درجة الحرارة وضغط الخيال - الجزء 1/3

هذه المذكرة عن مساحة حالات المادة. وهو ، بمعنى ما ، أوسع من مساحة المسافات بين الأشياء في الفضاء ، وأحيانًا يكون من الصعب التغلب عليه.

أريد أن أوضح أن الظواهر الطبيعية يمكن أن تكون معقدة وغير تافهة حتى في ظروف بعيدة جدًا عن الأرض. أن العقبة الرئيسية أمام دراستهم ليست المسافات الكونية ، بل عدم قدرة خيالنا وحدسنا على العمل في ظروف غير مألوفة. قد يلزم البحث عن هذه الحياة والعقل ليس فقط على أسطح الكواكب الشبيهة بالأرض ، لأنها ليست سوى جزء صغير من تنوع الكون.

ومن أجل فهم هذا التنوع ، من المحتمل أن يكون الذكاء الاصطناعي مطلوبًا - ربما أكثر من الصواريخ وعلوم الفضاء.

الجزء 1. مخطط pT

ألق نظرة على نقطة عشوائية في الكون. لفهم ما يحدث فيه بوضوح ، يجب قياس العشرات من المعلمات المادية. وأهم هذه الضغوط والضغط. إنها تحدد حالة تراكم المادة ، وبالتالي ، تحدد العمليات الفيزيائية والكيميائية التي ستسود فيها. وهذا يحدد الجيولوجيا والبيولوجيا ، وأكثر من ذلك بكثير. من خلال تغيير هذين المعاملين بشكل طفيف ، يمكنك الحصول على بيئة مختلفة تمامًا عن تلك التي بدأت بها. الضغط ودرجة الحرارة نوعان من إحداثيات "طور الفضاء". وفي هذا الفضاء ، من الممكن ، وفقًا للظروف في كل نقطة ، عرض كوننا بأكمله.

الجميع ، بالطبع ، لم أرسم. لكن بضعة أمثلة وحدود درست أكثر أو أقل على الرسم البياني تسببت في:



من حيث درجة الحرارة ، يمتد الفضاء الطور المألوف من 0.002 كلفن في ثلاجات المختبر ^{[ 670 ]} إلى 30 مليون درجة في نوى نجوم فئة O والبلازما النووية الحرارية الحديثة. الحد الأعلى ، بالطبع ، تعسفي للغاية. لذا ، في ضغوط Z النبضية ، يتم دفع درجة الحرارة ^{[ 655 ]} حتى لمليار درجة.

الضغط بين الحدود أكبر: ما يقرب من 60 مرتبة من حيث الحجم.

على الحافة اليسرى من الرسم البياني توجد ظروف في المناطق الباردة من الفراغات بين المجرات (ما يسمى الفراغات): ~ 10 ^-27 الأجواء ، ~ 10 درجات كلفن ^{[ 270 ] [ 280 ]} . كثافة الغاز هناك وحدات من ذرات الهيدروجين لكل متر مكعب. قد يبدو أن مفهوم الضغط لا ينطبق على مثل هذه المواد النادرة. أنه مجرد فراغ مع فقد ذرات فيه. لكن تذكر أن الفراغ متوسط ​​مع مسار حر للجزيئات أكبر من حجمه (متوسط). مدى الهيدروجين قبل التصادم مع ذرة أخرى في مثل هذه الفراغات حوالي 1 فرسخ. ومع ذلك ، فإن الفراغات هي عشرات الفرسات الضخمة . من الواضح أنه في مثل هذه المقاييس ، لا يزال الهيدروجين فيها لا يزال يعتبر وسيطًا مستمرًا ، مع الديناميكا المائية والتدفق والصوت وموجات الصدمة. كل هذا على نطاق واسع للغاية ، ومن وجهة نظر إنسانية ، بطيء بجنون.

يمكن رسم الحد الأيمن وفقًا للظروف الموجودة في مركز نجم نيوتروني. تقدير الضغط ودرجة الحرارة فيه يعطي 10 ²⁹ جو و ~ 1 مليون كلفن. من غير المعروف ما الذي يتوافق مع هذه الشروط - سواء كانت لا تزال نيوترونات أو سائل كوارك بالفعل.

داخل هذا المربع ، تتناسب الظروف على سطح المريخ (0.00636 atm ، 214 K) ، Venus (92 atm ، 736 K) ، Pluto ( ^10-5 atm ، 50 K) ، في مركز المشتري (3.6 * 10 ⁷ atm ، 23 ألف درجة) والشمس (2.3 * 10 ¹¹ atm و 1.6 * 10 ⁷ K) ، في الأجزاء الساخنة والباردة من الوسط النجمي (5 * 10 ^-19 atm ، 3 * 10 ⁶ K و 1 * 10 ^{-1 5} atm ، 10 K).

للراحة ، نقدم مسطرة مقياس. لوغاريتمي بالطبع. في أجزاء من الاختلاف الكامل في المعلمات في الصورة. إذا كان 100٪ من نطاق درجة الحرارة 10 ¹¹ مرة ، فإن 1٪ من هذا يتوافق مع فرق درجة حرارة (10 ¹¹ ) ^1/100 = 1.318 مرة. أي ، على مقياس الكون ، فإن زيادة بنسبة 1٪ من درجة حرارة الغرفة البالغة 293 كلفن تعني التسخين إلى 1.318 * 293 = 386 كلفن ، أو 113 درجة مئوية. كما هو الحال في الحمام الجيد.

وبحسب ضغط 1٪ من الفرق "العالمي" ، فإن النسبة تعني (10 ⁶⁰ ) ^1/100 = 4.074 مرة. مثل بين مستوى سطح البحر وارتفاعه 10 كيلومترات.

أخيرًا ، نأخذ الظروف "الطبيعية" كمركز مرجعي: الضغط عند 1 جو ، ودرجة الحرارة عند 293 كلفن ، أي 20 درجة مئوية.

ودعنا نرى ما وكيف تتغير عند الابتعاد عن هذا المركز.

نصف قطر الجداول بجانب السرير المربعة

بدون أجهزة مساعدة ، ينجو الشخص فقط في نطاق ضيق من درجات الحرارة والضغوط ^[10] . في الصورة ، يتم تحديده تقريبًا بواسطة قطع ناقص أخضر ، ومستطيل أصفر - إزالة بنسبة ± 1٪.



حوالي +10 درجة مئوية ، يتجمد الشخص. فوق +30 يسخن. عند ضغط أقل من 0.5 ضغط جوي ، يمكن لعدد قليل العيش والعمل. فوق 4 أجواء ، يحدث تخدير النيتروجين ، المعروف للغواصين.

في الوقت نفسه ، الموئل البشري الحديث على الأرض أوسع بكثير. لكن تاريخ استيطانها ليس في المقام الأول كيلومترات من التوسع الإقليمي ، ولكن تطوير وسائل الإعلام بدرجات حرارة وضغوط جديدة. عندما تكون الخطوات الجادة وراء كل خطوة ، يُنظر إليها اليوم على أنها شائعة.

أقدم هذه التقنيات هو عشرات الآلاف من السنين. هذه هي القدرة على صنع الملابس الدافئة ، والسكن المحمول ، وبالطبع ، إشعال النار ^[110] . بفضل هذا الثالوث ، تجاوز الناس الحد السفلي للبيضاوي الأخضر. واستقرت معظم أوراسيا وأمريكا ، بما في ذلك أقصى الشمال وغرينلاند وألاسكا ، حيث يذهب الصقيع لأسابيع عشرات الدرجات تحت الصفر.

المناطق المدارية ذات درجات الحرارة الأعلى من +30 درجة مئوية مأهولة لفترة طويلة. لكن من دون "زراعة" الصرف الصحي والنظافة الصحية بين السكان ، بدون نظام الصرف الصحي وإمدادات المياه وحتى الثلاجة الأكثر بدائية ^{[ 115 ] ،} سيظلون في أماكن شديدة الضعف. أضف تكييفًا للصورة - واحصل على دبي السياحية وسط صحراء قاتمة.

تم إتقان الضغوط التي تقل عن 0.5 من الأجواء بثقة فقط في القرن العشرين ، وذلك بفضل الدخول إلى النطاق الصناعي لتقنيتين: إنشاء غرف مضغوطة وأنظمة دعم الحياة. كل طيران الركاب عبر القارات ، وإلى حد كبير التماسك الثقافي لعالمنا ، يعتمد على هذا. في الواقع ، في أي وقت من الأوقات في الجو على ارتفاعات 8-12 كيلومترًا ، هناك نصف مليون ^{[ 120 ]} مسافر يتنقلون بين مدن كوكبنا.

في تطور الضغوط العالية ، تتخذ البشرية الخطوات الأولى فقط. نعم ، في تجارب غرف الضغط ، عاش الناس في 70 جوًا ^{[ 130 ]} ، والغواصات تختبئ في المحيطات على أعماق تصل إلى نصف كيلومتر ^{[ 140 ]} . لكن هذا بالكاد يمكن اعتباره حضورًا كاملاً.

بالمناسبة ، يمكن العثور على أصداء هذا التوسع في الأدب ^{[150] ، [170] ، [180] ، [190] من} القرنين التاسع عشر والعشرين.

على عكس البشر ، حيوانات الاختراعات (تقريبًا) لا تفعل ذلك. لذلك ، حتى على الأرض ، يتم فصل الكائنات الحية عن طريق اختلاف الظروف أقوى بكثير من المسافة. يسافر الدب القطبي بمتوسط ​​3400 كيلومترًا سنويًا ^{[ 360 ]} ، لكنه لن يقابل عقرب الصحراء في حياته أبدًا. لا يمكن رفع أسماك أعماق البحار بسرعة إلى السطح ، وفي منطقة محطة فوستوك حتى ظهور البشر لملايين السنين لم يكن هناك حتى حياة ميكروبية - على الرغم من أن البكتيريا تحملها بلا شك بسبب الرياح.

بعد الانتهاء من حي واحد بالمائة ، دعنا نتراجع قليلاً ونلقي نظرة على 10 ٪.

الأرض بمحيطاتها وأمعائها وطبقات الستراتوسفير تتناسب تقريبًا ^{[15] [ 580 ] [ 590 ]} مع مستطيل 10٪. تظهر الظروف المناسبة للبشر على هذا المقياس كنقطة صغيرة:



إلى اليمين وفوق المركز ، نجد حد الهندسة الميكانيكية ، الذي رسمه الخط البرتقالي. من المواد الصلبة المعروفة لنا ، من حيث المبدأ ، من المستحيل بناء جهاز مجهري يعمل بشكل مستمر يتحمل الضغط وانخفاض درجات الحرارة إلى اليمين وأعلى هذا المنحنى. نقاط ربطها هي:

• درجة حرارة الغرفة ، 27 ألف غلاف جوي - القوة المطلقة ^{[ 680 ] من} فولاذ النقش [2800 فولاذ Maraging]. ومع ذلك ، فإن الماس أصعب ، ولكنه هش ، ولا يمكننا بناء جسور وسيارات منه.
• عند 800-1000 درجة مئوية ، يتم تحقيق القوة المطلقة ، دون شك ، من خلال سبائك مقاومة للحرارة لشفرات التوربينات. مقابل كل درجة تفوز بها ، تعد زيادة في كفاءة محركات الطيران ، وكل باسكال من القوة هو انخفاض في الوزن وزيادة في البضائع المنقولة. لذلك ، فإن النضال من أجل هذه المعلمات خطير. عند 1050 درجة مئوية ، تكون هذه السبائك قادرة على حمل حمولة تصل إلى 4 آلاف غلاف جوي ^{[ 690 ]} .
• مع المزيد من التدفئة ، تنخفض قائمة المواد الإنشائية ، وتنخفض بسرعة إلى اثنين: التنغستن والجرافيت. عند 3273 كلفن ، وفقًا لـ ^{[ 700 ]} ، لا يزال التنغستن يتحمل حوالي 140 جوًا في حالة توتر.
• من المحتمل أن يكون كربيد التنتالوم TC أحد أكثر المواد المقاومة للحرارة. إنها قادرة على أن تظل صلبة حتى 3800 درجة مئوية. بمعنى ، إذا كنا حقًا بحاجة إلى إنشاء شيء ميكانيكي يعمل بدون تبريد في ظل هذه الظروف ، فهذا لا يزال ممكنًا إلى حد ما. ولكن عند 4000 درجة مئوية - هذا كل شيء. ليس من أي شيء.

في دائرة نصف قطرها 10 ٪ ، لا يزال بإمكانك العثور على الكثير من المرح من وجهة نظر يومية:

• عند ضغط ~ 50 الغلاف الجوي ودرجة حرارة ~ 10 درجة مئوية ، ستجد أن السائل يمكن أن يطفو على الغاز (أي سبيكة NaK على زينون المضغوط ^{[ 30 ]} ).
• إذا قمت بتبريد البيئة إلى -80 درجة ، فسوف يتجمد ثاني أكسيد الكربون الزفير ، وستتوقف الزلاجة عن الانزلاق في الثلج ، وستتباطأ وتيرة معظم التفاعلات الكيميائية ألف مرة ، وقد يكون المذيب الخاص بالحياة الافتراضية في مثل هذه الظروف ... كحول الميثيل.
• في 140 الغلاف الجوي ، يشكل ثاني أكسيد الكربون بحيرات في قاع محيطاتنا ^[25] ، ويرتبط غاز الميثان المرتفع قليلاً بالماء ويستقر في شكل clathrates الصلبة ، على غرار الجليد ^{[ 28 ]} .
• يعلم الجميع أن الصوت ينتشر في الهواء ، ولكن ليس في فراغ. ولكن ماذا يحدث إذا قمت "بسحب القابس ببطء من المخرج" ، وانتقلت بسلاسة من الأول إلى الثاني؟ مع انخفاض الضغط ، أولاً ، سيتدهور انتقال الصوت من السماعات إلى الهواء. ثانيًا ، سيزداد الامتصاص في الهواء - وكلما زادت قوة التكرار ^{[340] ، [ 350 ]} . في مكان ما عند ~ 0.3 باسكال (الشروط على تريتون) سيتم تخفيض مسار نصف اضمحلال الملاحظة "la" (440 هيرتز) إلى متر واحد. الإخطار الصوتي عبر الهواء في مثل هذه الظروف سيصبح شبه مستحيل ، ناهيك عن الاتصال الصوتي.
• تذوب المعادن الصخرية جيدًا في بخار الماء شديد التسخين. وهذا هو الذوبان بدقة ، وليس تفاعلًا كيميائيًا. لذا ، عند 2000 K و 2000 غلاف جوي ، يكون محتوى التوازن من الكوارتز SiO ₂ في البخار حوالي 2.2٪ (وفقًا لـ [ 710 ]) ؛ قابلية ذوبان أكسيد الحديد FeO والألومنيوم Al ₂ O ₃ متشابهة تقريبًا. على كوكب ساخن مع جو بخار الماء ، ستحمل الرياح كل هذه المعادن بنفس الطريقة التي تحملها المياه في ظروفنا.
• مع انخفاض الضغط القوي ، تبدأ المعادن في "السباحة" ، وتتوقف عن الصلابة بالمعنى الهندسي: الألمنيوم في 400-500 الغلاف الجوي ، والصلب عند 25 ألف ^{[ 680 ]} ، والبازلت عند 1-3 آلاف atm ^{[ 90 ]} . يتم إنشاء هذه الضغوط في الأرض على أعماق تتراوح من 4 إلى 12 كيلومترًا ، والتي تحدد في الواقع بداية الانتقال من القشرة إلى الوشاح. لذلك ، في بعض الأحيان يكون من الأسهل وصف الصخور الأعمق (وعلى المقاييس الكيلومترية) على أنها سائل لزج أكثر من كونها صلبة. حتى أعمق عليك أن تنسى "عدم انضغاط" المواد الصلبة. لذلك ، عند 350 جيغا باسكال - الضغط في وسط الأرض - سيتم ضغط النحاس في الحجم 1.7 مرة ^[60] ، والألمنيوم - في 2.2 ، والرصاص ^[70] - في 2.4.
• إلى اليسار وتحت النقطة الثلاثية للهليوم (2.177 كلفن ، 5043 باسكال) ، تختفي السوائل في العالم. تصبح كل المادة صلبة أو غازية. صحيح ، لا تزال هذه النقطة لا تتناسب مع الرسم البياني الخاص بنا ، لكنني طبقت الهيدروجين (18.84 كلفن ، 7040 باسكال). السوائل إلى اليسار وتحتها وحدات.

^{[تمت كتابة المقال للموقع https://geektimes.ru/ . عند النسخ ، يرجى الرجوع إلى الأصل. مؤلف المقالة هو يفجيني بوبوخ. يمكنك دعم المؤلف بالعملات المشفرة على العناوين المشار إليها في الملف الشخصي .]}

أخيرًا ، ألق نظرة على مخطط طور الهيدروجين ^{[ 100 ]} :



تُظهر واحدة من أبسط المواد في الكون ما لا يقل عن ثماني حالات مختلفة اعتمادًا على درجة الحرارة والضغط. حتى الفضاء المليء بغباء بالهيدروجين وحده هو بالفعل ثمانية عوالم مختلفة تمامًا! فماذا نقول عن تنوع حالات المواد أكثر تعقيدا؟

والآن عن الأدب والفن

باستخدام التصنيفات [ 380 ] ، [ 390 ] ، [ 400 ] ، جمعت بضع مئات من أسماء أعمال الخيال العلمي الغربية والسوفياتية والروسية. يضاف إليهم كتب تقرأ شخصيا. لقد قمت بالتصفية ، تاركًا فقط تلك التي أتذكرها بوضوح ، حيث يتم العمل في حلقة واحدة على الأقل خارج الأرض ، وحيث يمكن تقدير ما لا يقل عن حجم درجة الحرارة والضغط في المشهد.

ووضعها على مخطط pT:



يسمح لك فحصها الدقيق بإجراء عدة ملاحظات:

1. بقعة زرقاء دهنية بالقرب من المركز هي 53٪ من الأعمال التي تتم فعاليتها تحت ضغط جو واحد ودرجة حرارة الغرفة ، دقيقة للطقس. Saraksh ، Pyrrhus ، Dune ، Tormans ، Leonida ، Entsia ، Stepyanka ، Arkanar - تمثل كل هذه العوالم الغريبة الأرض وفقط الأرض. نحن نتحدث عن خيال الفضاء ، أذكرك.

2. يندمج تقريباً مع هذه المجموعة التي تضم 11٪ من الكتب ، حيث قرر المؤلفون الانحراف عن الظروف الأرضية بنسبة جزء من المائة. لنفترض أن "بلد الغيوم القرمزية" بواسطة Strugatsky مع درجة حرارة أقل من 90 درجة مئوية وضغط ~ 1.1 الغلاف الجوي ، مزارع في السماء (مزارع في السماء) من Heinlein (شيء مثل 0.5 atm و 220 K) ، أو Asimov ، دخل الضغط بدقة في 1.05 من الجو على الطفل في فخ Simpletons (بيت Sucker's).

3. 11٪ أخرى من القصص تم تطويرها في "المساحة الخالية من الهواء". لكن هذا التطور لا يعتمد على ما إذا كان الضغط المحيط هو 10 ^{- 5} أو 10 - ²⁰ جوًا (هذه هي المشكلة ، بالمناسبة: كيف تميز أحدها عن الآخر بمساعدة "الحجارة والعصي"؟) حيث لا المؤلفون ولا القصة يخبرون الفرق لا ، لقد نسبت إلى جميع هذه الأعمال نفس الضغط القمري الذي يتراوح بين 10 - ⁵ أجواء ، وحيث لا توجد إشارات إلى درجة الحرارة ، فإن قيمة الغرفة هي 293 ك.

4. حوالي 25٪ من الكتب تحتوي على حلقات حيث تتم إزالة معلمة واحدة على الأقل بشكل ملحوظ من تلك الأرضية والقمرية. هذا ، على سبيل المثال ، Clifford Simak ، "City" (Clifford Simak ، City) ، الفصل الخاص بالمشتري ؛ بوريس ستيرن ، "انفراج على حافة العالم" ؛ Strugatsky ، "الطريق إلى أمالثيا" ؛ فيرنور وينج ، "العمق في السماء" ؛ سيرجي بافلوف ، "Moonlight Rainbow".

5. الكتب ، حيث يتطور جزء كبير من العمل في وقت واحد بعيدًا عن درجات الحرارة والضغوط الأرضية ، وحيث يكون مهمًا ، الوحدات. من بينها:

• هال كليمنت ، على مقربة من الحرجة
• أندي وير ، المريخ
• جورجي جورفيتش ، "دعوة إلى الذروة"
• ألكسندر بيليف ، بائع الهواء
• روبرت هينلين ، "لدي بدلة فضائية - جاهزة للسفر" ، فصول عن بلوتو
• لاري نيفن وجيري بورنيل ، القذى في عين الله. الظروف في النجم حيث اعترضت السفن الغريبة تقدير تقريبي. كما ترون ، لقد أحصيت حتى هذه الحلقات الصغيرة.

هذا هو عدد قليل من "الفضاء" الخيال ، وجزء من المئة من الخيال بشكل عام. غالبًا ما تتميز أعمال هذه المجموعة بمزايا فنية منخفضة ، والتي ، كما سنرى ، لها تفسير معقول جدًا.

6. لا تتم إزالة عمل واحد مألوف بالنسبة لي يتجاوز ± 25٪ من الظروف العادية.

للوهلة الأولى ، حتى 1 ٪ من الكتب ذات البيئات غير المعتادة ليست شخصية سيئة. لكن انظر إلى السؤال على نطاق أوسع. لنفترض أن شخصًا ما يعد بإعداد قائمة بأماكن الجذب في المدينة. بعد الكثير من العمل ، تقوم بإعداد وثيقة. حيث تم تخصيص 64 ٪ لميزات شقة المؤلف ، و 11 ٪ مخصصة لسطح منزله ، وحوالي 5 ٪ فقط من الملاحظات تبدأ بالكلمات "الآن لنلقي نظرة على الشارع التالي ..." يمكن أن تكون هذه قائمة رائعة ، يمكن أن تكون رائعة وغنية بالمعلومات. لكن من الواضح أنه بسبب التغطية غير المتساوية للغاية ، لم يتم تضمين أي شيء مثير للاهتمام تقريبًا في المدينة في هذه القائمة. الشيء نفسه ، للأسف ، هو غلاف الخيال العلمي الحديث: الكثير من النقاط بالقرب من "الظروف الطبيعية" ، والضربات المعزولة التي تتجاوزها ، والمساحات الشاسعة غير الملموسة بعيدًا عنها.

سيعارضونني الآن ويجادلون عن حق في أن فضائل الخيال العلمي الجيد لا تكمن في وصف الظواهر الفيزيائية في أحشاء Betelgeuse.

هذا صحيح. هناك ميزة كبيرة من المؤلفين المذكورين في المقام الأول في دراسة السلوك البشري في مواجهة ما لا يمكن تصوره وغير مفهومة. في خلق قصص عظيمة. تحسبا لتكنولوجيا وتحليل تنمية البشرية. في ابتكار أفكار غريبة ومدهشة لدرجة أن معاييرها غير المعيارية هي بالفعل قيمة معترف بها عالميًا. التجارب الفكرية لليم ، ديك ، ستروجاتسكي وبرادبري ، حتى لو تم ضبطها تحت ضغط جو واحد ودرجة حرارة الغرفة البحتة ، أعطتنا في بعض الأحيان لفهم الإنسان والبشرية ليس أقل من الدراسات في المختبرات المجهزة بالكامل. والخيال العلمي ليس الفيزياء. لا يُطلب منها الكتابة عن درجات الحرارة والضغوط الجديدة. بالمناسبة ، في الستينيات من القرن الماضي ، حاولوا القوة بطريقة ما. حدث الرعب. لدي عينة واحدة على الرف. متوحش لدرجة أنك لا تستطيع رميها.

كل هذا صحيح.

ولكن من الصحيح أيضًا أن الخيال العلمي ، وهو نفس الخيال العلمي الذي حتى قبل 50 عامًا دعا الناس إلى الفضاء ، سقط اليوم من السيارة الأخيرة! غادر قطار الواقع المادي ، وهي ، دون أن تلاحظ ذلك ، تواصل الحلم بشيء وحيد على منصة باردة. وهذه الفجوة تتزايد كل عام.

يبدو أن الخيال - مثل الهندسة وعلم وظائف الأعضاء البشرية - له أيضًا "موطنه" الخاص. يمكن رسمه على مخطط pT. ولديه حدوده الخاصة.

استمرار