Pressão de temperatura e ficção - parte 1/3

Esta nota é sobre o espaço dos estados da matéria. Que, em certo sentido, é mais amplo que o espaço de distâncias entre os objetos no espaço e, às vezes, é igualmente difícil de superar.

Quero mostrar que os fenômenos naturais podem ser complexos e não triviais, mesmo em condições muito distantes da terra. Que o principal obstáculo ao estudo deles não são as distâncias cósmicas, mas a incapacidade de nossa imaginação e intuição de trabalhar em condições desconhecidas. Que a vida e a mente talvez precisem ser buscadas não apenas nas superfícies de planetas semelhantes à Terra, pois são apenas uma pequena fração da diversidade do universo.

E que para entender essa diversidade, a inteligência artificial provavelmente será necessária - provavelmente mais do que foguetes e astronáutica.

Parte 1. Diagrama pT

Dê uma olhada em um ponto aleatório do universo. Para entender claramente o que está acontecendo nele, dezenas de parâmetros físicos devem ser medidos. O mais importante deles são pressão e temperatura. Eles determinam o estado de agregação de uma substância e, portanto, determinam quais processos físicos e químicos prevalecerão nela. E isso determina geologia, biologia e muito, muito mais. Ao alterar esses dois parâmetros, mesmo que ligeiramente, você pode obter um ambiente completamente diferente daquele em que você começou. Pressão e temperatura são duas coordenadas do "espaço de fase". E neste espaço é possível, de acordo com as condições de cada ponto, exibir todo o nosso universo.

Tudo, é claro, eu não desenhei. Mas alguns exemplos e limites mais ou menos estudados no diagrama causaram:



Em termos de temperatura, o familiar espaço de fase se estende de 0,002 Kelvin nos refrigeradores de laboratório ^{[ 670 ]} a 30 milhões de graus nos núcleos das estrelas da classe O e nos plasmas termonucleares modernos. O limite superior, é claro, é muito arbitrário. Assim, em pinças em Z pulsadas, a temperatura é conduzida ^{[ 655 ]} mesmo para um bilhão de graus.

A pressão entre os limites é ainda maior: quase 60 ordens de magnitude.

Na extremidade esquerda do diagrama estão as condições nas regiões frias dos vazios intergalácticos (os chamados vazios): ~ 10 a 27 atmosferas, ~ 10 graus Kelvin ^{[ 270 ] [ 280 ]} . A densidade do gás existem unidades de átomos de hidrogênio por metro cúbico. Pode parecer que o conceito de pressão não se aplique a essa matéria rarefeita. Que é apenas um vácuo com um par de átomos perdidos nele. Mas lembre-se de que o vácuo é um meio com um caminho livre médio de moléculas maior que seu tamanho (médio). A faixa de hidrogênio antes de colidir com outro átomo em tais vazios é de cerca de 1 parsec. No entanto, os vazios são dezenas de mega parsecs. Obviamente, nessas escalas, o hidrogênio nelas ainda deve ser considerado um meio contínuo, com sua hidrodinâmica, fluxo, som e ondas de choque. Só que tudo isso é muito amplo e, do ponto de vista humano, incrivelmente lento.

O limite direito pode ser traçado de acordo com as condições no centro de uma estrela de nêutrons. A estimativa de pressão e temperatura fornece 10 ²⁹ atmosferas e ~ 1 milhão de Kelvin. Não se sabe que matéria corresponde a essas condições - se ainda são nêutrons ou já são líquidos de quarks.

Dentro deste quadrado, as condições na superfície de Marte (0,00636 atm, 214 K), Vênus (92 atm, 736 K), Plutão (10 ^-5 atm, 50 K), no centro de Júpiter (3,6 * 10 ⁷ atm, 23 mil graus) se encaixam e o Sol (2,3 * 10 ¹¹ atm e 1,6 * 10 ⁷ K), nas partes quentes e frias do meio interestelar (5 * 10 ^-19 atm, 3 * 10 ⁶ K e 1 * 10 ^{-1 5} atm, 10 K).

Por conveniência, apresentamos uma régua de escala. Logarítmica, é claro. Em frações da diferença completa nos parâmetros na imagem. Se 100% da faixa de temperatura for 10 ¹¹ vezes, 1% corresponderá a uma diferença de temperatura de (10 ¹¹ ) ^1/100 = 1,318 vezes. Ou seja, na escala do Universo, um aumento de 1% da temperatura ambiente de 293 K significa aquecimento para 1.318 * 293 = 386 K, ou 113 Celsius. Como em um bom banho.

De acordo com a pressão de 1% da diferença "Universal", a relação significa (10 ⁶⁰ ) ^1/100 = 4.074 vezes. Como entre o nível do mar e uma altura de 10 quilômetros.

Finalmente, tomamos as condições "normais" como centro de referência: pressão em 1 atmosfera, temperatura em 293 Kelvin, ou seja, 20 celsius.

E vamos ver o que e como muda quando se afasta deste centro.

O raio das mesas de cabeceira quadradas

Sem dispositivos auxiliares, uma pessoa sobrevive apenas em uma faixa estreita de temperaturas e pressões ^[10] . Na figura, é delineado aproximadamente por uma elipse verde e um retângulo amarelo - remoção de ± 1%.



Aproximadamente abaixo de +10 C, uma pessoa congela. Acima de +30 superaquece. Em pressões abaixo de 0,5 atm, poucos podem viver e trabalhar. Acima de 4 atmosferas, ocorre anestesia com nitrogênio, bem conhecida pelos mergulhadores.

Ao mesmo tempo, o habitat humano moderno na Terra é muito mais amplo. Mas a história de seu assentamento não é primariamente quilômetros de expansão territorial, mas o desenvolvimento da mídia com novas temperaturas e pressões. Onde passos sérios estão por trás de cada passo, hoje percebidos como comuns.

A mais antiga dessas tecnologias tem dezenas de milhares de anos. Essa é a capacidade de fazer roupas quentes, caixas portáteis e, é claro, fazer fogo ^[110] . Graças a essa trindade, as pessoas foram além da borda inferior do oval verde. E instalou a maior parte da Eurásia e da América, incluindo o extremo norte, a Groenlândia e o Alasca, onde as geadas duram semanas dezenas de graus abaixo de zero.

Trópicos com temperaturas acima de +30 C são habitados por um longo tempo. Mas sem o “plantio” de saneamento e higiene entre a população, sem um sistema de esgoto, abastecimento de água e até mesmo uma geladeira mais primitiva ^{[ 115 ],} eles ainda permaneceriam lugares muito vulneráveis. Acrescente ar condicionado à imagem - e obtenha um turista em Dubai no meio de um deserto sombrio.

Pressões abaixo de 0,5 atmosferas foram dominadas com segurança somente no século 20, graças a duas tecnologias que entram na escala industrial: a criação de salas pressurizadas e sistemas de suporte à vida. Toda a aviação intercontinental de passageiros e, em grande medida, a coerência cultural de nosso mundo, se baseia nisso. De fato, em um dado momento no ar, em altitudes de 8 a 12 quilômetros, há meio milhão de passageiros em movimento entre as cidades do nosso planeta.

No desenvolvimento de altas pressões, a humanidade está dando apenas os primeiros passos. Sim, em experimentos com câmaras de pressão, as pessoas viviam em 70 atmosferas ^{[ 130 ]} , e os submarinos se escondiam nos oceanos a profundidades de até meio quilômetro ^{[ 140 ]} . Mas isso dificilmente pode ser considerado uma presença completa.

Os ecos dessa expansão, a propósito, podem ser encontrados na literatura ^{[150], [170], [180], [190] dos séculos} XIX e XX.

Ao contrário dos humanos, os animais de invenções (quase) não. Portanto, mesmo na Terra, os organismos são separados pela dissimilaridade de condições muito mais fortes que a distância. O urso polar viaja uma média de 3400 quilômetros por ano ^{[ 360 ]} , mas nunca encontrará um escorpião do deserto em sua vida. Os peixes de profundidade não podem ser rapidamente levantados para a superfície e, na área da estação de Vostok, até o aparecimento dos seres humanos por milhões de anos, não havia nem mesmo uma vida microbiana - embora as bactérias os levassem para lá pelo vento.

Depois de terminar com um bairro de um por cento, vamos recuar um pouco e dar uma olhada em 10%.

A Terra, com seus oceanos, intestinos e estratosfera, quase se encaixa ^{[15] [ 580 ] [ 590 ]} em um retângulo de 10%. As condições adequadas para seres humanos aparecem nessa escala como uma pequena mancha:



À direita e acima do centro, encontramos o limite da engenharia mecânica, traçado pela linha laranja. A partir de matéria sólida conhecida por nós, em princípio, é impossível construir um dispositivo macroscópico e de trabalho contínuo que possa suportar quedas de pressão e temperatura à direita e no topo desta curva. Seus pontos de ancoragem são:

• Temperatura ambiente, 27 mil atmosferas - resistência máxima ^{[ 680 ] de} aço maraging [2800 maraging steel]. O diamante, no entanto, é mais difícil, mas frágil, e não podemos construir pontes e carros a partir dele.
• A 800-1000 C, a força máxima é alcançada, sem dúvida, por ligas resistentes ao calor para pás de turbinas. Para todos os níveis que eles ganham, há um aumento na eficiência dos motores de aviação, e todo pascal de força é uma redução no peso e um ganho na carga transportada. Portanto, a luta por esses parâmetros é séria. A 1050 Celsius, essas ligas são capazes de suportar uma carga de até 4 mil atmosferas ^{[ 690 ]} .
• Com mais aquecimento, a lista de materiais estruturais diminui, diminuindo rapidamente para dois: tungstênio e grafite. A 3273 K, de acordo com ^{[ 700 ]} , o tungstênio ainda suporta cerca de 140 atmosferas em tensão.
• O carboneto de tântalo TaC é provavelmente uma das substâncias mais refratárias. É capaz de permanecer sólido até ~ 3800 Celsius. Ou seja, se realmente precisamos criar algo mecânico que funcione sem resfriamento nessas condições, isso ainda é viável. Mas a 4000 C - é isso. Não fora de nada.

Em um raio de 10%, você ainda pode encontrar muita diversão do ponto de vista diário:

• A uma pressão de ~ 50 atmosferas e a uma temperatura de ~ 10 C, você encontrará que o líquido pode flutuar no gás (a liga NaK no xenônio comprimido ^{[ 30 ]} ).
• Se você esfriar o ambiente a -80 graus, o dióxido de carbono expirado congelará, o trenó deixará de deslizar na neve, o ritmo da maioria das reações químicas diminuirá mil vezes e o solvente para uma vida hipotética nessas condições pode ser ... álcool metílico.
• Em 140 atmosferas, o dióxido de carbono forma lagos no fundo de nossos oceanos ^[25] , e um pouco mais de metano se liga à água e se estabelece na forma de clatratos sólidos, semelhantes ao gelo ^{[ 28 ]} .
• Todo mundo sabe que o som se espalha no ar, mas não no vácuo. Mas o que acontece se você "puxar lentamente o plugue da tomada", movendo-se suavemente do primeiro para o segundo? Com uma queda de pressão, em primeiro lugar, a transmissão do som dos alto-falantes para o ar se deteriorará. Em segundo lugar, a absorção no ar aumentará - e quanto mais forte, maior a frequência ^{[340], [ 350 ]} . Em algum lugar a ~ 0,3 Pascal (condições em Triton), o caminho da meia deterioração da nota "la" (440 Hertz) será reduzido para um metro. A notificação sonora pelo ar em tais condições se tornará quase impossível, sem mencionar a comunicação por voz.
• Os minerais rochosos se dissolvem muito bem no vapor de água superaquecido. E isso é precisamente dissolução, não uma reação química. Assim, nas atmosferas de 2000 K e 2000, o teor de equilíbrio do quartzo SiO ₂ no vapor é de cerca de 2,2% (de acordo com [ 710 ]); as solubilidades do óxido de ferro FeO e alumínio Al ₂ O ₃ são aproximadamente as mesmas. Em um planeta quente com uma atmosfera de vapor d'água, todos esses minerais serão transportados pelo vento da mesma maneira que a água em nossas condições.
• Com fortes quedas de pressão, os metais começam a “nadar”, deixando de ser sólidos no sentido de engenharia: alumínio em 400-500 atmosferas, aço em 25 mil ^{[ 680 ]} e basalto em 1-3 mil atm ^{[ 90 ]} . Tais pressões na Terra são criadas em profundidades de 4 a 12 quilômetros, o que, de fato, determina o início da transição da crosta para o manto. Portanto, às vezes, rochas muito mais profundas (e em escalas de quilômetros) são mais fáceis de descrever como um líquido viscoso do que como um sólido. Ainda mais profundo, você precisa esquecer a "incompressibilidade" dos sólidos. Assim, a 350 GPa - pressão no centro da Terra - o cobre será comprimido em volume 1,7 vezes ^[60] , alumínio - em 2,2, chumbo ^[70] - em 2,4.
• À esquerda e abaixo do ponto triplo do hélio (2.177 K, 5043 Pa), os líquidos desaparecem no mundo. Toda a matéria se torna sólida ou gasosa. É verdade que esse ponto ainda não se encaixava em nosso gráfico, mas apliquei hidrogênio (18,84 K, 7040 Pa). Os líquidos à esquerda e abaixo dele são unidades.

^{[O artigo foi escrito para o site https://geektimes.ru/ . Ao copiar, consulte o original. O autor do artigo é Evgeny Bobukh. Você pode apoiar o autor com criptomoeda nos endereços indicados no perfil .]}

Por fim, dê uma olhada no diagrama de fases do hidrogênio ^{[ 100 ]} :



Uma das substâncias mais simples do Universo mostra pelo menos oito estados diferentes, dependendo da temperatura e pressão. Mesmo um espaço estupidamente cheio de hidrogênio já é potencialmente oito mundos muito diferentes! Então, o que podemos dizer sobre a diversidade de estados de substâncias mais complexas?

E agora sobre literatura e arte

Utilizando as classificações [ 380 ], [ 390 ], [ 400 ], reuni algumas centenas de nomes de obras de ficção científica ocidentais, soviéticas e russas. Adicionado a eles livros lidos pessoalmente. Filtrei, deixando apenas aqueles que me lembro claramente, onde pelo menos em um episódio a ação ocorre fora da Terra e onde é possível estimar pelo menos a ordem de magnitude da temperatura e pressão na cena.

E coloque-os no diagrama pT:



Seu exame cuidadoso permite que você faça várias observações:

1. Um ponto azul oleoso perto do centro representa 53% das obras cuja ação ocorre a uma pressão de uma atmosfera e temperatura ambiente, precisa do tempo. Saraksh, Pirro, Duna, Tormans, Leonida, Entsia, Stepyanka, Arkanar - todos esses mundos alienígenas realmente representam a Terra e somente a Terra. Estamos falando de ficção espacial , eu lembro.

2. Quase se fundiu com este grupo de 11% dos livros, onde os autores decidiram se desviar das condições terrenas em uma fração de um por cento. Digamos, o "País das Nuvens Carmesim" do Strugatsky com uma temperatura abaixo de 90 ° C e uma pressão de ~ 1,1 atmosferas, um Fazendeiro no Céu (Um Fazendeiro no Céu) de Heinlein (algo como 0,5 atm e 220 K), ou Asimov, meticulosamente entrou na pressão a 1,05 da atmosfera em Baby in the Trap for Simpletons (isca do otário).

3. Outros 11% das histórias são desenvolvidas no "espaço sem ar". Mas esse desenvolvimento não depende se a pressão ambiente é de 10 a ⁵ ou 10 a ²⁰ atmosferas (aqui está o problema, a propósito: como distinguir um do outro com a ajuda de “pedras e paus”?) Como nem os autores nem a história contam a diferença não, eu atribuí a todos esses trabalhos a mesma pressão lunar de 10 ^{-1 a 5} atmosferas e, onde não há referências à temperatura, seu valor ambiente é 293 K.

4. Cerca de 25% dos livros contêm episódios em que pelo menos um parâmetro é removido significativamente dos terrestres e lunares. Por exemplo, Clifford Simak, "Cidade" (Clifford Simak, Cidade), o capítulo sobre Júpiter; Boris Stern, "Um avanço no limite do mundo"; Strugatsky, "O Caminho para Amalteia"; Vernor Winge, "Profundidade no céu"; Sergey Pavlov, "Arco-íris ao luar".

5. Livros, onde uma parte significativa da ação se desenvolve simultaneamente, longe das temperaturas e pressões terrestres e, onde é importante, das unidades. Entre eles estão:

• Hal Clement, perto de crítico
• Andy Weir, o marciano
• Georgy Gurevich, "Convite para o Zenith"
• Alexander Belyaev, vendedor de ar
• Robert Heinlein, “Eu tenho um traje espacial - pronto para viajar”, ​​capítulos sobre Plutão
• Larry Niven e Jerry Pournelle, o argueiro aos olhos de Deus. As condições na estrela onde as naves alienígenas interceptaram são uma estimativa aproximada. Como você pode ver, eu até contei esses pequenos episódios.

Isso representa alguns por cento do "espaço" de ficção e uma fração de um por cento da ficção em geral. Os trabalhos deste grupo são frequentemente distinguidos por baixos méritos artísticos, os quais, como veremos, têm uma explicação bastante razoável.

6. Nem um único trabalho familiar para mim é removido além de ± 25% das condições normais.

À primeira vista, mesmo 1% dos livros com ambientes incomuns não é um número tão ruim. Mas olhe para a questão de forma mais ampla. Suponha que alguém promete fazer uma lista das atrações da cidade. Depois de muito trabalho, ela prepara um documento. Em que 64% são dedicados às características do apartamento do autor, 11% são dedicados ao telhado de sua casa, e apenas cerca de 5% das notas começam com as palavras "agora vamos ver a próxima rua ..." Essa pode ser uma lista maravilhosa, pode ser magnífica e informativa. Mas é óbvio que, devido à cobertura extremamente desigual, quase nada de interessante na cidade foi incluído nesta lista. O mesmo, infelizmente, é a capa da ficção científica moderna: muitos pontos próximos às "condições normais", acertos isolados além deles, e vastos espaços intocados longe deles.

Eles vão me opor agora e argumentam corretamente que as virtudes da boa ficção científica não estão na descrição dos fenômenos físicos nas entranhas de Betelgeuse.

Isso é verdade Um mérito significativo dos autores mencionados está principalmente no estudo do comportamento humano em face do impensável e incompreensível. Na criação de grandes histórias. Em antecipação da tecnologia e análise do desenvolvimento da humanidade. Ao inventar idéias que são tão estranhas e surpreendentes que seu padrão não é já um valor universalmente reconhecido. Os experimentos mentais de Lem, Dick, Strugatsky e Bradbury, mesmo que fossem colocados à pressão de uma atmosfera e puramente à temperatura ambiente, às vezes nos davam a entender o homem e a humanidade não menos que estudos em laboratórios totalmente equipados. E ficção científica não é física. Ela não é obrigada a escrever sobre novas temperaturas e pressões. Na URSS, nos anos 60, a propósito, eles tentaram de alguma forma forçar. O horror aconteceu. Eu tenho uma amostra na minha prateleira. Tão selvagem que você não pode jogar fora.

Tudo isso é verdade.

Mas também é verdade que a ficção científica, a mesma ficção científica que até 50 anos atrás chamou as pessoas ao espaço, caiu hoje do último carro! O trem da realidade física se foi e ela, sem perceber isso, continua sonhando com algo sozinho em uma plataforma fria. E essa diferença está aumentando a cada ano.

Parece que a ficção - como engenharia e fisiologia humana - também tem seu próprio "habitat". Pode ser desenhado em um diagrama de pT. E ele tem seus próprios limites.

Continuação