Temperatur und Fiktionsdruck - Teil 1/3

Diese Notiz handelt vom Raum der Materiezustände. Was in gewissem Sinne breiter ist als der Raum der Entfernungen zwischen Objekten im Raum und manchmal genauso schwer zu überwinden ist.

Ich möchte zeigen, dass Naturphänomene selbst unter sehr weit von der Erde entfernten Bedingungen komplex und nicht trivial sein können. Dass das Haupthindernis für ihr Studium nicht die kosmischen Entfernungen sind, sondern die Unfähigkeit unserer Vorstellungskraft und Intuition, unter ungewohnten Bedingungen zu arbeiten. Dieses Leben und Geist müssen möglicherweise nicht nur auf den Oberflächen erdähnlicher Planeten gesucht werden, denn sie sind nur ein winziger Bruchteil der Vielfalt des Universums.

Und um diese Vielfalt zu verstehen, wird wahrscheinlich künstliche Intelligenz erforderlich sein - wahrscheinlich mehr als Raketen und Astronautik.

Teil 1. pT-Diagramm

Schauen Sie sich einen zufälligen Punkt im Universum an. Um klar zu verstehen, was darin passiert, müssen Dutzende physikalischer Parameter gemessen werden. Die wichtigsten davon sind Druck und Temperatur. Sie bestimmen den Aggregatzustand eines Stoffes und bestimmen daher, welche physikalischen und chemischen Prozesse darin vorherrschen. Und das bestimmt Geologie, Biologie und vieles mehr. Wenn Sie diese beiden Parameter nur geringfügig ändern, erhalten Sie eine Umgebung, die sich von der Umgebung, mit der Sie begonnen haben, völlig unterscheidet. Druck und Temperatur sind zwei Koordinaten des „Phasenraums“. Und in diesem Raum ist es möglich, je nach den Bedingungen an jedem Punkt unser gesamtes Universum darzustellen.

Alles habe ich natürlich nicht gezeichnet. Aber ein paar Beispiele und mehr oder weniger untersuchte Grenzen im Diagramm verursachten:



In Bezug auf die Temperatur erstreckt sich der bekannte Phasenraum von 0,002 Kelvin in Laborkühlschränken ^{[ 670 ]} bis zu 30 Millionen Grad in den Kernen von Sternen der Klasse O und modernen thermonuklearen Plasmen. Die Obergrenze ist natürlich sehr willkürlich. In gepulsten Z-Quetschungen wird die Temperatur sogar für eine Milliarde Grad angetrieben ^{[ 655 ]} .

Der Druck zwischen den Grenzen ist noch größer: fast 60 Größenordnungen.

Am linken Rand des Diagramms befinden sich die Bedingungen in den kalten Regionen intergalaktischer Hohlräume (die sogenannten Hohlräume): ~ 10 ^-27 Atmosphären, ~ 10 Grad Kelvin ^{[ 270 ] [ 280 ]} . Die Gasdichte dort beträgt Einheiten von Wasserstoffatomen pro Kubikmeter. Es mag den Anschein haben, dass das Konzept des Drucks für solche verdünnten Stoffe nicht gilt. Dass es nur ein Vakuum ist, in dem zwei Atome verloren gehen. Denken Sie jedoch daran, dass Vakuum ein Medium mit einem mittleren freien Pfad von Molekülen ist, der größer als seine (mittlere) Größe ist. Der Bereich von Wasserstoff vor der Kollision mit einem anderen Atom in solchen Hohlräumen beträgt etwa 1 Parsec. Die Hohlräume sind jedoch Dutzende von Megaparsec. Offensichtlich muss Wasserstoff in solchen Maßstäben mit seinen Hydrodynamik-, Strömungs-, Schall- und Stoßwellen immer noch als kontinuierliches Medium betrachtet werden. Es ist nur so, dass all dies sehr groß und aus menschlicher Sicht wahnsinnig langsam ist.

Die rechte Grenze kann gemäß den Bedingungen im Zentrum eines Neutronensterns gezogen werden. Die Schätzung von Druck und Temperatur ergibt 10 ²⁹ Atmosphären und ~ 1 Million Kelvin. Es ist nicht bekannt, welche Materie diesen Bedingungen entspricht - ob es sich noch um Neutronen oder bereits um eine Quarkflüssigkeit handelt.

Innerhalb dieses Quadrats passen die Bedingungen auf der Oberfläche des Mars (0,00636 atm, 214 K), der Venus (92 atm, 736 K), des Pluto ( ^10-5 atm, 50 K) im Zentrum des Jupiter (3,6 * 10 ⁷ atm, 23 Tausend Grad) und die Sonne (2,3 × 10 ¹¹ atm und 1,6 × 10 ⁷ K) in heißen und kalten Teilen des interstellaren Mediums (5 ^× 10 ^–19 atm, 3 × 10 ⁶ K und 1 × 10 ^{–1 5} atm, 10 K).

Der Einfachheit halber führen wir ein Skalenlineal ein. Natürlich logarithmisch. In Bruchteilen der vollständigen Differenz der Parameter im Bild. Wenn 100% des Temperaturbereichs 10 bis ¹¹ Mal beträgt, entspricht 1% davon einer Temperaturdifferenz von (10 ¹¹ ) ^1/100 = 1,318 Mal. Das heißt, auf der Skala des Universums bedeutet ein Anstieg von 1% von Raumtemperatur auf 293 K eine Erwärmung auf 1,318 * 293 = 386 K oder 113 Grad Celsius. Wie in einem guten Bad.

Entsprechend dem Druck von 1% der "universellen" Differenz bedeutet das Verhältnis (10 ⁶⁰ ) ^1/100 = 4,074 mal. Wie zwischen Meeresspiegel und einer Höhe von 10 Kilometern.

Schließlich nehmen wir die "normalen" Bedingungen als Referenzzentrum: Druck bei 1 Atmosphäre, Temperatur bei 293 Kelvin, d.h. 20 Grad Celsius.

Und mal sehen, was und wie sich ändert, wenn wir uns von diesem Zentrum entfernen.

Der Radius der quadratischen Nachttische

Ohne Hilfsmittel überlebt eine Person nur in einem engen Temperatur- und Druckbereich ^[10] . Auf dem Bild wird es ungefähr durch eine grüne Ellipse und ein gelbes Rechteck umrandet - ± 1% Entfernung.



Ungefähr unter +10 ° C friert eine Person ein. Über +30 überhitzt es. Bei Drücken unter 0,5 atm können nur wenige leben und arbeiten. Oberhalb von 4 Atmosphären tritt eine Stickstoffanästhesie auf, die Tauchern bekannt ist.

Gleichzeitig ist der moderne menschliche Lebensraum auf der Erde viel breiter. Die Geschichte seiner Besiedlung ist jedoch nicht in erster Linie eine kilometerlange territoriale Expansion, sondern die Entwicklung von Medien mit neuen Temperaturen und Belastungen. Wo hinter jedem Schritt ernsthafte Schritte stehen, die heute als alltäglich empfunden werden.

Die älteste dieser Technologien ist Zehntausende von Jahren alt. Dies ist die Fähigkeit, warme Kleidung, tragbare Gehäuse und natürlich Feuer zu machen ^[110] . Dank dieser Dreifaltigkeit gingen die Menschen über den unteren Rand des grünen Ovals hinaus. Und besiedelte den größten Teil Eurasiens und Amerikas, einschließlich des hohen Nordens, Grönlands und Alaskas, wo der Frost wochenlang mehrere zehn Grad unter Null liegt.

Tropen mit Temperaturen über +30 ° C sind lange Zeit bewohnt. Aber ohne das „Pflanzen“ von Hygiene und Hygiene in der Bevölkerung, ohne ein Abwassersystem, eine Wasserversorgung und sogar einen primitivsten Kühlschrank ^{[ 115 ]} wären sie immer noch sehr gefährdete Orte. Fügen Sie dem Bild eine Klimaanlage hinzu - und holen Sie sich ein touristisches Dubai mitten in einer trostlosen Wüste.

Drücke unter 0,5 Atmosphären wurden erst im 20. Jahrhundert dank des Eintritts zweier Technologien in den industriellen Maßstab sicher gemeistert: der Schaffung von Druckräumen und lebenserhaltenden Systemen. Darauf beruht die gesamte interkontinentale Passagierluftfahrt und weitgehend die kulturelle Kohärenz unserer Welt. Tatsächlich bewegen sich zu jeder Zeit in der Luft in Höhen von 8 bis 12 Kilometern eine halbe Million ^{[ 120 ]} Passagiere zwischen Städten unseres Planeten.

Bei der Entwicklung eines hohen Drucks unternimmt die Menschheit nur die ersten Schritte. Ja, bei Experimenten mit Druckkammern lebten Menschen in 70 Atmosphären ^{[ 130 ]} , und U-Boote verstecken sich in den Ozeanen in Tiefen von bis zu einem halben Kilometer ^{[ 140 ]} . Dies kann jedoch kaum als vollwertige Präsenz angesehen werden.

Echos dieser Erweiterung finden sich übrigens in der Literatur ^{[150], [170], [180], [190] des} 19. und 20. Jahrhunderts.

Im Gegensatz zu Menschen tun Tiere von Erfindungen (fast) nicht. Selbst auf der Erde sind Organismen daher durch die Verschiedenartigkeit der Bedingungen getrennt, die viel stärker sind als die Entfernung. Der Eisbär legt durchschnittlich 3400 Kilometer pro Jahr zurück ^{[ 360 ]} , wird aber in seinem Leben niemals einem Wüstenskorpion begegnen. Tiefseefische können nicht schnell an die Oberfläche gebracht werden, und im Gebiet der Wostok-Station gab es bis zum Erscheinen des Menschen über Millionen von Jahren nicht einmal ein mikrobielles Leben - obwohl die Bakterien sie zweifellos vom Wind dorthin getragen haben.

Nachdem wir mit einem Viertel Prozent fertig sind, treten wir einen Schritt zurück und schauen uns 10% an.

Die Erde mit ihren Ozeanen, Eingeweiden und Stratosphäre passt fast ^{[15] [ 580 ] [ 590 ]} in ein 10% iges Rechteck. Für den Menschen geeignete Bedingungen erscheinen in dieser Größenordnung als winziger Fleck:



Rechts und oberhalb der Mitte finden wir die Grenze des Maschinenbaus, die durch die orange Linie gezogen wird. Aus dem uns bekannten Feststoff ist es im Prinzip unmöglich, ein makroskopisches und kontinuierlich arbeitendes Gerät zu bauen, das Druck- und Temperaturabfällen rechts und oben in dieser Kurve standhält. Seine Ankerpunkte sind:

• Raumtemperatur, 27.000 Atmosphären - Endfestigkeit ^{[ 680 ] von} Maraging-Stahl [2800 Maraging-Stahl]. Diamant ist jedoch schwieriger, aber zerbrechlich, und wir können daraus keine Brücken und Autos bauen.
• Bei 800-1000 ° C wird die Endfestigkeit zweifellos durch hitzebeständige Legierungen für Turbinenschaufeln erreicht. Mit jedem Grad, den sie gewinnen, wird die Effizienz von Flugtriebwerken gesteigert, und jeder Pascal an Stärke ist eine Gewichtsreduzierung und eine Zunahme der transportierten Fracht. Daher ist der Kampf um diese Parameter ernst. Bei 1050 Grad Celsius können diese Legierungen eine Last von bis zu 4.000 Atmosphären aufnehmen ^{[ 690 ]} .
• Mit zunehmender Erwärmung wird die Liste der Strukturmaterialien dünner und sinkt schnell auf zwei: Wolfram und Graphit. Bei 3273 K hält Wolfram nach ^{[ 700 ]} noch etwa 140 Atmosphären unter Spannung stand.
• Tantalcarbid TaC ist wahrscheinlich eine der feuerfestesten Substanzen. Es kann bis zu ~ 3800 Grad Celsius solide bleiben. Das heißt, wenn wir wirklich etwas Mechanisches schaffen müssen, das unter solchen Bedingungen ohne Kühlung funktioniert, dann ist dies immer noch irgendwie machbar. Aber bei 4000 ° C - das war's. Nicht aus irgendetwas heraus.

In einem Radius von 10% können Sie aus täglicher Sicht immer noch viel Spaß finden:

• Bei einem Druck von ~ 50 Atmosphären und einer Temperatur von ~ 10 ° C können Sie feststellen, dass die Flüssigkeit auf Gas schwimmen kann (nämlich die NaK-Legierung auf komprimiertem Xenon ^{[ 30 ]} ).
• Wenn Sie die Umgebung auf -80 Grad abkühlen, gefriert das ausgeatmete Kohlendioxid, der Schlitten rutscht nicht mehr im Schnee, das Tempo der meisten chemischen Reaktionen verlangsamt sich tausendmal und das Lösungsmittel für ein hypothetisches Leben unter solchen Bedingungen kann ... Methylalkohol sein.
• In 140 Atmosphären bildet Kohlendioxid am Grund unserer Ozeane Seen ^[25] , und etwas höheres Methan bindet an Wasser und setzt sich in Form von festen Clathraten ab, ähnlich wie Eis ^{[ 28 ]} .
• Jeder weiß, dass sich Schall in der Luft ausbreitet, aber nicht im luftleeren Raum. Aber was passiert, wenn Sie "langsam den Stecker aus der Steckdose ziehen" und sich reibungslos von der ersten zur zweiten bewegen? Bei einem Druckabfall verschlechtert sich zum einen die Schallübertragung von den Lautsprechern in die Luft. Zweitens nimmt die Absorption in der Luft zu - und je stärker, desto höher die Frequenz ^{[340] [ 350 ]} . Irgendwo bei ~ 0,3 Pascal (Bedingungen auf Triton) wird der Pfad des Halbzerfalls der Note „la“ (440 Hertz) auf einen Meter reduziert. Unter solchen Bedingungen wird eine akustische Benachrichtigung durch die Luft fast unmöglich, ganz zu schweigen von der Sprachkommunikation.
• Felsige Mineralien lösen sich recht gut in überhitztem Wasserdampf. Und das ist genau Auflösung, keine chemische Reaktion. Bei 2000 K und 2000 Atmosphären beträgt der Gleichgewichtsgehalt von Quarz-SiO ₂ im Dampf etwa 2,2% (gemäß [ 710 ]); Die Löslichkeiten von Eisenoxid FeO und Aluminium Al ₂ O ₃ sind ungefähr gleich. Auf einem heißen Planeten mit einer Atmosphäre aus Wasserdampf werden all diese Mineralien unter unseren Bedingungen vom Wind genauso getragen wie Wasser.
• Mit starken Druckabfällen beginnen Metalle zu „schwimmen“ und sind im technischen Sinne nicht mehr fest: Aluminium bei 400-500 Atmosphären, Stahl bei 25.000 ^{[ 680 ]} und Basalt bei 1-3.000 atm ^{[ 90 ]} . Solche Drücke in der Erde werden in Tiefen von 4 bis 12 Kilometern erzeugt, was tatsächlich den Beginn des Übergangs von der Kruste zum Mantel bestimmt. Daher sind viel tiefere (und kilometerlange) Gesteine ​​manchmal leichter als viskose Flüssigkeit als als Feststoff zu beschreiben. Noch tiefer muss man die "Inkompressibilität" von Festkörpern vergessen. Bei 350 GPa - Druck im Erdmittelpunkt - wird Kupfer im 1,7-fachen Volumen komprimiert ^[60] , Aluminium in 2,2, Blei ^[70] in 2,4.
• Links und unterhalb des Tripelpunkts von Helium (2,177 K, 5043 Pa) verschwinden Flüssigkeiten in der Welt. Alle Materie wird entweder fest oder gasförmig. Dieser Punkt passte zwar immer noch nicht in unser Diagramm, aber ich habe Wasserstoff (18,84 K, 7040 Pa) angewendet. Die Flüssigkeiten links und darunter sind Einheiten.

^{[Der Artikel wurde für die Website https://geektimes.ru/ geschrieben . Bitte beachten Sie beim Kopieren das Original. Der Autor des Artikels ist Evgeny Bobukh. Sie können den Autor mit Kryptowährung an den im Profil angegebenen Adressen unterstützen.]}

Schauen Sie sich abschließend das Wasserstoffphasendiagramm an ^{[ 100 ]} :



Eine der einfachsten Substanzen im Universum zeigt je nach Temperatur und Druck mindestens acht verschiedene Zustände. Sogar ein Raum, der nur dumm mit Wasserstoff gefüllt ist, besteht möglicherweise aus acht sehr unterschiedlichen Welten! Was können wir also über die Vielfalt der Zustände komplexerer Substanzen sagen?

Und jetzt zu Literatur und Kunst

Unter Verwendung der Bewertungen [ 380 ], [ 390 ], [ 400 ] habe ich einige hundert Namen westlicher, sowjetischer und russischer Science-Fiction-Werke zusammengestellt. Hinzu kommen Bücher, die persönlich gelesen werden. Ich habe gefiltert und nur diejenigen zurückgelassen, an die ich mich noch genau erinnere, wo mindestens in einer Episode die Aktion außerhalb der Erde stattfindet und wo es möglich ist, mindestens die Größenordnung der Temperatur und des Drucks am Tatort abzuschätzen.

Und setzen Sie sie auf das pT-Diagramm:



Ihre sorgfältige Untersuchung ermöglicht es Ihnen, mehrere Beobachtungen zu machen:

1. Ein fettiger blauer Fleck in der Nähe des Zentrums macht 53% der Arbeiten aus, deren Wirkung bei einem wettergenauen Druck von einer Atmosphäre und Raumtemperatur stattfindet. Saraksh, Pyrrhus, Düne, Tormans, Leonida, Entsia, Stepyanka, Arkanar - all diese fremden Welten repräsentieren tatsächlich die Erde und nur die Erde. Wir sprechen über Weltraum- Fiktion, erinnere ich Sie.

2. Verschmelzen Sie fast mit dieser Gruppe von 11% der Bücher, bei denen die Autoren beschlossen, um einen Bruchteil eines Prozent von den irdischen Bedingungen abzuweichen. Sagen wir, das „Land der purpurroten Wolken“ des Strugatsky mit einer Temperatur unter 90 ° C und einem Druck von ~ 1,1 Atmosphären, ein Bauer am Himmel (ein Bauer am Himmel) von Heinlein (etwa 0,5 atm und 220 K) oder Asimov traten akribisch in den Druck ein bei 1,05 der Atmosphäre auf Baby in der Falle für Simpletons (Sucker's Bait).

3. Weitere 11% der Geschichten werden im "luftlosen Raum" entwickelt. Diese Entwicklung hängt jedoch nicht davon ab, ob der Umgebungsdruck 10 ^-5 oder 10 ^-20 Atmosphären beträgt (hier ist übrigens das Problem: Wie kann man mit Hilfe von „Steinen und Stöcken“ voneinander unterscheiden?), Da weder die Autoren noch die Geschichte den Unterschied erzählen nein, ich habe all diesen Arbeiten den gleichen Monddruck von ^{10-1 5} Atmosphären zugeschrieben, und wenn es keine Hinweise auf die Temperatur gibt, beträgt sein Raumwert 293 K.

4. Ungefähr 25% der Bücher enthalten Episoden, in denen mindestens ein Parameter signifikant von irdischen und Mondparametern entfernt ist. Dies ist zum Beispiel Clifford Simak, "Stadt" (Clifford Simak, Stadt), das Kapitel über Jupiter; Boris Stern, "Ein Durchbruch über den Rand der Welt"; Strugatsky, "Der Weg nach Amalthea"; Vernor Winge, "Tiefe im Himmel"; Sergey Pavlov, "Moonlight Rainbow".

5. Bücher, in denen sich ein wesentlicher Teil der Handlung gleichzeitig weit entfernt von irdischen Temperaturen und Drücken entwickelt und in denen es wichtig ist, Einheiten. Unter ihnen sind:

• Hal Clement, fast kritisch
• Andy Weir, der Marsmensch
• Georgy Gurevich, "Einladung zum Zenit"
• Alexander Belyaev, Luftverkäufer
• Robert Heinlein, „Ich habe einen Raumanzug - bereit zu reisen“, Kapitel über Pluto
• Larry Niven und Jerry Pournelle, Der Mote in Gottes Auge. Die Bedingungen im Stern, unter denen die außerirdischen Schiffe abgefangen haben, sind eine grobe Schätzung. Wie Sie sehen können, habe ich sogar so kleine Folgen gezählt.

Dies ist ein paar Prozent der Fiktion "Raum" und ein Bruchteil eines Prozent der Fiktion im Allgemeinen. Die Werke dieser Gruppe zeichnen sich oft durch geringe künstlerische Verdienste aus, was, wie wir sehen werden, eine sehr vernünftige Erklärung hat.

6. Keine einzige mir vertraute Arbeit wird über ± 25% der normalen Bedingungen hinaus entfernt.

Auf den ersten Blick ist sogar 1% der Bücher mit ungewöhnlichen Umgebungen keine so schlechte Zahl. Aber schauen Sie sich die Frage weiter an. Angenommen, jemand verspricht, eine Liste der Sehenswürdigkeiten der Stadt zu erstellen. Nach viel Arbeit bereitet sie ein Dokument vor. 64% widmen sich den Merkmalen der Wohnung des Autors, 11% dem Dach seines Hauses, und nur etwa 5% der Notizen beginnen mit den Worten "Jetzt schauen wir uns die nächste Straße an ...". Dies kann eine wunderbare Liste sein, sie kann großartig und informativ sein. Es ist jedoch offensichtlich, dass aufgrund der extrem ungleichmäßigen Abdeckung fast nichts Interessantes in der Stadt in diese Liste aufgenommen wurde. Das gleiche gilt leider für das Cover der modernen Science-Fiction: viele Punkte in der Nähe der "normalen Bedingungen", isolierte Treffer dahinter und weite unberührte Räume weit entfernt von ihnen.

Sie werden jetzt gegen mich protestieren und zu Recht argumentieren, dass die Tugenden guter Science-Fiction nicht in der Beschreibung physikalischer Phänomene im Darm von Betelgeuse liegen.

Es stimmt. Ein wesentlicher Verdienst der genannten Autoren liegt vor allem in der Untersuchung des menschlichen Verhaltens angesichts des Undenkbaren und Unverständlichen. Bei der Erstellung großartiger Geschichten. In Erwartung der Technologie und Analyse der Entwicklung der Menschheit. Bei der Erfindung von Ideen, die so seltsam und überraschend sind, dass ihr Nichtstandard bereits ein allgemein anerkannter Wert ist. Die Gedankenexperimente von Lem, Dick, Strugatsky und Bradbury, selbst wenn sie auf einen Druck von einer Atmosphäre und reiner Raumtemperatur eingestellt waren, gaben uns manchmal das Verständnis von Mensch und Mensch nicht weniger als Studien in voll ausgestatteten Labors. Und Science Fiction ist keine Physik. Sie muss nicht über neue Temperaturen und Drücke schreiben. In der UdSSR, in den 60er Jahren, versuchten sie übrigens irgendwie zu zwingen. Der Schrecken geschah. Ich habe eine Probe in meinem Regal. So wild, dass man es nicht wegwerfen kann.

Das alles ist wahr.

Es ist aber auch wahr, dass Science Fiction, dieselbe Science Fiction, die noch vor etwa 50 Jahren Menschen in den Weltraum gerufen hat, heute aus dem letzten Auto gefallen ist! Der Zug der physischen Realität ist abgereist, und ohne dies zu bemerken, träumt sie weiterhin von etwas allein auf einer kalten Plattform. Und diese Kluft nimmt von Jahr zu Jahr zu.

Es scheint, dass Fiktion - wie Ingenieurwesen und menschliche Physiologie - auch einen eigenen "Lebensraum" hat. Es kann auf einem pT-Diagramm gezeichnet werden. Und er hat seine eigenen Grenzen.

Fortsetzung