Température et pression de fiction - partie 1/3

Cette note concerne l'espace des états de la matière. Ce qui, dans un sens, est plus large que l'espace des distances entre les objets dans l'espace, et est parfois tout aussi difficile à surmonter.

Je veux montrer que les phénomènes naturels peuvent être complexes et non triviaux même dans des conditions très éloignées de la terre. Que l'obstacle principal à leur étude n'est pas les distances cosmiques, mais l'incapacité de notre imagination et de notre intuition à travailler dans des conditions inconnues. Cette vie et cet esprit peuvent devoir être recherchés non seulement sur les surfaces des planètes semblables à la terre, car ils ne représentent qu'une infime fraction de la diversité de l'univers.

Et que pour comprendre cette diversité, l'intelligence artificielle sera probablement nécessaire - probablement plus que les fusées et l'astronautique.

Partie 1. Diagramme pT

Jetez un œil à un point aléatoire de l'univers. Pour bien comprendre ce qui s'y passe, des dizaines de paramètres physiques doivent être mesurés. Les plus importants d'entre eux sont la pression et la température. Ils déterminent l'état d'agrégation d'une substance et, par conséquent, déterminent quels processus physiques et chimiques y régneront. Et cela détermine la géologie, la biologie et bien plus encore. En modifiant même légèrement ces deux paramètres, vous pouvez obtenir un environnement complètement différent de celui avec lequel vous avez commencé. La pression et la température sont deux coordonnées de "l'espace des phases". Et dans cet espace, il est possible, selon les conditions de chaque point, d'afficher tout notre univers.

Tout, bien sûr, je n'ai pas dessiné. Mais quelques exemples et des limites plus ou moins étudiées sur le diagramme ont causé:



En termes de température, l'espace de phase familier s'étend de 0,002 Kelvin dans les réfrigérateurs de laboratoire ^{[ 670 ]} à 30 millions de degrés dans les noyaux des étoiles de classe O et des plasmas thermonucléaires modernes. La limite supérieure, bien sûr, est très arbitraire. Ainsi, en Z-pincées pulsées, la température est entraînée ^{[ 655 ]} même pour un milliard de degrés.

La pression entre les frontières est encore plus grande: près de 60 ordres de grandeur.

Au bord gauche du diagramme se trouvent les conditions dans les régions froides des vides intergalactiques (les soi-disant vides): ~ 10 ^-27 atmosphères, ~ 10 degrés Kelvin ^{[ 270 ] [ 280 ]} . La densité de gaz y est en unités d'atomes d'hydrogène par mètre cube. Il peut sembler que le concept de pression ne s'applique pas à une telle matière raréfiée. Que c'est juste un vide avec une paire d'atomes perdus dedans. Mais rappelez-vous que le vide est un milieu avec un libre parcours moyen de molécules supérieur à sa taille (moyenne). La plage d'hydrogène avant d'entrer en collision avec un autre atome dans de tels vides est d'environ 1 parsec. Cependant, les vides sont des dizaines de méga parsecs. De toute évidence, à de telles échelles, l'hydrogène doit encore être considéré comme un milieu continu, avec son hydrodynamique, son écoulement, son et les ondes de choc. C'est juste que tout cela est à très grande échelle et, d'un point de vue humain, incroyablement lent.

La frontière droite peut être tracée en fonction des conditions au centre d'une étoile à neutrons. L'estimation de la pression et de la température donne 10 ²⁹ atmosphères et ~ 1 million de Kelvin. On ne sait pas quelle matière correspond à ces conditions - que ce soit encore des neutrons, ou déjà un liquide de quark.

À l'intérieur de ce carré, les conditions à la surface de Mars (0,00636 atm, 214 K), Vénus (92 atm, 736 K), Pluton (10 ^-5 atm, 50 K), au centre de Jupiter (3,6 * 10 ⁷ atm, 23 mille degrés) et le Soleil (2,3 * 10 ¹¹ atm et 1,6 * 10 ⁷ K), dans les parties chaudes et froides du milieu interstellaire (5 * 10 ^-19 atm, 3 * 10 ⁶ K et 1 * ^{10-1 5} atm, 10 K).

Pour plus de commodité, nous introduisons une règle d'échelle. Logarithmique bien sûr. En fractions de la différence complète des paramètres de l'image. Si 100% de la plage de température est 10 ¹¹ fois, alors 1% correspond à une différence de température de (10 ¹¹ ) ^1/100 = 1,318 fois. Autrement dit, à l'échelle de l'Univers, une augmentation de 1% de la température ambiante de 293 K signifie un chauffage à 1,318 * 293 = 386 K, soit 113 Celsius. Comme dans un bon bain.

Selon la pression de 1% de la différence «universelle», le rapport signifie (10 ⁶⁰ ) ^1/100 = 4,074 fois. Comme entre le niveau de la mer et une hauteur de 10 kilomètres.

Enfin, nous prenons les conditions «normales» comme centre de référence: pression à 1 atmosphère, température à 293 Kelvin, soit 20 degrés Celsius.

Et voyons ce qui change et comment en s'éloignant de ce centre.

Le rayon des tables de chevet carrées

Sans dispositifs auxiliaires, une personne ne survit que dans une gamme étroite de températures et de pressions ^[10] . Dans l'image, il est approximativement délimité par une ellipse verte et un rectangle jaune - retrait de ± 1%.



Au-dessous de +10 C, une personne se fige. Au-dessus de +30, il surchauffe. À des pressions inférieures à 0,5 atm, peu peuvent vivre et travailler. Au-dessus de 4 atmosphères, une anesthésie à l'azote, bien connue des plongeurs, se produit.

Dans le même temps, l'habitat humain moderne sur Terre est beaucoup plus large. Mais l'histoire de son peuplement n'est pas principalement des kilomètres d'expansion territoriale, mais le développement de médias avec de nouvelles températures et pressions. Là où des pas sérieux se cachent derrière chaque pas, perçus aujourd'hui comme monnaie courante.

La plus ancienne de ces technologies a des dizaines de milliers d'années. C'est la capacité de faire des vêtements chauds, des logements portables et, bien sûr, de faire du feu ^[110] . Grâce à cette trinité, les gens ont dépassé le bord inférieur de l'ovale vert. Et se sont installés la plupart de l'Eurasie et de l'Amérique, y compris l'Extrême-Nord, le Groenland et l'Alaska, où les gelées vont pendant des semaines des dizaines de degrés en dessous de zéro.

Les tropiques avec des températures supérieures à +30 C sont habités depuis longtemps. Mais sans la «plantation» d'assainissement et d'hygiène parmi la population, sans système d'égouts, sans eau et même sans réfrigérateur le plus primitif ^{[ 115 ],} ils resteraient encore des endroits très vulnérables. Ajoutez la climatisation à l'image - et obtenez un touriste Dubaï au milieu d'un désert sombre.

Les pressions inférieures à 0,5 atmosphère n'ont été maîtrisées en toute confiance qu'au XXe siècle, grâce à l'entrée à l'échelle industrielle de deux technologies: la création de salles sous pression et de systèmes de survie. Toute l'aviation intercontinentale de passagers, et dans une large mesure la cohérence culturelle de notre monde, repose sur cela. En effet, à tout moment dans les airs, à des altitudes de 8 à 12 kilomètres, un demi-million ^{[ 120 ] de} passagers se déplacent entre les villes de notre planète.

Dans le développement de pressions élevées, l'humanité ne fait que les premiers pas. Oui, dans des expériences avec des chambres de pression, les gens vivaient dans 70 atmosphères ^{[ 130 ]} , et les sous-marins se cachent dans les océans à des profondeurs allant jusqu'à un demi-kilomètre ^{[ 140 ]} . Mais cela ne peut guère être considéré comme une présence à part entière.

Soit dit en passant, des échos de cette expansion se trouvent dans la littérature ^{[150], [170], [180], [190] des} XIXe et XXe siècles.

Contrairement aux humains, les animaux d'inventions ne le font (presque) pas. Par conséquent, même sur Terre, les organismes sont séparés par la dissemblance de conditions beaucoup plus fortes que la distance. L'ours polaire parcourt en moyenne 3 400 kilomètres par an ^{[ 360 ]} , mais ne rencontrera jamais un scorpion du désert de sa vie. Les poissons d'eau profonde ne peuvent pas être rapidement remontés à la surface, et dans la zone de la station de Vostok jusqu'à l'apparition des humains pendant des millions d'années, il n'y avait même pas de vie microbienne - bien que les bactéries les aient sans aucun doute transportées là par le vent.

Après avoir terminé avec un quartier à un pour cent, prenons un peu de recul et examinons 10%.

La Terre avec ses océans, ses entrailles et sa stratosphère s'inscrit presque ^{[15] [ 580 ] [ 590 ]} dans un rectangle de 10%. Les conditions adaptées aux humains apparaissent sur cette échelle comme une toute petite tache:



À droite et au-dessus du centre, nous trouvons la limite de l'ingénierie mécanique, dessinée par la ligne orange. À partir de la matière solide que nous connaissons, en principe, il est impossible de construire un appareil macroscopique et fonctionnant en continu qui résisterait aux baisses de pression et de température à droite et en haut de cette courbe. Ses points d'ancrage sont:

• Température ambiante, 27 000 atmosphères - résistance ultime ^{[ 680 ] de} l'acier maraging [2800 Acier maraging]. Le diamant, cependant, est plus dur, mais fragile, et nous ne pouvons pas construire de ponts et de voitures à partir de lui.
• À 800-1000 C, la résistance ultime est obtenue, sans aucun doute, par des alliages résistants à la chaleur pour aubes de turbine. Pour chaque degré, ils gagnent est une augmentation de l'efficacité des moteurs d'aviation, et chaque pascal de force est une réduction de poids et un gain dans la cargaison transportée. Par conséquent, la lutte pour ces paramètres est sérieuse. À 1050 degrés Celsius, ces alliages sont capables de supporter une charge allant jusqu'à 4 000 atmosphères ^{[ 690 ]} .
• Avec plus de chauffage, la liste des matériaux de construction s'amincit, descendant rapidement à deux: le tungstène et le graphite. À 3273 K, selon ^{[ 700 ]} , le tungstène résiste encore à environ 140 atmosphères en tension.
• Le carbure de tantale TaC est probablement l'une des substances les plus réfractaires. Il est capable de rester solide jusqu'à ~ 3800 Celsius. Autrement dit, si nous avons vraiment besoin de créer quelque chose de mécanique qui fonctionne sans refroidissement dans de telles conditions, cela est toujours réalisable. Mais à 4000 C - c'est tout. Pas par rien.

Dans un rayon de 10%, vous pouvez toujours trouver beaucoup de plaisir d'un point de vue quotidien:

• À une pression de ~ 50 atmosphères et une température de ~ 10 C, vous constaterez que le liquide peut flotter sur le gaz (à savoir l'alliage NaK sur le xénon comprimé ^{[ 30 ]} ).
• Si vous refroidissez l'environnement à -80 degrés, le dioxyde de carbone exhalé gèlera, le traîneau cessera de glisser dans la neige, le rythme de la plupart des réactions chimiques ralentira mille fois et le solvant pour la vie hypothétique dans de telles conditions peut être ... l'alcool méthylique.
• Dans 140 atmosphères, le dioxyde de carbone forme des lacs au fond de nos océans ^[25] , et un peu plus de méthane se lie à l'eau et se dépose sous forme de clathrates solides, semblables à la glace ^{[ 28 ]} .
• Tout le monde sait que le son se propage dans l'air, mais pas dans le vide. Mais que se passe-t-il si vous "retirez lentement la fiche de la prise", en passant doucement de la première à la seconde? Avec une baisse de pression, tout d'abord, la transmission du son des haut-parleurs vers l'air va se détériorer. Deuxièmement, l'absorption dans l'air augmentera - et plus elle sera forte, plus la fréquence sera élevée ^{[340], [ 350 ]} . Quelque part à ~ 0,3 Pascals (conditions sur Triton), le chemin de la demi-décroissance de la note "la" (440 Hertz) sera réduit à un mètre. Une notification sonore par voie aérienne dans de telles conditions deviendra presque impossible, sans parler de la communication vocale.
• Les minéraux rocheux se dissolvent assez bien dans la vapeur d'eau surchauffée. Et c'est précisément la dissolution, pas une réaction chimique. Ainsi, à 2000 K et 2000 atmosphères, la teneur en équilibre de quartz SiO ₂ dans la vapeur est d'environ 2,2% (selon [ 710 ]); les solubilités de l'oxyde de fer FeO et de l'aluminium Al ₂ O ₃ sont approximativement les mêmes. Sur une planète chaude avec une atmosphère de vapeur d'eau, tous ces minéraux seront transportés par le vent au même titre que l'eau dans nos conditions.
• Avec de fortes chutes de pression, les métaux commencent à «nager», cessant d'être solides au sens technique: aluminium à 400-500 atmosphères, acier à 25 000 ^{[ 680 ]} et basalte à 1 000 à 1 000 atm ^{[ 90 ]} . De telles pressions dans la Terre sont créées à des profondeurs de 4 à 12 kilomètres, ce qui, en fait, détermine le début de la transition de la croûte au manteau. Par conséquent, les roches beaucoup plus profondes (et à des kilomètres) sont parfois plus faciles à décrire comme un liquide visqueux que comme un solide. Encore plus profondément, vous devez oublier «l'incompressibilité» des solides. Ainsi, à 350 GPa - pression au centre de la Terre - le cuivre sera comprimé en volume 1,7 fois ^[60] , l'aluminium - en 2,2, le plomb ^[70] - en 2,4.
• A gauche et en dessous du point triple de l'hélium (2,177 K, 5043 Pa), les liquides disparaissent dans le monde. Toute matière devient solide ou gazeuse. Certes, ce point ne correspond toujours pas à notre graphique, mais j'ai appliqué de l'hydrogène (18,84 K, 7040 Pa). Les liquides à gauche et en dessous sont des unités.

^{[L'article a été écrit pour le site https://geektimes.ru/ . Lors de la copie, veuillez vous référer à l'original. L'auteur de l'article est Evgeny Bobukh. Vous pouvez soutenir l'auteur avec la crypto-monnaie aux adresses indiquées dans le profil .]}

Enfin, jetez un œil au diagramme de phase hydrogène ^{[ 100 ]} :



L'une des substances les plus simples de l'Univers montre au moins huit états différents selon la température et la pression. Même un espace stupidement rempli d'hydrogène est déjà potentiellement huit mondes très différents! Que dire alors de la diversité des états de substances plus complexes?

Et maintenant sur la littérature et l'art

En utilisant les notes [ 380 ], [ 390 ], [ 400 ], j'ai rassemblé quelques centaines de noms d'œuvres de science-fiction occidentales, soviétiques et russes. Ajouté à eux des livres lus en personne. J'ai filtré, ne laissant que ceux dont je me souviens clairement, où au moins dans un épisode l'action se déroule en dehors de la Terre, et où il est possible d'estimer au moins l'ordre de grandeur de la température et de la pression sur la scène.

Et mettez-les sur le diagramme pT:



Son examen attentif vous permet de faire plusieurs observations:

1. Une tache bleue grasse près du centre représente 53% des œuvres dont l'action se déroule à une pression d'une atmosphère et d'une température ambiante, fidèles aux conditions météorologiques. Saraksh, Pyrrhus, Dune, Tormans, Leonida, Entsia, Stepyanka, Arkanar - tous ces mondes extraterrestres représentent en fait la Terre et seulement la Terre. Nous parlons de fiction spatiale , je vous le rappelle.

2. Presque fusionner avec ce groupe de 11% de livres, où les auteurs ont décidé de s'écarter des conditions terrestres d'une fraction de pour cent. Disons, le «Pays des nuages ​​pourpres» du Strugatsky avec une température inférieure à 90 ° C et une pression de ~ 1,1 atmosphère, un fermier dans le ciel (un fermier dans le ciel) de Heinlein (quelque chose comme 0,5 atm et 220 K), ou Asimov, a méticuleusement entré la pression à 1.05 de l'ambiance sur Baby in the Trap for Simpletons (Sucker's Bait).

3. Un autre 11% des histoires sont développées dans "l'espace sans air". Mais cette évolution ne dépend pas du fait que la pression ambiante soit de 10 ^-5 ou 10 ^-20 atmosphères (voici le problème d'ailleurs: comment distinguer les uns des autres à l'aide de «pierres et bâtons»?) Puisque ni les auteurs ni le récit non, j'ai attribué à tous ces travaux la même pression lunaire de 10 ^{-1 5} atmosphères, et, là où il n'y a aucune référence à la température, sa valeur ambiante est de 293 K.

4. Environ 25% des livres contiennent des épisodes où au moins un paramètre est considérablement supprimé des paramètres terrestres et lunaires. Ceci, par exemple, Clifford Simak, "City" (Clifford Simak, City), le chapitre sur Jupiter; Boris Stern, «Une percée au bord du monde»; Strugatsky, "Le chemin d'Amalthée"; Vernor Winge, «Profondeur dans le ciel»; Sergey Pavlov, «Moonlight Rainbow».

5. Livres, où une partie importante de l'action se développe simultanément loin des températures et des pressions terrestres, et où elle est importante, des unités. Parmi eux:

• Hal Clement, proche du critique
• Andy Weir, le martien
• Georgy Gurevich, «Invitation au zénith»
• Alexander Belyaev, vendeur aérien
• Robert Heinlein, «J'ai une combinaison spatiale - prêt à voyager», chapitres sur Pluton
• Larry Niven et Jerry Pournelle, The Mote in God Eye. Les conditions dans l'étoile où les navires étrangers interceptés sont une estimation approximative. Comme vous pouvez le voir, j'ai même compté de si petits épisodes.

Cela représente quelques pour cent de "l'espace" de fiction, et une fraction d'un pour cent de fiction en général. Les œuvres de ce groupe se distinguent souvent par de faibles mérites artistiques, qui, comme nous le verrons, ont une explication très raisonnable.

6. Aucune œuvre qui m'est familière n'est supprimée au-delà de ± 25% des conditions normales.

À première vue, même 1% des livres avec des environnements inhabituels ne sont pas si mauvais. Mais regardez la question plus largement. Supposons que quelqu'un promette de faire une liste des attractions de la ville. Après beaucoup de travail, elle prépare un document. Dans lequel 64% sont consacrés aux caractéristiques de l'appartement de l'auteur, 11% sont consacrés au toit de sa maison, et seulement 5% environ des notes commencent par les mots "maintenant regardons la prochaine rue ..." Cela peut être une liste merveilleuse, elle peut être magnifique et informative. Mais il est évident qu'en raison de la couverture extrêmement inégale, presque rien d'intéressant dans la ville n'était inclus dans cette liste. La même chose, hélas, est la couverture de la science-fiction moderne: beaucoup de points près des "conditions normales", des coups isolés au-delà, et de vastes espaces intacts loin d'eux.

Ils m'opposeront maintenant et soutiendront à juste titre que les vertus de la bonne science-fiction ne résident pas dans la description des phénomènes physiques dans les entrailles de Bételgeuse.

C'est vrai. Un mérite significatif des auteurs mentionnés réside principalement dans l'étude du comportement humain face à l'impensable et à l'incompréhensible. En créant de grandes histoires. En prévision de la technologie et de l'analyse du développement de l'humanité. En inventant des idées si étranges et surprenantes que leur non standard est déjà une valeur universellement reconnue. Les expériences de pensée de Lem, Dick, Strugatsky et Bradbury, même si elles étaient réglées à une pression d'une atmosphère et à une température purement ambiante, nous ont parfois permis de comprendre l'homme et l'humanité tout autant que des études dans des laboratoires entièrement équipés. Et la science-fiction n'est pas de la physique. Elle n'est pas tenue d'écrire sur les nouvelles températures et pressions. En URSS, dans les années 60, au fait, ils ont essayé de forcer. L'horreur s'est produite. J'ai un échantillon sur mon étagère. Si sauvage que vous ne pouvez pas le jeter.

Tout cela est vrai.

Mais il est également vrai que la science-fiction, la même science-fiction qui, il y a une cinquantaine d'années, appelait les gens dans l'espace, est tombée aujourd'hui de la dernière voiture! Le train de la réalité physique est parti, et elle, sans s'en rendre compte, continue de rêver de quelque chose seule sur une plate-forme froide. Et cet écart augmente chaque année.

Il semble que la fiction - comme l'ingénierie et la physiologie humaine - possède également son propre "habitat". Il peut être tracé sur un diagramme pT. Et il a ses propres limites.

Continuation