Popular science
Physics
Science fiction
Astronomy
16 January 2018

Температура и давление фантастики — часть 1/3

Предлагаемая вашему вниманию заметка рассказывает про пространство состояний материи. Которое, в некотором смысле, обширнее, чем пространство расстояний между объектами в космосе, и иногда так же трудно преодолевается.

Я хочу показать, что явления природы могут быть сложными и нетривиальными даже в условиях, весьма далёких от земных. Что главное препятствие на пути к их изучению — не космические расстояния, а неспособность нашего воображения и интуиции работать в малознакомых условиях. Что жизнь и разум, возможно, надо искать не только на поверхностях землеподобных планет, ибо они — лишь крошечная доля разнообразия Вселенной.

И что для понимания этого разнообразия наверняка потребуется искусственный интеллект — вероятно, в большей степени, чем ракеты и космонавтика.

Часть 1. pT-диаграмма


Взглянём на случайную точку во Вселенной. Чтобы отчётливо понять, что в ней происходит, надо измерить десятки физических параметров. Важнейшие из них — это давление и температура. Они задают агрегатное состояние вещества, и, значит, определяют, какие физические и химические процессы будут в нём преобладать. А это определяет геологию, биологию, и много-много чего ещё. Изменив эти два параметра даже незначительно, можно получить среду, совсем непохожую на ту, с которой начинали. Давление и температура — две координаты «фазового пространства». И на этом пространстве можно, по условиям в каждой точке, отобразить всю нашу Вселенную.

Всю, конечно, я рисовать не стал. Но пару примеров и более-менее изученные границы на диаграмму нанёс:



По температуре знакомое нам фазовое пространство простирается от 0.002 Кельвина в лабораторных рефрижераторах[670] до 30 миллионов градусов в ядрах звёзд класса O и современных термоядерных плазмах. Верхняя граница, конечно, весьма условна. Так, в импульсных Z-пинчах температуру загоняют[655] и за миллиард градусов.

По давлению расстояние между границами ещё больше: почти 60 порядков.

У левого края диаграммы лежат условия в холодных участках межгалактических пустот (так называемые voids): ~10-27 атмосферы, ~10 градусов Кельвина[270][280]. Плотность газа там — единицы атомов водорода на кубометр. Может показаться, что понятие давления неприменимо к такой разреженной материи. Что это просто вакуум с парой затерявшихся в нём атомов. Но вспомним, что вакуумом называется среда с длиной пробега молекул большей, чем её (среды) размеры. Пробег водорода до столкновения с другим атомом в таких пустотах — около 1 парсека. Однако размеры пустот — десятки мегапарсек. Очевидно, на таких масштабах водород в них приходится всё-таки считать сплошной средой, со своей гидродинамикой, течением, звуковыми и ударными волнами. Просто всё это очень масштабно и, с человеческой точки зрения, безумно медленно.

Правую границу можно провести по условиям в центре нейтронной звезды. Оценка давления и температуры в нём даёт 1029 атмосфер и ~1 миллион Кельвинов. Неизвестно, какая материя этим условиям соответствует — то ли это ещё нейтроны, то ли уже кварковая жидкость.

Внутри этого квадрата умещаются условия на поверхности Марса (0.00636 атм, 214 К), Венеры (92 атм, 736 К), Плутона (10-5 атм, 50 К), в центре Юпитера (3.6*107 атм, 23 тысячи градусов) и Солнца (2.3*1011 атм и 1.6*107 К), в горячих и холодных участках межзвёздной среды (5*10-19атм, 3*106 K и 1*10-15атм, 10 K).

Для удобства введём масштабную линейку. Логарифмическую, конечно. В долях полного перепада параметров на картинке. Если 100% диапазона температур составляет 1011 раз, то 1% этого соответствует разнице температур в (1011)1/100 = 1.318 раза. То есть, в масштабах Вселенной 1%-й шаг вверх от комнатной температуры в 293 К означает нагрев до 1.318 * 293 = 386 K, или 113 Цельсия. Как в хорошей бане.

По давлению 1% «Вселенской» разницы означает отношение в (1060)1/100 = 4.074 раза. Как между уровнем моря и высотой в 10 километров.

Наконец, за центр отсчёта примем «нормальные» условия: давление в 1 атмосферу, температуру в 293 Кельвина, т.е. 20 Цельсия.

И посмотрим, что и как меняется при отходе от этого центра.

Радиус квадрата тумбочки


Без вспомогательных устройств человек выживает лишь в узком диапазоне температур и давлений[10]. На картинке он приблизительно очерчен зелёным эллипсом, а жёлтым прямоугольником — удаление в ±1%.



Примерно ниже +10 C человек замерзает. Выше +30 перегревается. При давлении ниже 0.5 атм мало кто может жить и работать. Выше 4-х атмосфер наступает азотный наркоз, хорошо известный аквалангистам.

При этом современный ареал обитания человека на Земле гораздо шире. Но история его заселения — это в первую очередь не километры территориальной экспансии, а освоение сред с новыми температурами и давлениями. Где за каждым шагом стоят серьёзные изобретения, воспринимаемые сегодня как обыденность.

Древнейшим из этих технологий десятки тысяч лет. Это умение изготавливать тёплую одежду, переносное жильё, и, конечно же, добывать огонь[110]. Благодаря этой троице люди вышли за нижнюю границу зелёного овала. И заселили большую часть Евразии и Америки, включая Крайний Север, Гренландию и Аляску, где морозы неделями уходят в десятки градусов ниже нуля.

Тропики с температурами выше +30 C обитаемы давно. Но без «насаждения» санитарии и гигиены среди населения, без канализации, водопровода и пусть примитивнейшего холодильника[115] они и сегодня оставались бы весьма гиблыми местами. Добавьте в картину кондиционер — и получите туристический Дубай посреди безрадостной пустыни.

Давления ниже 0.5 атмосферы были уверенно освоены только в 20-м веке, благодаря выходу на промышленный масштаб двух технологий: создания герметичных помещений и систем жизнеобеспечения. Вся межконтинентальная пассажирская авиация, и в значительной степени культурная связность нашего мира держатся на этом. Ведь в любой момент времени в воздухе на высотах 8-12 километров присутствуют полмиллиона[120] пассажиров, перемещающихся между городами нашей планеты.

В освоении же высоких давлений человечество делает только первые шаги. Да, в опытах с барокамерами люди жили при 70-ти атмосферах[130], а подводные лодки прячутся в океанах на глубинах до полукилометра[140]. Но вряд ли это можно считать полноценным присутствием.

Отголоски этой экспансии, кстати, можно встретить в литературе[150],[170],[180],[190] 19-го и 20-го века.

В отличие от человека, животные изобретений (почти) не делают. Поэтому даже на Земле организмы разделены несхожестью условий куда сильнее, чем расстоянием. Белый медведь в среднем проходит 3400 километров за год[360], но никогда в жизни не встретит пустынного скорпиона. Глубоководную рыбу нельзя быстро поднять к поверхности, а в районе станции “Восток” до появления человека миллионы лет не было даже микробной жизни — хотя ветром бактерии туда, несомненно, заносило.

Закончив с однопроцентной окрестностью, отступим чуток назад и взглянём на 10%-ю.

Земля c её океанами, недрами и стратосферой почти вмещается[15][580][590] в 10%-й прямоугольник. Пригодные для человека условия предстают в этом масштабе крошечным пятнышком:



Справа и вверху от центра у нас обнаруживается предел механической инженерии, нанесённый оранжевой линией. Из известной нам твёрдой материи в принципе невозможно построить макроскопическое и непрерывно работающее устройство, которое выдерживало бы перепады давлений и температуры справа и сверху от этой кривой. Её опорные точки — это:

  • Комнатная температура, 27 тысяч атмосфер — предел прочности[680] мартенситно-стареющей стали [2800 Maraging steel]. Алмаз, правда, твёрже, но хрупок, и строить из него мосты и машины мы не умеем.
  • При 800-1000 С предел прочности достигается, без сомнения, жаропрочными сплавами для лопаток турбин. Ибо каждый выигранный ими градус — это повышение КПД двигателей авиации, а каждый паскаль прочности — снижение веса и выигрыш в перевозимом грузе. Поэтому борьба за эти параметры идёт нешуточная. При 1050 Цельсия эти сплавы способны держать нагрузку до 4-х тысяч атмосфер[690].
  • При большем нагреве список конструкционных материалов редеет, быстро сходя до двух: вольфрама и графита. При 3273 K, согласно[700], вольфрам ещё выдерживает около 140 атмосфер на растяжение.
  • Карбид тантала TaC — вероятно, одно из самых тугоплавких веществ. Оно способно оставаться твёрдым до ~3800 Цельсия. То есть, если нам будет Очень Надо сотворить нечто механическое, без охлаждения работающее при таких условиях, то это ещё как-то выполнимо. А вот при 4000 С — уже всё. Не из чего.

В радиусе 10% можно встретить ещё немало занятного с повседневной точки зрения:

  • При давлении в ~50 атмосфер и температуре ~10 С вы обнаружите, что жидкость может плавать на газе (а именно, сплав NaK на сжатом ксеноне[30]).
  • Если охладить среду до -80 градусов, то выдыхаемый углекислый газ замёрзнет, сани перестанут скользить по снегу, темпы большинства химических реакций замедлятся в тысячи раз, а растворителем для гипотетической жизни в таких условиях может оказаться… метиловый спирт.
  • На 140-ка атмосферах углекислый газ образует озёра на дне наших океанов[25], а чуть выше метан связывается с водой и оседает в виде твёрдых клатратов, похожих на лёд[28].
  • Все знают, что в воздухе звук распространяется, а в вакууме нет. Но что происходит, если «медленно тянуть вилку из розетки», плавно переходя от первого ко второму? С падением давления будет, во-первых, ухудшаться передача звука от динамиков в воздух. Во-вторых, поглощение в воздухе будет расти — и тем сильнее, чем выше частота[340],[350]. Где-то при ~0.3-х Паскалях (≈условия на Тритоне) путь полузатухания ноты «ля» (440 Герц) сократится до одного метра. Звуковое оповещение через воздух в таких условиях станет практически невозможным, не говоря уже о голосовом общении.
  • Каменистые минералы весьма неплохо растворяются в перегретом водяном паре. И это именно растворение, а не химическая реакция. Так, при 2000K и 2000 атмосфер равновесное содержание кварца SiO2 в паре составляет около 2.2% (согласно [710]); примерно таковы же растворимости оксида железа FeO и алюминия Al2O3. На горячей планете с атмосферой из водяного пара все эти минералы будут переноситься ветром так же, как вода в наших условиях.
  • При сильных перепадах давлений металлы начинают «плыть», переставая быть твёрдыми в инженерном смысле: алюминий при 400-500 атмосферах, сталь — при 25 тысячах[680], а базальт — при 1-3 тыс атм[90]. Такие давления в Земле создаются на глубинах 4-12 километров, чем, собственно, и определяется начало перехода от коры к мантии. Поэтому существенно глубже (и на километровых масштабах) горные породы иногда проще описывать как вязкую жидкость, нежели как твёрдое вещество. Ещё глубже приходится забыть про «несжимаемость» твёрдых тел. Так, при 350 ГПа — давлении в центре Земли — медь будет сжата по объёму в 1.7раза[60], алюминий — в 2.2, свинец[70] — в 2.4.
  • Левее и ниже тройной точки гелия (2.177 K, 5043 Па) в мире исчезают жидкости. Всё вещество становится либо твёрдым, либо газообразным. Правда, на наш график эта точка всё же не влезла, но я нанёс водородную (18.84 K, 7040 Па). Жидкостей левее и ниже неё — единицы.

[Статья написана для сайта https://geektimes.ru/. При копировании просьба сослаться на оригинал. Автор статьи Евгений Бобух. Поддержать автора криптовалютой можно по адресам, указанным в профиле.]

Наконец, взглянём на фазовую диаграмму водорода[100]:



Одно из простейших веществ во Вселенной демонстрирует как минимум восемь разных состояний в зависимости от температуры и давления. Даже пространство, тупо наполненное одним лишь водородом — это уже потенциально восемь очень разных миров! Что же тогда говорить о разнообразии состояний веществ более сложных?

А теперь о литературе и искусстве


Воспользовавшись рейтингами [380], [390], [400], я собрал в кучу несколько сотен названий западных, советских и российских фантастических произведений. Добавил к ним книги, прочитанные лично. Профильтровал, оставив только те, которые я внятно помню, где как минимум в одном эпизоде действие происходит вне Земли, и где можно хотя бы по порядку величины оценить температуру и давление в месте действия.

И нанёс их на pT-диаграмму:



Её тщательное разглядывание позволяет сделать несколько наблюдений:

1. Жирное синее пятно вблизи центра — это 53% произведений, действие которых происходит при давлении в одну атмосферу и комнатной, с точностью до погоды, температуре. Саракш, Пирр, Дюна, Торманс, Леонида, Энция, Степянка, Арканар — все эти инопланетные миры на самом деле изображают Землю и только Землю. Речь идёт о космической фантастике, напоминаю.

2. Почти сливаются с этой группой 11% книг, где авторы решились отступить от земных условий на долю процента. Скажем, «Страна Багровых Туч» Стругацких с температурой под 90 С и давлением ~1.1 атмосферы, «Фермер в небе» (A Farmer In the Sky) Хайнлайна (что-то вроде 0.5 атм и 220 K), или Азимов, дотошно вписавший давление в 1.05 атмосферы на Малышке в «Ловушке для простаков» (Sucker's Bait).

3. Ещё 11% сюжетов развиваются в «безвоздушном пространстве». Но это развитие никак не зависит от того, составляет ли окружающее давление 10-5 или 10-20 атмосферы (вот задачка, кстати: как отличить одно от другого при помощи «камней и палок»?) Поскольку ни для авторов, ни для повествования разницы никакой нет, всем этим произведениям я приписал одинаковое лунное давление в 10-15 атмосферы, и, где нет никаких отсылок к температуре — её комнатное значение в 293 K.

4. Около 25% книг содержат эпизоды, где хотя бы один параметр существенно удаляется от земных и лунных. Это, например, Клиффорд Саймак, «Город» (Clifford Simak, City), глава про Юпитер; Борис Штерн, «Прорыв за край мира»; Стругацкие, «Путь на Амальтею»; Вернор Виндж, «Глубина в небе»; Сергей Павлов, «Лунная Радуга».

5. Книг, где значительная часть действия развивается одновременно далеко от земных температур и давлений, и где это важно, единицы. Среди них можно назвать:

  • Хол Клемент, «У критической точки» (Hal Clement, Close to Critical)
  • Энди Вейр, «Марсианин» (Andy Weir, The Martian)
  • Георгий Гуревич, «Приглашение в зенит»
  • Александр Беляев, «Продавец воздуха»
  • Роберт Хайнлайн, «Имею скафандр — готов путешествовать», главы про Плутон
  • Larry Niven and Jerry Pournelle, The Mote in God's Eye. Условия в звезде, где перехватывали корабли пришельцев, грубая оценка. Как видите, я даже такие мелкие эпизоды засчитывал.

Это единицы процентов от фантастики «космической», и доли процента от фантастики в целом. Произведения этой группы часто отличаются невысокими художественными достоинствами, чему, как мы увидим, есть вполне разумное объяснение.

6. Ни одно знакомое мне произведение не удаляется за пределы ±25% от нормальных условий.

На первый взгляд, даже 1% книг с необычными средами — не такая уж и плохая цифра. Но взгляните на вопрос шире. Предположим, некто обещает составить список достопримечательностей города. После долгих трудов подготавливает документ. В котором 64% посвящены особенностям квартиры автора, 11% — крыши его дома, и лишь около 5% заметок начинаются со слов «а теперь заглянём на соседнюю улицу...» Это может быть замечательный список, он может быть великолепен и познавателен. Но очевидно, что из-за крайне неравномерного покрытия почти ничто интересное в городе в этот список не попало. Таково же, увы, и покрытие современной фантастики: множество точек вблизи «нормальных условий», единичные попадания за их пределами, и необъятные нетронутые пространства вдали от них.

Мне сейчас возразят, и возразят справедливо, что достоинства хорошей фантастики состоят не в описании физических явлений в недрах Бетельгейзе.

Это правда. Значительная заслуга упомянутых авторов — прежде всего в исследовании поведения человека перед лицом немыслимого и непонятного. В создании великолепных историй. В предвидении технологий и анализе путей развития человечества. В выдумывании идей, странных и удивительных настолько, что нестандартность их уже является всеми признаваемой самоценностью. Мысленные эксперименты Лема, Дика, Стругацких и Брэдбери, пусть даже поставленные при давлении в одну атмосферу и сугубо комнатной температуре, давали нам для понимания человека и человечества иногда не меньше, чем исследования во вполне оборудованных лабораториях. И фантастика – это не физика. Она не обязана писать о новых температурах и давлениях. В СССР, в 60-х, кстати, пытались как-то заставить. Ужас получился. У меня на полке сохранился один образчик. Настолько дикий, что его никак нельзя выбрасывать.

Всё это верно.

Но так же верно и то, что фантастика, та самая фантастика, что ещё каких-то 50 лет назад звала людей в космос, сегодня выпала из последнего вагона! Поезд физической реальности ушёл, а она, так этого и не заметив, продолжает о чём-то мечтать в одиночку на холодном перроне. И разрыв этот с каждым годом всё увеличивается.

Похоже, у фантастики — как и у инженерии, и у физиологии человека — тоже есть свой «ареал обитания». Его можно нарисовать на pT-диаграмме. И у него есть свои границы.

Продолжение

Литература и ссылки
10. С. Доул. «Планеты для людей», издательство «Наука», Москва, 1974. Перевод И. С. Щербиной-Самойловой. Книга основана на весьма куцых данных, известных до 1972-го года, но более внятного популярного введения в теорию обитаемости планет я до сих пор не видел.

15. Katharina Lodders and Bruce Fegley, Jr. The Planetary Scientist Companion. New York, Oxford, Oxford University Press, 1998.

25. Microbial community in a sediment-hosted CO2 lake of the southern Okinawa Trough hydrothermal system, Fumio Inagaki, Marcel M. M. Kuypers, Urumu Tsunogai,Jun-ichiro Ishibashi,Ko-ichi Nakamura, Tina Treude,Satoru Ohkubo, Miwako Nakaseama,Kaul Gena, Hitoshi Chiba,Hisako Hirayama, Takuro Nunoura,Ken Takai, Bo B. Jørgensen,Koki Horikoshi, andAntje Boetius,http://www.pnas.org/content/103/38/14164.full

28.https://en.wikipedia.org/wiki/Gas_hydrate_stability_zone, http://www.geotimes.org/nov04/feature_climate.html

30. https://www.youtube.com/watch?v=AsP4yMY-a6U

60. David A. Liberman, Self-consistent field model for condensed matter. Physical Review B, Volume 20, Number 12, 15 December 1979, p. 4988

70. Metals Physics at Ultrahigh Pressure: Aluminium, Copper, and Lead as Prototypes. W. J. Neilis, J. A. Moriarty, A. C. Mitchell, M. Ross, R. G. Dandrea, N. W. Aschroft, N. C. Holmes, and G. R. Gathers (список фамилий авторов отдельно доставляет, если кто вчитался повнимательнее.) Physical Review Letters, Volume 60, Number 14, 4 APril 1988, p. 1414-1415.

90. Прочность базальта и прочих пород: https://www.mountainproject.com/v/examples-of-general-rock-strength-by-area/108744605

100. https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Phase_diagram_of_hydrogen-ru.svg

110. Prehistory timeline: https://en.wikipedia.org/wiki/Prehistory#Timeline, https://en.wikipedia.org/wiki/Middle_Paleolithic

115. Предтечи холодильника: https://en.wikipedia.org/wiki/Ice_house_(building)

120. https://www.quora.com/How-many-people-are-in-the-air-flying-at-any-given-time

130. «Погружение» на 701 метр: http://gtuem.praesentiert-ihnen.de/tools/literaturdb/project2/pdf/Gardette%20B.%20-%20EUBS%201993%20-%20S.%2032.pdf

140. https://en.wikipedia.org/wiki/Submarine_depth_ratings

150. Жюль Верн, «Путешествия и приключения капитана Гаттераса»

170. Александр Насибов, «Возмездие», https://www.litmir.me/br/?b=172952&p=43

180. Жак Ив Кусто, «В мире безмолвия»

190. «Два перелёта», 1938 г, Воениздат, https://www.livelib.ru/book/1001020761-dva-pereleta-valerij-chkalov-georgij-bajdukov-aleksandr-belyakov

270. Temperature structure of the intergalactic medium within seven nearby and bright clusters of galaxies observed with XMM-Newton, H. Bourdin and P. Mazzotta, A&A 479, 307–320 (2008), DOI: 10.1051/0004-6361:20065758, c ESO 2008, https://www.aanda.org/articles/aa/pdf/2008/08/aa5758-06.pdf, Figure 5 on page 11 (317 in total numeration).

280. Light after Dark I: Structures of the Sky by Charles Francis, Troubador Publishing Ltd, Jun 30, 2016 — Science, pages 30-31

340. Физические величины. Справочник. Ред. И. С. Григорьева, Е. З. Мейлиховой, Москва, Энергоатомиздат, 1991, стр 134, 136 (Раздел «Акустика», Л. К. Зарембо)

350. http://www.noisehelp.com/noise-level-chart.html

360. https://polarbearfacts.net/do-polar-bears-migrate/

370. https://en.wikipedia.org/wiki/Mount_Everest + https://www.topchinatravel.com/mount-everest/the-climate-of-mount-everest.htm

380. Top 25 Science Fiction Books: http://bestsciencefictionbooks.com/top-25-best-science-fiction-books.php

390. Top 100 Sci-Fi Books: http://scifilists.sffjazz.com/lists_books_rank1.html

400. 100 лучших произведений советской фантастики: http://tichy.livejournal.com/200082.html#/200082.html

580. https://en.wikipedia.org/wiki/Thermosphere

590. http://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1029/JA074i001p00267/fullMidlatitude neutral thermosphere density and temperature measurements, David T. Pelz and George P. Newton, 1 January 1969, DOI: 10.1029/JA074i001p00267

655. Современные параметры Z-пинчей: https://en.wikipedia.org/wiki/Z_Pulsed_Power_Facility

670. Dilution refrigerator — это рефрижератор растворения по-русски. Который действительно достигает температур в 2 милликельвина на практике.

680. Мартенситно-стареющая сталь и прочие прочности: https://en.wikipedia.org/wiki/Ultimate_tensile_strength

690. Nickel-Based Superalloys for Advanced Turbine Engines: Chemistry, Microstructure, and Properties. Tresa M. Pollock, Sammy Tin. JOURNAL OF PROPULSION AND POWER, Vol. 22, No. 2, March–April 2006 http://citeseerx.ist.psu.edu/viewdoc/download?doi=10.1.1.462.8486&rep=rep1&type=pdf

700. MECHANICAL, OXIDATION, AND THERMAL PROPERTY DATA FOR SEVEN REFRACTORY METALS AND THEIR ALLOYS, by T. E. TIETZ, J. W. WILSON, 1961, http://www.dtic.mil/dtic/tr/fulltext/u2/266824.pdf (Fig 2.6 and 2.7)

710. Solubility of Rock in Steam Atmospheres of Planets, Submitted to Astrophysical Journal: 29 January 2016. Bruce Fegley, Jr., Nathan S. Jacobson, K.B. Williams, J.M.C. Plane, L. Schaefer, and Katharina Lodders, https://arxiv.org/abs/1602.00658

+143
51.5k 250
Comments 237
Top of the day