Energie a destrukce hmoty: Tři stupně mikroskopické zkázy od horkých kamen po radiaci
Chemické vazby a destrukce: Proč hmota nevydrží všechno
Na světě existuje nepřeberné množství způsobů, jak něco zničit. Můžete použít hrubou mechanickou sílu a věc prostě rozbít kladivem. Můžete použít chemikálie, jako je silná kyselina, která naruší strukturu materiálu. My se ale dnes zaměříme čistě na energii.
Jak už jsem detailně rozebíral v článku Jak vznikají molekuly? Vysvětlení chemických vazeb a reakcí na příkladech, atomy v našem těle i ve věcech kolem nás nedrží pohromadě jen tak náhodou. Jsou svázané chemickými vazbami, které si můžeme představit jako pevné, ale pružné gumičky. Když do těchto "gumiček" začneme pumpovat energii zvenčí, systém se začne bránit. A příroda má tři různé zbraně, kterými tyto vazby dokáže zničit. Pojďme si je seřadit od té nejběžnější až po tu naprosto extrémní.
Přenos tepla a denaturace: Kinetické utřepání k smrti u rozpálených kamen
Začneme tím, co známe z každodenního života. Sáhnete na horká kamna a tělo instinktivně ucukne. Co se v ten zlomek vteřiny stalo?
Když se bavíme o teple, musíme si připomenout základní pravidlo z mého staršího článku. Teplo neexistuje jako nějaká neviditelná tekutina. Teplo je čistý pohyb. Atomy v horkém kovu kamen se chovají jako šílení tanečníci v kotli na metalovém koncertě – divoce a obrovskou rychlostí vibrují a do sebe vrážejí.
Když se vaše ruka dotkne kovu, tito rozzuření tanečníci začnou do atomů vaší kůže bezhlavě narážet. Vaše vlastní atomy tuto kinetickou (pohybovou) energii převezmou a rozkmitají se také. A tady narážíme na ten bod destrukce. Složité molekuly ve vaší kůži (například bílkoviny) mají svůj přesný, propletený 3D tvar, který drží pohromadě ony pomyslné gumičky. Jakmile se atomy rozkmitají příliš silně, gumičky to napětí nevydrží a prasknou.
(Přenos tepla a denaturace)
Bílkovina ztratí svůj tvar a zhroutí se. Fyzikové a chemici tomuto procesu říkají denaturace. Nemusíte se bát cizího slova, znáte ho z kuchyně. Je to úplně stejný proces, jako když vyklepnete syrové vajíčko na horkou pánev. Průhledný tekutý bílek najednou ztvrdne a zbělá, protože teplo jeho molekuly doslova "utřepalo k smrti" a změnilo jejich strukturu. Přesně to se stalo s popálenou tkání na vaší ruce.
Infobox:
Proč je spálená věc většinou černá? Napadlo vás někdy, proč ať spálíte dřevo, plast, nebo si připálíte topinku, výsledek je vždycky černý uhlík? Jak jsem vysvětloval v textu Uhlík a vznik života, většina věcí kolem nás (a v nás) tvoří organické molekuly s uhlíkovou kostrou. Když něco hoří, jde o chemickou reakci s kyslíkem. Pokud by hoření bylo absolutně dokonalé a bylo by u něj dostatek kyslíku i tepla, vše by se přeměnilo na neviditelné plyny (oxidy uhlíku a vodní páru) a zbyla by jen trocha světlého popela (zbytkové minerály). V reálném světě ale hoření na plotně nebo v krbu nikdy dokonalé není. Kyslík se nedostane úplně všude, a tak zatímco se vodík a kyslík z materiálu odpaří, zbyde čistý, nespálený uhlík. A čistý elementární uhlík pohlcuje téměř všechno dopadající světlo. Proto ho naše oko vidí jako dokonale černý.Ultrafialové záření ze Slunce: Neviditelné nůžky, které přesekávají kovalentní vazby
Zatímco u kamen šlo o plošné a hrubé třesení celým atomem, u druhého stupně destrukce jde příroda na věc s mnohem větší přesností. Když se v létě spálíte na sluníčku, nepopálilo vás teplo (infračervené záření), ale ultrafialové (UV) záření.
Světlo k nám letí ve formě malých balíčků energie, kterým říkáme fotony, o kterých jsem detailněji psal v průvodci Co je to světlo a elektromagnetické záření. Fotony UV záření si můžete představit jako letící mikroskopické nůžky. Atomy ve složitých molekulách (jako je vaše DNA nebo kolagen) se drží pohromadě takzvanou kovalentní vazbou. To znamená, že spolu navzájem férově sdílejí elektrony, které fungují jako dokonalé superlepidlo.
Když na vaši kůži dopadne UV foton, nenarazí do celého atomu. Jeho obrovskou energii pohltí přesně jeden z těchto sdílených elektronů. Ten dostane takový "energetický kopanec", že ho to z jeho role klidného lepidla doslova vytrhne. Foton ho nekompromisně katapultuje pryč, elektron se pustí "ruky" svého souseda a chemická vazba se okamžitě rozpadne. Naše neviditelné nůžky právě přesekly spojovací lano.
Tohle je obzvlášť nebezpečné u vlákna vaší DNA. Když UV záření přesekne vazbu na jednom ze "šprušlí" tohoto genetického žebříku, atomy nezůstanou dlouho samy. Okamžitě se chytí svého nejbližšího souseda na stejné straně žebříku a vytvoří na něm fyzický uzel. Když se pak buňka snaží tento uzel přečíst, zasekne se. Aby ochránila zbytek těla před rakovinou, raději sama spustí program sebedestrukce. A právě tato masová sebevražda buněk s "uzlem na DNA" je to bolestivé zarudnutí, které si večer po dni na pláži mažete krémem po opalování.
(Neviditelné nůžky, které přesekávají kovalentní vazby)
Ionizující záření a radiace: Brutální kulečníková koule, která vám vykopne elektron
A teď se dostáváme k tomu slibovanému extrému. Co se stane, když se do vás opře radiace – například gama paprsky nebo rentgenové záření? Tady už končí veškerá legrace.
Jak jsem vysvětloval v článku Radioaktivita – Skrytá síla, která utváří vesmír i náš svět, ionizující záření si můžete představit jako těžkou, obrovskou kulečníkovou kouli odpálenou maximální rychlostí přímo do jemného hodinářského strojku. Energie je tu tak gigantická, že už nejde o nějaké rozkmitání molekuly nebo přeseknutí gumičky.
Když tato energetická "střela" narazí do atomu ve vašem těle, udělá to nejhorší možné: surově a bez kompromisů z něj vykopne jeden z jeho obíhajících elektronů úplně pryč. Tomuto procesu se říká ionizace.
Atomu najednou chybí jeho záporně nabitý parťák a stává se z něj to, co možná znáte z reklam na krémy proti vráskám – volný radikál. V mikrosvětě je volný radikál v podstatě chemická zombie. Zoufale mu chybí elektron, je naprosto nevyrovnaný a extrémně agresivní. Začne se okamžitě sápat po svém okolí a rvát elektrony z jiných, do té doby zdravých molekul, čímž z nich dělá další zombie. Spustí se lavinovitá destrukční reakce, která roztrhá složité buněčné struktury zevnitř.
Zatímco horká kamna vám popálí ruku na povrchu, ionizující záření proletí skrz vás a vykopává vám elektrony z těch nejcitlivějších systémů, které vás drží naživu.
(Brutální kulečníková koule, která vám vykopne elektron)
Redukcionismus a emergence: Kostky vesmírného Lega zblízka
Když si po sobě čtu tyto řádky, uvědomuji si, proč mě psaní Vesmíru pro zvědavé tak neskutečně baví. Rád tu říkám, že se společně díváme pod povrch, a když se ohlednu na náš archiv, máme tu už slušnou zásobu základních kamenů poznání.
Už víme, že to, čemu říkáme světlo, je vlastně jen poskakující elektromagnetické vlnění. Už víme, že teplo není žádná neviditelná tekutina, ale chaotický tanec atomů. A víme, jak se tyto atomy drží za ruce a skládají se do molekul.
Je to neuvěřitelně osvobozující pocit. Zjistíte totiž, že ta nekonečně složitá realita, kterou denně pozorujeme vlastníma očima, se skládá ze stále stejných součástek. Z pochopení mikrosvěta přirozeně vyrůstá pochopení makrosvěta. Jistě, jeden izolovaný atom vody nám neprozradí, co je to oceánská vlna (tomu se říká emergence), a kvantová fyzika si občas povážlivě nerozumí s gravitací, jak jsme si ukázali v textu Podstata gravitace a singularita. Ty základní principy tu ale bezpochyby jsou. Nejde o žádnou magii, jen o úchvatnou fyziku v různých měřítkách. A ten pocit, že tomu začínáte rozumět, je to vůbec nejlepší brnění proti strachu z neznámého.
(Redukcionismus a emergence: Kostky vesmírného Lega zblízka)
Děkuji vám, že jste článek dočetli až do konce. Pokud se vám můj přístup k vědě, vesmíru a kritickému myšlení líbí, zvažte prosím vstup do Klubu zvědavců níže. Přes e-mail spolu můžeme zůstat v přímém kontaktu zcela nezávisle na tom, co zrovna dělají algoritmy sociálních sítí nebo vyhledávačů.
