Η κλίμακα του σύμπαντος: Μέρος Β'

Στο Μέρος Α’ συζητήσαμε για τα διάφορα μεγέθη που υπάρχουν στο σύμπαν, ξεκινώντας από τον άνθρωπο και φτάνοντας μέχρι και το ορατό σύμπαν. Όλη η συζήτηση περιστράφηκε γύρω από πράγματα πολύ μεγαλύτερα από εμάς, υπάρχει όμως και ένας ολόκληρος κόσμος γεμάτος πράγματα μικρότερα. Πολύ, πολύ μικρότερα.

Παίρνοντας και πάλι ως αρχή της κλίμακας τον άνθρωπο, το μικρότερο αντικείμενο που μπορούμε να δούμε με γυμνό μάτι έχει το μέγεθος του πάχους μιας τρίχας. Το ανθρώπινο ωάριο, για παράδειγμα, είναι ένα από τα μεγαλύτερα κύτταρα του ανθρώπινου σώματος και αρκετά μεγάλο ώστε να είναι οριακά ορατό χωρίς τη βοήθεια μικροσκοπίου.
Λίγο μικρότερα από το ωάριο, είναι τα ερυθρά και λευκά αιμοσφαίρια, τα χρωμοσώματα Χ και Υ που καθορίζουν το φύλο του ανθρώπου, καθώς και το διάσημο κολοβακτηρίδιο E.coli.

Το E.coli γενικά είναι ακίνδυνο και ζει μαζί με τα υπόλοιπα ξαδέρφια του κάπου μέσα στο έντερό μας, υπάρχουν όμως και ορισμένα στελέχη του που μπορούν να προκαλέσουν σοβαρά προβλήματα στους ζωντανούς οργανισμούς.

Για πολύ περισσότερο καιρό απ' όσο θα ήθελα να παραδεχτώ νόμιζα πως γράφεται με ωμέγα...

Λίγο παρακάτω βρίσκεται και το όριο στα μεγέθη των αντικειμένων που μπορούμε να δούμε με ένα οπτικό μικροσκόπιο. Τα οπτικά μικροσκόπια είναι τα κλασικά μικροσκόπια που έχουμε όλοι στο μυαλό μας. Δουλεύουν μεγεθύνοντας μια εικόνα με τη βοήθεια φακών και του ορατού φωτός. Για μικρότερα αντικείμενα θα χρειαστεί να χρησιμοποιήσουμε ένα μικροσκόπιο ηλεκτρονίων, το οποίο όπως μαρτυρά το όνομά του, αντί για ορατό φως, δηλαδή φωτόνια, χρησιμοποιεί ηλεκτρόνια.
Ένα από τα μεγαλύτερα αντικείμενα που μπορούμε να δούμε με ένα μικροσκόπιο ηλεκτρονίων και κάθε φορά που το σκέφτομαι μου προκαλεί φοβερή εντύπωση, είναι ένα τρανζίστορ. Τι είναι το τρανζίστορ; Το τρανζίστορ είναι μία από τις σημαντικότερες εφευρέσεις του 20ου αιώνα και το κυριότερο συστατικό σχεδόν όλων των σύγχρονων ηλεκτρονικών κατασκευών. Το κινητό σου, ο υπολογιστής σου, το ράδιο, η τηλεόραση και πάμπολλες ακόμα ηλεκτρονικές συσκευές χρησιμοποιούν από μερικές χιλιάδες έως και μερικά δισεκατομμύρια τρανζίστορ. Για παράδειγμα, το iPhone 7 που κυκλοφόρησε πριν λίγους μήνες, αποτελείται από 3.3 δισεκατομμύρια τρανζίστορ. Όσο περνούν τα χρόνια το μέγεθος τους μικραίνει και μέχρι το 2021 αναμένεται να φτάσει τα 5 εκατομμυριοστά του μέτρου, δηλαδή περίπου πεντακόσιες χιλιάδες φορές μικρότερο από ένα ωάριο.

Λίγο μικρότερο από ένα τρανζίστορ είναι το DNA. Σχεδόν όλα τα κύτταρα των ζωντανών οργανισμών περιέχουν μόρια DNA, τα οποία αποτελούνται από τέσσερις αζωτούχες βάσεις και αναλόγως πως αυτές διατάσσονται μπορούμε να έχουμε από ένα φυτό, μέχρι ένα ερπετό.
Και φτάνουμε, επιτέλους, στα άτομα. Υπάρχουν διάφορα μεγέθη ατόμων για όλα τα γούστα, αλλά ας αναφερθούμε συγκεκριμένα στο άτομο του υδρογόνου, μιας και είναι το πιο απλό αλλά και το πιο άφθονο στοιχείο στο σύμπαν. Επίσης είναι και το πιο εύκολο να ζωγραφίσω.

Πόσο μικρό είναι ένα άτομο;

Πολύ.

Εντάξει ναι, πόσο πολύ όμως;

Η ακτίνα του ατόμου του υδρογόνου είναι κατά προσέγγιση 5,3 x 10^-11 m. Επειδή κατά πάσα πιθανότητα ο αριθμός αυτός δεν σου λέει τίποτα, ας το θέσουμε λίγο διαφορετικά: Αν υποθέσουμε ότι ένα βερίκοκο αποτελείται μόνο από άτομα υδρογόνου, το οποίο φυσικά δεν είναι αλήθεια αλλά δείξε κατανόηση για χάρη του παραδείγματος, τότε αν ένα άτομο είχε το μέγεθος ενός βερίκοκου, το βερίκοκο θα είχε το μέγεθος της Γης.
Το άτομο όμως, αντίθετα με ό,τι θα σου έλεγε ο Λεύκιππος και ο Δημόκριτος, δεν είναι καν το μικρότερο σωμάτιο στο σύμπαν. Το άτομο αποτελείται συνήθως από ακόμα μικρότερα σωματίδια, τα πρωτόνια, τα νετρόνια και τα ηλεκτρόνια. Τα πρωτόνια και τα νετρόνια συγκροτούν τον πυρήνα του ατόμου ενώ τα ηλεκτρόνια τον περιβάλλουν.
Παρόλο που περισσότερο από το 99% της μάζας ενός ατόμου βρίσκεται στον πυρήνα, ο πυρήνας δεν καταλαμβάνει παρά έναν μικροσκοπικό χώρο μέσα στο άτομο. Για να σε βοηθήσω να φτιάξεις μια εικόνα, σκέψου αυτό: Αν μεγεθύνουμε τον πυρήνα του ατόμου του υδρογόνου (ο οποίος αποτελείται από μόνο ένα πρωτόνιο) έτσι ώστε η ακτίνα του να είναι περίπου 1 χιλιοστό, το άτομο του υδρογόνου θα είχε το μέγεθος ενός γηπέδου ποδοσφαίρου. Μπορείς να φανταστείς τι μέγεθος θα είχε τότε το βερίκοκο; Θα ήταν μεγάλο σαν ένας αστέρας…300 φορές μεγαλύτερος από τον Ήλιο!

Υπάρχουν μικρότερα σωματίδια από τα πρωτόνια και τα νετρόνια;

Ω, ναι και είναι αρκετά. Για παράδειγμα, τα πρωτόνια και νετρόνια αποτελούνται από ακόμα μικρότερα σωματίδια, τα λεγόμενα κουάρκ. Υπάρχουν έξι είδη κουάρκ και το κάθε είδος είναι επίσης γνωστό ως…γεύση: up, down, strange, charm, top, bottom. Ναι, γεύση strange και γεύση charm. Οι φυσικοί, όσο καλοί είναι στη φυσική, είναι αξιοπερίεργα σκράπες στο να δίνουν ονόματα. Για να μη μιλήσω για τη «Μεγάλη Έκρηξη», η οποία δεν ήταν καν έκρηξη.

Το μέγεθος των κουάρκ και των ηλεκτρονίων είναι ένα αρκετά δυσνόητο θέμα. Αν και δεν γνωρίζουμε ακριβώς την τιμή του, μπορούμε να πούμε πως τα πρωτόνια και τα νετρόνια έχουν κάποιο μέγεθος. Τα σωματίδια αυτά μοιάζουν λίγο με την Γη και την ατμόσφαιρά της. Η ατμόσφαιρα της Γης είναι πιο πυκνή κοντά στην επιφάνειά της και αραιώνει όσο αυξάνεται το υψόμετρο. Το ακριβές σημείο στο οποίο μπορείς να πεις ότι δεν βρίσκεται πια μέσα στην ατμόσφαιρα της Γης είναι λίγο ασαφές, παρ’ όλα αυτά είναι κοινά αποδεκτό πως η ατμόσφαιρα τελειώνει σε υψόμετρο περίπου 100 χιλιόμετρα. Μπορούμε να θέσουμε ένα παρόμοιο όριο για το μέγεθος των πρωτονίων και νετρονίων και ο λόγος που μπορούμε να το κάνουμε αυτό είναι επειδή αποτελούνται από επιμέρους σωματίδια.
Για τα κουάρκ, τα ηλεκτρόνια, και άλλα παρόμοιου μεγέθους σωμάτια, τα πράγματα είναι λίγο διαφορετικά καθώς, απ’ όσο γνωρίζουμε τουλάχιστον, δεν μπορούν να διαιρεθούν σε περισσότερα σωματίδια. Πολλές φορές το μέγεθός τους θεωρείται σημειακό, σαν να έχουν δηλαδή μηδενικές διαστάσεις. Και τα μεν και τα δε υπάρχουν πραγματικά όμως, έχουν μάζα και κατά συνέπεια η λογική λέει πως θα έπρεπε να καταλαμβάνουν και χώρο.
Η λογική αυτή όμως, η λογική των μεγάλων αντικειμένων με τα οποία αλληλοεπιδρούμε καθημερινά, πολλές φορές μας οδηγεί σε λάθος συμπεράσματα. Η εικόνα που έχουμε ενστικτωδώς στο μυαλό μας για όλα τα σωματίδια είναι μικρές μπίλιες, πολύ μικρές ίσως για να τις δούμε αλλά με συγκεκριμένο μέγεθος και ξεκάθαρα όρια. Η πραγματικότητα όμως φαίνεται να διαφέρει εντελώς από αυτό που φανταζόμαστε και είναι πολύ πιθανό τα υποατομικά σωματίδια να είναι τελείως διαφορετικά από οτιδήποτε έχουμε δει ποτέ στη ζωή μας. Ίσως τελικά η ερώτηση για το αν τέτοιου είδους σωματίδια έχουν μέγεθος να μη στέκει καν σαν ερώτηση.
Ή ίσως τα πρωτόγονα μυαλά μας να μην καταλάβουν ποτέ ορισμένες έννοιες μιας και εξελιχθήκαμε στο να αντιμετωπίζουμε πιο καθημερινά ζητήματα. Για να λέμε και του στραβού το δίκιο, το να ξέρεις πόσο μεγάλα είναι τα στοιχειώδη σωματίδια μάλλον δεν σου είναι ιδιαίτερα χρήσιμο όταν σε έχει πάρει στο κυνήγι μια αρκούδα.

Ποιο είναι το μικρότερο μέγεθος στο σύμπαν;

Το μικρότερο μήκος για το οποίο έχει νόημα να μιλάμε είναι το μήκος Planck. Οτιδήποτε μικρότερο από το μήκος Planck είναι πρακτικά μη μετρήσιμο. Το μήκος Plank είναι δισεκατομμύρια δισεκατομμυρίων φορές μικρότερο από οτιδήποτε μπορείς να φανταστείς: περίπου 10²⁰ φορές μικρότερο από ένα πρωτόνιο, η διαφορά δηλαδή μεταξύ μιας μπάλας και ενός μικρού γαλαξία.

Πηγή : Καθημερινή Φυσική

---