Teil 5. Die Größe des Universums
Der vorherige Teil .
Zusammenfassung des vorherigen Teils.Die erdnahe Umlaufbahn ist für uns sehr teuer. Und was ist mit anderen Zivilisationen mit dieser Frage - wenn sie natürlich existieren?
Natürlich kann man über
alle vorstellbaren Formen des Lebens und des Geistes ... nichts sagen. Es gibt einfach so viele nicht fantastische Ideen
[ 945 ] . Sie können jedoch versuchen, die
wahrscheinlichsten Zivilisationen zu berücksichtigen, basierend auf dem, was wir heute wissen und für wahrscheinlich halten. Auch in dieser Form ist die Frage nicht ohne Interesse.
1. Beginnen wir mit „ihrem“ Planeten. Wie sieht sie aus?
Dies ist höchstwahrscheinlich ein Himmelskörper mit einem Durchmesser von 8-13.000 Kilometern, der hauptsächlich aus felsigen Substanzen und Metallen besteht und eine kleine Beimischung von Wasser und anderem Eis enthält. Es dreht sich um einen Stern in einer Entfernung, in der die Sonnenblumentemperatur 250-400 Kelvin beträgt. Der Planet hat eine Atmosphäre mit einem Druck von mindestens 0,1, aber kaum mehr als ein paar hundert Atmosphären. In der Atmosphäre
ist mindestens ein Hundertstel Prozent Kohlendioxid
CO 2 vorhanden. Der Planet ist tektonisch aktiv, seine Dichte beträgt 4-9 g / cm
3 . Die Grundlage der Biochemie sind Wasser und Kohlenstoff.
Klingt schrecklich nach Erde, oder? Mal sehen warum.Ich wiederhole noch einmal: Wir suchen nach der wahrscheinlichsten Ausrichtung. Ja, die Frage ist bei fast jeder Argumentation relevant: "Ist es möglich, das Gegenteil zu tun?" Und die Antwort lautet normalerweise: „Ja, das kannst du. Aber die erste Option wird heute noch als die häufigste angesehen. “
Beginnen wir mit der Biochemie. Wenn allgemein anerkannt wird, dass die Basis des Geistes dort Leben ist und die Basis des Lebens Chemie ist, dann funktioniert diese Chemie in einem flüssigen Lösungsmittel viel besser. Die Moleküle sind nahe beieinander. Freies Mischen. Und wenn das Lösungsmittel „gut“ ist, stabilisiert es auch die „richtigen“ Moleküle. Daher wird Flüssigkeit benötigt. Was sind die Kandidaten?
Schauen Sie sich die chemische Zusammensetzung des Universums an:
(Nach [ 990 ])Welche chemische Verbindung setzt sich in der Reihenfolge der Prävalenz zuerst aus diesen Elementen zusammen? Richtig. Wasser.
H 2 O. Es besteht aus dem ersten und dritthäufigsten Element. Das Folgende ist Methan
CH 4 , halb so oft. Dann Ammoniak
NH 3 , aber in der Natur ist es schon 6 mal weniger als Wasser. Ja, natürlich ist dies ein „durchschnittliches Krankenhaus“. Einzelne Planeten können sich in der chemischen Zusammensetzung unterscheiden. Abgesehen vom Verlust von Wasserstoff sind jedoch eher nicht triviale Annahmen erforderlich, um einen Planeten zu rechtfertigen, auf dem beispielsweise mehr Stickstoff als Sauerstoff vorhanden sein wird. Das Universum als Ganzes ist in seiner Zusammensetzung ziemlich einheitlich. Und Wasser darin ist die häufigste chemische Verbindung. Es ist ziemlich überraschend, dass es manchmal noch Orte gibt, an denen es fast kein Wasser gibt ...
Neben der Prävalenz hat Wasser eine Reihe von Vorteilen gegenüber den zehn besten alternativen Kandidaten. Dies sind: hohe chemische Stabilität; starke Wasserstoffbrücken; das Vorhandensein, aber die mäßige Polarität, was dazu führt, dass eine große Menge an Substanzen ohne Zerstörung aufgelöst und Säure-Base-Reaktionen unterstützt werden können; hohe Wärmekapazität und Verdunstungswärme, Erhöhung der Temperaturstabilität von Gewässern; Transparenz und schließlich die Tatsache, dass Wassereis
leichter als Flüssigkeit ist, sodass Wasser im Winter weniger wahrscheinlich am Boden gefriert.
Daher ist das wahrscheinlichste Lösungsmittel "mit ihnen" Wasser.
Das Wort "Lösungsmittel" bedeutet einen flüssigen Zustand. Dies bedeutet, dass die durchschnittliche Temperatur auf der Oberfläche des Planeten nicht niedriger als mindestens 250 Kelvin sein sollte. Und woher kommt die Obergrenze von 400 K? Es wird durch die Stabilität von Kohlenstoffverbindungen bestimmt. Warum Kohlenstoff? Aus den gleichen Gründen wie mit Wasser. Ja, nicht nur Kohlenstoff kann komplexe Polymere bilden, die mit anderen Elementen „durchsetzt“ sind. Bor, Phosphor, eine Silizium-Sauerstoff-Bindung und sogar eine Reihe von Metallen können dies tun:
Kohlenstoff trifft sie jedoch hunderte und tausende Male in der Häufigkeit des Auftretens und hinterlässt „borisches Leben“, es sei denn, es handelt sich um absolut exotische Nischen.
Da wir hier sind, werden wir noch etwas verstehen. Was ist die häufigste
nicht wasserstoffhaltige flüchtige Verbindung? Die Platte sagt Ihnen: Es ist Kohlendioxid
CO 2 . Natürlich kann sein konkreter Gehalt in der einen oder anderen Atmosphäre (wie Gas) oder Kruste (in Form von Carbonaten) nicht so einfach genannt werden. Es ist jedoch äußerst schwierig, sich einen Planeten mit einer Atmosphäre ohne Wasserstoff und einer normalen Temperatur vorzustellen, auf dem Kohlendioxid (gebunden oder frei) überhaupt nicht vorhanden gewesen wäre. Es sollten mindestens 0,01% gefunden werden.
Und das ist wichtig. Denn die Verbreitung von Kohlendioxid in der Natur legt eine Obergrenze für die Dichte der Atmosphäre fest. Ab einer bestimmten Dicke beginnt die Atmosphäre, in der sogar etwas
CO 2 vorhanden ist , nicht nur aufgrund des Treibhauseffekts zu überhitzen. Es beginnt, das gebundene
CO 2 aus der Kruste zu treiben und sich so mit Beschleunigung aufzuwärmen. Es ist wie auf der Venus. Es ist schwer zu sagen, bei welchem genauen Druck dies auftritt, und alles hängt von vielen Parametern ab. Aber höchstwahrscheinlich sprechen wir über Hunderte von Atmosphären.
Die Atmosphäre des Planeten ist also nicht so dicht wie die eines Riesen. Aber nicht zu dünn. Denn wenn der Druck deutlich unter 0,1 Atmosphäre liegt, wird der Temperaturbereich des Vorhandenseins von Wasser in flüssiger Form stark eingeengt.
In einer Atmosphäre mittlerer Dicke wird das Temperaturregime weitgehend durch Sonnenlicht bestimmt. Dies bedeutet, dass sich der Planet in einer Entfernung um den Stern dreht, in der das natürliche Sonnenlicht die Temperatur auf etwa 250-400 Kelvin hält. In der sogenannten "bewohnbaren Zone"
[ 948 ] .
Wasser, Methan, Ammoniak und andere „Eis“ kondensieren jedoch im Vakuum bei Temperaturen von 250 K und höher nicht gut. Folglich wird es auf dem Gebiet der Planetenbildung nur wenige von ihnen geben, und sie werden nicht die vorherrschenden Bestandteile ihrer Zusammensetzung sein. Dies bedeutet, dass "ihr" Planet aus höher siedenden Substanzen gebildet wird: Metallen und "Steinen", d.h. Oxide (und möglicherweise Carbide) der zehn oben aufgeführten häufigsten Elemente. Von hier aus kennen wir ungefähr die Dichte seiner Substanz.
Außerdem muss ein bewohnter Planet mit chemischer Evolution Milliarden von Jahren lang eine aktive Tektonik aufrechterhalten. Denn sonst fällt das Klima des Planeten mit Wasser und
CO 2 in der Atmosphäre in einen „Eisball“ und / oder einen marsähnlichen Zustand. Der Mond und der Mars im Sonnensystem sind tektonisch lange (fast) tot. Aber Erde und Venus - nein. Dies bedeutet, dass die untere Grenze des Planetendurchmessers irgendwo zwischen Mars und Venus verläuft. Bei Tausenden sind es 8 Kilometer. Ja, ein Überschuss an Radionukliden kann für Erwärmung und Aktivität sorgen und einen viel kleineren Körper. Dies ist jedoch eine etwas weniger wahrscheinliche Lösung. Weil die Menge an radiogener Wärme proportional zum ersten Grad der Masse des Planeten und der Akkretion und Differenzierungswärme zum Quadrat ist. Das heißt, "im Durchschnitt von Natur aus" ist es einfacher, die Aktivität des Untergrunds mit einer größeren Masse als mit einer höheren Konzentration an Radionukliden sicherzustellen. Und ja, natürlich kann ein Planet, der ein Satellit eines Riesen ist, durch Gezeiteneffekte (wie Io) erwärmt werden, aber wir haben noch keinen Exoloon gefunden, daher ist diese Variante kaum typisch.
Die obere Größengrenze wird durch den Übergang zum Gigantismus bestimmt. Ab einer bestimmten Masse beginnt die Retention (oder sogar Abscheidung) von Wasserstoff und Helium, und am Ausgang erhalten wir Neptun oder sogar Jupiter. Schätzungen der Masse, bei der dies geschieht, variieren, ich habe Zahlen von 2 bis ~ 10 Erdmassen gesehen, aber die genaue Obergrenze ist, wie wir sehen werden, nicht so wichtig. Nehmen Sie also einfach den oberen Radius für unsere 2, d. H. 13 Tausend Kilometer.
Nun, der letzte. Wenn Sie die ungefähre chemische Zusammensetzung ("Steine" mit Metallen) und die Größe kennen, können Sie die Dichte des Planeten unter Berücksichtigung der Kompression abschätzen. Es wird irgendwo zwischen 4000-9000 kg / m
3 liegen .
Der Artikel wurde für die Website https://habr.com geschrieben . Bitte beachten Sie beim Kopieren die Quelle. Der Autor des Artikels ist Evgeny Bobukh . B: 1KhPVPHw4XrxtuocDiBbh7KVSJ6nDTHtMq; E: 0x3d174b521004B08023E49C216e4fa2f67868210F; L: LZ3bFQHUxBAtpgxcNSfwv61LiwZVx3EGoo Weiter einfacher.
2. Die erste kosmische Geschwindigkeit auf einem Himmelskörper dieser Größe und Dichte beträgt 4.000 - 20.000 m / s.
3. Der von ihnen verwendete Treibstoff unterscheidet sich zumindest in der Anfangsphase des Weltraumprogramms kaum von unserem. Die Chemie ist überall gleich und es gibt nur ein Dutzend „guter“ Licht- und Hochenergiereagenzien. Und dann sollte die Geschwindigkeit des Auslaufens der Triebwerke „ihrer“ Raketen in der Praxis auf die gleichen ~ 4500 m / s wie bei uns begrenzt werden.
4. Unter Verwendung der Tsiolkovsky-Formel stellen wir fest, dass das
M /
m- Verhältnis für „ihre“ Raketen im Bereich von 2,5 bis 85 liegt. Wir berücksichtigen technische Unvollkommenheiten, Gravitations- und andere Verluste, für die (für uns) das theoretisch erwartete Verhältnis
M /
m ≈ 13 gilt Proton um dreißig. Das für "sie" macht
M /
m zu 5 - 200.
5. Da die Rakete, wie sich herausstellt, hauptsächlich aus Treibstoff besteht, stellt sich heraus, dass der Wert von
Q 2 (definiert als die Masse der Ladung plus Treibstoff zur Trockenmasse der Struktur) für "sie" ebenfalls nicht niedriger als 5-200 ist.
6. Das Design mit hohem
Q 2 ist jedoch teuer. Wenn wir die im
ersten Teil erhaltene Formel
C (
Q 2 ) ≈ (
Q 2 +1) 2/4 akzeptieren, stellt sich heraus, dass „ihre“ Raketen 9- bis 10.000-mal teurer sind als „ihre“ beispielsweise Lastwagen (mit der gleichen Masse). Natürlich alles in der Größenordnung.
Der linke Rand sieht furchtlos aus. Die meisten „typischen“ Fälle sind jedoch näher an der Mitte dieses Bereichs zu erwarten. Für die Erde in Wirklichkeit beträgt dieses Verhältnis also 300.
Diese Schlussfolgerung kann auch durch Formeln beschrieben werden, in denen seltsamerweise die Federgrenze wieder auftrittErinnern Sie sich an den Ausdruck für die erste kosmische Geschwindigkeit:
V 1 2 =
GM p /
R. Nachdem wir die Masse des Planeten
M p offenbart haben, erhalten wir
V 1 2 = (4
π / 3)
GρR 2 .Als nächstes, was bist
du ? In einer chemischen Rakete ist es
nicht mehr als √2
q , wobei
q der Heizwert des chemischen Brennstoffs mit der höchsten Energie ist. Es folgt:
V 1 2 /
u 2 > (4
π / 3)
GρR 2 / q [10]
Denken Sie jetzt daran, dass die Dinge auf dem Planeten geschehen. Ein Planet ist so etwas, das im Gegensatz zum Asteroiden Ultima Thule
[ 950 ] in keiner Weise die Form eines Koffers oder eines Schneemanns annehmen kann. Denn selbst wenn es diese Form auf katastrophale Weise annimmt, wird das Material des Planeten sofort unter dem Druck seines eigenen Gewichts „schweben“ und in den kugelförmigen Zustand zurückkehren. Diese Eigenschaft ist in der Tat ein wesentlicher Bestandteil der Definition des Planeten
[ 960 ] : "<...> der Körper <...>
ist massiv genug, um unter dem Einfluss seiner eigenen Schwerkraft eine Kugelform zu haben <...>".
Zum Beispiel beträgt der Druck im Erdmittelpunkt
[ 970 ] 3,5 * 10
11 Pascal. Dies ist viel höher als die Zugfestigkeit
[ 355 ] der beständigsten Mineralien - aus diesem Grund verhalten sich alle in den Tiefen des Planeten eher wie eine viskose Flüssigkeit als wie feste Substanzen.
Wir führen den dimensionslosen „Planetenkoeffizienten“
P ein , der dem Verhältnis des Drucks in der Mitte des Planeten zur Zugfestigkeit der Materialien entspricht, aus denen der Planet besteht:
P =
p /
σ [15]
Für die Erde beträgt
P ungefähr 1700, für den Mars ungefähr 250 und sogar für den Mond ungefähr 45. Im Allgemeinen ist
P > ≈ 1000-3000 für große, tektonisch aktive Planeten (unabhängig von ihrer Zusammensetzung).
Es gab nur eine Kleinigkeit: die Formel für den Druck in der Mitte des Planeten aufzuschreiben. In erster Näherung wird es als
p ≈
ρgR / 2 geschätzt, wobei
ρ die Dichte des Planeten und
R sein Radius ist. Wenn wir hier
g =
GM /
R 2 und
M = (4
π / 3)
ρR 3 einsetzen , erhalten wir:
p ≈ (2
π / 3)
Gρ 2 R 2 .
Wow! Und das ist der Formel [10] sehr ähnlich. Fast die gleichen Faktoren. Was ist, wenn kombiniert? Es wird sich herausstellen:
V 1 2 /
u 2 > 2
p / (
ρq ) [20]
Aber
p ist an den "Planetenkoeffizienten" gebunden.
P =
σP. Ersetzen Sie dies:
V 1 2 /
u 2 > 2
σ / (
ρq )
Schreibe ein bisschen um:
V 1 2 /
u 2 > 2
P * (
σ /
ρ ) /
q(
σ /
ρ ) ist die Federgrenze des Energiegehalts der Materie. Richtig, wenn Sie hier die haltbarsten Materialien wie Graphen ersetzen. Echte Steine sind weicher und haben weniger Energie. Lass
K mal. Das heißt, für reale Planeten (
σ /
ρ ) ist die Federgrenze geteilt durch
K. Was ist
q ? Dies ist der Energiegehalt des besten chemischen Kraftstoffs! Gleich ... zum Spring Reach! Zwei Federgrenzen werden verkürzt und bleiben:
V 1 2 /
u 2 > 2
P /
K.K für typische Steinmaterialien beträgt 100-1000.
P für große Planeten - von tausend und zehntausenden. Daher ist auf den meisten tektonisch aktiven Planeten mit einer Atmosphäre die erste kosmische Geschwindigkeit signifikant höher als die Grenzgeschwindigkeit des Abflusses eines chemischen Motors.
Welche Schlussfolgerungen folgen?
- Im unteren Massenbereich bewohnter Planeten sind die Kosten für den Start in die Umlaufbahn relativ gering. Nur zehnmal teurer als die Lieferung derselben Ladung per LKW.
- Für die meisten bewohnten Planeten beträgt dieser Parameter wie für uns mehrere hundert.
- Auf den größten Planeten sind es Zehntausende. Ungefähr so viel wie es uns kostet, interplanetare Sonden mit einer dritten Raumgeschwindigkeit ohne Gravitationsmanöver zu starten. Wenn arme Leute von einem solchen Planeten zur gleichen Zeit wie wir ihr Weltraumprogramm begonnen haben, feiern sie jetzt offensichtlich den Start des dritten künstlichen Satelliten. Und träume verzweifelt von einem bemannten Flug.
Im Allgemeinen sind
die Kosten für das Einbringen von Fracht in die Umlaufbahn über
fast den gesamten Bereich realistischer Parameter bewohnter Planeten exponentiell hoch. Booster sind mit ziemlicher Sicherheit für alle teuer. Und während wir hier sitzen und diesen Artikel lesen, drängen irgendwo in den fernen, fernen Galaxien die lokalen Korolevs, Masken und Braunen, gewinnen Gramm Gewicht und Sekunden spezifischen Impulses und fluchen gegen das Frühlingslimit. Fast alle planetarischen Zivilisationen, wenn überhaupt, sind gezwungen, das Problem zu lösen, mit dem wir jetzt konfrontiert sind: wie man springt, herumkommt, unter die Frühlingsgrenze kriecht.
Die meisten von ihnen haben drei Möglichkeiten dafür.
Oder versuchen Sie, die Feder aufgrund von Nanomaterialien und Erfolgen in der exotischen Chemie bis zum Ende zusammenzudrücken. Keine schlechte Idee.
Oder „einen Makler entlassen“ und nichtnukleare Hochenergiephysik entwickeln. Ich mag diesen Weg, aber ich verstehe, dass es nur meine persönliche Illusion sein kann.
Oder Kernenergie entwickeln. Aber hier ist alles schlecht. Kreaturen, die aus der chemischen Evolution resultieren, haben wahrscheinlich Angst vor Strahlung mit ihren Quantenenergien, die um Größenordnungen höher sind als die Energie chemischer Bindungen. Ja, wahrscheinlich finden Sie im Prinzip Mittel zur Reparatur lebender Zellen, auch für die gesamte Biosphäre. Dort toleriert Deinococcus radiodurans
[ 980 ] Strahlungsdosen, die 10- bis 30-mal höher sind als die seiner bakteriellen Gegenstücke, was einen Satz über die grundlegende Möglichkeit der DNA-Reparatur in einem lebenden Organismus belegt. Es gibt jedoch einen großen Unterschied zwischen einem Bakterium und der gesamten Biosphäre, und es ist keineswegs die Tatsache, dass es überwunden werden kann. Ich persönlich bezweifle es sehr.
Habe ich drei Wege gesagt? Es gibt jedoch einen vierten. Es steht uns zur Verfügung und noch ein paar glückliche.
Nämlich, ferngesteuerte Roboter auf die nächsten Satelliten zu werfen. Um Städte, Fabriken, Raketen und Stationen aus lokalen Materialien durch die Kräfte dieser Roboter zu bauen, ohne sie vom Boden des Gravitationsbrunnens eines schweren Planeten zu ziehen. Wir sind in diesem Sinne
sehr glücklich. Wir haben in einer Entfernung von etwa 1,25 Lichtsekunden einen Mond. Mit einem riesigen Vorrat an Ressourcen. Um einen Mondroboter von der Erde aus im Fernsehen zu steuern, sind keine leistungsstarken künstlichen Intelligenzsysteme erforderlich. Dieses Problem wurde bereits in den 1970er Jahren gelöst. Und diese Lösung kann radikal verbessert werden, indem moderne Robotik, Programmierung und maschinelles Lernen um Hilfe gebeten werden. Der nächste Schritt hier ist gewissermaßen für die Leser von Habr.
Aber höchstwahrscheinlich haben nicht alle Zivilisationen so viel Glück gehabt. Und viele von ihnen haben keinen Mond in der Nähe.
Warum vermute ich stark, dass wir, wenn wir unsere Fähigkeit zur Erkennung von Zivilisationen verbessern, beim Betrachten des bewohnten Raums ein Bild sehen werden, das immer mehr so aussieht:
Vielen Dank und ein schönes Jahr 2019!
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Text dieser Größe kann nicht ohne Ungenauigkeiten oder Fehler geschrieben werden. Ich freue mich sehr über Ihre hilfreichen Kommentare und Korrekturen. Ich bin froh, dass es so viele sachkundige und denkende Menschen gibt.
Aber aller Wahrscheinlichkeit nach ist dies mein letzter großer Beitrag auf Habré seit mindestens einem Jahr. Denn man kann das Gesetz der Energieerhaltung nicht ungestraft verletzen. Und ich habe ihn lange und gottlos verletzt. Schließlich dauert das Schreiben eines solchen Artikels viele Monate, und die Beratung dauert Jahre. Und dies ist die Arbeit, die die Aufgaben des Überlebens ernsthaft beeinträchtigt: Arbeit, Interviews, Familie und Reparatur von Kränen. Zeitaufwändig in einer Größenordnung, die das normale Leben und die Karriere gefährdet. Auf Habré wird diese Anstrengung leider schlecht kompensiert. Ich suche keine Arbeit in Russland. Das Thema des Artikels ist nicht zum Kern. Ein einfacher Versuch, Kryptowährungen zu bitten, den Zyklus selbst im „I PR“ -Hub abzuschließen, führt zu einer solchen Bombardierung des Karmas, dass für eine weitere Stunde - und ich würde schreibgeschützt sein und Sie würden diesen Artikel nie sehen.
Trotzdem verabschiede ich mich nicht und nochmals vielen Dank an alle!
Abschließend möchte ich mich ganz herzlich bedanken:
- An Freunde, die geholfen haben, diesen Text vor seiner Veröffentlichung zu lesen: Anna Denburg, Daniel Kornev, Denny Gursky, Eugene Luskin, Ilja M. Krol, Khavryuchenko Oleksiy, Michael Entin.
- Staatliche Universität Nowosibirsk für das, was in meinem Kopf bleibt, nachdem ich alles vergessen habe - für eine qualitativ hochwertige Ausbildung.
[355]
Materialfestigkeit[945]
Alternative Formen der Biochemie[948]
Bewohntes Gebiet[950]
Asteroid Ultima Thule, auch bekannt als "Schneemann"[960] Die
moderne "Definition", pah, die Definition des Planeten[970] Der
Druck im Erdmittelpunkt (der etwa doppelt so hoch ist wie durch eine einfache Schätzung bei gleichmäßiger Dichte)[980]
Deinococcus radiodurans, strahlenresistente Bakterien[990] Die
Verbreitung chemischer Elemente im Universum