Być może troszkę złudny tytuł dla niektórych ale bardzo mi akurat tutaj pasował. Ciekawe spostrzeżenia na temat różnych rozmiarów w otaczającym nas świecie. Drodzy państwo, Mikro i Makro Kosmos.

Zasada kosmologiczna

Zasada kosmologiczna, to jedno z najgłębszych pryncypiów współczesnej nauki. Mówi ona, iż Wszechświatem rządzi jedna fizyka a żadne miejsce nie jest wyróżnione ponad inne. Do zasady tej dochodziliśmy stopniowo, za każdym razem obalając pewien zestaw wierzeń w wyjątkowość naszego miejsca we Wszechświecie. Można to streścić mniej więcej tak:

-Nasz kontynent nie jest wyjątkowy - są inne
-Ziemia nie jest jedyną planetą w Układzie Słonecznym - są inne
-Słońce nie jest wyjątkiem - te punkty na nocnym niebie to inne "słońca"
-Inne gwiazdy również posiadają planety
-Nasza galaktyka nie jest jedyna - są inne

Jakkolwiek można się spierać czy zasada ta posiada górną granicę, którą jest sam Wszechświat, bo dalej nie ma już po prostu miejsca na ekstrapolację (chyba że jest wiele wszechświatow), to z pewnością obowiązuje ona wszędzie tam, gdzie udało nam się spojrzeć do tej pory. Żadne miejsce nie jest wyróżnione. Żadne nie jest wyjątkowe. W dowolnej skali.

Skala

Żyjemy w pewnej konkretnej skali, w pewnym bardzo konkretnym zakresie rzędów wielkości. Grawitacja planety, ograniczona przestrzeń i zasoby oraz metaboliczny charakter naszego istnienia, stanowią blokadę dla rozrostu naszych ciał do skal wyższych, niż owe blokady wymuszają. Drzewa nie wyrastają nad stratosferę, zwierzęta nie przekraczają pewnych rozmiarów, nawet te zamieszkujące oceany są i były ograniczone przez wyżej wymienione czynniki. Znajdujemy się gdzieś pomiędzy skalami atomowymi a makrostrukturami kosmicznymi i żadnego z tych kierunków nie widzimy gołym okiem. Na niebie nie widać włókien Wszechświata, zbudowanych z supergromad galaktyk, podobnie patrząc na własną dłoń nie widzimy mikrokosmosu jej połączeń atomowych, ogromną większość których stanowi pusta przestrzeń pomiędzy jądrami atomów. Na szczęscie oba te kierunki jesteśmy w stanie badać i analizować, dzięki narzędziom technologii którą wytworzyliśmy.

Zanim spróbujemy oderwać się od naszej rzeczywistości i objąć całość obrazka, przyjrzyjmy się obydwu przeciwnym kierunkom, oddalającym się od naszego miejsca na skali.

Makro

W skali tej mamy rzadko występujące skupiska materii rozdzielone ogromnymi przestrzeniami pustki. Planety orbitują w dużych odległościach od gwiazd. Gwiazdy orbitują w dużych odległościach od centrów galaktyk. Galaktyki skupione są gromadach galaktyk a gromady w supergromadach. Supergromady galaktyk tworzą natomiast coś w rodzaju kosmyków łączących Wszechświat niczym struktura gąbki. Natomiast pomiędzy tymi strukturami zieją monumentalne przestrzenie całkowitej lub niemal całkowitej pustki, w sensie braku skupisk materii. Jakkolwiek wielkie i słusznie przytłaczające wrażenie mogą robić na nas te ogromne struktury, to jednak są niczym w porównaniu do ilości pustej przestrzeni jaka pomiędzy nimi się znajduje.



Powyżej nasze otoczenie w promieniu 500 milionów lat świetlnych. Materia wyraźnie poukładana we włókna zbudowane z supergromad galaktyk. Czerwonym kolorem opisane zostały lokalne pustki, w których gromady galaktyk nie występują wcale.

Mikro

W skali mikro mamy sytuację bardzo podobną. Materia zbudowana z atomów, która stanowi cały nasz świat i naszą rzeczywistość, również zdominowana jest przez pustą przestrzeń. Związki chemiczne to struktury atomów połączonych ze sobą otoczkami elektronów. Pomiędzy jądrami atomów w związkach chemicznych, znajdują się ogromne połacie pustki, które w stosunku do rozmiarów jąder atomowych są tak wielkie jak odległości planet od ich gwiazd macierzystych. Rozważając świat atomów np atomów wody, bardzo łatwo wpaść w pułapkę "typowo ludzkiego" punktu widzenia i wyobrażać sobie atomy tworzące wodę, jako małe, mokre, niebieskie kuleczki, lub kuleczki zamoczone w wodnym środowisku, gdy tymczasem rzeczywistość jest zupełnie inna.

Po prawej znany wszystkim wizerunek atomu. Można go zobaczyć w podręcznikach szkolnych, książkach popularnonaukowych, symbolach laboratoriów, w prasie i telewizji. Wizerunek ten jest, jakby to powiedzieć, nieco błędny i ma niewiele wspólnego z rzeczywistym obrazem atomu między innymi z powodu złej skali.

Obraz atomu jako źle wyskalowanego miniaturowego systemu planetarnego, jest jednak na tyle łopatologiczny, przy jednoczesnej niewielkiej "szkodzie społecznej", że funkcjonuje nadal. Omijamy sobie zawiłe kwestie probabilistyki chmur elektronowych i przechodzimy do sedna - przytłaczającą większość rozmiarów atomu, stanowi NIC - pusta przestrzeń rozpięta pomiędzy jądrem, elektronami a jądrami innych atomów, natomiast odległości pomiędzy jądrem a elektronami są gigantyczne. Powiedzmy, że jądro atomu wodoru to Słońce, w tej skali elektrony mogą znajdować się 10 razy dalej niż orbita Plutona.



Perspektywa

Spróbujmy teraz oderwać się od siebie samych i stworzyć czystą myśl. Żadne miejsca nie są wyróżnione. Wszechświat nie jest stworzony dla ludzi. Żadne skale nie są wyróżnione. Statek kosmiczny lecąc od planety do planety mija przepastne połacie próżni. Gdyby statek był wielkości neutrina (fikcja), również leciałby przez próżnię, co jakiś czas mijając z rzadka położone cząstki elementarne. Ludzkie ciało, czy sztaba ołowiu są takimi właśnie mikrokosmosami - sieciami połączeń atomowych, rozdzielonych gigantycznymi odległościami w ich własnych skalach. W takiej skali nasze ciało nie ma żadnego widocznego kształtu. Jest jak kosmos, w którym raz po raz wystąpi jakieś jądro atomowe a granica pomiędzy ciałem a powietrzem, jest zupełnie niewidoczna, bo powietrze to taki sam "atomowy kosmos", tyle że złożony z innych proporcji tych samych atomów. Będąc naukowcem wielkości neutrina badalibyśmy ten kosmos, odkrywalibyśmy nowe "planety" i nowe "gwiazdy", zastanawiając się czym jest ten Wszechświat, jak powstał i gdzie ma granice...

Podobieństwo tych dwóch przypadków jest uderzające, choć są to zupełnie inne skale i inne zestawy dominujących oddziaływań. Wydaje nam się, że nasza własna skala jest w jakiś sposób "tą właściwą", bo przecież w niej właśnie żyjemy. Bo akurat w takiej skali rozwinęła się skomplikowana machina życia na Ziemi i ludzka świadomość. Zastosujmy więc mały wybieg - wyobraźmy sobie, że ludzkości nie ma. Że planeta Ziemia nigdy nie istniała a co więcej, nigdzie we Wszechświecie nie istnieje życie. Nie ma teraz kto kontemplować wyższości jakiejkolwiek skali i położenia. Która skala jest tą właściwą, tą wyjściową? Która to tylko praca dla naukowców?

To pytania antropocentryczne, wysuwane od wewnątrz, od istot które taki akurat skrawek świata zajmują. Dopiero takie właśnie szersze spojrzenie pozwala dostrzec, że Wszechświat jest systemem powiązań niezwykłych zjawisk zachodzących we wszystkich skalach, miejscach i czasach a człowiek jest tylko akurat takim przypadkiem w jego istnieniu, który wystąpił w akurat takiej skali, akurat takiego miejsca i akurat takiego czasu. Jeśli chcemy zrozumieć jego całość, musimy również całość próbować obejmować umysłem. Takie właśnie cele stawia sobie współczesna nauka.

Dalsza część nieco inaczej sformułowana ale też powiązana tematycznie:

Życie (śmierć) w mikroskali

Czy zastanawialiście się kiedyś jak to jest, żyć w mikro skali ?

Być "człowiekiem" o wysokości 0.1 milimetra ? Okazuje się, że naukowe konsekwencje tego pomysłu wykraczają daleko po za ramy snu o przemierzaniu mikrokosmosu i ujeżdżaniu robaczków... Konsekwencje są znacznie ciekawsze, niż to na pierwszy rzut oka wygląda.

Żyjąc w naszym świecie, jesteśmy przyzwyczajeni do rzeczywistości jaka nas otacza i uznajemy ją za naturalną, za "standardową" i obowiązującą wszędzie. Całe nasze ciało zbudowane jest w sposób, który funkcjonuje tylko dlatego, że istnieją w naszym świecie prawa fizyczne, które to umożliwiają. Ale te same prawa, które umożliwiają nam funkcjonowanie w określony sposób, są również prawami, które wymuszają takie właśnie funkcjonowanie.

Przykładowo kości. Ich struktura i gęstość wynika wprost z grawitacji i masy naszego ciała. Jeśli udamy się na stację kosmiczną, to po bardzo krotkim czasie, nasze kości zaczną stawać się lekkie i kruche. I na odwót, jeśli wylądowalibyśmy na planecie o silniejszej grawitacji (lub jeśli przytyjemy), nasze kości staną się bardziej masywne i wytrzymalsze niż na Ziemi.

A jak to wszystko ma się do naszej "mikro skali" ?

Związek ten jest kluczowy. Okazuje się bowiem, że w mikroskali z prawami fizyki, do których jesteśmy przyzwyczajeni, zaczyna dziać się coś dziwnego... W skali mikro zaczynają dominować prawa, których obecności ledwo jesteśmy świadomi w codziennym życiu. Natomiast "nasze" prawa dominujące, jak grawitacja, schodzą na dalszy plan.

Grawitacja... znika

Ok, nie do końca "znika", bo faktycznie "jest" nadal. Lecz w skali mikro dominującymi stają się inne prawa, przez co grawitacja staje się mniej odczuwalna, lub nieodczuwalna wcale. Czy zastanawialiście się kiedyś dlaczego mrówka która spadnie z budynku, wstaje na nogi, otrzepuje czułki i idzie dalej ... ? Wysokość budynku dla mrówki jest o wiele bardziej znacząca, niż wysokość budynku dla nas. Dlaczego więc skok z budynku w przypadku człowieka oznacza łatwe do wyobrażenia skutki ?

Z pomocą przychodzą nam zasady ruchu opracowane przez Newtona. Przy uderzeniu o Ziemię, ziemia uderzy nas z taką samą siłą z jaką my uderzymy ją... A ponieważ im większa masa i przyśpieszenie, tym większa siła uderzenia, to jeśli masa człowieka zmaleje do masy mrówki, siła uderzenia będzie na tyle mała, że nic nam się nie stanie. Dodatkowo, na ciało o tak niewielkiej masie, inaczej działają poziome i pionowe ruchy powietrza, mrówka jest na nie bardziej podatna.

Wróćmy jednak na ziemię

Jakie to tajemnicze prawa fizyki stają się dominującymi w mikroskali ? Są to zjawiska, które możemy obserwować także w naszym świecie.

Są to :

-Napięcie powierzchniowe
-Zjawiska kapilarne

DOŚWIADCZENIE

1. Weź szklankę i napełnij ją wodą.
2. Zbliż oko do powierzchni wody
3. Powoli i delikatnie zbliż palec do powierzchni wody aż się z nią zetknie
4. Lekko podnieś palec do góry

Powino to wyglądać następująco:


To jest właśnie napięcie powierzchniowe. Ma ono dwie interesujące właściwości

-Niewielkie obiekty, które są niepodatne na zwilżanie, trudno jest zanurzyć pod powierzchnię.
-Obiekty trudno jest oderwać od jej powierzchni

W naszej skali jest to nieodczuwalne. Ale co z mikroskalą ?

Jesteśmy mikro-człowieczikem i strasznie chce nam się pić. Szukamy wody.
Nagle, 10 centymetrów dalej, dostrzegamy gigantyczną, o wysokości takiej jak nasze budynki, kulę wody.

Po 3 dniach marszu docieramy do niej i chcemy się napić:


Uradowaani rzucamy się z ustami w kierunku czegoś, co za chwilę stanie się naszym grobem. Napięcie powierzchniowe sprawia, że nasze ciało przykleja się do powierzchni wody i niemożliwe staje się oderwanie od niej. Śmierć nadchodzi szybko i jest to prawdopdobnie śmierć przez uduszenie. Nie przez utopienie, bo najprawdopodobniej nie mamy nawet tyle siły, aby pokonać napięcie powierzchniowe i wessać wodę do ust. Jeśli natomiast woda przyciągnie nasze plecy, wówczas nie udusimy się, lecz nie mogąc się uwolnić, umrzemy z głodu, lub padniemy ofiarą stworzeń które zjedzą nas za życia, korzystając z łatwego celu.

Zjawiska kapilarne

To zjawiska, które powodują, że ciecze ruszają się w inny sposób, niż do tego przywykliśmy. Mogą poruszać się na boki, w dół, pod górkę a nawet pionowo wzwyż. Jeśli ciecz umieścimy w odpowiednio cienkiej rurce, okaże się zachowuje się dość zaskakująco:



Pytanie brzmi jak zachowa się ludzki organizm po hipotetycznym zmniejszeniu go do mikroskali ?

Nie próbujcie... Ciało ludzkie ulegnie całkowitej deregulacji i przestanie funkcjonować właściwie, prowadząc do śmierci jeszcze szybciej, niż kropla wody która uwięzi nas na swej powierzchni. Naczynia krwionośne przestaną odpowiednio transportować krew, tkanki przestaną odpowiednio przewodzić wilgoć, rozreguluje się układ pokarmowy, zmieni się skóra, mięśnie, szpik kostny, mózg. Wszystko. I to w mgnieniu oka. Nie bylibyśmy nawet w stanie dojrzeć tego fascynującego otoczenia, gdyż bylibyśmy martwi zanim upadlibyśmy na ziemię.

Człowiek zmniejszony do mikroskali ginie marnie w kilka chwil potem.

Inne przykłady tych zjawisk:

Pająk topik wciąga pod wodę "kroplę" powietrza i więzi ją tam za pomocą swojej sieci. Dzięki temu niemal całe swoje życie spędza pod powierzchnią wody.


Efekt zjawiska kapilarnego, na przykładzie chusteczki, która "zasysa" ciecz w górę.


Spinacz unoszący się na powierzchni wody, dzięki zjawisku napięcia powierzchniowego.


Źródło