонця – 150 мільйонів, до Плутона (якого вже не видно без телескопа) – 6 мільярдів, до найближчої зірки Проксіми Центавра – 40 трильйонів, до найближчої великої галактики туманності Андромеди. 25 квінтильйонів, і нарешті до околиць найближчого Всесвіту - 130 секстильйонів.
Вражаюче, звичайно, але різниця між усіма цими «квадрі-», «квінті-» і «сексті-» не здається настільки вже величезною, хоча вони й різняться між собою в тисячу разів. Зовсім інша річ мікросвіт. Хіба в ньому може бути приховано так багато цікавого, адже йому просто ніде там поміститися. Так каже нам здоровий глузд і помиляється.
2. Якщо на одному кінці логарифмічної шкали відкласти найменшу відому відстань у Всесвіті, а на іншому – найбільшу, то посередині виявиться… піщинка. Її діаметр – 0.1 мм.
3. Якщо покласти в ряд 400 млрд піщин, їх ряд обігне всю земну кулю за екватором. А якщо зібрати ці ж 400 млрд у мішок, важитиме він близько тонни.
4. Товщина людського волосся - 50-70 мікронів, тобто їх 15-20 штук на міліметр. Для того щоб викласти ними відстань до Місяця, потрібно 8 трильйонів волосся (якщо складати їх не по довжині, а по ширині, звичайно). Оскільки на голові в однієї людини їх близько 100 тисяч, то якщо зібрати волосся у всього населення Росії, до Місяця вистачить з лишком і навіть ще залишиться.
5. Розмір бактерій – від 0.5 до 5 мікрон. Якщо збільшити середню бактерію до такого розміру, що зручно ляже нам у долоню (у 100 тисяч разів), товщина волосся стане рівною 5 метрам.
6. До речі, всередині людського тіла живе цілий квадрилліон бактерій, а їхня загальна вага становить 2 кілограми. Їх, власне, навіть більше, ніж клітини самого тіла. Так що цілком можна сказати, що людина - це просто такий організм, що складається з бактерій та вірусів із невеликими вкрапленнями чогось ще.
7. Розміри вірусів розрізняються ще більше, ніж бактерій, - майже 100 тисяч разів. Якби справа була так з людьми, то вони були б зростанням від 1 сантиметра до 1 кілометра, і їхня соціальна взаємодія стала б цікавим видовищем.
8. Середня довжина найпоширеніших різновидів вірусів – 100 нанометрів або 10^(-7) ступеня метра. Якщо ми знову виконаємо операцію наближення таким чином, щоб вірус став розміром із долоню, то довжина бактерії буде 1 метр, а товщина волосся – 50 метрів.
9. Довжина хвилі видимого світла - 400-750 нанометрів, і побачити об'єкти менше цієї величини просто неможливо. Намагаючись висвітлити такий об'єкт, хвиля просто обігне його і не позначиться.
10. Іноді запитують, як виглядає атом чи якого він кольору. Насправді атом не виглядає ніяк. Просто взагалі аж ніяк. І не тому, що у нас недостатньо хороші мікроскопи, а тому що розміри атома менші за відстань, для якої існує саме поняття «видимості»…
11. Уздовж кола земної кулі можна щільно розмістити 400 трлн вірусів. Багато. Така відстань за кілометри світло проходить за 40 років. Але якщо зібрати їх усіх разом, вони легко помістяться на кінчику пальця.
12. Орієнтовний розмір молекули води - 3 на 10^(-10) метра. У склянці води таких молекул 10 септільйонів – приблизно стільки міліметрів від нас до Галактики Андромеди. А в кубічному сантиметрі повітря молекул 30 квінтильйонів (в основному азоту та кисню).
13. Діаметр атома вуглецю (основи всього життя Землі) - 3.5 на 10^(-10) метра, тобто трохи більше, ніж молекули води. Атом водню в 10 разів менше – 3 на 10^(-11) метра. Це, звісно, мало. Але як мало? Вражаючий будь-який уяву факт у тому, що дрібна, ледь помітна крупинка солі складається з 1 квінтильйону атомів.
Давайте звернемося до нашого стандартного масштабу і наблизим атом водню так, щоб він зручно ліг у руку. Віруси тоді будуть 300-метрового розміру, бактерії 3-кілометрового, а товщина волосся буде рівна 150 кілометрам, і навіть у лежачому стані він вийде за межі атмосфери (а в довжину може дістатись і до Місяця).
14. Так званий «класичний» діаметр електрона – 5.5 фемтометрів або 5.5 на 10^(-15) метра. Розміри протона та нейтрона ще менші і становлять близько 1.5 фемтометрів. Протонів за метр приблизно стільки ж, скільки мурах на планеті Земля. Використовуємо вже звичне для нас збільшення. Протон зручно лежить у нас у долоні, - і тоді розмір середнього вірусу виявиться рівним 7 000 кілометрів (майже як вся Росія із заходу на схід, між іншим), а товщина волосся у 2 рази перевищить розміри Сонця.
15. Про розміри складно сказати щось певне. Передбачається, що вони знаходяться десь у межах 10^(-19) - 10^(-18) метра. Найменший - істинний кварк - «діаметром» (давайте для нагадування про вищесказане писатимемо це слово в лапках) 10^(-22) метра.
16. Є ще така штука, як нейтрино. Подивіться на свою долоню. Через неї щомиті пролітає трильйон нейтрино, випущених Сонцем. І можете не ховати руку за спину. Нейтрино легко пройдуть і крізь ваше тіло, і крізь стіну, і крізь всю нашу планету, і навіть крізь шар свинцю товщиною в 1 світловий рік. «Діаметр» нейтрино дорівнює 10^(-24) метра - ця частка в 100 разів менша за справжній кварок, або в мільярд разів менша за протон, або в 10 септилліонів разів менша за тиранозавр. Майже в стільки ж разів сам тиранозавр менший від усього осяжного Всесвіту. Якщо збільшити нейтрино так, щоб він був розміром з апельсин, то навіть протон буде в 10 разів більший за Землю.
17. А зараз я щиро сподіваюся, що вас має вразити одна з двох наведених нижче речей. Перша - ми можемо просунутися ще далі (і навіть зробити якісь осмислені припущення, що там буде). Друга - але при цьому рухатися вглиб матерії нескінченно все-таки не можна, і незабаром ми уткнемося в глухий кут. Ось тільки для досягнення цих «тупикових» розмірів нам доведеться опуститися ще на 11 порядків, якщо рахувати від нейтрино. Тобто ці розміри менші за нейтрино в 100 мільярдів разів. У стільки ж разів піщинка менша за всю нашу планету, до речі.
18. Отже, на розмірах 10^(-35) метра на нас чекає таке чудове поняття, як планківська довжина, - мінімальна відстань із можливих у реальному світі (наскільки це прийнято вважати у сучасній науці).
19. Ще тут мешкають квантові струни - об'єкти дуже примітні з будь-якої точки зору (наприклад, вони одномірні, - у них немає товщини), але для нашої теми важливо, що їхня довжина теж знаходиться в межах 10^-35 метра. Давайте проробимо наш стандартний "збільшувальний" експеримент востаннє. Квантова струна стає зручного розміру і ми тримаємо її в руці як олівець. При цьому нейтрино буде в 7 разів більше за Сонце, а атом водню в 300 разів перевищить розміри Чумацького Шляху.
20. Нарешті ми підійшли до самої структури світобудови - масштабу, на якому простір стає схожим на час, час на простір і відбуваються різні інші химерні штуки. Далі вже нічого немає (мабуть).
В еволюції людини немає «ланки, що бракує»
Термін «відсутня ланка» вийшов із звернення в наукових колах, оскільки пов'язаний з помилковим припущенням про те, що еволюційний процес лінійний і йде послідовно, «ланцюжком». Натомість біологи користуються терміном «останній спільний предок».
Цікаві факти про Сонячну систему
Як відомо, все матеріальне у Всесвіті складається з атомів. Атом - це дрібна одиниця матерії, яка несе в собі її властивості. У свою чергу, структура атома складається з чарівної триєдності мікрочастинок: протонів, нейтронів та електронів.
При цьому кожна з мікрочастинок є універсальною. Тобто не знайти на світі двох різних протонів, нейтронів або електронів. Усі вони абсолютно один на одного схожі. І властивості атома залежатимуть лише від кількісного складу цих мікрочастинок у спільній будові атома.
Наприклад, структура атома водню складається з одного протону та одного електрона. Наступний за складністю атом гелію складається з двох протонів, двох нейтронів і двох електронів. Атом літію — із трьох протонів, чотирьох нейтронів та трьох електронів тощо.
Структура атомів (зліва направо): водню, гелію, літію
Атоми з'єднуються в молекули, а молекули - у речовини, мінерали та організми. Молекула ДНК, що є основою всього живого - структура, зібрана з тих же трьох чарівних цеглин світобудови, що й камінь, що лежить на дорозі. Хоча ця структура і набагато складніша.
Ще дивовижніші факти відкриваються тоді, коли ми намагаємося ближче розглянути пропорції та будову атомної системи. Відомо, що атом складається з ядра та електронів, що рухаються навколо нього траєкторією, що описує сферу. Тобто це навіть не можна назвати рухом у звичайному розумінні цього слова. Електрон швидше знаходиться скрізь і відразу в межах цієї сфери, створюючи навколо ядра електронну хмару та формуючи електромагнітне поле.
Схематичні зображення будови атома
Ядро атома складається з протонів та нейтронів, і в ньому зосереджена майже вся маса системи. Але при цьому саме ядро настільки мало, що якщо збільшити його радіус до масштабу в 1 см, то радіус всієї структури атома досягне сотні метрів. Таким чином, усе, що ми сприймаємо як щільну матерію, більш ніж на 99% складається з одних лише енергетичних зв'язків між фізичними частинками та менш ніж 1% — із самих фізичних форм.
Але що є ці фізичні форми? З чого вони складаються і наскільки вони матеріальні? Щоб відповісти на ці питання, розглянемо докладніше структури протонів, нейтронів і електронів. Отже, ми спускаємось ще на одну сходинку у глибини мікросвіту – на рівень субатомних частинок.
З чого складається електрон
Найменша частка атома - електрон. Електрон має масу, але при цьому не має об'єму. У науковому поданні електрон нічого не складається, а є безструктурну точку.
Під мікроскопом електрон неможливо побачити. Він спостерігаємо лише у вигляді електронної хмари, яка виглядає як розмита сфера навколо атомного ядра. При цьому з точністю, де знаходиться електрон на момент часу, неможливо сказати. Прилади ж здатні відобразити не саму частинку, а тільки її енергетичний слід. Суть електрона не вкладається у ставлення до матерії. Він скоріше подібний до певної порожній формі, що існує тільки в русі і за рахунок руху.
Жодної структури в електроні досі не було виявлено. Він є такою самою точковою частинкою, як і квант енергії. Фактично, електрон — і є енергія, проте це більш стійка її форма, ніж та, яка представлена фотонами світла.
На даний момент електрон вважають неподільним. Це зрозуміло, адже неможливо розділити те, що немає обсягу. Однак у теорії вже є напрацювання, згідно з якими у складі електрона лежить триєдність таких квазічастинок як:
- Орбітон – містить інформацію про орбітальне становище електрона;
- Спінон – відповідальний за спин або крутний момент;
- Холон – несе інформацію про заряд електрона.
Втім, як бачимо, квазічастинки з матерією вже не мають абсолютно нічого спільного, і несуть у собі лише одну інформацію.
Фото атомів різних речовин в електронний мікроскоп.
Цікаво, що електрон може поглинати кванти енергії, наприклад світла або тепла. В цьому випадку атом переходить на новий енергетичний рівень, а межі електронної хмари розширюються. Буває і таке, що енергія, що поглинається електроном, настільки велика, що він може вискочити з системи атома, і далі продовжити свій рух як незалежна частка. При цьому він поводиться подібно до фотона світла, тобто, він ніби перестає бути частинкою і починає проявляти властивості хвилі. Це було підтверджено в експерименті.
Експеримент Юнга
У ході експерименту на екран з двома щілинами, що прорізали в ньому, був направлений потік електронів. Проходячи через ці прорізи, електрони стикалися з поверхнею ще одного – проекційного – екрану, залишаючи на ньому свій слід. В результаті такого «бомбардування» електронами на проекційному екрані з'являлася інтерференційна картина, подібна до тієї, яка з'явилася б, якби через два прорізи проходили б хвилі, але не частинки.
Такий малюнок виникає через те, що хвиля, проходячи між двома щілинами, ділиться на дві хвилі. В результаті подальшого руху хвилі накладаються один на одного, і на деяких ділянках відбувається їхнє взаємне гасіння. В результаті ми отримуємо багато смуг на проекційному екрані замість однієї, як це було б, якби електрон поводився як частинка.
Структура ядра атома: протони та нейтрони
Протони та нейтрони складають ядро атома. І при тому, що в загальному обсязі ядро займає менше ніж 1%, саме в цій структурі зосереджена майже вся маса системи. А ось щодо структури протонів і нейтронів фізики розділилися в думках, і на даний момент існує відразу дві теорії.
- Теорія №1 - Стандартна
Стандартна модель говорить про те, що протони та нейтрони складаються з трьох кварків, з'єднаних між собою хмарою глюонів. Кварки є точковими частинками, так само, як кванти та електрони. А глюони – це віртуальні частки, які забезпечують взаємодію кварків. Однак у природі не було знайдено ні кварків, ні глюонів, тому ця модель піддається жорстокої критики.
- Теорія №2 - Альтернативна
А ось по альтернативній теорії єдиного поля, розробленої Ейнштейном, протон, як і нейтрон, як і будь-яка інша частка фізичного світу, є електромагнітним полем, що обертається зі швидкістю світла.
Електромагнітні поля людини та планети
Які ж принципи будови атома?
Все у світі – тонке і щільне, рідке, тверде та газоподібне – це лише енергетичні стани незліченних полів, що пронизують простір Всесвіту. Чим вище рівень енергії в полі, тим воно тонше і менш вловиме. Чим нижчий енергетичний рівень, тим більше стійке і відчутне. У структурі атома, як і структурі будь-якої іншої одиниці Всесвіту, лежить взаємодія таких полів – різних за енергетичною щільністю. Виходить, а матерія – лише ілюзія розуму.
Атом (від грецьк. «неподільний») - колись дрібна частка речовини мікроскопічних розмірів, найменша частина хімічного елемента, яка носить його властивості. Складові атома - протони, нейтрони, електрони - цих властивостей не мають і утворюють в сукупності. Ковалентні атоми утворюють молекули. Вчені вивчають особливості атома, і хоча вони вже досить непогано вивчені, не втрачають можливості знайти щось нове - зокрема, у сфері створення нових матеріалів та нових атомів (що продовжують таблицю Менделєєва). 99,9% маси атома посідає ядро.
Не лякайтеся заголовка. Чорна діра, випадково створена співробітниками Національної прискорювальної лабораторії SLAC, вийшла розміром лише з один атом, тому нам ніщо не загрожує. Та й назва « Чорна діра» лише віддалено описує спостерігається дослідниками феномен. Ми неодноразово розповідали вам про найпотужніший у світі рентгенівський лазер, що має назву
