Человек и микрокосмос

Человек и микрокосмос соотносятся между собой примерно так же, как и человек и макрокосмос. Вселенная организована по определенным законам — в ней есть свой порядок и иерархия. Такую упорядоченную Вселенную греки назвали космосом.

Греческое слово «микро» означает «маленький», «мелкий», так что микрокосмос — маленькие, мелкие тела, все, что во много раз меньше человека (элементарные частицы, ядра атомов, атомы, молекулы). Микрокосмос нельзя наблюдать невооруженным глазом. И наоборот, макрокосмос — это все, что мы видим простым глазом (например, камень, муравей, звезда), и вообще все в космосе, что больше человека.

Итак, запоминаем:

  • Микрокосмос — это маленькие объекты, не видимые невооруженным глазом.
  • Макрокосмос — все объекты, которые мы видим (как меньшие человека, так и большие).

Таким образом, глава «человек и микрокосмос» посвящена мелким объектам.

Человек и микрокосмос

Наше тело состоит из отдельных органов: мозга, сердца, легких, желудка и т. д. Органы взаимно дополняют друг друга, один не может функционировать без другого. Все вместе они составляют одно целое. Такое упорядоченное целое называется системой. Таким образом, наше тело — это система органов.

Человек и микрокосмос
Рис.2.

Каждый орган нашего тела состоит из тканей, а ткани — из клеток, которые обладают одинаковой функцией. Клетки состоят из органелл, а те, в свою очередь, из молекул, представляющих собой систему атомов.

Количество атомов в молекулах различно. Например, в молекуле воды три атома, а молекула белка может состоять из миллиона атомов.

Атом представляет систему, состоящую из ядра, вокруг которого движутся электроны. Ядро атома — мельчайшая известная система. Оно состоит из протонов и нейтронов. Протоны, нейтроны и электроны являются простейшими „кирпичиками“, из которых состоит человеческое тело и все остальное в космосе. Поэтому они называются элементарными частицами.

Пока мы не можем сказать, являются ли элементарные частицы действительно простейшими составными космоса, более неделимыми. Однако мы твердо знаем, что атом, молекула, клетка, растение, животное и человек, а также механизм часов, Земля или Солнце — системы элементарных частиц, то есть гармонически упорядоченное количество протонов, нейтронов и электронов.

Рис.2. Наше тело состоит из органов, органы — из тканей, ткани — из клеток, клетки — из органел, органелы — из макромолекул, макромолекулы — из атомов, атомы — из электронов и ядра, ядро — из протонов и нейтронов. Таким образом, человек — это очень сложная система элементарных частиц.

Тела отличаются друг от друга количеством элементарных частиц, из которых состоят, и организацией этих частиц. Квадриллион (1024) протонов, столько же электронов и немногим меньше нейтронов — вот тот строительный материал, из которого состоят песчинка или муравей. Но в муравье элементарные частицы организованы в более сложную систему, чем в камешке.

Упорядоченность элементарных частиц — основное свойство тел.

Длина связей в человеческом мозге
Рис.3

Камень массой в полтора килограмма состоит из 1027 элементарных частиц. Те же самые частицы могут быть организованы и в такую совершенную систему, как человеческий мозг.

Рис.3 Человеческий мозг и равный ему по весу камень обладают одинаковым количеством протонов, нейтронов и электронов. Однако, по сравнению с камнем, организация мозга — неизмеримо более совершенная система. Волокна, связывающие нервные клетки мозга человека (1), имеют длину, соответствующую расстоянию приблизительно от Земли до Луны (2).

По приблизительным подсчетам человеческий мозг состоит почти из ста миллиардов нервных клеток, переплетенных сложной системой волокнистых отростков (так называемых аксонов и дендритов). Общая длина этих соединительных волокон, которые, подобно телефонной сети, служат для передачи информации, приблизительно такая же, как расстояние от Земли до Луны.

Для работы мозга необходим приток энергии около 25 Вт. Электронно-вычислительной машине, которая выполняла бы работу человеческого мозга, потребуется энергия целой электростанции. Но ведь должно было пройти три миллиарда лет, чтобы одноклеточный организм превратился в человека с совершенным по своей организации мозгом.

Человек — это самая сложная система элементарных частиц в эволюции Вселенной. До сих пор людям не удалось обнаружить в космосе более совершенные или какие-либо другие существа, несмотря на то, что мы стремимся к этому.

Человек и макрокосмос

По своей величине человеку можно отвести место где-то между элементарной частицей и звездой. В нашем представлении элементарные частицы бесконечно малы, но и человеческий организм так же мал по сравнению со звездой.

Наше тело состоит из нескольких десятков тысяч квадриллионов (10281029) элементарных частиц, и то же самое количество людей соответствовало бы величине Солнца. Солнце в свою очередь состоит из такого количества элементарных частиц, которое в 1028 — 1029 раз превышает количество частиц в человеческом организме.

Человек и макрокосмос
Рис.4. Человеческий организм состоит из нескольких десятков тысяч квадриллионов протонов и электронов.

Несмотря на то, что наше тело очень невелико по сравнению со звездой, это во много раз более совершенная система: человеческий мозг посредством чувств и способности мыслить дает возможность человеку познавать самого себя, микрокосмос и макрокосмос.

Животные, а следовательно и человек, входят составной частью в биосферу, оболочку Земли, где существует жизнь. Биосфера, так же как и литосфера (земная кора), гидросфера (водная среда) или атмосфера (воздушная среда), является частью Земли. В центре Земли находится ядро планеты, внутри которого расположено субъядро.

Слой Земли между ядром и литосферой называется мантией. Все части нашей планеты взаимодействуют друг с другом. Наш организм построен из атомов Земли, мы дышим молекулами ее атмосферы, используем ее природные и энергетические ресурсы, живем, испытывая на себе земное притяжение, влияем на земную поверхность и атмосферу и т. д.

Человек является частью биосферы
Рис.5. Человек — часть биосферы.

Рис.5. Человек — составная часть биосферы, биосфера является одной из оболочек Земли (1). Земля — часть Солнечной системы (2), которая относится к Млечному Пути (3). Млечный Путь — член скопления галактик (4), входящего составной частью в сверхгалактику (5).

Сама Земля является составной частью более сложной планетной системы, которая в свою очередь является составной частью Солнечной системы. Кроме девяти планет к ней относятся еще и кометы, малые планеты, множество малых космических тел, от пылинки до больших обломков скал (так называемый метеороидный комплекс). В центре Солнечной системы расположена звезда под названием Солнце.

С помощью силы притяжения, гравитации, она удерживает на определенном расстоянии от себя перечисленные тела, образуя так Солнечную систему. О структуре Земли и всей Солнечной системы мы подробно поговорим в других главах. Здесь же мы только слегка коснемся Вселенной, которая нас окружает, чтобы представить себе, где мы живем.

Солнце — это всего лишь обыкновенная звезда среди других звезд Млечного Пути, который светлой полосой простирается через весь небосклон. Его можно увидеть невооруженным глазом в безлунную ясную ночь. Это гигантская система, состоящая почти из биллиона звезд, одна из которых — наше Солнце. Такие гигантские системы звезд мы называем галактиками.

Млечный Путь — это наша Галактика, видимая изнутри.

Она принадлежит к Местной группе, в которую входит 21 галактика. Местная группа является составной частью скопления галактик, состоящего из тысяч галактик. Несколько сотен скоплений образуют так называемую сверхгалактику, колоссальную систему, которая так велика, что свет от одного ее конца до другого летит более ста миллионов лет.

Во Вселенной существует много сверхгалактик, и все они состоят из элементарных частиц, прежде всего из протонов, электронов и нейтронов. „Строительный материал“ познанной нами Вселенной — это около 1082 элементарных частиц, прежде всего протонов, электронов и нейтронов.

Структура ее — от ядра атома до сверхгалактик — образована силами, благодаря которым частицы взаимодействуют друг с другом — притягиваются друг к другу или отталкиваются. Это ядерные, электрические и гравитационные силы. Человек — одно звено в эволюции Вселенной, маленькая частичка колоссальной системы: в нем самом и на него действуют те же силы, что и во всей Вселенной.

Сложность вещества

Все предметы состоят из более простых составных. Это важное сведение мы поясним на следующем примере.

Рис.7. Организованность вещества

Рис.7. Организованность — главное свойство системы. Сложенные в кучу части машины еще не есть автомобиль, так как отсутствует их системная организация.

Любой механизм состоит из деталей. Например, в автомобиле имеются:

  • мотор,
  • кузов,
  • колеса,
  • рулевое управление,
  • тормоза,
  • подвеска,
  • передача и проч.

В свою очередь, эти детали состоят из более мелких и простых составных частей, например, в моторе есть:

  • цилиндры,
  • поршни,
  • цапфы,
  • клапаны,
  • карбюратор и т.д.

Отдельные детали автомашины соединены при помощи подшипников, шарниров, заклепок, винтов и т.д. в одно целое — автомобиль.

В соединении деталей между собой существует определенная целесообразность, то есть, руль не висит на выхлопной трубе, а колеса крепятся не на крыше. Такое целесообразно составленное целое, каким и является автомобиль, мы также называем системой.

Любой предмет можно разложить на меньшие и все более упрощающиеся части. Где же кончается этот процесс? Продемонстрировать это можно на примере весьма простой системы, которой являются капельки воды: роса на цветке или облака.

Молекулы в капле воды
Рис.8

Капельки воды в облаках — необыкновенно маленькие. Ведь их диаметр равен приблизительно 1/100 мм. Миллиард капель в облаке, взятых вместе, представляют собой массу в 1 грамм. И все же, несмотря на то, что капля столь мала, она состоит из огромного количества молекул.

Молекула — это мельчайшая частица воды, меньшего количества воды не существует. На рисунке 8 показана капля воды, увеличенная почти в десять раз. Ее масса равна приблизительно одной сотой грамма. В капле нарисовано всего лишь несколько молекул. В действительности же молекулы гораздо меньше тех, которые изображены на нашем рисунке, ведь в одной единственной капле их около ста миллионов биллионов (1020). Для того, чтобы нарисовать их, у нас не хватит ни места, ни времени.

Например, если бы все читатели этой статьи из стран бывшего СССР решили помочь автору и нарисовать молекулы в нашей капле, то мы все должны были бы рисовать днем и ночью на протяжении примерно пятидесяти тысяч лет. Вот сколько молекул содержится в одной ничтожной капельке воды в облаке над нашей головой или в капле росы.

На рисунке 8 изображена сильно увеличенная молекула воды. Она состоит из одного атома кислорода и двух атомов водорода. Атомы водорода соединяются с атомом кислорода при помощи электрических сил.

Атом водорода — это вообще самый простой и самый маленький атом. Чтобы составить из них цепь длиной в 1 мм, потребовалось бы почти десять миллионов атомов.

Атом водорода
Рис.9

Рис.9. Нейтральный атом водорода (Н) состоит из одного протона и одного электрона. Н+ — так называемый положительный ион — атом водорода без электрона. Н — отрицательный ион водорода с двумя электронами.

Раньше ученые предполагали, что атом — наименьшая частица, которую невозможно разложить на составные части. Поэтому ее и назвали греческим словом «атом«, т.е. «неделимый». Исследования же атома в 20 веке показали, что всякий атом состоит из двух частей:

  1. невероятно маленького ядра
  2. и электронов, которые вращаются вокруг него.

Атом похож на Солнечную систему, в которой вокруг большого по массе Солнца вращаются более мелкие планеты. Однако сила, связывающая планеты с Солнцем, совсем иная, чем та, которая соединяет электроны с ядром атома.

В Солнечной системе действуют силы гравитации, в то время как электроны связаны с ядром электрическими силами. Дело в том, что ядро заряжено положительно, а электроны — отрицательно (рис. 12).

Ядро простейшего атома — водорода — содержит всего лишь один протон. Ядро это настолько простое, что его уже никак нельзя делить. Ядра остальных элементов (гелия, углерода, азота, кислорода… вплоть до урана) возникали в недрах звезд из протонов.

Например, ядро гелия возникает в Солнце и во многих других звездах соединением четырех протонов. Два из них при этом утрачивают свой положительный заряд, и такой протон без электрического заряда называется нейтроном. Ядро гелия, таким образом, состоит из двух протонов и двух нейтронов.

Гелий
Рис.10. Гелий, положительный ион гелия, альфа частица.

Все ядра атомов, тяжелее ядра водорода, содержат протоны и нейтроны. В ядре протоны и нейтроны связаны гигантской силой, которую мы называем ядерной. При нормальных условиях вокруг ядра вращается столько электронов, сколько содержится в ядре протонов.

Ядро атома в тысячи раз тяжелее его электронов. Почти вся масса атома сосредоточена в его маленьком ядре. В диаметре атома уместится примерно сто тысяч ядер. Несмотря на то, что протон так невероятно мал, он определяет судьбу Солнца и всех других звезд. Образно выражаясь, можно сказать, что протон — это «герой вселенной«.

Все атомы состоят из трех видов элементарных частиц:

  • протонов,
  • нейтронов
  • и электронов.
Протон - герой вселенной
Рис.11

Рис.11. Протон можно назвать настоящим героем Вселенной. Он обладает ядерной, электромагнитной и гравитационной силами. Нейтрон вынужден соседствовать в ядре с протоном, иначе сам по себе он распадается. Электрон обладает только электромагнитной силой, его гравитационная сила незначительна. Он постоянно стремится быть вблизи протона.

Протоны и нейтроны составляют ядра, из ядер и электронов образованы атомы, из атомов — молекулы, из молекул складывается капля воды, с которой мы уже познакомились, и все остальное на нашей Земле. Солнце тоже состоит из громадного количества протонов (в общей сложности 45*1055), нейтронов (7*1055) и соответствующего количества электронов (45*1055).

Итоги статьи Человек и микрокосмос

Итак, что же мы узнали из статьи «человек и микрокосмос«?

В первых разделах «человек и микрокосмос» и «человек и макрокосмос» мы узнали, что такое макро- и микрокосмос, выяснили, что тело человека состоит примерно из 10281029 элементарных частиц, а в звезде, наподобие нашего Солнца, элементарных частиц примерно в 10281029 раз больше, чем в человеке.

Кроме того, мы рассмотрели понятия сложности и организованности вещества. Организованность вещества можно показательно представить сравнив человеческий мозг и камень такой же массы. И мозг и камень состоят из примерно одинакового количества элементарных частиц (примерно 1027). Однако человеческий мозг в сравнении с камнем, имеет несравнимо более сложную структуру, хотя, у каждого из нас наверняка есть знакомые, которые кажется опровергают это утверждение (шутка).

Также, мы с вами рассмотрели строение простейших атомов: атома водорода и атома гелия и узнали об основных элементарных частицах вселенной — протоне, нейтроне и электроне.

 

Оцените статью
Добавить комментарий