Bagian 5. Skala alam semesta
Bagian sebelumnya .
Ringkasan dari bagian sebelumnya.Orbit Near-Earth sangat mahal bagi kami. Dan bagaimana dengan peradaban lain dengan pertanyaan ini - jika mereka, tentu saja, ada?
Tentu saja, tentang
semua bentuk kehidupan dan pikiran yang bisa dibayangkan, orang dapat mengatakan ... tidak ada. Ada begitu banyak ide yang tidak fantastis di luar sana
[ 945 ] . Tetapi Anda dapat mencoba mempertimbangkan peradaban yang
paling mungkin , berdasarkan apa yang kita ketahui dan yakini saat ini. Bahkan dalam bentuk ini, pertanyaannya bukan tanpa minat.
1. Mari kita mulai dengan planet "mereka". Seperti apa dia?
Ini kemungkinan besar adalah benda angkasa dengan diameter 8-13 ribu kilometer, yang sebagian besar terdiri dari zat dan logam berbatu, dengan campuran kecil air dan es lainnya. Itu berputar di sekitar bintang pada jarak di mana suhu bunga matahari 250-400 Kelvin. Planet ini memiliki atmosfer dengan tekanan paling sedikit .10.1, tetapi tidak lebih dari beberapa ratus atmosfer. Paling tidak seperseratus persen karbon dioksida
CO 2 ada di atmosfer. Planet ini aktif secara tektonik, kepadatannya 4-9 g / cm
3 . Dasar biokimia ada air dan karbon.
Kedengarannya mengerikan seperti Bumi, kan? Mari kita lihat mengapa.Saya ulangi sekali lagi: kami mencari keselarasan yang paling mungkin. Ya, pertanyaan itu relevan di hampir setiap sudut argumen: "Apakah mungkin melakukan yang sebaliknya?" Dan jawabannya biasanya adalah: “Ya, Anda bisa. Tetapi opsi pertama masih dianggap yang paling umum saat ini. "
Mari kita mulai dengan biokimia. Jika secara umum diterima bahwa dasar pikiran ada kehidupan, dan dasar kehidupan adalah kimia, maka kimia ini bekerja jauh lebih baik dalam pelarut cair. Molekul-molekul itu berdekatan satu sama lain. Pencampuran gratis. Dan jika pelarut itu "baik", itu juga menstabilkan molekul "benar". Karena itu, diperlukan cairan. Apa saja kandidatnya?
Lihatlah komposisi kimia alam semesta:
(Menurut [ 990 ])Dalam urutan prevalensi, senyawa kimia mana yang terdiri dari unsur-unsur ini terlebih dahulu? Benar Air
H 2 O. Itu terbuat dari elemen pertama dan ketiga yang paling umum. Berikut ini adalah metana
CH4 , setengahnya lebih sering. Kemudian amonia
NH 3 , tetapi di alam sudah 6 kali lebih sedikit dari air. Ya, tentu saja, ini adalah "rumah sakit biasa", planet individu mungkin berbeda dalam komposisi kimianya. Namun, terlepas dari hilangnya hidrogen, asumsi yang agak nonvivial diperlukan untuk membenarkan sebuah planet di mana, katakanlah, akan ada lebih banyak nitrogen daripada oksigen. Alam semesta secara keseluruhan memiliki komposisi yang cukup seragam. Dan air di dalamnya adalah senyawa kimia yang paling umum. Agak mengejutkan bahwa kadang-kadang masih ada tempat di mana hampir tidak ada air ...
Selain prevalensi, air memiliki sejumlah keunggulan dibandingkan dengan sepuluh kandidat alternatif teratas. Ini adalah: stabilitas kimia yang tinggi; ikatan hidrogen yang kuat; kehadiran, tetapi polaritas sedang, yang mengarah pada kemampuan untuk larut tanpa merusak sejumlah besar zat dan mendukung reaksi asam-basa; kapasitas panas tinggi dan panas penguapan, meningkatkan stabilitas suhu badan air; transparansi dan, akhirnya, fakta bahwa es air
lebih ringan daripada cairan, sehingga air di musim dingin cenderung beku ke bawah.
Oleh karena itu, pelarut yang paling mungkin "bersama mereka" adalah air.
Kata "pelarut" berarti keadaan cair. Ini berarti bahwa suhu rata-rata di permukaan planet ini tidak boleh lebih rendah dari setidaknya 250 Kelvin. Dan dari mana batas atas 400 K berasal? Itu ditentukan oleh stabilitas senyawa karbon. Mengapa karbon? Untuk alasan yang sama dengan air. Ya, bukan hanya karbon yang dapat membentuk polimer kompleks yang "diselingi" dengan elemen lain. Boron, fosfor, ikatan silikon-oksigen, dan bahkan sejumlah logam dapat melakukan ini:
Namun, karbon mengenai mereka dalam frekuensi kemunculannya ratusan dan ribuan kali, meninggalkan "kehidupan borik" kecuali ceruk yang benar-benar eksotis.
Karena kita di sini, kita akan mengerti satu hal lagi. Apa senyawa volatil
non- hidrogen yang paling umum? Pelat memberitahu Anda: itu adalah karbon dioksida
CO 2 . Tentu saja, konten konkretnya di atmosfer satu atau lainnya (seperti gas) atau kerak (dalam bentuk karbonat) tidak dapat disebut begitu sederhana. Tetapi sangat sulit membayangkan sebuah planet dengan atmosfer non-hidrogen dan suhu normal, di mana karbon dioksida (terikat atau bebas) tidak akan sama sekali. Setidaknya 0,01% harus ditemukan.
Dan itu penting. Untuk prevalensi karbon dioksida di alam membebankan batas atas pada kepadatan atmosfer. Mulai dari ketebalan tertentu, atmosfer, di mana bahkan ada sedikit
CO 2 , tidak akan mulai terlalu panas karena efek rumah kaca. Ini akan mulai mengusir
CO 2 yang terikat keluar dari kerak dan dengan demikian pemanasan dengan percepatan. Seperti di Venus. Sulit untuk mengatakan pada tekanan apa tepatnya ini terjadi, dan itu semua tergantung pada banyak parameter. Tetapi kemungkinan besar, kita berbicara tentang ratusan atmosfer.
Jadi, atmosfer planet ini tidak setebal raksasa. Tapi tidak terlalu kurus. Karena, jika tekanan secara signifikan kurang dari 0,1 atmosfer, kisaran suhu keberadaan air dalam bentuk cair menyempit tajam.
Dalam atmosfer dengan ketebalan sedang, rezim suhu sangat ditentukan oleh sinar matahari. Ini berarti bahwa planet berputar mengelilingi bintang pada jarak di mana sinar matahari alami menjaga suhu sekitar 250-400 Kelvin yang sama. Dalam apa yang disebut "zona layak huni"
[ 948 ] .
Tetapi air, metana, amoniak dan "es" lainnya tidak mengembun dengan baik dalam ruang hampa pada suhu 250 K dan lebih tinggi. Akibatnya, di bidang pembentukan planet akan ada beberapa dari mereka, dan mereka tidak akan menjadi komponen utama dari komposisinya. Ini berarti bahwa planet "mereka" akan terbentuk dari zat-zat dengan titik didih yang lebih tinggi: logam dan "batu", mis. oksida (dan mungkin karbida) dari sepuluh unsur paling umum yang tercantum di atas. Dari sini kita secara kasar mengetahui kepadatan zatnya.
Lebih jauh, planet yang dihuni dengan evolusi kimia harus mempertahankan tektonik aktif selama miliaran tahun. Karena sebaliknya iklim planet dengan air dan
CO 2 di atmosfer jatuh ke dalam "bola es" dan / atau keadaan seperti Mars. Bulan dan Mars di Tata Surya secara tektonik telah lama mati. Tapi Bumi dan Venus - tidak. Ini berarti bahwa batas bawah diameter planet melewati suatu tempat antara Mars dan Venus. Melihat ribuan, jaraknya 8 kilometer. Ya, kelebihan radionuklida dapat memberikan pemanasan dan aktivitas dan tubuh yang jauh lebih kecil. Tetapi ini adalah solusi yang agak kurang mungkin. Karena jumlah panas radiogenik sebanding dengan tingkat pertama dari massa planet ini, dan pertambahan dan panas diferensiasi ke kuadrat. Artinya, "rata-rata secara alami" lebih mudah untuk memastikan aktivitas lapisan tanah dengan massa yang lebih besar daripada dengan konsentrasi radionuklida yang lebih tinggi. Dan ya, tentu saja, sebuah planet yang merupakan satelit raksasa mungkin dipanaskan oleh efek pasang surut (seperti Io), tetapi kita belum benar-benar menemukan pelepasan, jadi varian ini hampir tidak khas.
Batas atas ukuran ditentukan oleh transisi ke gigantisme. Di atas massa tertentu, retensi (atau bahkan penangkapan) hidrogen dan helium dimulai, dan pada output kita mendapatkan Neptunus atau bahkan Jupiter. Perkiraan massa di mana hal ini terjadi bervariasi, saya melihat angka dari 2 hingga ~ 10 massa bumi, tetapi batas atas yang tepat, seperti yang akan kita lihat, tidak begitu penting. Jadi, ambil saja jari-jari atas untuk 2 kita, mis. 13 ribu kilometer.
Nah, yang terakhir. Mengetahui perkiraan komposisi kimia ("batu" dengan logam) dan ukuran, Anda dapat memperkirakan kepadatan planet ini, dengan mempertimbangkan kompresi. Itu akan berada di suatu tempat sekitar 4000-9000 kg / m
3 .
Artikel ini ditulis untuk situs https://habr.com . Saat menyalin, silakan merujuk ke sumbernya. Penulis artikel ini adalah Evgeny Bobukh . B: 1KhPVPHw4XrxtuocDiBbh7KVSJ6nDTHtMq; E: 0x3d174b521004B08023E49C216e4fa2f67868210F; L: LZ3bFQHUxBAtpgxcNSfwv61LiwZVx3EGoo Lebih sederhana.
2. Kecepatan kosmik pertama pada benda langit dengan ukuran dan kepadatan ini adalah 4.000 - 20.000 m / s.
3. Bahan bakar yang digunakan oleh mereka, setidaknya pada tahap awal program luar angkasa, hampir tidak berbeda dari kita. Kimia sama di mana-mana, dan hanya ada selusin pereaksi "baik" yang ringan dan berenergi tinggi. Dan kemudian kecepatan berakhirnya mesin rudal "mereka" dalam praktiknya harus dibatasi hingga yang sama ~ 4.500 m / s seperti milik kita.
4. Dengan menggunakan rumus Tsiolkovsky, kami menemukan bahwa rasio
M /
m untuk rudal "mereka" akan berada di kisaran 2.5 - 85. Kami memperhitungkan ketidaksempurnaan rekayasa mesin, gravitasi dan kerugian lainnya, yang (bagi kami) mengubah rasio yang diharapkan secara teoritis
M /
m ≈ 13 untuk Proton pukul tiga puluh. Itu untuk "mereka" mengubah
M /
m menjadi 5 - 200.
5. Karena roket ternyata terdiri terutama dari bahan bakar, nilai
Q 2 (didefinisikan sebagai massa beban ditambah bahan bakar ke massa kering struktur) untuk "mereka" juga ternyata tidak lebih rendah dari 5-200.
6. Tapi desain
Q 2 tinggi mahal. Jika kita menerima formula
C (
Q 2 ) ≈ (
Q 2 +1) 2/4 yang diperoleh di bagian
pertama , ternyata rudal "mereka" adalah 9 hingga 10.000 kali lebih mahal daripada "mereka", katakanlah, truk (dengan massa yang sama). Semua dalam urutan besarnya, tentu saja.
Perbatasan kiri terlihat tanpa rasa takut. Namun, sebagian besar kasus "khas" dapat diperkirakan lebih dekat ke tengah kisaran ini. Jadi, untuk Bumi pada kenyataannya, rasio ini adalah ≈300.
Kesimpulan ini juga dapat dijelaskan dengan rumus di mana, anehnya, Spring Limit muncul kembaliIngat ungkapan untuk kecepatan kosmik pertama:
V 1 2 =
GM p /
R. Setelah mengungkap massa planet
Mp , kita memperoleh
V 1 2 = (4
π / 3)
GρR 2 .Selanjutnya, apa yang
kamu ? Dalam sebuah roket kimia, itu
tidak lebih dari
q2 q , di mana
q adalah nilai kalor dari bahan bakar kimia berenergi tertinggi. Berikut ini:
V 1 2 /
u 2 > (4
π / 3)
GρR 2 / q [10]
Sekarang ingatlah bahwa segala sesuatu terjadi di planet ini. Sebuah planet adalah hal semacam itu, yang sama sekali tidak dapat berbentuk koper atau manusia salju, tidak seperti asteroid Ultima Thule
[ 950 ] . Untuk bahkan jika mengambil bentuk ini dalam beberapa cara bencana, materi planet akan segera "mengambang" di bawah tekanan beratnya sendiri dan kembali ke keadaan bola. Properti ini, pada kenyataannya, adalah bagian kunci dari definisi planet
[ 960 ] : "<...> tubuh <...>
cukup besar untuk memiliki bentuk bulat di bawah pengaruh gravitasinya sendiri <...>".
Misalnya, tekanan di pusat bumi adalah
[ 970 ] 3,5 * 10
11 pascals. Ini jauh lebih tinggi daripada kekuatan tarik
[ 355 ] dari mineral yang paling persisten - untuk alasan apa semuanya di kedalaman planet ini berperilaku lebih seperti cairan kental daripada zat padat.
Kami memperkenalkan "koefisien planet" berdimensi yang sama dengan rasio tekanan di pusat planet terhadap kekuatan tarik material yang menyusun planet ini:
P =
p /
σ [15]
Untuk Bumi,
P adalah sekitar 1700, untuk Mars - 250, dan bahkan untuk Bulan - sekitar 45. Secara umum, untuk planet-planet besar yang aktif secara tektonik (terlepas dari komposisi),
P > ≈ 1000-3000.
Ada hal sepele: menuliskan formula untuk tekanan di pusat planet ini. Dalam perkiraan pertama, diperkirakan sebagai
p ≈
ρgR / 2 , di mana
ρ adalah kepadatan planet ini, dan
R adalah jari-jarinya. Mengganti di sini
g =
GM /
R 2 dan
M = (4
π / 3)
ρR 3 kita dapatkan:
p ≈ (2
π / 3)
Gρ 2 R 2 .
Wow! Dan ini sangat mirip dengan formula [10]. Faktor yang hampir sama. Bagaimana jika digabungkan? Itu akan berubah:
V 1 2 /
u 2 > 2
p / (
ρq ) [20]
Tetapi
p terkait dengan "koefisien planet". Yaitu,
p =
σP. Gantikan ini:
V 1 2 /
u 2 > 2
σ / (
ρq )
Tulis ulang sedikit:
V 1 2 /
u 2 > 2
P * (
σ /
ρ ) /
q(
σ /
ρ ) adalah batas pegas dari kandungan energi materi. Benar, jika Anda mengganti di sini bahan yang paling tahan lama seperti graphene. Batuan asli lebih lunak dan memiliki kandungan energi lebih sedikit. Biarkan
K. kali. Artinya, untuk planet nyata (
σ /
ρ ) adalah Batas Musim Semi dibagi dengan
K. Apa itu
q ? Ini adalah kandungan energi bahan bakar kimia terbaik! Setara ... dengan Jangkauan Musim Semi! Dua Batas Musim Semi diperpendek, dan tetap:
V 1 2 /
u 2 > 2
P /
KK untuk bahan batu khas adalah 100-1000.
P untuk planet besar - dari seribu dan puluhan ribu. Oleh karena itu, pada sebagian besar planet tektonik aktif dengan atmosfer, kecepatan kosmik pertama secara signifikan lebih tinggi daripada kecepatan membatasi arus keluar dari mesin kimia.
Apa kesimpulannya?
- Di kisaran yang lebih rendah dari massa planet yang dihuni, biaya peluncuran ke orbit relatif rendah. Hanya sepuluh kali lebih mahal daripada mengirimkan barang yang sama dengan truk.
- Untuk sebagian besar planet yang berpenghuni, parameter ini beberapa ratus, seperti untuk kita.
- Di planet terbesar, jumlahnya puluhan ribu. Hampir sama dengan berapa biaya kita untuk meluncurkan probe antarplanet dengan kecepatan ruang ketiga tanpa manuver gravitasi. Jika orang-orang miskin dari planet seperti itu memulai program luar angkasa mereka pada saat yang sama dengan kita, sekarang mereka jelas merayakan peluncuran tentang satelit buatan ketiga. Dan dengan putus asa memimpikan penerbangan berawak.
Secara umum, di
hampir seluruh jajaran parameter realistis planet yang dihuni, biaya untuk memasukkan kargo ke orbit secara eksponensial tinggi. Booster hampir pasti mahal untuk semua orang. Dan sementara kita duduk di sini dan membaca artikel ini, di suatu tempat di galaksi yang jauh, jauh, Korolevs lokal, Topeng dan Brown mendorong, memenangkan gram berat dan detik impuls spesifik, mengutuk terhadap Batas Musim Semi. Hampir semua peradaban planet, jika ada, dipaksa untuk menyelesaikan masalah yang sekarang kita hadapi: bagaimana cara melompat, berkeliling, merangkak di bawah Batas Musim Semi.
Kebanyakan dari mereka memiliki tiga cara untuk ini.
Atau coba peras pegas hingga akhir karena nanomaterial dan kesuksesan dalam kimia eksotis. Bukan ide yang buruk.
Atau "pecat broker", mengembangkan fisika energi tinggi non-nuklir. Saya suka cara ini, tetapi saya mengerti bahwa itu mungkin hanya ilusi pribadi saya.
Atau kembangkan energi nuklir. Tapi semuanya buruk di sini. Makhluk yang dihasilkan dari evolusi kimia cenderung takut radiasi dengan energi kuantumnya, urutan besarnya lebih tinggi daripada energi ikatan kimia. Ya, mungkin, pada prinsipnya, Anda dapat menemukan cara memperbaiki sel hidup, bahkan untuk seluruh biosfer. Di sana, Deinococcus radiodurans
[ 980 ] mentolerir dosis radiasi 10-30 kali lebih besar daripada rekan-rekan bakteri, membuktikan teorema tentang kemungkinan mendasar perbaikan DNA dalam organisme hidup. Namun, ada perbedaan besar antara satu bakteri dan seluruh biosfer, dan itu sama sekali bukan fakta bahwa itu dapat diatasi. Saya pribadi sangat meragukannya.
Apakah saya mengatakan tiga cara? Namun, ada yang keempat. Ini tersedia untuk kita, dan beberapa yang lebih beruntung.
Yaitu, untuk membuang robot telecontrolled pada satelit terdekat. Untuk membangun kota, pabrik, roket, stasiun dari bahan-bahan lokal oleh kekuatan robot-robot ini, tanpa menyeret mereka dari dasar sumur gravitasi sebuah planet yang berat. Kami dalam hal ini
sangat beruntung. Kami, pada jarak sekitar 1,25 detik cahaya, memiliki bulan. Dengan pasokan sumber daya yang besar. Untuk mengendalikan robot bulan dari Bumi di TV, sistem kecerdasan buatan yang kuat tidak diperlukan. Ini adalah masalah yang dipecahkan pada tahun 1970-an. Dan solusi ini dapat ditingkatkan secara radikal dengan meminta bantuan robotika modern, pemrograman, dan pembelajaran mesin. Langkah selanjutnya di sini, dalam arti tertentu, adalah untuk para pembaca Habr.
Tapi, kemungkinan besar, tidak semua peradaban beruntung. Dan banyak dari mereka tidak memiliki bulan di dekatnya.
Mengapa saya sangat curiga bahwa, ketika kemampuan kita untuk mendeteksi peradaban meningkat, kita, ketika kita melihat ruang yang dihuni, akan melihat gambar yang terlihat lebih dan lebih seperti ini:
Terima kasih banyak dan semoga menyenangkan 2019!
====
Teks dengan ukuran ini tidak dapat ditulis tanpa ketidakakuratan atau kesalahan. Saya sangat menghargai komentar dan koreksi Anda yang sangat membantu. Saya senang bahwa ada begitu banyak orang yang berpengetahuan dan berpikir.
Tapi, dalam semua kemungkinan, ini adalah pos besar terakhir saya di Habré selama setidaknya satu tahun. Karena seseorang tidak dapat melanggar hukum kekekalan energi dengan impunitas. Dan saya sudah lama melanggarnya dan tidak bertuhan. Lagi pula, menulis artikel seperti itu membutuhkan waktu berbulan-bulan, dan pertimbangannya membutuhkan waktu bertahun-tahun. Dan ini adalah pekerjaan yang secara serius mengganggu tugas bertahan hidup: pekerjaan, wawancara, keluarga dan perbaikan crane. Memakan waktu pada skala yang mengancam kehidupan dan karier normal. Pada Habré upaya ini, sayangnya, tidak mendapat kompensasi. Saya tidak mencari pekerjaan di Rusia. Topik artikel ini adalah non-inti. Upaya sederhana untuk meminta cryptocurrency menyelesaikan siklus bahkan di hub "I PR" menyebabkan pemboman karma sedemikian rupa sehingga selama satu jam lagi - dan saya akan membaca-saja, dan Anda tidak akan pernah melihat artikel ini.
Meskipun demikian, saya tidak mengucapkan selamat tinggal, dan terima kasih lagi untuk semua orang!
Sebagai kesimpulan, saya ingin membuat ucapan terima kasih yang luar biasa:
- Kepada teman-teman yang membantu membaca teks ini sebelum diterbitkan: Anna Denburg, Daniel Kornev, Denny Gursky, Eugene Luskin, Ilya M. Krol, Khavryuchenko Oleksiy, Michael Entin.
- Novosibirsk State University atas apa yang tersisa di kepala saya setelah saya lupa segalanya - untuk pendidikan yang berkualitas.
[355]
Kekuatan bahan[945]
Bentuk alternatif biokimia[948]
Daerah yang dihuni[950]
Asteroid Ultima Thule, alias "manusia salju"[960]
"Definisi" modern, pah, definisi planet[970]
Tekanan di pusat bumi (sekitar dua kali lebih tinggi dari yang diperoleh dengan perkiraan sederhana dengan kerapatan seragam)[980]
Deinococcus radiodurans, bakteri yang tahan radiasi[990]
Prevalensi unsur-unsur kimia di alam semesta