Допустим, что вы взяли обычную метровую линейку. Это наш ориентир, наш эталон. В одном метре — 100 сантиметров, и мы отлично представляем себе эту длину.
Шаг 1. Миллиметр (10⁻³ м). Разделите метр на 1000 частей. Толщина одной такой части примерно равна толщине кредитной карты. Это миллиметр. Уже очень маленькая величина, но мы все еще можем ее увидеть невооруженным глазом.
Шаг 2. Микрон, он же микрометр (10⁻⁶ м). А теперь сделайте шаг, требующий воображения. Возьмите этот миллиметр и разделите его еще на 1000 частей. То есть метр теперь разделен на миллион (1000 * 1000) долей. Одна такая часть называется микрометром или микроном. В этом масштабе живут бактерии. Например, кишечная палочка имеет длину около 2–3 микрометров. Увидеть такой объект можно только в мощный микроскоп.
Шаг 3. Нанометр (10⁻⁹ м). Теперь приготовьтесь напрячь воображение по-настоящему. Разделите наш микрон еще на 1000 частей. Чтобы получить одну такую часть, метр нужно раздробить уже на миллиард (1000 * 1000 * 1000) кусочков. Это нанометр.
И это — страна чудес. Именно в нанометрах измеряются технологические процессы современных процессоров. Транзистор в вашем смартфоне имеет размер в несколько десятков нанометров или меньше. А молекула ДНК в поперечнике — это около 2 нанометров.
Шаг 4. Пикометр (10⁻¹² м). Давайте не останавливаться. Делим нанометр еще на 1000 частей. Теперь метр разбит на триллион (1000⁴) частей. Это пикометр. Мы добрались до масштабов отдельных атомов. Расстояние между двумя атомами углерода в молекуле алмаза — это примерно 154 пикометра. Сам атом водорода (самый маленький) имеет размер около 50 пикометров. Но нас интересует не сам атом, а то, что у него внутри.
Шаг 6. Фемтометр (10⁻¹⁵ м). И наконец, финальный шаг. Делим пикометр (это уже невообразимо малую величину) снова на 1000 частей. Чтобы получить эту единицу длины, нам пришлось разделить исходный метр на квадриллион (1000⁵, или 1 000 000 000 000 000) частей.
Поздравляем, вы только что добрались до фемтометра.
⚛️ Что это за зверь?
Фемтометр (фм) — это единица длины, равная 10⁻¹⁵ метра. То есть это одна квадриллионная доля метра.
Еще немного поиграем с цифрами:
- В одном метре помещается 1 000 000 000 000 000 (один квадриллион) фемтометров.
- Соотношение между фемтометром и метром такое же, как между метром и расстоянием от Земли до ближайшей звезды (Проксимы Центавра, 4.2 св.года. «Держа» в руках фемтометровую линейку, мы сами были бы размером в несколько световых лет).
Человеческий мозг не приспособлен чувствовать такие масштабы интуитивно, и это нормально. Но зачем же физикам понадобилась такая микроскопическая линейка?
⚛️ Место встречи — ядро
Фемтометр — это основная «рабочая лошадка» ядерной физики. Если нанометры — это мир молекул и атомов, то фемтометры — это мир атомного ядра.
Вот краткая «таблица размеров» невидимого мира:
- Атом в целом имеет размер около 0,1 нанометра (это 100 пикометров или 100 000 фемтометров). Он в основном пуст.
- Протон (ядро атома водорода) — это примерно 1,6 фемтометра в поперечнике.
- Нейтрон — примерно такого же размера.
Проще говоря, если бы мы увеличили атом до размеров футбольного стадиона, то его ядро (состоящее из протонов и нейтронов) было бы размером с небольшую песчинку в центре этого стадиона. И вот размер этой «песчинки» физики измеряют именно в фемтометрах.
⚛️ Откуда взялось название?
У этого термина красивое и логичное происхождение. Приставка «фемто-» происходит от датского и норвежского слова «femten», что означает «пятнадцать».
Почему пятнадцать? Потому что это следующая ступень вниз после пикометров (10⁻¹²), и она соответствует 10⁻¹⁵ метра. (Если считать отрицательные степени десятки: -3 (милли), -6 (микро), -9 (нано), -12 (пико), -15 (фемто). Пятнадцатая степень — вот вам и название).
Смотрите также по теме:
⚛️ Где «работает» фемтометр?
Фемтометр не просто существует в учебниках физики как абстрактная величина, у него есть вполне конкретное «место работы», и это место самое сердце атомов.
Прежде всего, фемтометр — это родной дом для протонов и нейтронов, из которых состоят все атомные ядра во Вселенной. Когда физики говорят о «радиусе протона», они оперируют именно десятыми долями фемтометра, пытаясь понять, как устроен этот крошечный сгусток кварков и глюонов. Нейтрон, его близкий родственник, имеет примерно те же габариты. Таким образом, любое описание структуры ядерной материи неизбежно требует линейки с ценой деления в фемтометры.
Но фемтометр работает не только как пассивная единица измерения. Он является ключом к пониманию самых мощных сил природы. Именно на дистанции в несколько фемтометров начинается и заканчивается действие сильного ядерного взаимодействия — той силы, которая скрепляет одноименно заряженные протоны в ядре, не давая им разлететься под действием электрического отталкивания.
Если два протона сближаются на расстояние менее 2–3 фемтометров, сильное взаимодействие «включается» и связывает их крепче любой известной нам материи. Но стоит частицам разойтись чуть дальше, за пределы примерно 3–4 фемтометров, и эта сила исчезает практически полностью. Получается, что фемтометр очерчивает границы невидимой крепости, внутри которой удерживается вещество.
Именно в этом масштабе работают главные инструменты современной физики — ускорители частиц. Когда в Большом адронном коллайдере сталкиваются два протона, разогнанные до околосветовых скоростей, они сближаются на расстояние меньше фемтометра. В этом микроскопическом объеме, на кратчайшее мгновение, выделяется колоссальная энергия, достаточная для рождения новых частиц — бозонов Хиггса, кварков, странных мезонов. Ученые анализируют результаты этих столкновений, чтобы заглянуть в те масштабы, где пространство и время ведут себя иначе, чем в нашем макромире. Без фемтометра как единицы измерения описать эти процессы было бы просто невозможно.
Наконец, фемтометр помогает нам в буквальном смысле взвешивать Вселенную. Массы атомных ядер не являются простой суммой масс входящих в них протонов и нейтронов. Часть массы «съедается» энергией связи, удерживающей ядро, и эта разница называется дефектом массы. Чтобы рассчитать эту энергию и понять, почему одни ядра стабильны, а другие распадаются, физикам нужно с высочайшей точностью знать расстояния между нуклонами внутри ядра. А эти расстояния, как вы уже догадались, — от одного до нескольких фемтометров.
⚛️ Интересный факт напоследок
Самой маленькой «штукой», которую ученые научились более-менее точно измерять в фемтометрах, является не сам протон, а изменения в структуре протона. Например, с помощью экспериментов с электронами выяснили, что заряд внутри протона распределен так, что его «радиус заряда» составляет около 0,84 фемтометра.
Так что в следующий раз, когда вы посмотрите на ночное небо или на кончик иглы, вспомните, что внутри каждого атома вашего тела скрывается бурлящий мир, размеры которого исчисляются фемтометрами — мир, где правят бал ядерные силы и где расстояние в десятую долю миллиметра кажется космически огромным.