V našom živote sme sa nikdy s nikým skutočne navzájom nedotkli.
Je to bláznivé, že? Ale v skutočnosti je to naozaj tak!
Naše ľudské telo – teda fyzická látka ľudského organizmu je zložená zo živých buniek a extra celulárnych materiálov a organizovaná do tkanív, orgánov a systémov.
Z chemického hľadiska sa ľudské telo skladá hlavne z vody a organických zlúčenín – t.j. lipidov, bielkovín, sacharidov a nukleových kyselín. Voda sa nachádza v extra celulárnych tekutinách tela (krvná plazma, lymfa a intersticiálna tekutina) a v samotných bunkách. Slúži ako rozpúšťadlo, bez ktorého by chémia života nemohla prebiehať. Naše ľudské telo tvorí asi 60 – 70 percent hmotnosti vody. Spolu s vodou a organickými zlúčeninami tvoria zložky tela rôzne anorganické minerály.
Hlavnými z nich sú vápnik, fosfor, sodík, horčík a železo. Vápnik a fosfor, kombinované ako kryštály fosforečnanu vápenatého, tvoria veľkú časť telesných kostí. Vápnik je tiež prítomný ako ióny v krvi a intersticiálnej tekutine, rovnako ako sodík. Na druhej strane ióny fosforu, draslíka a horčíka sú bohaté v medzibunkovej tekutine. Všetky tieto ióny hrajú dôležitú úlohu v metabolických procesoch tela. Železo je prítomné hlavne ako súčasť hemoglobínu, pigmentu červených krviniek prenášajúceho kyslík. Ďalšie minerálne zložky v tele, ktoré sa nachádzajú v nepatrných, ale nevyhnutných koncentráciách, zahŕňajú kobalt, meď, jód, mangán a zinok.
Základnou živou jednotkou ľudského tela je bunka – vlastne to je všetkých organizmov.
Ľudské telo pozostáva z biliónov buniek, z ktorých každá je schopná rastu, metabolizmu, reakcie na podnety a, až na niektoré výnimky, aj reprodukcie. Hoci v našom tele existuje asi 200 rôznych typov buniek, možno ich rozdeliť do štyroch základných tried, ktoré potom spolu s ich extra celulárnymi materiálmi tvoria základné tkanivá ľudského tela. Ľudské bunky sa skladajú z vody, anorganických iónov a (organických) molekúl obsahujúcich uhlík (teda vlastne z molekúl a chemických prvkov). Voda je najrozšírenejšou molekulou v bunkách a predstavuje 70 % alebo viac celkovej bunkovej hmoty. V dôsledku toho sú interakcie medzi vodou a inými zložkami buniek v biologickej chémii kľúčové.
Molekuly sú zložené z chemických prvkov.
Približne 99 % hmoty ľudského tela tvorí šesť chemických prvkov: Kyslík, Uhlík, Vodík, Dusík, Vápnik a Fosfor. Len asi 0,85 % tvorí ďalších päť prvkov: Draslík, Síra, Sodík, Chlór a Horčík. Všetkých týchto 11 chemických prvkov je nevyhnutne potrebných pre náš ľudský život. Zvyšné ďalšie prvky (ktoré v sebe máme) sú tzv. stopové prvky, z ktorých však tiež viac ako dvanásť sa na základe dobrých dôkazov považuje za nevyhnutných pre život. V našej DNA máme päť prvkov (atómov). Základnými prvkami, ktoré tvoria DNA, je päť atómov: Uhlík, Dusík, Kyslík, Fosfor a Vodík. Nukleozid je kombináciou týchto atómov do dvoch štruktúr, päť-uhlíkovej molekuly cukru nazývanej deoxyribóza, podľa ktorej je vlastne názov DNA (a jednej zo štyroch dusíkových báz).
Chemický prvok je najjednoduchšia forma látky. Je to (chemický prvok) vlastne látka, ktorá sa už nedá chemickými reakciami ďalej rozložiť na iné látky. Konkrétny chemický prvok sa skladá iba z jedného typu atómu. Atóm je teda vlastne súčasťou chemického prvku.
Atómy obsahujú elektróny, neutróny a protóny. Každý chemický prvok je definovaný počtom protónov v jeho jadre (atómu).
Chemický prvok – Atóm? V čom je rozdiel?
Termín chemický prvok sa používa hlavne, keď sa hovorí o periodickej tabuľke a chémii vo všeobecnosti. Poznáme celkove 118 chemických prvkov. Chemické prvky sú (relatívne) väčšie a ťažšie a prostredníctvom chemických reakcií sa môžu chemické prvky navzájom kombinovať a vytvárať molekuly. No a určitý, konkrétny chemický prvok sa skladá vždy iba z jedného typu atómu. Atóm je súčasťou chemického prvku. Atóm sa používa viac vo fyzike, zatiaľ čo v chémii sa spomína hlavne vtedy, keď sa hovorí o atómovom čísle alebo hmotnosti. V prírode existuje 92 rôznych druhov atómov.
Atómy sú veľmi veľmi malé častice a cez mikroskop ich nie je možné vidieť. Aj atómy sa môžu tiež spájať a vytvárať molekuly, ale ak sú všetky viazané atómy podobného typu, tak sa vytvoria chemické prvky. No a atómy sa ďalej skladajú zo subatomárnych častíc nazývaných elektróny, protóny a neutróny.
Mohli by sme pokračovať ešte ďalej (hlbšie) – pretože existujú aj „elementárne častice“. Potom sa dostaneme až k 36 subatomárnym časticiam. Všetky subatomárne častice, vrátane kompozitných častíc a základných častíc, zahŕňajú - Protóny, neutróny a elektróny, šesť kvarkov, šesť rovnomenných antikvarkov, šesť leptónov, šesť antileptónov, štyri bozóny, tri gluóny a ich antigluóny a jeden skalárny bozón – tzv. Higgsov bozón.
A zdá sa, že ešte aj tieto elementárne častice „nie sú vyrobené z ničoho“ a je celkom možné, že aj v elementárnych časticiach existujú vnútorné štruktúry, ale predpokladá sa, že sú to najmenšie častice hmoty so súčasnými dôkazmi, ktoré zatiaľ majú kvantoví fyzici.
Je to komplikované že? No tak zostaneme „iba“ na úrovni – Protón, neutrón, elektrón. A taktiež sa vrátime k našej pôvodnej téme – vzájomné dotyky....
A čo nám teda hovorí o dotykoch fyzika?
Keď budeme vnímať úroveň o ktorej sa budeme baviť – musíme si uvedomiť veľmi dôležitú vec – rozdiel vo vnímaní rozmerov. Škálu – aby sme si to vedeli predstaviť.
Atóm je veľký (vlastne teda malý) asi 10 na mínus desiatu metrov (alebo 10 na mínus ôsmu centimetrov). To znamená, že rad 10 na ôsmu (alebo inými slovami 100 miliónov) atómov by sme mohli položiť vedľa seba na dĺžku jedného centimetra (čo je približne veľkosť nášho nechtu).
Atómy rôznych prvkov sú rôzne veľké, ale uvedenú hodnotu možno považovať za približnú hodnotu pre akýkoľvek atóm. O atómoch sa zvykne uvažovať ako o guľových tvaroch, aj keď to tak nie je vždy. Atóm s najmenšou hmotnosťou je atóm vodíka; jeho hmotnosť je asi 10 mínus 27-mu kg. Ale hmotnosti iných atómov môžu dosahovať aj 200-násobok.
Jadro atómu je veľké asi 10 na mínus pätnástu metra; to znamená, že je to asi 10 na mínus piatu (alebo 1/100 000) veľkosti celého atómu.
Pre lepšie porovnanie atómového jadra s atómovým elektrónovým obalom (teda akoby celým atómom) je, ked si predstavíte celý atóm ako budovu starého Slovenského Národného Divadla (v Bratislave na Hviezdoslavovom námestí) a atómové jadro by potom bolo ako jedno jediné zrniečko maku vo vnútri na pódiu divadla. A tu tiež platí, že veľkosť (priemer, lebo si ho predstavujeme ako guľu) atómového jadra – teda 10 na mínus pätnástu metra je typických pre menšie jadrá, kým väčšie dosahujú až 10-násobok.
A koľko máme v našom tele takýchto atómov? Strašné obrovské množstvo. Telo priemerného (štíhlejšieho) človeka s hmotnosťou cca 70 kg je má v sebe takmer 7 krát desať na dvadsiatu siedmu atómov (pre lepšie vnímanie to je to číslo 7, za ktorým nasleduje až 27 núl!) Ďalší spôsob, ako to povedať, lebo je to asi ťažko predstaviteľné je že telo je tvorené z 7 kvadriliard atómov. To je sedem miliard miliard miliard!!! Ale pozor, z toho takmer 2/3 tvorí vodík, 1/4 kyslík a asi 1/10 uhlík. Tieto tri atómy fakticky tvoria až 99% z celkového počtu!
Atómové jadro sa skladá z protónov a neutrónov, ktoré sú navzájom spojené príťažlivými silami. Vonkajší povrch atómu zaberajú elektróny v akomsi elektrónovom oblaku. Elektróny zaberajú tento priestor atómu neustálym vírením dookola na akejsi kmitajúcej dráhe (okolo jadra). Protón a neutrón majú skoro takmer rovnakú hmotnosť – ale neutrón je o niečo väčší. Ale treba vnímať zaujímavú vec – a to, že hmotnosti protónu, či neutrónu sú viac ako 2000-krát väčšie ako je hmotnosť elektrónu. A preto má z atómu najväčšiu hmotnosť jeho jadro. Teda v našom porovnaní divadla a makového zrniečka vidíme že paradoxne to maličičké jediné „makové zrniečko“ (atómové jadro – teda protón a neutrón) je niekoľko tisícnásobne ťažšie ako „budova divadla“ (elektrónový obal atómu).
Ale atómy „žijú“. Stále tam prebiehajú tam určité sily (skoro ako v živote). Elektrón má záporný „elektrický náboj“; protón má kladný elektrický náboj presne rovnakej sily; a neutrón nemá elektrický náboj. Rovnaké náboje sa vzájomne odpudzujú a opačné náboje sa vzájomne priťahujú.
Keďže jadro atómu obsahuje protón, ktorý má kladný (pozitívny) náboj, a neutrón (ktorý žiadny náboj nemá) – je atómové jadro v strede (niečo akoby hustá guľa v strede celého atómu) kladné. Tým pôsobí na elektróny na vonkajšom obale, (ktoré majú záporný náboj) príťažlivou silou, čím ich drží pokope ako súčasť atómu.
Dalo by sa inými povedať slovami, že keby atómy neexistovali, nebolo by ani elektrickej sily.
Niekto by sa však mohol opýtať? Ale prečo potom elektróny (pod vplyvom tejto sily) nepadajú do atómového jadra? Pre vysvetlenie by možno bolo vhodné uviesť, že zjednodušene atóm vyzerá podobne ako naša Slnečná sústava, kde planéty obiehajú okolo centrálneho Slnka.
Podobne sú aj elektróny na orbitoch okolo atómového jadra. A dôvod stability atómu – teda skutočnosť, že obežná dráha elektrónov sa nezrúti - spočíva v základnej povahe kvantovej mechaniky, vedy, ktorá nahrádza Newtonovu mechaniku vo svete atómu. Elektrón totiž môže existovať iba v jednom z tzv. diskrétnych „energetických stavov“ a najnižší energetický stav je stabilný!
Elektrón preskočí (môže) z jedného stavu do druhého, keď prijme alebo vyžaruje kvantum energie vo forme svetla (alebo inej formy elektromagnetického žiarenia). Už sme spomenuli, že vo vnútri atómového jadra sú všetky elektrické sily odpudivé, pretože protóny sa navzájom odpudzujú a neutróny necítia žiadnu elektrickú silu.
Otázkou samozrejme opäť je, že ako sa potom jadro vlastne drží pohromade?
Existuje totiž ešte ďalšia sila, nazývaná „silná jadrová sila“, ktorá je väčšinou príťažlivá a pôsobí medzi dvoma protónmi, medzi dvoma neutrónmi a medzi neutrónom a protónom.
Elektrostatická sila je typ elektromagnetickej sily. A aký je rozdiel medzi jadrovou silou a elektromagnetickou silou? Silná jadrová sila má veľmi krátky dosah a môže viazať iba susedné protóny a neutróny. Elektromagnetická sila má naopak veľký dosah. Každý protón v jadre síce odpudzuje každý druhý protón. Silná jadrová sila je dôvodom, prečo jadro atómu zostáva také stabilné, napriek tomu, že je zložené z protónov tak blízko seba. Zatiaľ čo elektrostatické odpudzovanie medzi protónmi jadra je silné, jadrová sila je oveľa silnejšia. Ale keď je jadro príliš veľké – typické pre ťažké prvky – potom nastáva nestabilita.
Ak by niekoho zaujímalo že o koľko väčšia je jadrová sila ako elektrostatická sila, tak napríklad vo vzdialenosti 1,0 fermi sa elektrostatický potenciál rovná 2,307 × 10-13 joulov, ale jadrový potenciál sa rovná -9,89 × 10-12 joulov, čo je hodnota asi 43-krát väčšia. Ale v iných podmienkach (vzdialenosti) to môže byť iné - Silná jadrová sila môže byť aj 100-krát silnejšia ako elektrostatická sila v rozsahu jadra.
„Silná jadrová sila“, nazývaná aj „silná jadrová interakcia“, je najsilnejšou zo štyroch základných prírodných síl. Je 6 tisíc biliónov biliónov biliónov (to je 39 núl po 6-tke!) krát silnejšia ako sila gravitácie. A to preto, že spája základné častice hmoty dohromady, drží pohromade kvarky, ktoré tvoria protóny a neutróny, a teda drží pohromade atómové jadro.
Slávny fyzik – profesor Richard Feynman kedysi povedal, že „ak by dve osoby stáli od seba na dĺžku paže a každá mala o 1 % viac elektrónov ako protónov, odpudivá sila medzi týmito dvoma ľuďmi by stačila na zdvihnutie takého „závažia“ rovnajúceho sa váhe celej Zeme“.
Dá sa to relatívne ľahko spočítať a výsledok potvrdzuje Feynmanovo vyhlásenie. Odpudivá sila vychádza na 7.46 * 10^24 N, a hmotnosť Zeme je 5.972 × 10^24 kg.
Čo nám z toho vyplýva?
Elektróny, ktoré existujú v každom atóme našich ľudských tiel, tlačia iné elektróny do každého atómu iných tiel alebo vecí.
A toto vzájomné „odpudzovanie“elektrónov zaisťuje, že sa my vlastne nikdy ničoho nedotkneme (teda pokiaľ to neprepichne naše telo).
Fakticky je to teda tak, že kedže sa elektróny navzájom nezrážajú, z diaľky sa navzájom odpudzujú. Atómy sa síce spolu viažu kovalentne, a v tomto prípade zdieľajú elektróny; ale elektróny sa stále „nedotýkajú“. V skutočnosti sa ničoho nedotýkame; elektróny v našom prste odpudzujú iné elektróny (vo veci), ktorej sa pokúšame dotknúť. Štandardné fyzikálne vysvetlenie toho je, že Coulombovská odpudzujúca sila medzi elektrónmi vždy zabráni „dotýkaniu sa predmetov“, pretože keď sa veci dostanú veľmi blízko, tak sa táto sila sa rozchádza do nekonečna.
Potvrdzuje to aj tzv. „Pauliho vylučovací princíp“, ktorý Wolfgang Pauli prvýkrát sformuloval už v roku 1925. Ide o kvantovo- mechanický princíp, podľa ktorého sa dva identické fermióny nemôžu v tom istom fyzikálnom systéme (napríklad dva elektróny v atóme) nachádzať súčasne v tom istom kvantovom stave.
Dotýkajú sa teda skutočne navzájom atómy aspoň niekedy?
Ak sa "dotyk" berie tak, že dva atómy sa nachádzajú presne na rovnakom mieste, potom sa (pri izbovej teplote) práve kvôli Pauliho princípu vylúčenia dva atómy nikdy navzájom nedotýkajú. Pauliho vylučovací princíp je aj to, čo bráni tomu, aby sa všetky atómy v našom ľudskom tele zrútili do jedného bodu.
Ďalšia skutočnosť, ktorú si je potrebné v tejto súvislosti uvedomiť, že prečo saatómy vlastne (teda fakticky koniec koncov my) nemôžeme dotknúť, je že atómy nemajú nejaký pevný povrch. Teda v určitom zmysle sa nie je čoho „dotýkať“, pretože nikdy nenastane situácia, keď sa nejaké jedna hranica stretne s nejakou druhou hranicou.
Na druhej strane je tiež nutné priznať, že tak ako sa môžu navzájom „prekrývať“ vlnové dávky (ale nikdy sa nedotýkať) - to isté platí aj pre celé ľudstvo.
Keď si sadneme a na stoličku alebo ľahneme do postele, elektróny v našom tele odpudzujú elektróny, ktoré tvoria stoličku, resp. posteľ. Takže my sa nad nimi vlastne v nevyspytateľne malej vzdialenosti vznášame.
A ešte navyše v „kvantovom svete“ častice ako protóny a elektróny nemajú úplne presne definovanú veľkosť alebo polohu a interagujú prostredníctvom síl, ako sú elektromagnetické interakcie alebo jadrové interakcie. Ale zakaždým je medzi týmito dvoma „objektami“ nekonečne malá vzdialenosť. Môžu sa priblížiť, ale nie príliš blízko.
Navzájom sa „nedotýkajú“ ani atómy, dokonca ani protóny a neutróny v jadre atómu. Aj keď sa k sebe priblížia, interagujú prostredníctvom práve týchto síl, ale nikdy „sa nedotýkajú“ v tradičnom slova zmysle.
Práve fyzika „nedotknuteľného“ atómu otvorila dvere prvým skutočným pokusom o „cítenie“ hmoty v atómovom meradle.
Záver - Čo je teda dotyk vo fyzike?
Atómy obsahujú elektróny a elektróny sa navzájom odpudzujú. Toto je základná fyzika. Tá sila je väčšia ako si dokážeme predstaviť.
To, čo nazývame dotyk, je ten signál čo nám ponúka náš mozog, ktorý vlastne interpretuje elektromagnetickú silu medzi atómami vytvorenú odpudzovaním elektrónov.
Či sa teda dve veci (ľudia) môžu alebo nemôžu dotýkať, závisí od toho, čo my sami (iluzórne) vo svojich zmysloch rozumieme dotykom.
