الجزء 5. مقياس الكون
الجزء السابق .
ملخص الجزء السابق.مدار الأرض القريب مكلف للغاية بالنسبة لنا. وماذا عن الحضارات الأخرى بهذا السؤال - إذا كانت موجودة بالطبع؟
بالطبع ، حول
كل أشكال الحياة والعقل التي يمكن تخيلها ، يمكن للمرء أن يقول ... لا شيء. هناك فقط الكثير من الأفكار غير الرائعة
[ 945 ] . لكن يمكنك محاولة التفكير في الحضارات
الأكثر ترجيحًا ، استنادًا إلى ما نعرفه اليوم ونعتقد أنه من المحتمل. حتى في هذا النموذج ، فإن السؤال لا يخلو من الاهتمام.
1. لنبدأ مع "كوكبهم". كيف تبدو؟
هذا هو على الأرجح جسم سماوي يبلغ قطره من 8 إلى 13 ألف كيلومتر ، ويتكون بشكل أساسي من مواد ومعادن صخرية ، مع خليط صغير من الماء والجليد الآخر. يدور حول نجم على مسافة حيث درجة حرارة عباد الشمس 250-400 كلفن. يحتوي الكوكب على جو بضغط لا يقل عن .10.1 ، ولكن بالكاد يزيد عن بضع مئات من الأجواء. يوجد على الأقل مائة بالمائة من ثاني أكسيد الكربون
CO 2 في الغلاف الجوي. الكوكب نشط من الناحية التكتونية ، وكثافته 4-9 جم / سم
3 . أساس الكيمياء الحيوية هناك الماء والكربون.
يبدو مروعا مثل الأرض ، أليس كذلك؟ دعنا نرى لماذا.أكرر مرة أخرى: نحن نبحث عن المحاذاة الأكثر احتمالا. نعم ، السؤال ذو صلة في كل منعطف تقريباً من الحجة: "هل من الممكن القيام بالعكس؟" والإجابة ستكون عادة: "نعم ، يمكنك ذلك. لكن الخيار الأول لا يزال يعتبر الأكثر شيوعًا اليوم ".
لنبدأ بالكيمياء الحيوية. إذا كان من المقبول عمومًا أن أساس العقل هو الحياة ، وأن أساس الحياة هو الكيمياء ، فإن هذه الكيمياء تعمل بشكل أفضل في المذيب السائل. الجزيئات قريبة من بعضها البعض. خلط مجاني. وإذا كان المذيب "جيدًا" ، فإنه يثبت أيضًا الجزيئات "الصحيحة". لذلك ، هناك حاجة إلى السائل. ما هم المرشحون؟
ألقِ نظرة على التركيب الكيميائي للكون:
(وفقًا لـ [ 990 ])من أجل الانتشار ، أي مركب كيميائي يتكون من هذه العناصر أولاً؟ صحيح الماء.
H 2 O. وهي مصنوعة من العنصر الأول والثالث الأكثر شيوعا. ما يلي هو الميثان
CH 4 ، نصف في كثير من الأحيان. ثم الأمونيا
NH 3 ، ولكن في الطبيعة هو بالفعل 6 مرات أقل من الماء. نعم ، بالطبع ، هذا "مستشفى متوسط" ، قد تختلف الكواكب الفردية في التركيب الكيميائي. لكن بصرف النظر عن فقدان الهيدروجين ، هناك حاجة إلى افتراضات غير تافهة لتبرير كوكب ، حيث سيكون هناك نيتروجين أكثر من الأكسجين. الكون ككل هو موحد إلى حد ما في التكوين. والماء فيه هو المركب الكيميائي الأكثر شيوعًا. من المثير للدهشة أنه في بعض الأحيان لا تزال هناك أماكن لا تكاد توجد فيها مياه ...
بالإضافة إلى انتشار المياه ، هناك عدد من المزايا بالمقارنة مع أفضل عشرة مرشحين بديلين. هذه هي: ارتفاع الاستقرار الكيميائي. روابط هيدروجينية قوية وجود ، ولكن القطبية المعتدلة ، مما يؤدي إلى القدرة على حل دون تدمير كمية كبيرة من المواد ودعم التفاعلات قاعدة الحمضية ؛ قدرة حرارية عالية وحرارة التبخر ، مما يزيد من استقرار درجة حرارة المسطحات المائية ؛ الشفافية وأخيراً ، حقيقة أن ثلج الماء
أخف من السائل ، وبالتالي فإن الماء في فصل الشتاء يكون أقل عرضة للتجمد حتى القاع.
لذلك ، فإن المذيب الأكثر احتمالا "معهم" هو الماء.
كلمة "المذيبات" تعني حالة سائلة. هذا يعني أن متوسط درجة الحرارة على سطح الكوكب يجب ألا يقل عن 250 كيلفن على الأقل. ومن أين يأتي الحد الأقصى البالغ 400 كلفن؟ يتحدد باستقرار مركبات الكربون. لماذا الكربون؟ لنفس الأسباب كما هو الحال مع الماء. نعم ، ليس فقط الكربون الذي يمكن أن يشكل بوليمرات معقدة "تتخللها" مع عناصر أخرى. البورون ، الفسفور ، رابطة السيليكون والأكسجين ، وحتى عدد من المعادن يمكن أن تفعل هذا:
ومع ذلك ، فإن الكربون يضربهم في تواتر حدوث المئات والآلاف من المرات ، تاركًا "حياة البوريك" ما لم تكن هناك منافذ غريبة تمامًا.
بما أننا هنا ، سوف نفهم شيئًا آخر. ما هو المركب الأكثر تطايرا
غير الهيدروجين؟ يخبرك الطبق: إنه ثاني أكسيد الكربون ثاني أكسيد
الكربون . بالطبع ، لا يمكن تسمية محتواها الخرساني في جو أو آخر (مثل الغاز) أو القشرة (في شكل كربونات) بهذه البساطة. لكن من الصعب للغاية تخيل كوكب ذو جو غير هيدروجين ودرجة حرارة طبيعية ، حيث لم يكن ثاني أكسيد الكربون (مربوط أو حر) على الإطلاق. يجب العثور على 0.01٪ على الأقل.
وهذا مهم. لانتشار ثاني أكسيد الكربون في الطبيعة يفرض حدًا أقصى على كثافة الغلاف الجوي. بدءًا من سمك معين ، فإن الغلاف الجوي ، حيث يوجد القليل من
ثاني أكسيد الكربون ، لن يبدأ في زيادة الحرارة بسبب تأثير الدفيئة. سيبدأ في إخراج
ثاني أكسيد الكربون المقيد من القشرة ومن ثم التسخين. انها مثل على كوكب الزهرة. من الصعب تحديد الضغط الدقيق الذي يحدثه هذا ، وكل هذا يتوقف على العديد من العوامل. لكن على الأرجح ، نحن نتحدث عن مئات الأجواء.
لذا ، فإن جو الكوكب ليس سميكًا مثل جو العملاق. ولكن ليس رقيقة جدا. لأنه ، إذا كان الضغط أقل بكثير من 0.1 جو ، فإن درجة حرارة وجود الماء في شكل سائل تضيق بشكل حاد.
في جو بسماكة معتدلة ، يتم تحديد درجة الحرارة إلى حد كبير بواسطة ضوء الشمس. وهذا يعني أن الكوكب يدور حول النجم على مسافة حيث يحافظ ضوء الشمس الطبيعي على درجة الحرارة عند نفس درجة حرارة 250-400 كلفن. في ما يسمى "المنطقة الصالحة للسكن"
[ 948 ] .
لكن الماء والميثان والأمونيا وغيرها من "الجليد" لا تتكثف جيدًا في الفراغ عند درجات حرارة تصل إلى 250 كلفن وأعلى. وبالتالي ، سيكون هناك القليل منها في مجال تكوين الكوكب ، ولن تصبح المكونات الرئيسية لتكوينه. وهذا يعني أن "كوكبهم" سوف يتشكل من مواد غليان أعلى: المعادن و "الحجارة" ، أي أكاسيد (وربما كربيدات) من العناصر العشرة الأكثر شيوعًا المذكورة أعلاه. من هنا نعرف تقريبًا كثافة مادته.
علاوة على ذلك ، يجب على الكوكب المأهول بالتطور الكيميائي الحفاظ على التكتونيات النشطة لمليارات السنين. لأنه خلاف ذلك مناخ الكوكب مع الماء
وثاني أكسيد الكربون في الغلاف الجوي يقع في "كرة جليدية" و / أو دولة تشبه المريخ. لقد ظل القمر والمريخ في المجموعة الشمسية ميتين تقريبًا (تقريبًا). لكن الأرض والزهرة - لا. هذا يعني أن الحدود الدنيا لقطر الكوكب تمر في مكان ما بين المريخ والزهرة. على مرأى الآلاف ، على بعد 8 كيلومترات. نعم ، يمكن أن توفر فائض من النويدات المشعة التدفئة والنشاط وجسم أصغر بكثير. ولكن هذا هو الحل أقل احتمالا قليلا. لأن كمية الحرارة الإشعاعية تتناسب مع الدرجة الأولى من كتلة الكوكب ، وتزايد درجة حرارة التمايز إلى المربع. وهذا يعني ، "في المتوسط بطبيعته" ، من الأسهل ضمان نشاط التربة السطحية ذات الكتلة الأكبر من تركيز النويدات المشعة الأعلى. ونعم ، بالطبع ، قد يتم تسخين كوكب يمثل قمرًا عملاقًا بفعل تأثيرات المد والجزر (مثل Io) ، لكننا لم نجد حقًا exoloon بعد ، لذلك هذا البديل لا يكاد يكون نموذجيًا.
يتم تحديد الحد الأقصى للحجم من خلال الانتقال إلى العملاق. فوق كتلة معينة ، يبدأ الاحتفاظ (أو حتى التقاط) الهيدروجين والهيليوم ، وعند الإخراج نحصل على نبتون أو حتى كوكب المشتري. تقديرات الكتلة التي يحدث فيها هذا تختلف ، ورأيت الأرقام من 2 إلى 10 كتل الأرض ، ولكن الحد الأقصى الدقيق ، كما سنرى ، ليست مهمة للغاية. إذاً ، خذ فقط نصف القطر العلوي لـ 2 ، أي 13 الف كيلومتر
حسنا ، الماضي. معرفة التركيب الكيميائي التقريبي ("الحجارة" مع المعادن) والحجم ، يمكنك تقدير كثافة الكوكب ، مع مراعاة الضغط. سيكون في مكان ما حوالي 4000-9000 كجم / م
3 .
وقد كتب المقال لموقع https://habr.com . عند النسخ ، يرجى الرجوع إلى المصدر. مؤلف المقال هو يفغيني بوبوخ . B: 1KhPVPHw4XrxtuocDiBbh7KVSJ6nDTHtMq؛ E: 0x3d174b521004B08023E49C216e4fa2f67868210F ؛ L: LZ3bFQHUxBAtpgxcNSfwv61LiwZVx3EGoo أبسط كذلك.
2. السرعة الكونية الأولى على الجسم السماوي من هذا الحجم والكثافة هي 4000 - 20000 م / ث.
3. الوقود المستخدم من قبلهم ، على الأقل في المراحل الأولية من برنامج الفضاء ، بالكاد يختلف كثيرا عن وقودنا. الكيمياء هي نفسها في كل مكان ، وهناك فقط عشرات من الكواشف "الخفيفة" عالية الطاقة والطاقة العالية. ثم يجب أن تقتصر سرعة انتهاء صلاحية محركات الصواريخ "من الناحية العملية" على نفس 4500 م / ث مثلما لدينا.
4. باستخدام صيغة Tsiolkovsky ، نجد أن نسبة
M /
m للصواريخ "الخاصة بهم" ستكون في حدود 2.5 - 85. نأخذ في الاعتبار النقص الهندسي ، الجاذبية وغيرها من الخسائر ، والتي (بالنسبة لنا) تحول النسبة المتوقعة نظريًا
M /
m ≈ 13 لـ البروتون في الثلاثين. أن "لهم" يتحول
M /
م إلى 5 - 200.
5. بما أن الصاروخ ، كما يتضح ، يتكون بشكل رئيسي من الوقود ، فإن قيمة
Q 2 (تُعرف كتلة الحمل زائد الوقود إلى الكتلة الجافة للهيكل) لـ "هم" تبين أيضًا أنها لا تقل عن 5-200.
6. لكن تصميم
Q 2 العالي مكلف. إذا قبلنا الصيغة
C (
Q 2 ) ≈ (
Q 2 +1) 2/4 التي تم الحصول عليها في
الجزء الأول ، اتضح أن الصواريخ "الخاصة بهم" تكون أغلى بـ 9 إلى 10،000 مرة من الشاحنات "الخاصة بهم" (ذات الكتلة نفسها). كل ذلك من حيث الحجم ، بالطبع.
الحدود اليسرى تبدو بلا خوف. ومع ذلك ، يمكن توقع معظم الحالات "النموذجية" أقرب إلى منتصف هذا النطاق. لذلك ، بالنسبة للأرض في الواقع ، هذه النسبة هي ≈ 300.
يمكن أيضًا وصف هذا الاستنتاج بالصيغ التي يظهر فيها حد الربيع بشكل غريبتذكر التعبير عن السرعة الكونية الأولى:
V 1 2 =
GM p /
R. بعد الكشف عن كتلة الكوكب
M p ، نحصل على
V 1 2 = (4
π / 3)
GρR 2 .بعد ذلك ، ما
أنت ؟ في صاروخ كيميائي ،
لا يزيد عن q2
ف ، حيث
q هي القيمة الحرارية للوقود الكيميائي عالي الطاقة. يتبع:
V 1 2 /
u 2 > (4
π / 3)
GρR 2 / q [10]
تذكر الآن أن الأمور تحدث على هذا الكوكب. الكوكب هو شيء من هذا القبيل ، والذي لا يمكن بأي حال من الأحوال أن يأخذ شكل حقيبة أو رجل ثلج ، على عكس الكويكب Ultima Thule
[ 950 ] . لأنه حتى لو أخذ هذا الشكل بطريقة كارثية ، فإن مادة الكوكب "ستطفو" فورًا تحت ضغط وزنها وتعود إلى الحالة الكروية. هذه الخاصية ، في الواقع ، جزء أساسي من تعريف الكوكب
[ 960 ] : "<...> الجسم <...>
ضخم بما يكفي ليكون له شكل كروي تحت تأثير جاذبيته <...>".
على سبيل المثال ، يبلغ الضغط في مركز الأرض
[ 970 ] 3.5 * 10
11 بسكال. هذا أعلى بكثير من قوة الشد
[ 355 ] للمعادن الأكثر ثباتًا - ولهذا السبب تتصرف جميعها في أعماق الكوكب بشكل سائل لزج أكثر من المواد الصلبة.
نقدم "معامل الكواكب" بدون أبعاد
P مساوياً لنسبة الضغط في وسط الكوكب إلى قوة الشد للمواد التي تشكل الكوكب:
P =
p /
σ [15]
بالنسبة للأرض ، يبلغ
P حوالي 1700 ، بالنسبة للمريخ - حوالي 250 ، وحتى بالنسبة للقمر - حوالي 45. بشكل عام ، للكواكب الكبيرة النشطة نشاطًا تكتونيًا (بغض النظر عن التركيب) ،
P > ≈ 1000-3000.
كان هناك مجرد تافه: كتابة صيغة للضغط في وسط الكوكب. في التقريب الأول ، يتم تقدير
p p ρgR / 2 ، حيث
ρ هي كثافة الكوكب ، و
R هو نصف قطرها. بدل هنا
g =
GM /
R 2 و
M = (4
π / 3)
ρR 3 نحصل عليها:
p ≈ (2
π / 3)
Gρ 2 R 2 .
واو! وهذا يشبه إلى حد كبير الصيغة [10]. تقريبا نفس العوامل. ماذا لو مجتمعة؟ سوف تتحول:
V 1 2 /
u 2 > 2
p / (
ρq ) [20]
لكن
p مرتبط بـ "معامل الكواكب". وهي
ع =
σP. استبدل هذا:
V 1 2 /
u 2 > 2
σ / (
ρq )
أعد كتابة قليلا:
V 1 2 /
u 2 > 2
P * (
σ /
ρ ) /
q(
σ /
ρ ) هو الحد الربيعي لمحتوى الطاقة في المادة. صحيح ، إذا كنت بديلاً هنا للمواد الأكثر متانة مثل الجرافين. الصخور الحقيقية هي ليونة ولها محتوى طاقة أقل. دع
K مرات. وهذا يعني ، بالنسبة للكواكب الحقيقية (
σ /
ρ ) هو حد الربيع مقسومًا على
K. ما هو
ف ؟ هذا هو محتوى الطاقة من أفضل الوقود الكيميائي! يساوي ... للوصول إلى الربيع! يتم اختصار حدود الربيع ، ويبقى:
V 1 2 /
u 2 > 2
P /
KK للمواد الحجرية النموذجية هي 100-1000.
P للكواكب الكبيرة - من الألف وعشرات الآلاف. لذلك ، في معظم الكواكب النشطة التكتونية ذات الغلاف الجوي ، تكون السرعة الكونية الأولى أعلى بكثير من السرعة المحددة للتدفق الخارجي للمحرك الكيميائي.
ما هي الاستنتاجات التالية؟
- في النطاق الأدنى من كتل الكواكب المأهولة ، تكون تكلفة الإطلاق في المدار منخفضة نسبيًا. أغلى عشر مرات فقط من تسليم الشحنة نفسها بواسطة الشاحنات.
- بالنسبة لمعظم الكواكب المأهولة ، تبلغ هذه المعلمة عدة مئات ، بالنسبة لنا.
- على أكبر الكواكب ، هو عشرات الآلاف. تقريبا نفس كم يكلفنا إطلاق مسبار الكواكب بسرعة فضائية ثالثة دون مناورة الجاذبية. إذا بدأ الزملاء الفقراء من هذا الكوكب برنامجهم الفضائي في نفس الوقت الذي بدأنا فيه ، فمن الواضح أنهم يحتفلون الآن بإطلاق القمر الصناعي الثالث. وحلم يائس من رحلة مأهولة.
بشكل عام ، على مدى
مجموعة كاملة من المعلمات الواقعية للكواكب المأهولة ، فإن تكلفة وضع الشحنات في المدار مرتفعة بشكل كبير. التعزيز غالي الثمن بالتأكيد للجميع. وبينما نجلس هنا ونقرأ هذا المقال ، في مكان ما في المجرات البعيدة والبعيدة ، تضغط Korolevs و Masks و Browns المحلية ، وربحنا غراماً من الوزن وثواني من النبضات المعينة ، ملعونًا حد الربيع. جميع حضارات الكواكب تقريبًا ، إن وجدت ، مجبرة على حل المشكلة التي تواجهنا الآن: كيفية القفز والالتفاف والزحف تحت حد الربيع.
معظمهم لديهم ثلاث طرق لهذا الغرض.
أو حاول ضغط الربيع حتى النهاية بسبب المواد النانوية والنجاحات في الكيمياء الغريبة. ليست فكرة سيئة.
أو "أطلق النار على وسيط" ، لتطوير فيزياء الطاقة النووية غير النووية. يعجبني هذا ، لكنني أفهم أنه قد يكون مجرد وهم شخصي.
أو تطوير الطاقة النووية. لكن كل شيء سيء هنا. من المحتمل أن تكون المخلوقات الناتجة عن التطور الكيميائي خائفة من الإشعاع بسبب طاقاتها الكمومية ، بأعداد أكبر من طاقة الروابط الكيميائية. نعم ، ربما ، من حيث المبدأ ، يمكنك العثور على وسائل لإصلاح الخلايا الحية ، حتى بالنسبة إلى المحيط الحيوي بأكمله. هناك ، يتسامح Deinococcus radiodurans
[ 980 ] مع جرعات الإشعاع أكبر 10-30 مرة من نظرائه البكتيرية ، مما يثبت نظرية حول الإمكانية الأساسية لإصلاح الحمض النووي في كائن حي. ومع ذلك ، هناك فرق كبير بين بكتيريا واحدة والمحيط الحيوي بأكمله ، وليس بأي حال من الأحوال أنه يمكن التغلب عليها. أنا شخصيا أشك بقوة في ذلك.
هل قلت ثلاث طرق؟ هناك ، ومع ذلك ، رابع. وهي متاحة لنا ، وعدد قليل من المحظوظين.
وهي إلقاء الروبوتات عن بعد على أقرب الأقمار الصناعية. من أجل بناء المدن والمصانع والصواريخ والمحطات من المواد المحلية من قبل قوات هذه الروبوتات ، دون سحبها من قاع البئر الجاذبية لكوكب ثقيل. نحن محظوظون بهذا المعنى. لدينا ، على مسافة حوالي 1.25 ثانية ضوئية ، لدينا قمر. مع كمية هائلة من الموارد. للسيطرة على الروبوت القمري من الأرض على شاشة التلفزيون ، ليست هناك حاجة لأنظمة الذكاء الاصطناعي قوية. هذه مشكلة تم حلها في السبعينيات. ويمكن تحسين هذا الحل بشكل جذري من خلال طلب مساعدة الروبوتات الحديثة والبرمجة والتعلم الآلي. الخطوة التالية هنا ، إلى حد ما ، هي لقراء هبر.
لكن على الأرجح ، لم تحصل كل الحضارات على هذا الحظ. والكثير منهم ليس لديهم قمر قريب.
لماذا أشك بقوة في أنه مع تحسين قدراتنا على اكتشاف الحضارات ، سنرى ، عندما ننظر إلى الفضاء المأهول ، صورة تبدو أكثر وأكثر مثل هذا:
شكرا جزيلا لكم ونتمنى لك التوفيق 2019!
====
لا يمكن كتابة نص بهذا الحجم بدون أخطاء أو أخطاء. إنني أقدر حقًا تعليقاتك وتصحيحاتك المفيدة. أنا سعيد لوجود الكثير من الأشخاص ذوي المعرفة والتفكير.
لكن ، على الأرجح ، هذه آخر مشاركة لي في حبري لمدة عام على الأقل. لأنه لا يمكن لأحد أن ينتهك قانون الحفاظ على الطاقة مع الإفلات من العقاب. وانتهكته لفترة طويلة وبلا رحمة. بعد كل شيء ، فإن كتابة مثل هذا المقال يستغرق عدة أشهر ، والمداولات تستغرق سنوات. وهذا هو العمل الذي يتداخل بجدية مع مهام البقاء على قيد الحياة: العمل ، والمقابلات ، والأسرة ، وإصلاح الرافعات. مضيعة للوقت على نطاق يهدد الحياة الطبيعية والوظيفي. على هابري ، لهذا الجهد ، للأسف ، تعويض ضعيف. أنا لا أبحث عن عمل في روسيا. موضوع المقال غير أساسي. إن محاولة بسيطة لسؤال العملات المشفرة لإكمال الدورة حتى في محور "أنا العلاقات العامة" تسبب مثل هذا القصف من الكرمة لمدة ساعة أخرى - وكنت أذهب للقراءة فقط ، ولن ترى هذا المقال أبدًا.
ومع ذلك ، أنا لا أقول وداعا ، وشكرا مرة أخرى للجميع!
في الختام ، أريد أن أعبر عن شكري الكبير:
- للأصدقاء الذين ساعدوا في قراءة هذا النص قبل نشره: آنا دنبرغ ، دانييل كورنيف ، ديني غورسكي ، يوجين لوسكين ، ايليا م. كرول ، خافريوتشينكو أوليكسي ، مايكل إنتين.
- جامعة ولاية نوفوسيبيرسك لما تبقى في رأسي بعد أن نسيت كل شيء - للحصول على تعليم جيد.
[355]
قوة المواد[945]
أشكال بديلة للكيمياء الحيوية[948]
منطقة مأهولة[950]
كويكب ألتيما ثول ، المعروف أيضًا باسم "رجل الثلج"[960]
"التعريف" الحديث ، pah ، تعريف الكوكب[970]
الضغط في مركز الأرض (والذي يبلغ ارتفاعه ضعف معدل الحصول عليه بتقدير بسيط بكثافة موحدة)[980]
Deinococcus radiodurans ، بكتيريا مقاومة للإشعاع[990]
انتشار العناصر الكيميائية في الكون