sobota, 10 marca 2012

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
  1. Niewielkie obiekty, które są niepodatne na zwilżanie, trudno jest zanurzyć pod powierzchnię. 
  2. 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.

Weźcie to pod uwagę, kiedy następnym razem będziecie oglądać film "Kochanie, zmniejszyłem dzieciaki!"  


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.




Zagadka bystrzaka ! 

- Dlaczego owady i inne stworzenia żyją w mikroskali i mają się zupełnie dobrze ?

- Biorąc pod uwagę przystosowanie naszego oka, do konkretnej długości fali światła widzialnego... co widziałby człowiek zmniejszony do skali mikro ?  


Bonus ! 

Zależność dominujących zjawisk fizycznych i wielkości skali, nie kończy się na tym przykładzie. W skali kwantowej, znane prawa całkowicie ustępują przed innymi oddziaływaniami, zwanymi oddziaływaniami słabymi i silnymi. Świat kwantów jest diametralnie różny od naszego, z wieloma elementami niezwykle trudnymi do wyobrażenia sobie przez mieszkańców większych światów. Jednym z przykładów jest spontaniczne pojawianie się cząstek z absolutnej nicości.

Powyższa historia zmniejszonego człowieka zakłada pewne uogólnienia i uproszczenia. Przeskalowany człowiek uległby zmniejszeniu razem z komórkami w jego ciele i rozmiarem cząsteczek chemicznych które je budują, co wywołuje paradoksy dwóch różnych wielkości cząsteczek (w nas i w otoczeniu), zatem jest to po prostu niemożliwe. Oczywiście zawsze można zbudować nano-robota, wyposażyć go w nano-kamerę, force-feedback i podłączyć swoje ciało do jego interfejsu, zakładając gogle przekazujące obraz w czasie rzeczywistym !

Aby lepiej zrozumieć z jakimi skalami mamy do czynienia we Wszechświecie, proponuję zapoznanie się z tą animacją (stworzoną przez dwójkę nastolatków !!)

1. Kliknij START
2. Użyj kółka myszy do oddalania i przybliżania

Większy widok










6 komentarzy:

  1. Jest to niesamowite ! Ogromne dzięki też za podzieleniem się stronką, gdzie można porównywać obiekty - wspaniale widać tam ogrom komplikacji wszechświata od najmniejszych elementów, do największych.

    OdpowiedzUsuń
  2. Skala wszechswiata wymiata!!!

    OdpowiedzUsuń
  3. Spora czesc tekstu zaczerpnieta z ksiazki Michio "fizyka rzeczy niemozliwycg". Poza tym ciekawie.

    OdpowiedzUsuń
    Odpowiedzi
    1. Pojęcia nie mam co to za książka, więc uznaję to za komplement.

      Usuń
  4. Dziękuję. "Bardzo warto" tak prosto i jasno pisać o świecie, jak widać po reakcjach czytelników. Jak/czy/dlaczego takie opisy mechaniki działania świata mogą przeszkadzać w wierzeniu w Boga? .

    OdpowiedzUsuń