Tekanan suhu dan fiksi - bagian 1/3

Catatan ini adalah tentang ruang keadaan materi. Yang, dalam arti tertentu, lebih luas daripada jarak ruang antara benda-benda di ruang angkasa, dan kadang-kadang sama sulitnya untuk diatasi.

Saya ingin menunjukkan bahwa fenomena alam bisa rumit dan tidak sepele bahkan dalam kondisi yang sangat jauh dari duniawi. Bahwa hambatan utama untuk studi mereka bukanlah jarak kosmik, tetapi ketidakmampuan imajinasi kita dan intuisi untuk bekerja dalam kondisi yang tidak dikenal. Kehidupan dan pikiran itu mungkin perlu dicari bukan hanya di permukaan planet-planet mirip bumi, karena mereka hanyalah sebagian kecil dari keanekaragaman alam semesta.

Dan untuk memahami keanekaragaman ini, kecerdasan buatan mungkin diperlukan - mungkin lebih dari roket dan astronotika.

Bagian 1. diagram pT

Lihatlah titik acak di alam semesta. Untuk memahami dengan jelas apa yang terjadi di dalamnya, puluhan parameter fisik harus diukur. Yang paling penting adalah tekanan dan suhu. Mereka menentukan keadaan agregasi suatu zat, dan, karenanya, menentukan proses fisik dan kimia mana yang akan berlaku di dalamnya. Dan ini menentukan geologi, biologi, dan banyak lagi. Dengan mengubah kedua parameter ini sedikit, Anda bisa mendapatkan lingkungan yang benar-benar berbeda dari yang Anda mulai. Tekanan dan suhu adalah dua koordinat "ruang fase". Dan di ruang ini dimungkinkan, sesuai dengan kondisi di setiap titik, untuk menampilkan seluruh Alam Semesta kita.

Semua, tentu saja, saya tidak menggambar. Tetapi beberapa contoh dan lebih atau kurang batas yang dipelajari pada diagram menyebabkan:



Dalam hal suhu, ruang fase yang sudah dikenal meluas dari 0,002 Kelvin dalam lemari pendingin laboratorium ^{[ 670 ]} hingga 30 juta derajat dalam inti bintang kelas O dan plasma termonuklir modern. Batas atas, tentu saja, sangat sewenang-wenang. Jadi, dalam Z-pinch berdenyut, suhunya didorong ^{[ 655 ]} bahkan untuk satu miliar derajat.

Tekanan antara batas bahkan lebih besar: hampir 60 orde besarnya.

Di tepi kiri diagram adalah kondisi di daerah dingin rongga intergalaksi (yang disebut rongga): ~ 10 ^-27 atmosfer, ~ 10 derajat Kelvin ^{[ 270 ] [ 280 ]} . Kepadatan gas ada unit atom hidrogen per meter kubik. Tampaknya konsep tekanan tidak berlaku untuk masalah yang jarang terjadi. Itu hanya ruang hampa dengan sepasang atom yang hilang di dalamnya. Tetapi ingat bahwa vakum adalah media dengan jalur bebas rata-rata molekul lebih besar dari ukurannya (sedang). Kisaran hidrogen sebelum bertabrakan dengan atom lain dalam kekosongan sekitar 1 parsec. Namun, void adalah puluhan mega parsec. Jelas, pada skala seperti itu, hidrogen di dalamnya masih harus dianggap sebagai media kontinu, dengan hidrodinamika, aliran, bunyi dan gelombang kejut. Hanya saja semua ini berskala sangat besar dan, dari sudut pandang manusia, sangat lambat.

Batas kanan dapat ditarik sesuai dengan kondisi di pusat bintang neutron. Perkiraan tekanan dan suhu di dalamnya memberikan 10 ²⁹ atmosfer dan ~ 1 juta Kelvin. Tidak diketahui apa yang sesuai dengan kondisi ini - apakah itu masih neutron, atau sudah berupa cairan quark.

Di dalam alun-alun ini, kondisi di permukaan Mars (0,00636 atm, 214 K), Venus (92 atm, 736 K), Pluto (10 ^-5 atm, 50 K), di pusat Jupiter (3,6 * 10 ⁷ atm, 23 ribu derajat) pas dan Matahari (2,3 * 10 ¹¹ atm dan 1,6 * 10 ⁷ K), di bagian panas dan dingin dari media antarbintang (5 * 10 ^-19 atm, 3 * 10 ⁶ K dan 1 * 10 ^{-1 5} atm, 10 K).

Untuk kenyamanan, kami memperkenalkan penggaris skala. Logaritmik tentu saja. Dalam fraksi perbedaan lengkap dalam parameter dalam gambar. Jika 100% dari kisaran suhu adalah 10 ¹¹ kali, maka 1% dari ini sesuai dengan perbedaan suhu (10 ¹¹ ) ^1/100 = 1,318 kali. Yaitu, pada skala Semesta, kenaikan 1% dari suhu kamar 293 K berarti pemanasan menjadi 1,318 * 293 = 386 K, atau 113 Celcius. Seperti di kamar mandi yang baik.

Menurut tekanan 1% dari perbedaan "Universal", rasionya berarti (10 ⁶⁰ ) ^1/100 = 4,074 kali. Seperti antara permukaan laut dan ketinggian 10 kilometer.

Akhirnya, kita mengambil kondisi "normal" sebagai pusat referensi: tekanan pada 1 atmosfer, suhu pada 293 Kelvin, yaitu 20 celsius.

Dan mari kita lihat perubahan apa dan bagaimana saat pindah dari pusat ini.

Jari-jari meja samping tempat tidur persegi

Tanpa alat bantu, seseorang bertahan hanya dalam kisaran suhu dan tekanan yang sempit ^[10] . Dalam gambar, itu kira-kira diuraikan oleh elips hijau, dan persegi panjang kuning - penghapusan ± 1%.



Sekitar di bawah +10 C, seseorang membeku. Di atas +30 suhu terlalu panas. Pada tekanan di bawah 0,5 atm, hanya sedikit yang bisa hidup dan bekerja. Di atas 4 atmosfer, terjadi anestesi nitrogen, yang dikenal oleh penyelam scuba.

Pada saat yang sama, habitat manusia modern di Bumi jauh lebih luas. Tapi sejarah penyelesaiannya bukan terutama kilometer ekspansi wilayah, tetapi perkembangan media dengan suhu dan tekanan baru. Di mana langkah-langkah serius ada di balik setiap langkah, dirasakan hari ini sebagai hal biasa.

Yang tertua dari teknologi ini berusia puluhan ribu tahun. Ini adalah kemampuan untuk membuat pakaian hangat, rumah portabel, dan, tentu saja, membuat api ^[110] . Berkat trinitas ini, orang-orang melampaui batas bawah dari oval hijau. Dan menetap di sebagian besar Eurasia dan Amerika, termasuk Far North, Greenland, dan Alaska, tempat salju membeku selama puluhan minggu di bawah nol derajat.

Daerah tropis dengan suhu di atas +30 C dihuni untuk waktu yang lama. Tetapi tanpa “penanaman” sanitasi dan kebersihan di antara penduduk, tanpa sistem pembuangan limbah, persediaan air, dan bahkan lemari es yang paling primitif ^{[ 115 ],} mereka masih akan tetap menjadi tempat yang sangat rentan. Tambahkan AC ke gambar - dan dapatkan turis Dubai di tengah gurun yang suram.

Tekanan di bawah 0,5 atmosfer dikuasai dengan percaya diri hanya pada abad ke-20, berkat masuk ke skala industri dua teknologi: penciptaan kamar bertekanan dan sistem pendukung kehidupan. Semua penerbangan penumpang antarbenua, dan sebagian besar koherensi budaya dunia kita, bergantung pada ini. Memang, pada waktu tertentu di udara pada ketinggian 8-12 kilometer ada setengah juta penumpang yang berpindah antar kota di planet kita.

Dalam perkembangan tekanan tinggi, umat manusia hanya mengambil langkah pertama. Ya, dalam percobaan dengan ruang bertekanan, orang-orang hidup di 70 atmosfer ^{[ 130 ]} , dan kapal selam bersembunyi di lautan pada kedalaman hingga setengah kilometer ^{[ 140 ]} . Tapi ini hampir tidak bisa dianggap sebagai kehadiran penuh.

Omong-omong dari ekspansi ini, omong-omong, dapat ditemukan dalam literatur ^{[150], [170], [180], [190] pada} abad ke ^- 19 dan ke-20.

Tidak seperti manusia, hewan penemuan (hampir) tidak. Oleh karena itu, bahkan di Bumi, organisme dipisahkan oleh perbedaan kondisi yang jauh lebih kuat daripada jarak. Beruang kutub melakukan perjalanan rata-rata 3.400 kilometer per tahun ^{[ 360 ]} , tetapi tidak akan pernah menemui kalajengking padang pasir dalam hidupnya. Ikan laut dalam tidak dapat dengan cepat diangkat ke permukaan, dan di area stasiun Vostok sampai penampakan manusia selama jutaan tahun bahkan tidak ada kehidupan mikroba - meskipun bakteri tidak diragukan membawa mereka ke sana oleh angin.

Setelah selesai dengan lingkungan satu persen, mari kita mundur sedikit dan melihat 10%.

Bumi dengan lautan, usus, dan stratosfernya hampir pas ^{[15] [ 580 ] [ 590 ]} menjadi 10% persegi panjang. Kondisi yang cocok untuk manusia muncul dalam skala ini sebagai bintik kecil:



Di sebelah kanan dan di atas tengah, kami menemukan batas teknik mesin, yang ditarik oleh garis oranye. Dari bahan padat yang kita kenal, pada prinsipnya, tidak mungkin untuk membangun perangkat makroskopis dan terus bekerja yang akan tahan terhadap tekanan dan suhu turun ke kanan dan atas kurva ini. Titik jangkarnya adalah:

• Suhu kamar, 27 ribu atmosfer - kekuatan tertinggi ^{[ 680 ]} baja maraging [2800 Baja maraging]. Namun, berlian lebih sulit, tetapi rapuh, dan kita tidak dapat membangun jembatan dan mobil darinya.
• Pada 800-1000 C, kekuatan tertinggi dicapai, tanpa diragukan lagi, oleh paduan tahan panas untuk bilah turbin. Untuk setiap gelar yang mereka menangkan adalah peningkatan efisiensi mesin penerbangan, dan setiap kekuatan pascal adalah pengurangan berat dan kenaikan dalam kargo yang diangkut. Oleh karena itu, perjuangan untuk parameter ini sangat serius. Pada 1050 Celcius paduan ini mampu menahan beban hingga 4 ribu atmosfer ^{[ 690 ]} .
• Dengan lebih banyak pemanasan, daftar bahan struktural menipis, dengan cepat turun menjadi dua: tungsten dan grafit. Pada 3273 K, menurut ^{[ 700 ]} , tungsten masih tahan sekitar 140 atmosfer dalam ketegangan.
• Tantalum carbide TaC mungkin merupakan salah satu zat yang paling sulit disembuhkan. Itu mampu tetap solid hingga ~ 3800 Celcius. Artinya, jika kita benar-benar perlu membuat sesuatu yang mekanis yang bekerja tanpa pendinginan dalam kondisi seperti itu, maka ini masih bisa dilakukan. Tetapi pada 4000 C - itu saja. Tidak keluar dari apapun.

Dalam radius 10%, Anda masih bisa menemukan banyak kesenangan dari sudut pandang harian:

• Pada tekanan ~ 50 atmosfer dan suhu ~ 10 C, Anda akan menemukan bahwa cairan dapat mengapung di atas gas (yaitu, paduan NaK pada xenon terkompresi ^{[ 30 ]} ).
• Jika Anda mendinginkan lingkungan hingga -80 derajat, karbon dioksida yang dihembuskan akan membeku, kereta luncur akan berhenti meluncur di salju, laju sebagian besar reaksi kimia akan melambat ribuan kali, dan pelarut untuk kehidupan hipotetis dalam kondisi seperti itu mungkin ... metil alkohol.
• Di 140 atmosfer, karbon dioksida membentuk danau di dasar lautan kita ^[25] , dan metana yang sedikit lebih tinggi berikatan dengan air dan mengendap dalam bentuk klatrat padat, mirip dengan es ^{[ 28 ]} .
• Semua orang tahu bahwa suara menyebar di udara, tetapi tidak dalam ruang hampa. Tetapi apa yang terjadi jika Anda "pelan-pelan menarik steker dari stopkontak", bergerak dengan lancar dari yang pertama ke yang kedua? Dengan penurunan tekanan, pertama, transmisi suara dari speaker ke udara akan memburuk. Kedua, penyerapan di udara akan meningkat - dan semakin kuat, semakin tinggi frekuensinya ^{[340], [ 350 ]} . Di suatu tempat di ~ 0,3 Pascals (kondisi di Triton) jalur setengah-peluruhan catatan "la" (440 Hertz) akan dikurangi menjadi satu meter. Pemberitahuan suara melalui udara dalam kondisi seperti itu akan menjadi hampir mustahil, belum lagi komunikasi suara.
• Mineral berbatu larut cukup baik dalam uap air super panas. Dan ini justru pembubaran, bukan reaksi kimia. Jadi, pada atmosfer 2000 K dan 2000, kandungan kesetimbangan kuarsa SiO2 dalam uap adalah sekitar 2,2% (menurut [ 710 ]); kelarutan Fe oksida besi dan aluminium Al ₂ O ₃ kira-kira sama. Di planet panas dengan atmosfer uap air, semua mineral ini akan dibawa oleh angin dengan cara yang sama seperti air dalam kondisi kita.
• Dengan penurunan tekanan yang kuat, logam mulai "berenang", berhenti menjadi padat dalam arti teknik: aluminium pada 400-500 atmosfer, baja pada 25 ribu ^{[ 680 ]} , dan basal pada 1-3 ribu atm ^{[ 90 ]} . Tekanan semacam itu di Bumi diciptakan pada kedalaman 4-12 kilometer, yang, pada kenyataannya, menentukan awal transisi dari kerak ke mantel. Oleh karena itu, batuan yang jauh lebih dalam (dan pada skala kilometer) kadang-kadang lebih mudah digambarkan sebagai cairan kental daripada sebagai padatan. Bahkan lebih dalam Anda harus melupakan "ketidakmampatan" makanan padat. Jadi, pada 350 GPa - tekanan di pusat Bumi - tembaga akan dikompresi dalam volume 1,7 kali ^[60] , aluminium - dalam 2,2, timah ^[70] - dalam 2,4.
• Di sebelah kiri dan di bawah titik tripel helium (2,177 K, 5043 Pa), cairan hilang di dunia. Semua materi menjadi padat atau gas. Benar, titik ini masih tidak cocok dengan grafik kami, tetapi saya menerapkan hidrogen (18,84 K, 7040 Pa). Cairan di sebelah kiri dan di bawahnya adalah satuan.

^{[Artikel ini ditulis untuk situs https://geektimes.ru/ . Saat menyalin, silakan merujuk ke aslinya. Penulis artikel ini adalah Evgeny Bobukh. Anda dapat mendukung penulis dengan cryptocurrency di alamat yang ditunjukkan dalam profil .]}

Akhirnya, lihatlah diagram fase hidrogen ^{[ 100 ]} :



Salah satu zat paling sederhana di Alam Semesta menunjukkan setidaknya delapan keadaan berbeda tergantung pada suhu dan tekanan. Bahkan ruang kosong yang dipenuhi dengan hidrogen saja sudah berpotensi delapan dunia yang sangat berbeda! Jadi apa yang bisa kita katakan tentang keanekaragaman keadaan zat yang lebih kompleks?

Dan sekarang tentang sastra dan seni

Dengan menggunakan peringkat [ 380 ], [ 390 ], [ 400 ], saya mengumpulkan beberapa ratus nama karya fiksi ilmiah Barat, Soviet dan Rusia. Ditambahkan ke mereka buku yang dibaca secara langsung. Saya menyaring, hanya menyisakan yang saya ingat dengan jelas, di mana setidaknya dalam satu episode aksi terjadi di luar Bumi, dan di mana dimungkinkan untuk memperkirakan setidaknya urutan besarnya suhu dan tekanan di tempat kejadian.

Dan letakkan di diagram pT:



Pemeriksaannya yang cermat memungkinkan Anda melakukan beberapa pengamatan:

1. Bintik biru berminyak dekat pusat adalah 53% karya yang tindakannya terjadi pada tekanan satu atmosfer dan suhu kamar, akurat terhadap cuaca. Saraksh, Pyrrhus, Dune, Tormans, Leonida, Entsia, Stepyanka, Arkanar - semua dunia alien ini sebenarnya mewakili Bumi dan hanya Bumi. Kami berbicara tentang fiksi luar angkasa , saya ingatkan Anda.

2. Hampir bergabung dengan kelompok ini dari 11% buku, di mana penulis memutuskan untuk menyimpang dari kondisi duniawi dengan sepersekian persen. Katakanlah, “Country of Crimson Clouds” oleh Strugatsky dengan suhu di bawah 90 C dan tekanan ~ 1,1 atmosfer, Petani di Langit (Petani di Langit) Heinlein (sekitar 0,5 atm dan 220 K), atau Asimov, dengan cermat memasukkan tekanan pada 1.05 dari suasana di Baby in the Trap for Simpletons (Sucker's Bait).

3. 11% kisah lainnya dikembangkan di "ruang tanpa udara". Tetapi perkembangan ini tidak tergantung pada apakah tekanan sekitar adalah 10 ^-5 atau 10 ^-20 atmosfer (ini masalahnya, omong-omong: bagaimana membedakan satu dari yang lain dengan bantuan "batu dan tongkat"?) Karena baik penulis maupun cerita tidak menunjukkan perbedaan. tidak, saya menghubungkan semua karya ini dengan tekanan bulan yang sama dari 10 ^{-1 5} atmosfer, dan, di mana tidak ada referensi suhu, nilai kamarnya adalah 293 K.

4. Sekitar 25% buku berisi episode di mana setidaknya satu parameter dihapus secara signifikan dari yang duniawi dan bulan. Ini, misalnya, Clifford Simak, "City" (Clifford Simak, City), bab tentang Jupiter; Boris Stern, "Terobosan Atas Tepi Dunia"; Strugatsky, "Jalan Menuju Amalthea"; Vernor Winge, "Kedalaman di Langit"; Sergey Pavlov, "Pelangi Cahaya Bulan".

5. Buku-buku, di mana bagian penting dari aksi berkembang secara simultan jauh dari suhu dan tekanan duniawi, dan di mana penting, unit-unit. Diantaranya adalah:

• Hal Clement, Dekat dengan Kritis
• Andy Weir, Mars
• Georgy Gurevich, "Undangan ke Zenith"
• Alexander Belyaev, Penjual Udara
• Robert Heinlein, "Saya punya pakaian antariksa - siap untuk bepergian", bab tentang Pluto
• Larry Niven dan Jerry Pournelle, The Mote in God's Eye. Kondisi di bintang di mana kapal asing dicegat adalah perkiraan kasar. Seperti yang Anda lihat, saya bahkan menghitung episode kecil seperti itu.

Ini adalah beberapa persen dari "ruang" fiksi, dan sebagian kecil dari fiksi pada umumnya. Karya-karya kelompok ini sering dibedakan oleh rendahnya nilai artistik, yang, seperti akan kita lihat, memiliki penjelasan yang sangat masuk akal.

6. Tidak ada satu pun karya yang saya kenal dihapus dari ± 25% dari kondisi normal.

Sekilas, bahkan 1% buku dengan lingkungan yang tidak biasa bukanlah angka yang buruk. Tapi lihat pertanyaannya lebih luas. Misalkan seseorang berjanji untuk membuat daftar objek wisata kota. Setelah banyak bekerja, dia menyiapkan dokumen. Di mana 64% dikhususkan untuk fitur-fitur apartemen penulis, 11% dikhususkan untuk atap rumahnya, dan hanya sekitar 5% dari catatan dimulai dengan kata-kata "sekarang mari kita lihat jalan berikutnya ..." Ini bisa menjadi daftar yang indah, bisa luar biasa dan informatif. Tetapi jelas bahwa karena liputan yang sangat tidak merata, hampir tidak ada yang menarik di kota ini dimasukkan dalam daftar ini. Yang sama, sayangnya, adalah sampul fiksi ilmiah modern: banyak poin di dekat "kondisi normal", hit terisolasi di luar mereka, dan ruang luas yang tak tersentuh jauh dari mereka.

Mereka akan menolak saya sekarang dan dengan tepat berpendapat bahwa keutamaan fiksi ilmiah yang baik tidak terletak pada deskripsi fenomena fisik dalam perut Betelgeuse.

Ini benar Kelebihan signifikan dari penulis yang disebutkan terutama dalam studi perilaku manusia dalam menghadapi yang tak terpikirkan dan tidak bisa dipahami. Dalam menciptakan kisah-kisah hebat. Dalam mengantisipasi teknologi dan analisis perkembangan umat manusia. Dalam menemukan ide-ide yang sangat aneh dan mengejutkan bahwa non-standar mereka sudah merupakan nilai yang diakui secara universal. Eksperimen pemikiran Lem, Dick, Strugatsky dan Bradbury, bahkan jika mereka berada pada tekanan satu atmosfer dan suhu kamar murni, kadang-kadang memberi kita untuk memahami manusia dan manusia tidak kurang dari studi di laboratorium yang lengkap. Dan fiksi ilmiah bukanlah fisika. Dia tidak perlu menulis tentang suhu dan tekanan baru. Di Uni Soviet, pada tahun 60-an, mereka mencoba untuk memaksa. Kengerian itu terjadi. Saya punya satu sampel di rak saya. Sangat liar sehingga Anda tidak bisa membuangnya.

Semua ini benar.

Tetapi juga benar bahwa fiksi ilmiah, fiksi ilmiah yang sama yang bahkan 50 tahun yang lalu memanggil orang ke luar angkasa, hari ini jatuh dari mobil terakhir! Kereta realitas fisik telah pergi, dan dia, tanpa memperhatikan ini, terus bermimpi tentang sesuatu sendirian di platform yang dingin. Dan kesenjangan ini meningkat setiap tahun.

Tampaknya fiksi - seperti teknik dan fisiologi manusia - juga memiliki "habitat" sendiri. Ini dapat digambarkan pada diagram pT. Dan dia memiliki batasan sendiri.

Lanjutan