cicatrix

cicatrix

На Пикабу
Дата рождения: 06 июня 1976
Useee
Гость и еще 1 донатер
поставил 1605 плюсов и 1659 минусов
отредактировал 25 постов
проголосовал за 42 редактирования
Награды:
За участие в Пикабу-Оскаре самый сохраняемый пост недели 5 лет на Пикабуболее 1000 подписчиков
119К рейтинг 4109 подписчиков 25 подписок 60 постов 51 в горячем

Как укротить звезду? Подробная инструкция

Данный пост – заключительный в серии постов про перспективы освоения космоса.

Начав с массового выхода на орбиту, рассмотрев вопросы жизнеобеспечения в космосе, продолжив строительством космических поселений, мы подходим к логическому завершению – достижению человечеством действительного статуса мегацивилизации, путём постройки сферы Дайсона и подчинению себе всей энергии Солнца.

Как укротить звезду? Подробная инструкция Космос, Футуризм, Сфера Дайсона, Шкала Кардашёва, Колонизация космоса, Длиннопост

В 1964 году советский радиоастроном Николай Кардашёв опубликовал в «Астрономическом журнале» работу под названием «Передача информации внеземными цивилизациями». В данной статье он привёл метод определения технологического развития цивилизации по шкале, которая впоследствии была названа его именем. В своей работе Кардашёв выделил три типа цивилизаций по уровню энергопотребления.


Так, цивилизация I типа потребляет энергию, эквивалентную мощности, получаемой её планетой от центральной звезды и энергетических источников своей планеты. Оценка энергопотребления – 10¹⁶ — 10¹⁷ Вт.


Цивилизация II типа потребляет энергию, сравнимую с мощностью, вырабатываемой целой звездой или примерно 10²⁶ Вт.


Цивилизация III типа потребляет энергию, сравнимую с мощностью целой галактики, или 10³⁷ Вт.


Шкала была дополнена позднее цивилизацией IV типа, которая потребляла примерно 10⁴⁹ — 10⁵⁰ Вт, или мощность всей вселенной.


Хотя шкала первоначально была дискретной, а человеческая цивилизация не достигла и первой ступени по данной шкале, американский астроном Карл Саган предложил интерполяцией и экстраполяцией расширить данную шкалу, превратив её из ранговой в абсолютную. Саган использовал формулу K = (lgW – 6) / 10, где K рейтинг цивилизации, а W – её энергопотребление в ваттах.


Согласно формуле Сагана, человеческая цивилизация имела рейтинг энергопотребления 0,72 по состоянию на 2007 год. По прогнозам, к 2030 году мы должны достичь энергопотребления 22 ТВт и рейтинга 0,73.

Как укротить звезду? Подробная инструкция Космос, Футуризм, Сфера Дайсона, Шкала Кардашёва, Колонизация космоса, Длиннопост

Рано или поздно человечество подойдёт вплотную к классификации I, что будет означать, что энергии, которую получает Земля от Солнца, а равно как и энергии её собственных энергоносителей не хватит, чтобы обслуживать потребности человечества.


Для перехода к укладу цивилизации II типа мы должны будем постепенно взять под контроль всю энергию, которое вырабатывает наше Солнце. Впервые идея устройства, позволяющего взять под контроль энергию звезды, вопреки распространённому мнению, была высказана не Фрименом Дайсоном в 1960 году, а гораздо раньше – в романе Олафа Стэплдона 1937 года «Создатель звёзд» (Star Maker), где он описывал «… каждая солнечная система … окружённая сеткой из световых ловушек, собирающих ускользающий свет для разумного использования». Фримен Дайсон лишь популяризировал концепцию, направляя поиски внеземных цивилизаций на обнаружение структур, полностью или частично затмевающих свет звезды, что может являться признаком наличия около такой звезды цивилизации II типа.


Поиски, возможно, увенчались успехом. В 2015 году несколько астрономов опубликовали результаты наблюдений светимости Звезды Табби, которая периодически падала на 22%. Неизвестно пока, что является причиной подобного, но не исключено, что мы наблюдаем недостроенную сферу Дайсона.

Как укротить звезду? Подробная инструкция Космос, Футуризм, Сфера Дайсона, Шкала Кардашёва, Колонизация космоса, Длиннопост

Сфера Дайсона должна быть приведена во вращение вокруг центральной оси, чтобы центробежная сила уравновесила силу притяжения центрального светила. Однако, так как центробежная сила достигает максимума на экваторе и равна 0 на полюсах вращающегося тела, на полюсах сферы Дайсона ничто не уравновешивает силы притяжения центрального светила. В результате сфера будет неизбежно разрушена.


Разумеется, в настоящее время под «Сферой Дайсона» понимается не монолитное сооружение, а большое скопление объектов, не связанных друг с другом, однако совокупно, представляющими собой ту же непрозрачную «сферу». Такая концепция получила название «Рой Дайсона» (Dyson swarm).


Подобный рой состоит из самых разнообразных объектов — зеркал, спутников, станций, солнечных панелей, космических поселений и пр. Преимущества подобного подхода очевидны — строительство можно осуществлять постепенно, без каких-либо критических сроков и спешки, кроме того, сооружение подобного роя не требует особо никаких передовых научных достижений. По правде говоря, мы и сейчас в состоянии начать делать нечто подобное. Да, это требует усилий, как требовало усилий строительство Великой Китайской Стены, но технически мы вполне подготовлены.


Для упрощения расчётов и для осознания масштабов легче считать подобное сооружение монолитной сферой радиусом в 1 астрономическую единицу (дистанция от Солнца до Земли) или 150 млн. км и площадью 2,8 × 10¹⁷ (0,28 квинтиллионов) кв. км. Это в пятьсот миллионов раз больше, чем вся площадь поверхности Земли. Если рой состоит целиком из цилиндров О’Нейла, о которых был предыдущий пост (радиусом 4 км и длиной 20 км с площадью внутренней поверхности 800 кв. км), сфера будет насчитывать около 350 триллионов таких поселений.


Много? Разумеется. Однако, после того, как люди обретут возможность дешёвого и массового выхода в космос, сооружение сферы Дайсона будет вполне логичным, а главное — практически вполне реализуемым делом.


Подобные космические поселения, оснащённые зеркальными поверхностями и солнечными панелями, так или иначе, должны будут составлять основу роя. Их можно соединять либо тросами, либо гибкими тоннелями, однако проще считать, что каждый элемент движется по собственной эллиптической траектории вокруг Солнца. Они не являются планетами, поэтому температурный контроль при помощи манёвров и вращения осуществлять гораздо легче. Кстати, им вовсе не обязательно всем находиться на одном расстоянии от Солнца. Они могут находиться от Солнца на любой дистанции, начиная примерно с орбиты Меркурия до, примерно, орбиты Марса для поддержки специфики их функционирования и климата.

Как укротить звезду? Подробная инструкция Космос, Футуризм, Сфера Дайсона, Шкала Кардашёва, Колонизация космоса, Длиннопост

Система станет непрозрачной не из-за того, что цилиндры тесно прилегают друг к другу — совсем наоборот, на каждый из них будет приходиться куб со стороной примерно 3 тыс. км, но потому что их будет так много, что будет наблюдаться тот же эффект, как с туманом или облаком. Мы наблюдаем подобный эффект в телескоп, наблюдая за удалёнными галактиками, их центр кажется нам единым «сгустком», хотя звёзды в этих галактиках удалены друг от друга на весьма приличное расстояние. По этой же причине, не стоит думать, что элементам роя будет грозить постоянная угроза столкновений. Даже современные радары и компьютеры вполне в состоянии справиться с синхронизацией траекторий, тем более, что централизованного управления всем роем не требуется, достаточно взаимодействия лишь с непосредственными соседями.


Единственное общее для всего роя, что приходит на ум — это общие часы для системы навигации внутри системы, максимальная задержка сигнала в которой между крайними точками достигает 16 минут, а также соглашение об использовании радиочастот и мощностей передатчиков, так как подобное количество объектов способно забить все доступные диапазоны радиочастот. Предположительно, всё, что может быть передано по прямому лазерному лучу, должно будет передаваться именно так.


Если предположить, что «плотность населения» роя Дайсона составляет всего 1 человек на кв. км, количество людей, способных проживать в его пределах, составит 280 квинтиллионов! Помните об этой цифре, когда будете читать фантастические произведения о будущих мега-цивилизациях. И это если не считать Земли и других планет! Разумеется, подобное население просто неуправляемо никаким центральным правительством. Население роя Дайсона, скорее, будет представлять из себя конгломерат из миллионов или даже миллиардов разносортных групп, объединённых по совершенно непредсказуемым в настоящее время признакам.


Строительство, возможно, начнётся около Земли с созданием первых космических поселений вокруг планеты, возможно, первое кольцо поселений будет построено именно по орбите Земли, с самой нашей планетой в качестве одного из «звеньев». Последующие кольца могут иметь небольшое отклонение от плоскости орбиты первого кольца, либо строиться от соседних планет — Венеры и Марса.

Как укротить звезду? Подробная инструкция Космос, Футуризм, Сфера Дайсона, Шкала Кардашёва, Колонизация космоса, Длиннопост

При исследовании возможностей строительства сферы Дайсона, разумеется, возникает главный вопрос — где взять материал на строительство? Если предположить сферу радиусом 1 а. е. целиком из подобных панелей из расчёта 1 кг на 1 кв. м, то потребуется масса 2,82 × 10²³ кг, на что вполне хватит массы Меркурия, и ещё останется. Такая средняя плотность может показаться кому-то слишком малой, однако, непосредственные сборщики солнечной энергии предположительно будут состоять не из классических спутников, а из статитов (от англ. statite или static satellite), удельная масса которых в случае с нашим Солнцем должна составлять всего 0,78 г на 1 кв. м. Статит висит неподвижно относительно светила, при этом его падение на Солнце предотвращается давлением солнечной радиации.


Стоит отметить, что если собирать сферу целиком из статитов с данной удельной массой, то потребуется масса всего 2,2 × 10²⁰ кг по радиусу орбиты Земли и гораздо меньше, если располагать их ближе к Солнцу.

Как укротить звезду? Подробная инструкция Космос, Футуризм, Сфера Дайсона, Шкала Кардашёва, Колонизация космоса, Длиннопост

В связи с тем, что Солнечная активность непостоянна и изменяется со временем, статит должен иметь возможность изменять площадь поверхности своих панелей, кроме этого, он должен иметь небольшой компьютер и гироскоп для манёвров (манёвры можно осуществлять изменением угла наклона панелей).


Энергия со статитов может передаваться со статита лазером или микроволнами, либо запасаться в искусственные чёрные дыры (про них есть отдельный пост). Кроме того, энергию можно перенаправлять на создание космических шоссе — трассы, вдоль которой можно ускорять космические корабли при помощи тех же лазеров.


Энергию так же можно направить на трансмутацию элементов — синтез необходимых химических элементов из тех, что в текущее время имеются в избытке (возможно, необходимых материалов для продолжения строительства).


Кроме того, мы можем использовать энергию для сбора материи с самого Солнца — этот процесс получил название starlifting (англ.) Есть несколько предложенных принципов для осуществления подобного, однако все они сводятся к формированию магнитного поля, формирующего и направляющего поток заряженных частиц, из которых состоит солнечный ветер, которые впоследствии могут собираться при помощи магнитных ловушек. Солнце, помимо водорода и гелия, на 2% состоит из более тяжёлых элементов. Большую часть тяжёлых элементов составляет кислород, затем углерод и азот. 2% кажется небольшой цифрой, однако это колоссальное, огромное количество вещества, которое также может быть использовано для продолжения строительства, которого хватит для завершения строительства без необходимости «разбирать» какие-либо планеты на запчасти. Да и более лёгкие элементы вроде водорода и гелия вполне могут пригодиться «в хозяйстве». Может показаться, что более тяжёлые элементы скапливаются в солнечном ядре, однако внутри Солнца происходят мощнейшие конвективные процессы, из-за чего, элементы распределяются внутри него более-менее равномерно.

Как укротить звезду? Подробная инструкция Космос, Футуризм, Сфера Дайсона, Шкала Кардашёва, Колонизация космоса, Длиннопост

RC — кольцевой ток, MN — магнитное сопло, J — плазменная струя


Данный процесс не только позволит получить огромное количество материи, но и «омолодить» само Солнце. Собирая материю с него, мы, тем самым, уменьшаем мощность звезды, тем самым, снижая светимость, что требует меньше материала для поглощения этой энергии, достигая оптимального баланса. Звезда, в два раза легче нашего Солнца, будет светить в 16 раз тусклее. По этой причине, несмотря на то, что большие звёзды имеют больше топлива, живут они гораздо меньше, так как обычно взрываются даже раньше, чем успеют сжечь весь водород. Маленькие звёзды живут гораздо дольше. Гелий и синтезированные тяжёлые элементы «отравляют» звёзды, наше солнце находится примерно в середине своего жизненного цикла, если мы начнём извлекать из него массу, мы можем существенно продлить его жизнь, а если мы, извлекая тяжёлые элементы, будем добавлять водород, добытый из других источников, данный процесс можно продлять неопределённо долго. Если мы извлечём хотя бы 10% солнечной массы, мы получим в своё распоряжение материи в 30 тыс. раз больше, чем масса Земли.


При этом, абсолютно не важно, насколько неэффективен будет данный метод, потому что, как только начнётся сооружение сферы Дайсона, дальнейшие энергозатраты не будут иметь особого значения.


Нельзя не отметить вниманием то, что рой Дайсона не обязательно должен служить обслуживанию нужд квинтиллионов человеческих существ. На определённом этапе киборгизация или генетическая модификация человека может сделать поддержку систем жизнеобеспечения углеродной жизни излишней. Такой огромной энергии, которую даёт звезда можно придумать тысячи применений, из которых я хочу выделить лишь две:


Мозг-матрёшка

Как укротить звезду? Подробная инструкция Космос, Футуризм, Сфера Дайсона, Шкала Кардашёва, Колонизация космоса, Длиннопост

Такая структура должна состоять, по крайней мере, из двух (обычно больше) сфер Дайсона, построенных вокруг звезды и вложенных одна в другую. Значительная часть оболочек будет состоять из нанокомпьютеров молекулярного масштаба. Эти компьютеры по крайней мере частично будут получать энергию от обмена между звездой и межзвёздной средой. Оболочка будет поглощать энергию, излучаемую на её внутреннюю поверхность, использовать её для питания компьютерных систем и излучать энергию вовне. Нанокомпьютеры каждой оболочки будут предназначены для работы при различных температурах.


Мозг-матрёшка может использоваться для создания точной имитации реальности или переноса сознания человека в виртуальную реальность. Есть предположение, что подобный мегакомпьютер сможет моделировать целые альтернативные вселенные. Существование внутри компьютерной модели может быть таким же «реальным», как и в обычной биосфере — если вообще можно провести такое различие.

Субъективное время в подобной симуляции может быть крайне замедленным, так, 100 стандартных земных лет может восприниматься внутри симуляции как 1 секунда. Это позволит не только достигать других звёзд в приемлемые для людей интервалы субъективного времени, но и проводить «телефонные разговоры» с другими звёздными системами с минимальной субъективной временной задержкой.


Двигатель Шкадова

Как укротить звезду? Подробная инструкция Космос, Футуризм, Сфера Дайсона, Шкала Кардашёва, Колонизация космоса, Длиннопост

Данное устройство, иначе называемое «Звёздная Машина класса А» названо в честь Леонида Михайловича Шкадова — российского учёного, который впервые предложил данную концепцию.


Такой двигатель представляет собой силовую установку звёздного масштаба, состоящую из огромного зеркала — солнечного паруса достаточно больших размеров, световое давление на который уравновешено гравитационным притяжением звезды. Поскольку давление излучения звезды в результате приобретёт несимметричный характер (то есть в одном из направлений будет излучаться больше энергии), разница в давлении создаёт тягу, и звезда начинает ускоряться в направлении парящего над ней паруса. Такая тяга и ускорение будут крайне небольшими, но такая система может оставаться стабильной в течение тысячелетий. Планетная система звезды будет перемещаться вместе с самой звездой.


Для такой звезды, как Солнце, со светимостью 3,85 × 10²⁶ Вт и массой 1,99 × 10³⁰ килограмм, общая тяга, производимая отражением половины солнечного излучения, будет равна 1,28 × 10¹⁸ ньютонов. За временной промежуток в 1 миллион лет это даст изменение скорости на 20 м/с и удаление от исходной позиции на 0,03 световых года. Через один миллиард лет скорость будет составлять 20 км/с, а удаление от исходной позиции — 34000 световых лет, что немного превышает одну треть ширины галактики Млечный Путь.


Планетарная система будет путешествовать вместе со звездой, увлекаемая её гравитацией.


Напоследок хочется сказать, что сейчас простому человеку практически невозможно даже вообразить, что из себя будет представлять человеческая (или пост-человеческая) цивилизация, достигнув рейтинга К2 по Кардашёву-Сагану. Например, цивилизация, которая смогла колонизировать другие планеты и даже провести их терраформинг, будет иметь рейтинг 1,1 — 1,2. Федерация из Star Trek, возможно достигла уровня 1,3. Империя из серии «Основание» (Foundation) Исаака Азимова, насчитывающая миллионы миров, имеет примерную оценку в 1,7. Наконец, вся галактическая империя из «Звёздных войн», возможно, достигла рейтинга K2. Целая галактическая империя лишь с большим трудом может соответствовать всего одной сфере Дайсона!


Стоит ли говорить, что после сооружения всего одной сферы Дайсона, дальнейшая колонизация галактики не будет представлять для человечества никаких особых проблем.

Показать полностью 9

Берём ипотеку и переезжаем в космос

Земля, вопреки распространённому мнению, далеко не так перенаселена, как нам говорят в СМИ, если «подкрутить» настройки и добавить технологий, она может, в теории, поддерживать жизнь в тысячи раз больше людей, чем сейчас на ней проживает. Да, речь идёт о триллионах жителей (правда, прочей живой природе, да и нам с вами, придётся «немного» потесниться). Однако, учитывая людскую натуру, можно не сомневаться, что уровень дискомфорта от соседства с группой людей, придерживающихся иных взглядов, религии или морально-этических норм возрастёт до непереносимого гораздо раньше, чем население планеты достигнет подобных величин.


Если бы современные технологии это позволяли, эмиграция (добровольная или, может быть, даже вынужденная) с Земли может стать для многих выходом из подобной ситуации. Более того, количество поданных заявок (более 200 тыс. человек) на участие в проекте Mars One показывает, что уже сейчас есть много людей, готовых «свалить» отсюда. В будущем, количество людей, желающих того же будет только возрастать.

Берём ипотеку и переезжаем в космос Космос, Футуризм, Колонизация космоса, Oneil, Длиннопост

К большому сожалению, в Солнечной системе нет планет, кроме Земли, на которой могли бы проживать люди, и хотя фундаментально можно провести преобразование (терраформинг) Венеры, Марса или Титана до условий минимальной пригодности к проживанию, подобные проекты потребуют титанических усилий и огромного количества времени.


В предыдущих двух постах, я уже рассказывал, как можно значительно упростить и поставить на массовый поток доставку груза на орбиту, а так же перечислил то, что необходимо для выживания в космосе.


Сегодня я хочу остановиться на некоторых проектах, которые могут предложить альтернативу колонизации других планет в солнечной системе – поселения в открытом космосе, способные поддерживать условия, пригодные для проживания людей.

Берём ипотеку и переезжаем в космос Космос, Футуризм, Колонизация космоса, Oneil, Длиннопост

Планеты внутренней Солнечной системы (за исключением Земли, разумеется) не предлагают практически никаких преимуществ для проживания – температура, давление и химический состав атмосферы Марса и Венеры не позволяют нам находиться в ней без защитного снаряжения, Луна и Меркурий вообще не имеют атмосферы. На поверхности планет мы не защищены ни от метеоритов, ни от радиации (если, конечно, не брать в расчёт то инферно, которое из себя представляет поверхность Венеры), а сила тяжести на всех этих планетах значительно ниже Земной.


С другой стороны, космическое поселение обладает рядом преимуществ – его сооружение по стоимости сравнимо со стоимостью строительства поселения на поверхности планеты, зато мы можем создать в нём пригодную для жизни и ведения сельского хозяйства атмосферу, защитить от радиации и метеоритов не хуже, чем на планете, расположить данное поселение где угодно по нашему выбору (и поближе к Земле, что немаловажно), обеспечить нормальную силу тяжести и земной суточный цикл.


Строительство подобных поселений, хотя и представляет определённые инженерно-технические трудности и неподъёмно-дорогие по нынешним экономическим меркам, тем не менее, вполне осуществимы даже сегодня.


В 1976 году на пике энтузиазма после полётов Аполлонов на Луну, физик Джерард О'Нилл в своей книге «Высокий рубеж: Человеческие колонии в космосе» описал вариант подобного поселения в виде цилиндра 8 км диаметром и 32 км в длину. В действительности, даже если вы используете сталь, эти размеры можно серьёзно увеличить. Мы можем так же использовать алюминий или титан, не говоря уже о кевларе или графене, что позволит увеличить подобный цилиндр до поистине циклопических размеров, однако даже оригинальный предложенный размер внушает уважение. Площадь внутренней поверхности такого цилиндра 804 кв. км – это больше, чем весь Сингапур и чуть меньше, чем Пермь!


Более того, проект О'Нилла предлагал соорудить два подобных цилиндра, соединённых вместе, а так же целой вспомогательной инфраструктуры вокруг них.


В комментариях к прошлым постам, наверное, все желающие уже пришли к консенсусу относительно того, что «можно, но дорого», поэтому я не буду подробно останавливаться на экономике, тем более, что ещё в 1975 году было основано «Общество L5», которое сейчас называется «National space society», целью которого, в числе прочего, является строительство подобного сооружения в точке Лагранжа L5 между Землёй и Луной. Объект в данной точке находится в состоянии гравитационного равновесия, оставаясь на одинаковом расстоянии, как от Земли, так и от Луны. Такое месторасположение может служить идеальной перевалочной базой.


Классический проект О'Нилла предусматривал «окна» по боковым сторонам цилиндра для проникновения солнечного света, либо сложную систему зеркал для освещения внутренней поверхности. На самом деле наличие окон – не слишком практичная идея, когда дело касается защиты от метеоритов и радиации, однако он опубликовал данный проект в 1976 году, когда у нас не было не эффективных светодиодов для освещения, ни сравнительно мощных солнечных батарей, поэтому много иллюстраций, посвящённых идеям космических поселений, отображают несколько неверную концепцию.

Берём ипотеку и переезжаем в космос Космос, Футуризм, Колонизация космоса, Oneil, Длиннопост

Робототехника так же не была настолько распространена, как сейчас, и то, что казалось несбыточной фантастикой 40 лет назад, сейчас вызывает скепсис, скорее, экономического характера, нежели технического. Роботы могут самостоятельно добывать и перерабатывать строительный материал на Луне или даже заниматься разработкой астероидов. Роботы же могут осуществлять сборку конструкций либо полностью самостоятельно, либо посредством телеуправления. Доставка строительного материала с Луны может обходиться очень дёшево при использовании, например, орбитального лифта или рельсотрона, запускающего контейнеры с грузом в окрестности «строительной площадки».

Берём ипотеку и переезжаем в космос Космос, Футуризм, Колонизация космоса, Oneil, Длиннопост

Как я уже говорил в прошлый раз, гравитация внутри цилиндра создаётся центробежной силой, при этом, чем больше диаметр цилиндра, тем медленнее ему нужно вращаться, для создания эффекта земной гравитации и тем меньше будет проявляться эффект Кориолиса. Есть, однако, явление прецессии, которое со временем может подвергнуть конструкцию цилиндра излишним нагрузкам. С прецессией можно бороться, корректируя вращение двигателями, однако идеальным случаем будет соединение двух таких цилиндров, вращающихся в противоположном направлении. Так, прецессия одного цилиндра будет гасить прецессию соседа.


Космический вакуум не оказывает никакого сопротивления, поэтому, раз раскрутив цилиндр до нужной скорости, на поддержку его вращения практически не требуется никакой энергии. По этой же причине, кстати, механические тяжёлые маховики очень удобно использовать в космосе для запасания энергии, что значит, что на случай чрезвычайных ситуаций, в крайнем случае, можно будет воспользоваться энергией вращения нашего цилиндра.


Если диаметр нашего поселения зависит от конструкционной прочности материала и от силы тяжести, которую мы хотим создать, длина цилиндра не ограничена практически ничем, больше того, мы можем соединять подобные конструкции, как связку сосисок.


Как я уже сказал, площадь внутренней поверхности цилиндра составляет 804 кв. км., которые запросто можно увеличить в несколько раз просто за счёт создания нескольких слоёв, освобождая жизненное пространство для людей, а «нижние» этажи оставить технике и складам. Тем не менее, добавляя слои, следует помнить, о паразитном тепле, которое придётся как-то отводить, чтобы избежать перегрева, а так же об освещении. Паразитное тепло в космосе можно отвести только излучением при помощи радиаторов. К счастью, частично роль последних могут взять на себя солнечные батареи в силу своей большой площади.


Как я уже неоднократно подчёркивал, при наличии управляемого термоядерного синтеза многие вещи сильно упрощаются, однако, такое сооружение может вполне обходиться и солнечной энергией.


Вопреки распространённому заблуждению, строить подобное сооружение внутри астероида, затем раскручивая этот астероид для создания гравитации – не сильно хорошая идея сама по себе. Дело в том, что астероиды не монолитны, по сути – это лишь груда щебня, кое-как собранная вместе той крохотной гравитацией, которую производит подобная масса. Если раскрутить такой астероид для создания внутри силы тяжести в 1g, эти камушки могут просто разлететься по сторонам. Однако, не стоит преждевременно хоронить данную идею. Дело в том, что эти камни действительно могут представлять собой отличную защиту от радиации и метеоритов, однако мы не должны раскручивать сам астероид, как мы не раскручиваем вместе с барабаном корпус стиральной машины. Если во вращающийся объект что-то ударяется, то обычно энергия удара либо прибавляет, либо убавляет скорость вращения, а причинённые повреждения прямо пропорциональны кинетической энергии удара. Даже если на вращающийся корпус придётся только половина ударов с вектором против вращения, суммарный ущерб будет больше, чем если бы удар приходился по неподвижной оболочке.

Берём ипотеку и переезжаем в космос Космос, Футуризм, Колонизация космоса, Oneil, Длиннопост

По этой причине, вращение нашего цилиндра извне увидеть будет невозможно. Впрочем, защитный материал вовсе не обязательно должен быть из камня, льда или металла. Вполне можно обойтись водородом или гелием – наиболее распространёнными веществами во вселенной. 1 кг водорода на единицу площади защитит вас от радиации даже лучше, чем 1 кг камней. Защиту можно и комбинировать. Так же, для внешней защиты можно использовать резервуары с воздухом и водой. Космическая радиация никак не отразится на их качестве, и лучше потерять часть резервов от попадания метеорита, чем пострадают люди внутри.


Для защиты от ударов большинства метеоритов вполне достаточно иметь лишь 3-4 метра защитного покрытия из камней, поэтому, гораздо практичнее сооружать поселение, не пробуривая проход вглубь астероида, оставляя на внешней стороне толщу в десятки, а то и сотни метров бесполезного для нас грунта, а просто добывать этот грунт, добавляя его на внешнюю оболочку цилиндра, извлекая из него всё ценные материалы. В непосредственной близости от Луны, возможно, грунт даже выгоднее доставлять с неё, чем отлавливать слабозаметные астероиды. Данный грунт нам в любом случае понадобится для создания имитации природного ландшафта (холмы, горы, озёра) на внутренней поверхности цилиндра.


Для обеспечения неровностей внутреннего ландшафта нашему цилиндру не обязательно иметь неизменный радиус. Единственное, что следует учитывать, это то, что чем выше мы сделаем «гору», тем меньшей будет сила тяжести на её вершине (впрочем, это и на Земле так, только проявляется в меньшей степени). Возможно, концы цилиндра будет целесообразно сделать сужающимися, если потребуется иметь зоны с меньшей силой тяжести.

Берём ипотеку и переезжаем в космос Космос, Футуризм, Колонизация космоса, Oneil, Длиннопост

Особенности силы тяжести внутри нашего поселения, скорее всего, приведут и к появлению новых видов экстремального спорта. На ум приходят дельтапланы, парашюты, парапланы и планёры, позволяющие забираться на высоту, где сила тяжести либо полностью отсутствует, либо значительно уменьшается.


Искусственный ландшафт необходим так же для того, чтобы снизить видимость закругления цилиндра, а для цилиндров большого размера, даже в этом не будет особой необходимости. Мы можем обходиться относительно небольшим количеством плодородного грунта, так как корням деревьев необходимо всего несколько метров земли вглубь для закрепления в почве.


Освещение внутри может осуществляться либо при помощи системы зеркал, доставляющих солнечный свет с поверхности, либо при помощи ламп, излучающих свет требуемого нам и растениям диапазона. Ограничение диапазона будет полезным для того, чтобы сократить накопление паразитного тепла.


Отдельное внимание стоит уделить «небу», так как люди привыкли видеть над собой белые облака на голубом небе. Возможно, эффект можно будет сгладить, увеличив долю открытых водных поверхностей в ландшафте, либо расположить вдоль продольной оси цилиндр потоньше для имитации голубого неба (облака можно «рисовать» с поверхности прожекторами), а может быть, иллюзию можно будет создать просто при помощи обыкновенной краски. Впрочем, если уж мы строим многослойный многокилометровый цилиндр, то наличие жидкокристаллических экранов, показывающих небо над головой, не кажется такой уж экзотикой.

Берём ипотеку и переезжаем в космос Космос, Футуризм, Колонизация космоса, Oneil, Длиннопост

Жизненное пространство внутри подобного цилиндра более, чем достаточно для размещения и комфортного проживания нескольких миллионов жителей – достаточно для поддержания генетического разнообразия, а при наличии термоядерной энергии, подобные цилиндры можно размещать где угодно в солнечной системе (да хоть бы и за её пределами) на условиях полного самообеспечения. По сути, такой цилиндр с небольшими оговорками можно назвать космическим кораблём.


Малый цилиндр, построенный на первом этапе, можно наращивать вдоль сколько угодно, либо добавлять рядом цилиндры большего размера, если это будет необходимо. Что касается количества таких цилиндров, которые мы можем построить только в Солнечной системе, то если брать толщину стенок в 10м мы можем создать «жилплощадь» в несколько миллионов(!) раз превышающую нашу Землю, «разобрав» все каменистые небесные тела на строительный материал.


Не стоит так же забывать и о земной фауне, особенно о видах, которым грозит вымирание (не без нашей помощи). Мы можем использовать подобные цилиндры под заповедники дикой природы, где животные смогут жить, не опасаясь антропогенного влияния и браконьеров.


Фантазию человека сложно остановить, поэтому я хочу пройтись и по более экзотическим и масштабным проектам.


После открытия углеродных нанотрубок и графена, наши конструкторские возможности возрасли до масштабов цилиндра МакКендри и Кольца Бишопа.

Берём ипотеку и переезжаем в космос Космос, Футуризм, Колонизация космоса, Oneil, Длиннопост

Кольцо Бишопа

Берём ипотеку и переезжаем в космос Космос, Футуризм, Колонизация космоса, Oneil, Длиннопост

Масштабы этих конструкций, построенных по схожему принципу, исчисляются уже в десятки тысяч километров и достаточно вместительны, чтобы считаться планетами (хотя бы по количеству населения, которые они могут разместить).


На этом технически реализуемые проекты вращающихся поселений закончены и начинается фантастика.


Одной из таких фантастических идей (уже за гранью наши современных возможностей) является Орбиталь Бэнкса (основана на идеях, высказанных в романе «Вспомни о Флебе» Иэна Бэнкса).

Берём ипотеку и переезжаем в космос Космос, Футуризм, Колонизация космоса, Oneil, Длиннопост

Примечательной особенностью данного «кольца» является то, что скорость полного оборота у него составляет 24 часа для имитации привычной для людей длительности суток. По кромкам кольца расположены стены в несколько километров в высоту для удержания воздуха, однако сам объект настолько огромен, что их можно и перепутать с горной грядой.


Кольцо имеет примерно 3 млн. км в диаметре и может быть какой угодно ширины и обеспечивает площадь, эквивалентную нескольким сотням площадей земной поверхности. К сожалению, нам неизвестен материал, который был бы способен выдержать подобную нагрузку.


В теории, для создания подобного сооружения нам мог бы пригодиться нейтроний (вещество, из которого предположительно состоят ядра нейтронных звёзд), однако подобный материал попросту не может существовать в «нормальных» (для человека) условиях.


Завершить обзор я хочу уже полностью фантастическим сооружением, изобретённым Ларри Нивеном в его «Мире-кольце» (Ringworld). Данное сооружение очень сильно напоминает Орбиталь Бэнкса, однако оно на много порядков крупнее – это кольцо, построенное вокруг звезды. Поскольку его внутренняя сторона постоянно обращена к светилу, для смены дня и ночи необходима система «экранов» на меньшей орбите, размеры которых подобраны таким образом, чтобы обеспечить смену дня и ночи. Чтобы создать эффект сумерек, края экранов необходимо сделать полупрозрачными, особенно для красного диапазона.


Подобное кольцо не может поддерживать стабильность (на что, в своё время Нивену указали фанаты), и его приходится постоянно стабилизировать внешними двигателями. Кроме того, скорость вращения подобного кольца может достигать процентов скорости света, что превращает любой камешек в разрушительную бомбу, однако, для тех, кому удалось построить подобное сооружение, данное неудобство, я уверен, не представляет никаких проблем.

Берём ипотеку и переезжаем в космос Космос, Футуризм, Колонизация космоса, Oneil, Длиннопост

Что меня всегда забавляло в фантастических произведениях, описывающих далёкое будущее, так это то, что человеческая цивилизация в них продолжала «цепляться» за планеты, хотя ей вполне было по силам стоить любые из описанных здесь проектов, в сотни, тысячи, если не миллионы раз, расширяя своё жизненное пространство. Наверное, действительно по-настоящему будущее предсказывать невозможно, так как мы продолжаем видеть будущее, как приумноженное настоящее.


Проекты, описанные здесь (за исключением последних двух), может быть, покажутся кому-нибудь фантастическими, однако, с технической точки зрения, мы можем начать сооружение подобных конструкций прямо сейчас.

Показать полностью 11

Краткое пособие по выживанию в космосе

Предыдущий пост был посвящён тому, как обеспечить дешёвый и массовый выход человечества за пределы земного притяжения, в космос. Сегодня я хочу поговорить о том, как можно жить в местах, которые изначально не предназначены для биологической жизни.

Краткое пособие по выживанию в космосе Космос, Системы жизнеобеспечения, Колонизация планет, Длиннопост

Сразу хочу оговориться, что являюсь сторонником мнения, что проще изменить самих людей путём биологической или кибернетической модификации, либо их комбинации, чем пытаться выносить земные условия в космос. Однако, данная тема слишком широка, чтобы её охватить, к тому же, изменение людей как вида мне видится более крупномасштабным проектом, чем освоение ближайшего космоса, поэтому всё, что изложено здесь, выводится из предположения, что люди в космосе первое время будут обитать такими, какие они есть сейчас.


Данный пост – обзорный, и касается в первую очередь вещей, которые потребуются в любом месте Солнечной системы. Разумеется, техники колонизации Луны и, скажем, Титана будут сильно различаться, а принципы жизнеобеспечения космической станции – отличаться от тех же принципов на Лунной базе. Поскольку Луна является ближайшим к нам небесным телом, ей будет уделено более пристальное внимание.


Космос – крайне недружелюбная среда для человека, лишённая, на первый взгляд, всего, что требуется нам для поддержания жизни. Кроме того, научная (и не очень) фантастика плодит мифы и заблуждения на счёт того, что и как может убить вас в космосе, однако главная мысль определена вполне чётко – космос вас убьёт.


Чтобы выжить, нам необходимо предусмотреть всё, что требуется для жизни человека, и эти вещи можно ранжировать по критерию насущности.



Кислород

Краткое пособие по выживанию в космосе Космос, Системы жизнеобеспечения, Колонизация планет, Длиннопост

Наиболее важным и самым насущным для нас ресурсом является кислород. В течение суток, человек вдыхает кислород и производит около килограмма двуокиси углерода или углекислого газа (CO₂). Количество требуемого кислорода разнится, разумеется, от человека к человеку, но, в целом, это зависит от количества сожжённых калорий. Здесь сразу стоит развенчать первый миф, связанный с дыханием, якобы разговаривая, мы сжигаем больше кислорода. Если бы разговоры могли сжигать калории, это было бы во всех наставлениях по похуданию. Разница действительно есть, но она настолько мала, что ей вполне можно пренебречь. Если упростить, то потребление кислорода возрастает вместе с частотой вашего пульса и наоборот.


Первейший риск в замкнутом помещении, не ограниченное количество кислорода, а накопление углекислого газа. Предположим, я нахожусь в комнате 5х8 метров с высотой потолка 2,5 м, для ровного счёта 100 куб. м или 100 тыс. литров. Кислород занимает 21% этого объёма или 23% массы всего воздуха. Почти всё остальное – азот, который легче кислорода. При комнатной температуре, плотность воздуха составляет примерно 1,2 кг на куб. м, соответственно в нашей комнате 120 кг воздуха, 28 кг из которых – кислород.


Кислорода в этой комнате теоретически хватило бы одному человеку на 38 дней! Однако, он не сможет прожить там 38 дней, даже если найдёт способ избавляться от углекислого газа, отравление которым в противном случае начнётся весьма скоро. Дело в том, что как только концентрация кислорода в воздухе упадёт вдвое, начнутся проблемы с дыханием, тошнота, обмороки и весьма предсказуемый финал. Если удастся сократить объём комнаты каким-либо образом, снова увеличив концентрацию доступного кислорода, это позволит продлить вам жизнь.


Азот людям для дыхания не нужен, поэтому, например, американцы специально понижали давление в своих космических кораблях, наполняя их кислородом. Это позволяло экономить массу (для удержания пониженного давления требуется менее прочный корпус с более тонкими стенками), кроме того, чем ниже давление тем менее интенсивны будут возможные утечки. Кстати, это создавало определённые инженерные трудности во время стыковки «Союз» – «Апполон» в 1975 году, так как советские космонавты дышали обычным воздухом.


Наверное, стоит упомянуть ещё один миф насчёт утечек воздуха. Если проткнуть в обшивке космического корабля дырку с палец толщиной (1 см²), при нормальном давлении, вы будете терять около 1 кг воздуха в минуту. Даже если вы просто заткнёте дырку пальцем, вы остановите утечку. Вот ещё один миф – нет, вас не «высосет» наружу через эту дырку. Утечка воздуха замедлится по мере падения давления, но вы не упадёте в обморок до момента, пока давление не снизится до половины атмосферы, что для нашей комнаты в 100 кв. м займёт примерно 1 час. При этом, утечку, особенно в условиях невесомости найти очень легко. Скорость утечки растёт приблизительно линейно пропорционально площади отверстия – увеличьте дыру вдвое, скорость утечки так же возрастёт вдвое. Даже если неплотно закрыть отверстие любым предметом, это уменьшит скорость утечки.



Углекислый газ

Краткое пособие по выживанию в космосе Космос, Системы жизнеобеспечения, Колонизация планет, Длиннопост

На МКС, с объёмом примерно 900 кубометров, даже без учёта запасов сжатого кислорода, 6 членам экипажа кислорода хватит где-то на два месяца, но всего около недели до наступления серьёзного отравления углекислотой. Смерть наступит в течение следующей недели.


Углекислый газ представляет более насущную проблему, так как у нас уже начинаются проблемы, когда его массовая доля во вдыхаемом воздухе возрастает до 1%. С этой концентрации уже начинаются головные боли, головокружения, повышается раздражительность, что снижает способность думать рационально над решением проблемы.


При достижении массовой концентрации углекислоты 10% (7% объёма), летальный исход обеспечен в 80% случаев.


Разумеется, на МКС и на подлодках уже сейчас имеются средства для очистки воздуха от углекислого газа, в последние годы, когда выбросы CO₂ в нашу собственную атмосферу заставляют серьёзно задуматься о его утилизации, разрабатываются и новые способы.


Методы очистки воздуха от углекислоты можно подразделить на 2 категории: регенеративный и нерегеративный. Регенеративный метод не расходует какие либо материалы в процессе очистки. Нерегенеративный метод требует расходных материалов.


В случае нерегеративной очистки, обычно используется какое-либо химическое вещество, которое расходуется примерно в равной пропорции по массе, какое количество углекислоты требуется удалить, что из расчёта в 1 кг на человека в сутки весьма накладно.


Например, можно использовать негашёную известь (оксид кальция CaO), который связывает углекислоту в карбонат кальция. Так же можно для этих целей использовать другие минералы, хорошо связывающие углекислоту. Вы вложите в процесс 56 кг оксида кальция и получите в конце 100 кг карбоната кальция, связав 44 кг двуокиси углерода – это всего 44 дня на 1 человека, кроме того, останется 100 кг бесполезного карбоната кальция.


Разумеется, более предпочтительным будет способ фильтрации воздуха и удаления излишков CO₂ из воздуха, а в идеале – разложению его обратно на углерод и кислород.


Из школьного курса природоведения мы знаем, что с этим прекрасно справляются растения. Ещё определённые растения можно есть, и, казалось бы, это прекрасное решение, однако растения занимают много места, процесс регенерации длится довольно долго, а энергия, которая потребуется растениям, будет гораздо выше, чем альтернативные способы очистки воздуха от двуокиси углерода.


Химически очень сложно разложить CO₂ на углерод и кислород (под «сложно» следует понимать «энергозатратно»). Если делать это в промышленных масштабах, то можно выйти на уровень порядка двух сотен киловатт-часов на тонну CO₂, что эквивалентно 720 КДж/кг, либо 8 Вт на человека. Сравнительно недавно (в 2014) так же было обнародовано исследование о разложении углекислого газа при помощи ультрафиолета.

Краткое пособие по выживанию в космосе Космос, Системы жизнеобеспечения, Колонизация планет, Длиннопост

Кроме того, в другом исследовании при использовании того же ультрафиолетового лазера и наночастиц родия как катализатора, учёные добились реакции, позволяющей не только выделять кислород обратно, но и получать метан, который можно использовать как топливо.


Это значит, что мы можем использовать достаточно лёгкую и малогабаритную солнечную батарею для очистки от CO₂ воздуха в нашем скафандре или жилище. Кроме того, необходим аппарат по восстановлению оксидов, чтобы можно было добывать кислород из каменистых пород. Например, Луна по массовой доле почти наполовину состоит из кислорода, связанного в оксидах. Добыча кислорода из них достаточно энергозатратна, нам потребуется порядка 100 МДж энергии на 1 кг добываемого кислорода, что эквивалентно 1 КВт на человека.


Кроме того на Луне достаточно метеоритного льда, соответственно, при энергозатратах порядка 30 МДж/кг, мы вполне сможем добывать кислород из этой воды.


Я постоянно привожу «стоимость» того или иного процесса в ваттах, чтобы подчеркнуть, что в космосе можно раздобыть практически любой ресурс, была бы энергия.



Вода

Краткое пособие по выживанию в космосе Космос, Системы жизнеобеспечения, Колонизация планет, Длиннопост

Как уже было сказано, вода может добываться из ледяных астероидов или метеоритного льда. В Солнечной системе много мест, где воды много, к сожалению, во внутренней её части вода и даже водород встречаются реже. Разумеется, само Солнце – огромный склад водорода, но извлечь его оттуда довольно сложно. Как правило, там где редко встречается вода, там редко встречается и водород, так что воды у вас будет либо более, чем достаточно, либо не будет практически никакой, поэтому регенерация воды останется насущной заботой (см. Обратный осмос).


Хорошие новости состоят в том, что уже сейчас космические агентства добились весьма неплохих результатов по регенерации воды из... продуктов жизнедеятельности человека.



Азот

Краткое пособие по выживанию в космосе Космос, Системы жизнеобеспечения, Колонизация планет, Длиннопост

Продолжим азотом. Азот – главный компонент земной атмосферы, однако, это довольно редкий ресурс в космосе. Хотя мы и не используем азот для дыхания, азот нужен растениям, которые нам в любом случае понадобятся, если мы не хотим умереть с голоду. Потери азота могут в долгосрочной перспективе оказаться более губительны, чем потери кислорода (которого, в том или ином виде полно в лунном грунте). Азота в лунном грунте практически нет (Марс не лучше), впрочем, те крохи, что в нём содержатся, можно будет получать как побочный продукт в процессе спекания реголита для производства строительного материала.

Исходя из этого, следует тщательнейшим образом сберегать каждый грамм азота, так как его следует рассматривать как невосполнимый ресурс (если, конечно, у нас нет «в кустах» термоядерного реактора, наличие которого сделает бессмысленными почти все рассуждения в данном посте).



Еда

Краткое пособие по выживанию в космосе Космос, Системы жизнеобеспечения, Колонизация планет, Длиннопост

Для полноценной жизни и сохранения здоровья человек должен не только иметь достаточное по энергетической ценности питания, но и питаться разнообразно и, что немаловажно – вкусно. Кроме того, в условиях с даже слегка отличающимися условиями по гравитации, составу воздуха и влажности, наши вкусовые предпочтения могут измениться непредсказуемым образом.


Разумеется, для самообеспечения космическое поселение должно иметь возможность выращивать собственную пищу. Есть даже небольшое преимущество по выращиванию еды в космосе, так как там нет ни сорняков, ни вредителей. Мы можем так же экспериментировать с генетическими модификациями растений, не опасаясь загрязнить земную биосферу. Однако, на этом преимущества заканчиваются и начинаются трудности. Мы можем с лёгкостью обеспечить растения светом для фотосинтеза и углекислотой для питания, так же водой, однако, многим растениям так же нужна гравитация (хотя бы небольшая), азот, фосфор и другие элементы.


Естественного солнечного освещения растениям хватит в области, простирающейся до орбиты Сатурна, если мы находимся дальше, потребуется уже искусственный свет.


Если мы хотим приготовить пригодную для культивации растений почву на месте, довольно простым способом это осуществить будет искусственное разведение культур земных микроорганизмов, обитающих в почве, которые придётся предусмотрительно захватить с Земли.


В целях экономии гидропонные сооружения, возможно, будут содержать атмосферу насыщенную углекислым газом.


Хотя некоторые веганы, возможно, будут и счастливы от чисто растительного рациона, человеку так же желательно получать и животный белок.


И, хотя, теоретически, мы могли бы выращивать скот в космосе, это довольно непрактично, поэтому большое внимание уже сейчас уделяется культивируемому мясу (VitroMeat). Уже сейчас исследователи добились в этом направлении определённых успехов – был приготовлен первый гамбургер, котлета для которого создана целиком из выращенного в пробирке мяса. Клетки данного мяса никогда не были частью животного.

Краткое пособие по выживанию в космосе Космос, Системы жизнеобеспечения, Колонизация планет, Длиннопост

Сейчас уже есть возможность производить мясной фарш, а долгосрочной целью является выращивание полноценной культивированной мышечной ткани. Потенциально мышечную ткань любого животного можно выращивать в пробирке.


Мясо из пробирки не следует путать с имитацией мяса, которая является вегетарианским продуктом, произведённым из растительного белка, чаще всего из соевого или пшеничного, коим, впрочем, так же может найтись место на столе будущих колонистов.



Гравитация

Краткое пособие по выживанию в космосе Космос, Системы жизнеобеспечения, Колонизация планет, Длиннопост

К сожалению, сейчас наука располагает весьма скудными данными о долгосрочных (многолетних) последствиях воздействия малой гравитации на организм. На Луне сила тяжести 16% земной, на Марсе — 38%. Тем не менее, даже самая малая гравитация намного лучше её полного отсутствия (хотя бы для того, чтобы принять душ или справить естественную нужду).


Восполнить недостаток гравитации до стандартного 1g можно при помощи центробежной силы, причём, даже на поверхности другой планеты.

Краткое пособие по выживанию в космосе Космос, Системы жизнеобеспечения, Колонизация планет, Длиннопост

Исследования показали, что неподготовленный человек без каких-либо побочных эффектов в виде головокружений и тошноты может переносить вращение до 2 об./мин. К сожалению, центробежная сила увеличивается пропорционально квадрату скорости вращения и лишь линейно пропорционально радиусу – для достижения 1g при такой скорости вращения, цилиндр должен быть довольно большой 224 метра с длиной окружности 1400 метров. Однако, на поверхности Луны или Марса нам не требуется восполнять все 100%, соответственно, диаметр центрифуги должен составлять, соответственно 85 метров для Луны или 36 метров для Марса. Если люди пройдут соответствующую подготовку и будут спокойно переносить до 4-6 оборотов в минуту, и требования к радиусу сократятся, соответственно до 55-25 м. К сожалению с уменьшением радиуса растёт проявление эффекта Кориолиса, а так же растёт разница между силой тяжести на уровне вашей головы и ваших ног, поэтому центрифуги должны быть относительно большого размера.


Кому интересно, вот здесь есть онлайн-калькулятор, позволяющий поиграть с параметрами космической центрифуги.


Если мы в открытом космосе, нам необязательно иметь даже цилиндр или тор, достаточно взять две капсулы, связанные тросом и раскрутить их друг относительно друга.

Краткое пособие по выживанию в космосе Космос, Системы жизнеобеспечения, Колонизация планет, Длиннопост

Подобные конструкции могут быть подвержены вибрациям, однако они не настолько огромны, чтобы это представляло серьёзную проблему. Для стабилизации можно использовать обратное вращение, гироскопы, и пр.


На поверхности планет имеет смысл заглублять жилые помещения под грунт для защиты от микрометеоритов (особенно, это важно на Луне, лишённой атмосферы). Одним из достоинств планет с малой силой тяжести является то, что экскавация грунта будет проходить гораздо легче, а несущие конструкции подобных сооружений могут иметь меньшую прочность, чем на Земле.


Под поверхностью не будет окон (впрочем, это может быть даже и хорошо, так как вращающееся небо может вызвать головокружение), что подводит нас к следующей теме:


Освещение и температура


До сих пор, наши потребности в энергии оставались весьма скромными. Однако, когда речь заходит об освещении и отоплении, «счёт» за коммунальные услуги может серьёзно увеличиться. Потребности в освещённости на 1 человека довольно скромны, 10 Вт светодиодная лампа вполне способна справиться с задачей, но когда нам требуется освещать большие площади, отведённые под гидропонику, всё меняется. По самым скромным оценкам, требования по мощности освещения гидропонических плантаций, способных прокормить одного человека составляют 2 КВт, и это при том, что энергопотребление идеально оптимизировано – то есть, освещение осуществляется только с теми длинами волн, которые необходимы для фотосинтеза, на плантации поддерживается оптимальная температура, давление, содержание углекислоты и удобрений. Разумеется, если нам доступен солнечный свет, то мы сможем сэкономить на освещении, однако не всегда это может быть хорошей идеей.


В условиях космического вакуума, тепло может как поступать, так и отводиться лишь одним способом – излучением (кстати, вопреки распространённому мнению, по этой причине в космосе гораздо проще получить тепловой удар, чем обморожение). Излучение тепла при помощи радиатора зависит от его температуры и площади поверхности. Типичный скафандр имеет площадь поверхности около 2 кв. м и излучает примерно 1 КВт энергии при температуре 36,6 градусов Цельсия, что эквивалентно 21000 калорий в день. Если нам по какой-то причине недоступен солнечный свет, нам, возможно, и потребуется сохранять это тепло, в противном случае, с отоплением жилища в космосе проблем обычно не возникает.


Если же мы находимся на поверхности Луны, для отвода тепла мы так же можем использовать теплопроводность и конвекцию. Тем не менее, следует принять во внимание, что если длительность суток на Земле и Марсе практически идентичны, на Луне ситуация другая, там сутки длятся почти земной месяц. Так «днём», температура на поверхности может достигать 107 °С, ночью же – опускаться до –153 °С. Наиболее оптимальной стратегией на Луне будет закапывание поглубже, где разница дневной и ночной температуры не настолько сильная. Кроме того, это будет целесообразно и по другой причине – для защиты от метеоритов и радиации. По этой причине, искусственное освещение или освещение при помощи отражённого зеркалами света может оказаться предпочтительнее, чем естественное освещение «из окон». Отражающие поверхности так же могут «фильтровать» ненужные длины волн, например зелёной части спектра, которая практически не нужна растениям.


Осталось осветить три вещи:


Средства связи, строительные и производственные мощности

Краткое пособие по выживанию в космосе Космос, Системы жизнеобеспечения, Колонизация планет, Длиннопост

Если мы находимся недалеко от Земли, связь с ней не представляет особой проблемы, однако по мере удаления, задержка сигнала может достигать минут или даже часов, кроме того (и это немаловажно), нам будет требоваться всё более мощные передатчики для поддержания каналов связи, каждый байт переданной информации будет обходиться всё дороже. Можно иметь на месте инструкцию к сложному оборудованию или медицинский справочник, однако консультация квалифицированного специалиста на Земле может оказаться весьма кстати.


То же касается строительства и производства – всё, что может быть произведено in situ (на месте) сберегает огромное количество денег, времени и энергии. Огромное значение имеет возможность не брать с собой 50 запасных частей, а иметь возможность 3D печати необходимого инструмента и оборудования из подручного материала. Ещё большее значение имеет возможность переработки вышедших из строя частей обратно в строительный материал. Лунный грунт, например, содержит кремний, алюминий, железо, кальций натрий, калий марганец и титан в достаточных количествах для изготовления строительных конструкций, стекла, солнечных батарей, электрических кабелей и трубопроводов.


Необходимый пластик можно производить из водорослей, которые так же можно разводить на месте.


В заключение, хочется остановиться ещё на двух критически важных «ресурсах» в космосе – научное знание и желание жить. Эти две вещи кажутся очевидными не не стоящими упоминания, но, если вы загляните в любое пособие по выживанию где бы то ни было, совет «Успокойтесь» и «Не паникуйте», стоит обычно в самом начале. Во время непосредственной опасности наш рефлекторный инстинкт выживания «работает» и без нашего осознанного участия, но если опасная ситуация длится продолжительное время, люди могут впадать в растерянность и апатию, смиряясь со своей судьбой. Психологический аспект – ресурс не менее важный в критических ситуациях. Если люди сдаются, то всё уже будет кончено до того, как будут действительно исчерпаны все возможности. Кроме того, уныние и апатия, как инфекционное заболевание может передаваться и другим людям, которые, в иных ситуациях, могли бы найти решение проблемы.

Краткое пособие по выживанию в космосе Космос, Системы жизнеобеспечения, Колонизация планет, Длиннопост
Показать полностью 13

Трудный путь на орбиту

«Земля – колыбель человечества , но нельзя вечно жить в колыбели», писал К. Э. Циолковский в своей повести «Грёзы о небе и земле» в 1895 году. Не знаю, как вы, но я с детства зачитывался фантастикой и, так же как и он, мечтал о том, как увижу начало освоения человечеством хотя бы ближнего космоса.


Увы, прошли годы, но мало что изменилось со времён моего детства. Человечество слетало на Луну, а разговоры о полёте на Марс сейчас мне кажутся лишь «пиаром», настолько они далеки от реальности.


Давайте попытаемся понять, почему мы всё ещё «в колыбели» (в которую мы уже едва помещаемся) и какие у нас есть возможности из неё выбраться. (очень длиннопост!)

Трудный путь на орбиту Технологии, Космос, Космические исследования, Наука, Футуризм, Длиннопост

Мы с вами живём на дне колодца. Глубокого гравитационного колодца, выбраться из которого нам удалось только в 1957 году с запуском первого искусственного спутника Земли. С тех пор мы используем химические ракеты, чтобы доставить на орбиту грузы и людей.


Нам не повезло родиться на планете со сравнительно высокой силой тяжести. Чтобы её преодолеть, подняться выше атмосферы и разогнаться достаточно, чтобы остаться на орбите и не упасть обратно на Землю, необходимо, чтобы наш двигатель смог разгонять наш груз с нуля до скорости 7,9 км/с, при этом ещё потерять на сопротивлении атмосферного воздуха 1,5 – 2 км/с. (Именно поэтому космические ракеты стартуют вертикально вверх, а не под углом к горизонту, как казалось бы выгоднее)


Чтобы этого достичь, мы вынуждены сжигать огромное количество топлива. Космическая ракета – по большому счёту – большой топливный бак. В наилучших конструкциях, отношение массы полезной нагрузки к массе ракеты достигает всего 7–8%. Остальная масса – топливо. При этом мы подошли почти вплотную к теоретическому максимуму для химического топлива, а это значит, что надеяться на то, что в будущем какие-либо инновации позволят нам создавать ракеты с большей массовой долей полезной нагрузки, не приходится.


С другой стороны, нам в чём-то даже повезло, потому что, если бы диаметр Земли был всего в 1,5 раза больше, порядка 20 тыс. км, то мы бы вообще не смогли выйти в космос, так как никакое химическое топливо не дало бы нам необходимую характеристическую скорость.


Сейчас мы не можем строить космические поселения, потому что очень дорого. Лишь немногие государства могут себе позволить космическую промышленность, и до сих пор стоимость запусков исчисляется миллионами долларов, а возможности для начала крупномасштабных строек на орбите Земли, требующих вывода на орбиту десятков, сотен, не говоря уже о миллионах тонн груза, попросту отсутствуют.

Трудный путь на орбиту Технологии, Космос, Космические исследования, Наука, Футуризм, Длиннопост

При этом, колонизация космоса (во всяком случае – Солнечной системы) была бы относительно простым делом, если бы только мы смогли преодолеть главный барьер – найти дешёвый способ массово поднимать грузы на орбиту.


Сегодня я хочу рассмотреть несколько альтернатив химическим ракетам, хотя бы теоретически способных решить данную проблему.

Космический лифт


Одной из таких возможностей может стать космический лифт. Идея довольно проста – нам «всего-то» нужен трос (или несколько тросов) длиной чуть более высоты геостационарной орбиты (35 786 км), привязанный к какому-либо противовесу (астероиду или даже космической станции). По тросу поднимается подъёмник, несущий полезный груз. При подъёме груз будет ускоряться за счёт вращения Земли, что позволит на достаточно большой высоте отправлять его за пределы тяготения Земли. Проблема в том, что сейчас нет достаточно лёгкого, и, в то же время, прочного материала, способного выдержать хотя бы собственный вес, не говоря уже о какой-либо дополнительной нагрузке.

Трудный путь на орбиту Технологии, Космос, Космические исследования, Наука, Футуризм, Длиннопост

Космический лифт будет экономически оправдан, если можно будет производить в промышленных масштабах за разумную цену трос плотности, сравнимой с графитом, и прочностью около 65—120 гигапаскалей. Для сравнения, прочность большинства видов стали — около 1 ГПа, и даже у прочнейших её видов — не более 5 ГПа, причём сталь тяжела. У гораздо более лёгкого кевлара прочность в пределах 2,6—4,1 ГПа, а у кварцевого волокна — до 20 ГПа и выше. Этих фактов было достаточно, чтобы скептики похоронили данную технологию, отнеся её к ряду «фантастических», однако в современном материаловедении в последнее время наблюдаются определённые подвижки. Так, однослойные углеродные нанотрубки продемонстрировали удельную прочность, в 117 раз превышающую показатели стали и в 30 — кевлар. Удалось выйти на показатель в 98,9 ГПа, максимальное значение длины нанотрубки составило 195 мкм. Эксперименты учёных из Технологического университета Сиднея позволили создать графеновую бумагу. Испытания образцов внушают оптимизм: плотность материала в пять-шесть раз ниже, чем у стали, при этом прочность на разрыв в десять раз выше, чем у углеродистой стали. При этом графен является хорошим проводником электрического тока, что позволяет использовать его для передачи мощности подъёмнику в качестве контактной шины. В июне 2013 года инженеры из Колумбийского университета США сообщили о новом прорыве: благодаря новой технологии получения графена удается получать листы, с размером по диагонали в несколько десятков сантиметров и прочностью лишь на 10 % меньше теоретической.


Следует так же отметить, что хотя мы пока и не можем создать космический лифт на Земле, мы уже сейчас можем создать подобное сооружение, например, на Луне или Марсе, где сила тяжести гораздо меньше.


Поскольку самым большим препятствием для нас в этой идее является длина троса в 37 тыс. км, давайте посмотрим, можно ли эту длину сократить?

Орбитальное кольцо


В некотором отношении, это сооружение даже лучше космического лифта (мне, во всяком случае, оно наиболее симпатично), хотя и не так «распиарено». Напряжения в этой конструкции на порядки меньше и вполне по силам существующим конструкционным материалам. Данное сооружение, как и следует из названия, представляет собой гигантское кольцо вокруг экватора на высоте несколько сотен километров.

Трудный путь на орбиту Технологии, Космос, Космические исследования, Наука, Футуризм, Длиннопост

После его строительства (которое действительно потребует весьма серьёзных капиталовложений), стоимость доставки грузов на орбиту не будет превышать текущую стоимость коммерческих авиаперевозок.


Как же это работает? Наиболее просто данную технологию реализовать, если просто вывести на орбиту длинный закольцованный проводник, который вращается вокруг Земли с орбитальной скоростью. Если пропустить по нему электрический ток, то мы сможем создать левитирующую на магнитной подушке «тележку», которая, двигаясь относительно кольца, будет в то же время неподвижна относительно точки земной поверхности под ней. С данной тележки можно спустить трос до поверхности. Данный трос (вернее, несколько тросов) стабилизируют кольцо на месте, а так же играют роль транспортной магистрали до орбиты (по аналогии с космическим лифтом). В отличие от космического лифта, длина такого троса должна составлять всего несколько сотен километров, а следовательно – мы уже сейчас располагаем материалами, способными выдержать подобные нагрузки.


Одной из замечательных особенностей данной конструкции является так же и то, что кольцо не обязательно делать вокруг экватора, его можно провести через любые точки земного шара, а так же можно сделать несколько колец.


В дальнейшем, кольцо можно модернизировать, превратив его в трубу, внутри которой расположить сверхпроводящие магниты. Данные трубы можно использовать для перемещения материи, а так же как гигантский ускоритель частиц (по сравнению с которым БАК покажется детской игрушкой).


С уменьшением стоимости подъёма груза, строительство дополнительных сооружений на орбите значительно облегчится, что позволит соорудить дополнительные кольца, что ещё больше снизит стоимость вывода полезного груза на орбиту.


Можем ли мы построить такое кольцо уже сейчас? Вполне! Что же нас останавливает? Цена! Стоимость подобного проекта на начальном этапе составляет триллионы долларов (помните, поднять элементы подобного кольца на орбиту при помощи ракет – очень дорого). Однако, если бы мы доставляли строительный материал, например, с Луны, то его стоимость можно было бы существенно снизить (особенно, если на Луне будет космический лифт).


И так, космический лифт пока невозможен, орбитальное кольцо возможно, но слишком дорого. Но не будем отчаиваться. На первое время мы можем воспользоваться «небесным крючком» (Skyhook).


Skyhook (Небесный крючок)


Данная технология мне напоминает по принципу своего действия средневековое осадное орудие – требуше, и работает по схожему принципу. Вместо строительства дорогостоящего кольца, мы можем ограничиться лишь тросом-буксиром, «свисающим» с более высокой орбиты до самого её «краешка». Спутник, с которого протянут буксир, осуществляет вращение в вертикальной плоскости, таким образом, чтобы другой конец буксира оказывался то ниже орбиты (у самого края атмосферы), то выше.


Запуск груза проходит в несколько этапов. Сначала, груз запускается на самолёте, затем, в стратосфере, стартует до края атмосферы на маломощной и сравнительно недорогой ракете, после чего производит стыковку с окончанием буксирного троса, который в этот момент имеет скорость значительно ниже орбитальной скорости на заданной высоте. Вращение буксира затем увлекает полезный груз на более высокую орбиту, после чего отпускает. Разумеется, орбита спутника-тягача после такой процедуры снизится, и ему необходимо будет придать дополнительный разгон, чтобы восстановить исходную орбиту, однако суммарный расход топлива будет на порядок ниже, чем если бы аналогичный груз запускался при помощи обычной ракеты.

Трудный путь на орбиту Технологии, Космос, Космические исследования, Наука, Футуризм, Длиннопост

Нельзя сказать, что данный метод запуска грузов на орбиту лишён недостатков. Процесс стыковки с буксиром требует большой синхронности и грозит обернуться потерей груза, если что-то пойдёт не так, да и в целом, данный способ вывода грузов на орбиту по себестоимости будет обходиться гораздо дороже, чем при помощи космического лифта или орбитального кольца, однако, это всё решаемые с технической точки зрения проблемы.


На этом наши возможности не ограничены, давайте рассмотрим более экзотические проекты:


Пусковая петля (петля Лофстрома)

Трудный путь на орбиту Технологии, Космос, Космические исследования, Наука, Футуризм, Длиннопост

Этот метод концептуально похож на орбитальное кольцо, однако значительно меньшего размера.


В основе проекта лежит закольцованный шнур (петля), непрерывно движущийся с огромной скоростью (12—14 км/с) внутри вакуумной трубы. Чтобы шнур не соприкасался со стенками трубы, они разделены между собой магнитной подвеской. В целом это устройство представляет собой грандиозное сооружение длиной около 2000 км, а сама петля должна подниматься на высоту до 80 км над уровнем океана и держаться на ней за счёт импульса вращающегося шнура. Вращение шнура по сути переносит вес всего сооружения на пару магнитных подшипников, которые его поддерживают, по одному на каждом конце.

Трудный путь на орбиту Технологии, Космос, Космические исследования, Наука, Футуризм, Длиннопост

Высоты 80 км вполне достаточно, чтобы устранить сопротивление воздуха практически полностью, при этом на данной высоте всё ещё не стоит сильно опасаться космического мусора. Лучше всего размещать подобную структуру на экваторе, чтобы с максимальной выгодой использовать вращение Земли вокруг своей оси.


Петля имеет форму трубки, полой внутри и называемой оболочкой. Внутри оболочки подвешена другая сплошная трубка, называемая ротором, который представляет собой шнур или цепь. Ротор сделан из железа и имеет диаметр примерно 5 см. Он движется по окружности внутри петли со скоростью 14 км/с.


Хотя петля очень длинная, примерно 4000 км, ротор сам по себе довольно тонкий, около 5 см в диаметре, а оболочка не намного большего размера. Ротор выполнен из ферромагнитного железа в виде шнура или трубки, с продольными компенсаторами через каждый метр или около того. Ротор отделяется от оболочки серво-стабилизирующими магнитными подшипниками. Оболочка герметичная, с поддержанием вакуума, чтобы свести к минимуму сопротивление, оказываемое на ротор.


В состоянии покоя петля будет находиться на уровне земли. Затем ротор начнёт ускоряться линейным двигателем, который будет потреблять несколько сот мегаватт мощности. При нарастании скорости ротор будет искривляться и приобретать форму дуги. Оболочка вынудит его принять форму кривой круче, чем баллистическая кривая. В свою очередь ротор будет передавать центробежную силу на оболочку, держа её в воздухе. Петля примет нужную форму и получит ограничение по максимальной высоте ≈80 км за счёт крепления кабеля к земле. При использовании генератора мощностью 300 МВт потребуется около двух месяцев для достижения полной скорости. После полной раскрутки ротор будет совершать один оборот примерно за пять минут.


Чтобы произвести запуск, транспортное средство поднимают на «лифтовом кабеле», который свисает с западной погрузочной станции с высоты 80 км, и размещают на направляющих рельсах разгонного участка. Разгонный блок создаёт магнитное поле, благодаря которому в быстро движущемся роторе возникают вихревые токи. Они-то и поднимают полезный груз над кабелем и толкают его вперёд с ускорением 3g (30 м/с²). Полезный груз разгоняется ротором до тех пор, пока не достигнет необходимой орбитальной скорости, после чего он покидает разгонный участок.


Если необходима стабильная или круговая орбита, то в момент достижения полезным грузом самой верхней точки траектории нужно включить бортовой ракетный двигатель («ускоритель») или другое средство, необходимое для направления траектории на соответствующую орбиту вокруг Земли.


Хотя данный проект при желании можно воплотить в жизнь за 30-50 млрд. долларов, лично мне этот проект не приглянулся, так энергия, которую запасает подобная петля, сопоставима с энергией ядерного оружия, и если что-то сломается, то результат будет поистине катастрофический.


Есть ли альтернативы? Конечно!


Космический трамвай (StarTram)

Трудный путь на орбиту Технологии, Космос, Космические исследования, Наука, Футуризм, Длиннопост

Эта технология чем-то напоминает HyperLoop Илона Маска, с тем лишь исключением, что предназначена она не для транспортировки грузов и людей по земле, а для перемещения грузов с поверхности Земли на орбиту.


Технология представлена в 2 «поколениях», первое из которых предполагает разгон непилотируемого аппарата с ускорением 30g через 130 километровый тоннель, конец которого расположен на высоте около 6000 метров (на вершине горы). Тоннель не содержит воздуха, его верхнее отверстие блокируется при помощи «плазменной шторы». Разгон левитирующего на магнитной подушке снаряда осуществляется при помощи электромагнитов. На выходе из тоннеля снаряд будет иметь орбитальную скорость, однако в первые секунды будет испытывать торможение об атмосферу, в результате которого он потеряет 0,8 км/с, так что после выхода за её пределы потребуется дополнительный импульс в ~0,63 км/с при помощи ракетного двигателя для выхода на круговую орбиту.


Во второй версии планируется поднять высоту тоннеля до 22 км и разгонять пилотируемые капсулы с ускорением 2-3 g, однако длина тоннеля в силу более щадящего разгона должна будет составлять уже 1000-1500 км при цене несколько десятков миллионов долларов за километр.


Видите, не так-то просто выбраться из гравитационного колодца нашей родной планеты. Одним из сдерживающих факторов при строительстве подобных супер-сооружений является колоссальная высота, на которую приходится поднимать конструкции (для сравнения, высочайшее сооружение в мире – здание Бурдж-Халифа в Дубаи имеет «скромную» высоту всего в 828 м).


Сооружения требуемой нам высоты потребуют иных принципов строительства. Для усиления несущих конструкций необходимы механизмы, так называемой «активные структуры», то есть структуры, требующие постоянной энергетической подпитки. Использование подобного подхода заложено в технологию космического фонтана.


Космический фонтан


Эта технология, как нетрудно догадаться из названия, действует так же, как действовал бы обычный фонтан, с той лишь разницей, что вместо воды используются специальное гранулированное вещество. На поверхности планеты потоку гранул сообщается высокая кинетическая энергия при помощи ускорителя. Первая стадия подъёма происходит в вакуумной трубе, чтобы сократить затраты на преодоление сопротивления воздуха.

Вещество быстро движется вверх от нижней части башни, и передаёт эту энергию в верхней её части, после чего под воздействием силы тяжести падает обратно, это будет удерживать башню от падения.

Трудный путь на орбиту Технологии, Космос, Космические исследования, Наука, Футуризм, Длиннопост

(ждём искромётных комментариев к этой картинке)


На самом деле, возможно, мы и не захотим возвращать это вещество обратно на Землю после стольких трудов по его подъёму. Грузы по космическому фонтану можно поднимать двумя способами: с помощью специальных систем наподобие лифта в зданиях или с потоком гранул.


Данная технология хотя и не позволит обеспечить поднятому веществу орбитальную скорость, однако, позволит существенно сократить расход топлива и увеличить массу полезной нагрузки, если запускать космические аппараты с вершины этой башни.


В заключение, для того, чтобы остудить немного ваш пыл, я хотел бы сказать о недостатках, в той или иной мере касающихся каждой из перечисленных технологий. Они не являются, разумеется, непреодолимыми препятствиями – с теми или иными оговорками любой из предложенных методов доставки грузов на орбиту осуществим, однако, их следует учитывать при проектировании и строительстве.


1. Микро-метеориты. Наша атмосфера является надёжной бронёй против тонн космического мусора, тонны которого ежегодно в ней сгорают. Тем не менее, чем выше мы поднимаем наши сооружения, тем меньшую защиту будет давать атмосфера, и тем больше внимания необходимо будет уделять защите от космического мусора.


2. Атмосферное электричество. Между небом и землёй накапливается колоссальная разность потенциалов, разряды которого мы все имели возможность наблюдать в виде молний. При строительстве астро-сооружений внимание так же необходимо уделять и защите от молний.


3. Эрозия материалов атомарным кислородом. В верхних слоях атмосферы присутствует атомарный кислород, является сильнейшим окислителем и способен разрушать материалы со скоростью до 1 мкм в месяц, вследствие чего, вероятно потребуется покрывать конструкции специальным защитным покрытием, которое так же увеличит её массу.


4. Астро-сооружения, такие как орбитальное кольцо, может потребовать внесение серьёзных корректировок в орбиты уже действующих искусственных спутников, а так же потребует серьёзного дальнейшего планирования с целью исключения возможных столкновений и развития синдрома Кесслера.


В следующей части я попробую описать хотя бы сотую долю того, чего мы могли бы достичь, будь у нас дешёвый способ выхода в космос.

Показать полностью 9

Как сделать чёрную дыру и забыть о проблемах?

Каждому из нас, наверное, доводилось слышать про чёрные дыры. Странным образом, они имеют весьма дурную репутацию, обещая каждому гибель, как только он в неё «провалится». Само название «чёрная дыра» таит в себе нечто зловещее. Этот пост (и, возможно, следующий) я хочу посвятить тому, насколько полезными чёрные дыры могут оказаться «в хозяйстве» и тому, что они вовсе не такие страшные, как может показаться на первый взгляд.


Я предполагаю, что большинство читателей имеет хотя бы смутное представление о том, что такое чёрная дыра, поэтому подробно я буду останавливаться лишь на отдельных аспектах физики чёрных дыр и не буду особо занудствовать с условиями их формирования, принципом запрета Паули, гравитационным коллапсом, и т. д.


Начнём с того, что никакие они на самом деле не чёрные, и вовсе не дыры. Обычно о чёрных дырах говорят, что это умершие звёзды, области вокруг точек сингулярности с бесконечно большой плотностью материи, хотя на самом деле, чёрной дырой можно назвать любую область пространства, где первая космическая скорость превышает скорость света. Граница такой области называется горизонт событий, потому что информация из-под горизонта никогда не сможет достичь стороннего наблюдателя.

Как сделать чёрную дыру и забыть о проблемах? Наука, Черная дыра, Космос, Длиннопост

Это не значит, что все чёрные дыры имеют большую плотность. Объекты в центре галактик обычно имеют среднюю плотность меньше, чем у белых карликов или нейтронных звёзд, а монстры с диаметром около светового года, имеющие массу целой галактики в триллион звёзд, будут иметь среднюю плотность сравнимую с земным воздухом.


Чёрная дыра, наверное, простейший макро-объект в нашей вселенной. По большому счёту, простейшую чёрную дыру можно полностью описать лишь одной характеристикой – её массой. Вокруг любой массы существует условный радиус сферы, образующей горизонт событий (воображаемая линия раздела причинно-следственных связей) для этой массы, ещё его называют радиусом Шварцшильда. Обычно, этот радиус сильно меньше объёма, который занимает эта масса, однако, если довольно плотно упаковать материю, а именно, – поместить всю массу М внутри этого радиуса, то получится чёрная дыра. На формуле ниже, G – гравитационная постоянная, c – скорость света.

Как сделать чёрную дыру и забыть о проблемах? Наука, Черная дыра, Космос, Длиннопост

Сегодня я хочу поговорить не о гигантских, а о более мелких чёрных дырах, которые даже не смогут вас затянуть внутрь себя, так как им не будет хватать для этого массы. На самом деле, у этих чёрных дыр вообще, к большому сожалению (да, да, к сожалению, как ни странно) большие проблемы с поглощением материи.


Допустим, мне удастся уплотнить небольшую гору, массой всего около миллиарда тонн до размеров протона. Я получу чёрную дыру, рядом с которой было бы вполне безопасно находиться даже в нескольких метрах от неё, хотя, если приблизиться к ней на расстояние вытянутой руки, её притяжение будет уже ощущаться примерно как земное. Впрочем, я не советовал бы к ней приближаться по другой причине. Энергия, которую будет выделять такая чёрная дыра, сравнима с выработкой атомной или крупной гидроэлектростанции, так что рядом постоять не удастся, так как она вас моментально испепелит (и никакого засасывания материи!)


Чтобы понять, почему так происходит, необходимо, всё-таки, углубиться ненадолго в теорию (кому неинтересно, пропустите следующие несколько абзацев).


Для начала давайте вспомним старый добрый закон всемирного тяготения (достаточно и Ньютоновской формулы):

Как сделать чёрную дыру и забыть о проблемах? Наука, Черная дыра, Космос, Длиннопост

Здесь нас больше всего интересует знаменатель, а именно – расстояние между массами. Как легко понять из формулы, если я сокращу расстояние в 2 раза, сила притяжения увеличится в 4 раза, если сократить расстояние между массами в 10 раз, сила притяжения между ними возрастёт в 100 раз, и т. д.


Даже сейчас, ваши ноги испытывают большую силу тяжести, чем ваша голова (если, конечно, вы в вертикальном положении), так как они ближе к земле. Если предположить, что вы находитесь внутри чёрной дыры (подставьте большое значение в числитель формулы), разница в силе, тянущей ваши ноги, и силе, тянущей вашу голову, в один (не)прекрасный момент может оказаться достаточно, чтобы разорвать вас пополам. Эта разница называется градиент гравитации, а силы, которые вас разрывают – приливные силы.


Вам может показаться, что это делает чёрные дыры более опасными, чем другие объекты, однако, это не так. Любая звезда испепелит вас задолго до того, как вы подберётесь к ней на то расстояние, где гравитационный градиент чёрной дыры начнёт вас разрывать, да и любая планета разорвёт приливными силами неудачливый небесный объект (комету или астероид), который подлетит достаточно близко (см. предел Роша).


Например, в огромных чёрных дырах в центрах галактик, приливные силы не станут опасными ещё очень долго уже после того, как вы пересечёте горизонт событий, а в случае с микроскопическими чёрными дырами, опасное расстояние будет меньше размера атома.


Вся масса нашей планеты, распределена более-менее равномерно, поэтому, если пытаться прокопать колодец ближе к центру Земли, гравитационное воздействие не станет сильнее, а наоборот – ослабнет, так как масса вокруг вас будет симметрично компенсировать гравитационное притяжение массы напротив. В чёрных дырах, вся масса сконцентрирована в центре, поэтому можно подобраться к нему очень близко, так близко, что приливные силы будут иметь огромное (для вас) значение.


В целом, чем меньше чёрная дыра, тем большую среднюю плотность она имеет, например, чёрная дыра, имеющая массу нашей планеты, будет иметь размер грецкого ореха и поместится на ладони (во всяком случае на тот миг, пока она не разорвёт вас на части и на затянет внутрь себя – чёрные дыры всё-таки требуют соблюдения техники безопасности).


Для малых чёрных дыр даже дистанции размером с атом или даже меньше могут иметь огромный гравитационный градиент, и даже над горизонтом событий приливные силы могут быть очень велики, настолько велики, чтобы срывать электроны с атома, который оказался поблизости.


Я уже рассказывал о виртуальных частицах, пары которых постоянно создаются и исчезают в ходе квантовых флуктуаций, происходящих в пространстве. Теперь представим, что такая пара рождается очень близко к горизонту событий чёрной дыры, причём одна из таких частиц находится к нему чуть ближе, чем другая. Из-за высокого градиента гравитации, может возникнуть такая ситуация, когда одна частица из пары упадёт в чёрную дыру, а вторая сможет вырваться на свободу. Так как подобная пара уже не сможет аннигилировать, вырвавшаяся на свободу частица, превратившись из виртуальной в реальную, унесёт с собой часть энергии чёрной дыры. В большинстве случаев это будет гамма-фотон, но возможно образование и других частиц. Данное явление получило название «испарение чёрных дыр», а поток частиц, который образуется таким образом – излучением Хокинга (в честь Стивена Хокинга, который его предсказал и описал в 1976 году).

Как сделать чёрную дыру и забыть о проблемах? Наука, Черная дыра, Космос, Длиннопост

Такие события происходят не часто. Вокруг больших чёрных дыр, несмотря на огромную площадь их горизонта событий, подобное не происходит практически никогда из-за крайне малого градиента гравитации, виртуальные частицы либо обе падают внутрь, либо обе улетают, однако чем меньше чёрная дыра, тем больше гравитационный градиент, и тем более вероятным становится подобный сценарий.


Из этого следует, что если чёрная дыра не подпитывается массой, она будет уменьшаться в размерах, причём, чем меньше она будет становиться, тем более быстрым будет данный процесс. И если чёрная дыра с массой звезды, может быть, позволит вырваться виртуальному фотону один раз за пару лет, и процесс её испарения будет проходить такое количество времени, что эту цифру даже сложно записать, малая чёрная дыра массой «всего» в миллиард тонн должна излучать несколько сотен мегаватт энергии постоянно на протяжении «всего» пары триллионов лет.


Оценку времени испарения чёрной дыры, в зависимости от её первоначальной массы M₀, сильно приблизительно можно произвести по формуле:

Как сделать чёрную дыру и забыть о проблемах? Наука, Черная дыра, Космос, Длиннопост

(взято из Википедии: https://en.wikipedia.org/wiki/Hawking_radiation)


По грубым прикидкам, выходная мощность излучения Хокинга от чёрной дыры обратно пропорционально квадрату её массы, а время испарения – кубу. Это значит, что если мы уменьшим массу чёрной дыры вдвое, мы получим четырёхкратное увеличение мощности, но, в то же время, сократим время испарения в восемь раз.


Зная это, мы можем подобрать необходимые нам параметры источника энергии. Например, чёрная дыра массой около 100 миллионов тонн (масса обычного холма) сможет выделять около 30 гигаватт энергии непрерывно на протяжении следующих 4 млрд. лет.


Подобные чёрные дыры производят гораздо больше энергии, чем эквивалентная масса солнечных панелей, ветровых турбин или других генераторов из источников, которые не требуют ископаемого топлива, кроме того, они гораздо компактнее, чем поля из солнечных панелей или ветряков, так как их размер будет меньше, чем размер протона.


По правде говоря, по причине малых размеров на Земле такую чёрную дыру удержать будет сложно – она тут же провалится «сквозь Землю» (простите за тавталогию), чтобы появиться на миг в противоположной точке земного шара, после чего снова провалится, и, примерно через 84 минуты, вернуться обратно лишь за тем, чтобы снова провалиться. Так она и будет болтаться сквозь Землю, прожигая вдоль своей траектории прекрасный тоннель сквозь центр планеты.


Как видите, опасения того, что на БАК создадут чёрную дыру, которая «засосёт» всю планету, полностью беспочвенны. Там, если и создаются чёрные дыры, их масса составляет всего несколько милли-, или даже микрограмм, а срок их испарения можно выразить только при помощи экспоненциальной записи.


Можно попробовать как-то удержать подобную дыру на месте, но гораздо проще соорудить её на геостационарной орбите, а затем передавать энергию на Землю. И хотя технологию передачи энергии подобной чёрной дыры с орбиты очень легко превратить в весьма разрушительное оружие (особенно, если учесть, что большая часть её – жёсткое гамма-излучение), то же можно сказать о любом мощном источнике энергии, я подчёркиваю, чёрные дыры не опаснее многих других объектов.

Как сделать чёрную дыру и забыть о проблемах? Наука, Черная дыра, Космос, Длиннопост

Для снятия энергии гамма-лучей от нашей чёрной дыры можно соорудить что-нибудь вроде тугоплавкой сферической оболочки из вольфрама диаметром в пару сотен метров, которая будет раскаляться до той степени, что энергию можно будет снимать хотя бы солнечными панелями, ну или классическим способом – кипятя воду для привода паровых турбин.


Создание малых чёрных дыр представляет собой, однако, большую проблему. Не такую сложную как их последующая подпитка массой, чтобы они не взорвались (об этом стоит волноваться со сверхмалыми чёрными дырами, которые можно использовать для привода космических кораблей), но по-прежнему, задача не из лёгких.


Чтобы создать большую чёрную дыру необходимо просто собрать вместе очень много материи и всё – чёрная дыра готова. Однако, материя не очень-то хочет сильно уплотняться, а в случае с малыми чёрными дырами, нам даже не поможет гравитация.


Теоретически, самым простым способом будет сталкивать лазерные лучи, так как фотонам наплевать на принцип запрета Паули (фотон является бозоном, а не фермионом), и любое их количество может занимать одно и то же место в пространстве одновременно (хотя слово «одновременно» здесь уже не совсем применимо). Если вы испустите достаточное количество фотонов с таким расчётом, что они одновременно прибудут в точку назначения, в этой точке может сформироваться чёрная дыра. Лучше всего использовать гамма-излучение с высокой энергией, так как, малая длина волны важна, если мы хотим прицелиться в мишень размером меньше атомного ядра. Нам потребуется невообразимая точность прицеливания и довольно большой начальный источник энергии. При этом нам так же следует подумать о начальных параметрах создаваемой чёрной дыры – её вращении, траектории и скорости.

Как сделать чёрную дыру и забыть о проблемах? Наука, Черная дыра, Космос, Длиннопост

Данная концепция получила название Кугельблиц (нем. Kugelblitz – шаровая молния).


Делать Кугельблиц из обычной материи тоже теоретически можно, однако для этого потребуется столь колоссальное давление и температура, что гораздо раньше наступят условия для термоядерного синтеза, поэтому навряд ли мы когда-нибудь сможем добиться этого, не говоря уже о положительном выходе энергии.


Следует сказать, что изготовленная таким образом чёрная дыра не будет источником энергии, а будет всего лишь «батареей», устройством для её запасания. К счастью, наше Солнце всё равно растрачивает энергию впустую, поэтому, если использовать всю его энергию, мы можем производить по паре таких чёрных дыр в минуту.


Хотя такая чёрная дыра и является, по сути, батарейкой, однако, тот факт, что мы можем задать её первичную скорость и направления, а так же то, что она может сама создавать тягу, при помощи таких батарей можно очень эффективно снабжать энергией самые дальние районы солнечной системы.


Разумеется, прямое использование термоядерной энергии предпочтительнее, но в качестве батарей (или, если хотите «топлива») чёрные дыры более компактны и потенциально требуют меньших затрат на обслуживание. В стационарном виде подобную чёрную дыру можно даже использовать в качестве искусственного солнца.


Создание подобной чёрной дыры потребует создания огромных массивов лазерных батарей, способных исключительно точно и синхронно сконцентрировать всю энергию на крохотном объёме пространства, этакой фабрикой по изготовлению чёрных дыр.


Чёрные дыры, особенно сверхмалые, можно (теоретически, во всяком случае) «дозаправить», однако данный процесс так же весьма сложен с технической точки зрения (закинуть материю в объект размером меньше атома в то время, как из него прут гигаватты энергии, гораздо сложнее, чем закинуть шарик от пинг-понга в работающий пожарный брандспойт). Дозаправка фотонами возможна, но следует иметь в виду, что на этот процесс уйдёт больше энергии, чем можно будет получить взамен.


Поскольку никаких экспериментальных замеров излучения Хокинга до сих пор провести не удалось, дальнейшие прикидки делались по значениям из публикации 2009 года «Are blackhole starships possible?» Луиса Крейна и Шона Вестморланда из Канзасского университета.


Идея космического корабля на приводе от чёрной дыры весьма прямолинейна – вы создаёте малую чёрную дыру массой всего несколько десятков тысяч тонн, получая в результате объект, излучающий колоссальное количество энергии (счёт идёт на петаватты или 1 × 10¹⁵ Вт), миллионы или даже в миллиарды больше, чем самые мощные современные электростанции. Это эквивалент примерно 16 бомб сброшенных на Хиросиму каждую секунду. Если корабль сможет эффективно управлять хотя бы 1% данной энергии, то для сравнения можно взять хотя бы скорострельный «пулемёт», стреляющий термоядерными бомбами.


Выделяемая чёрной дырой энергия всенаправленна, как у любой звезды, так что для создания тяги достаточно с одной стороны поставить отражающую поверхность (аналог «зеркала»), чтобы создать тягу в противоположном направлении.

Как сделать чёрную дыру и забыть о проблемах? Наука, Черная дыра, Космос, Длиннопост

Это и будет наипростейший двигатель на тяге чёрной дыры. В теории, подобный космический корабль сможет достичь ближайшей звезды за период времени, меньший средней продолжительности жизни человека, и позволит без проблем достичь любой точки солнечной системы в пределах нескольких месяцев.


В самом грубом приближении, при идеальной эффективности такой двигатель способен обеспечить ускорение 1g для корабля массой 1 млн. тонн на каждые 3 тыс. Петаватт мощности. Как ни крути, это всё равно не слишком впечатляет, если необходимо разгоняться до релятивистских скоростей.


В таблице ниже приведены данные из публикации Крейна и Вестморланда, где показана зависимость мощности и срока жизни чёрной дыры от её массы и размеров, а так же максимальное ускорение, которое сможет придать кораблю такой двигатель, если полная масса корабля и груза в два раза больше массы чёрной дыры, и примерное время разгона с таким ускорением до 1% от скорости света:

Как сделать чёрную дыру и забыть о проблемах? Наука, Черная дыра, Космос, Длиннопост

Анализируя эту таблицу, очевидно, что чем легче чёрная дыра, тем выгоднее, так как она может предоставить наилучшее ускорение, однако у сверхмалых чёрных дыр весьма малая продолжительность жизни, поэтому, если у вас отсутствует способ «дозаправки» чёрной дыры новой массой, то она может испариться (со взрывом в конце!) раньше, чем вы достигните точки назначения. Даже если вы её сбросите, то останетесь без источника энергии на торможение.


Подзарядка кугельблица лазерами в пути не даст ощутимого выигрыша, так как вы сожжёте больше энергии, чем получите потом, а подзарядка обычной материей будет ещё сложнее – вспомните аналогию с пожарным брандспойтом и мячиком от пинг-понга, поэтому единственным выходом будет брать в дорогу такую чёрную дыру, чтобы «с запасом» хватило на всё путешествие.


Ещё одной проблемой для создания подобного космического корабля является исключительно высокие энергии частиц, которые испускает чёрная дыра (гамма-излучения) – для фотонов такой энергии крайне трудно создать «зеркало», способное их отразить. На текущий момент мы не располагаем, к сожалению, материалами, хорошо отражающими гамма-лучи, поэтому управлять выходной мощностью, направляя излучение обратно в чёрную дыру, продлевая, тем самым её срок жизни, у нас не получится. Нам придётся как-то поглощать всю выходящую энергию, нагревая какой-либо материал практически до температуры плавления, сооружая вокруг чёрной дыры сферу или полусферу (поглощающую оболочку). Нагретый таким образом материал будет излучать нормальный свет, который можно отражать в параболическом зеркале.


Чем больше мощность чёрной дыры, тем большего диаметра понадобится оболочка. Самый тугоплавкий из известных элементов – вольфрам имеет температуру плавления около 3700 К, и может излучать порядка 10 МВт энергии с квадратного метра, не расплавляясь. На самом деле – 20 МВт, так как излучать он может с обеих сторон. Это означает, что нам необходимо порядка 50 млн. кв. м поверхности на каждый петаватт энергии, которую мы хотим поглотить.


Хорошей новостью может послужить то, что в последнее время стали появляться сплавы, имеющие ещё большую температуру плавления, чем вольфрам. Интенсивность излучения чёрного тела зависит от температуры в четвёртой степени, поэтому, если удастся получить материал, имеющий температуру плавления в два раза выше, чем у вольфрама, он сможет отдавать в 16 раз больше энергии в виде излучения. К сожалению, и в этом случае потребуется поглощающая оболочка площадью в несколько квадратных километров. С другой стороны, мы говорим о массивных кораблях с массой, исчисляющейся минимум сотнями тысяч тонн, если не миллионами, поэтому мы сможем позволить себе подобную поглощающую оболочку, особенно, если учесть тот факт, что она не должна быть особо толстой.


Проблема в другом – как «прикрепить» чёрную дыру к кораблю? Поскольку чёрная дыра излучает энергию во всех направлениях, она просто оттолкнёт от себя корабль. Следует помнить, что размеры дыры меньше атома и её нельзя ничем привязать, так как она разорвёт всё, что к ней приблизится, и не успеет при этом испариться.


Данную проблему можно обойти, придав чёрной дыре электрический заряд, связав её с поглощающей оболочкой электростатическим способом. Саму оболочку можно прикрепить к параболическому зеркалу и остальной части корабля стандартным способом.


Альтернативой (или дополнением) можно считать использование собственной гравитации чёрной дыры, которая будет притягивать поглощающую оболочку, в то время, как излучение будет толкать. Концептуально это похоже на двигатель Шкадова или статиты – особый вид спутников, которые просто «висят» в равновесии над излучающим объектом, притягиваемые его массой, но отталкиваемые его излучением. В случае, если у нас чёрная дыра малого размера, её сила притяжения будет относительно небольшой, по сравнению с мощностью излучения, а приближение на достаточное для гравитационного связывания расстояния будет означать, что придётся поглощать ещё больше радиации.


Например, для чёрной дыры массой в 1 млн. тонн, дистанция, на которой будет ощущаться сила притяжения, равная земной (1g) будет составлять порядка 3 см. На таком расстоянии, разумеется, излучаемая чёрной дырой энергия расплавит любой материал, но даже если и не расплавит, то ускорение, которое излучение придаст кораблю сильно превысит порог в 1g и попросту оттолкнёт корабль.


Более крупные чёрные дыры излучают слабее и имеют более сильное притяжение, однако и ускорение, которое они смогут придать кораблю, будет гораздо меньше.


Было бы идеальным, разумеется, получение материала, способного хорошо отражать гамма-излучение. Это, наверное, ключевой момент, который позволил бы реально создавать подобные космические корабли. В этом случае мы могли бы обойтись лишь отражающим зеркалом, не прибегая к поглощающей излучение оболочке, а так же получили бы возможность регулировать выходную мощность чёрной дыры.


При отсутствии подобных технологий необходимо будет использовать более крупные чёрные дыры, способные обеспечить меньшее ускорение. Не стоит, однако, забывать, что даже в этом случае, в таблице приведены значения для корабля, имеющего такую же массу, что и чёрная дыра, которая его толкает, хотя при увеличении массы чёрной дыры, масса корабля может быть существенно меньше. В этом случае, максимально-возможное ускорение можно увеличить. Учитывая необходимый комфорт для экипажа, в любом случае вряд ли практично создавать корабль, ускоряющийся более, чем на 9,8 м/с² (1g). Такая конструкция не потребует никаких вращающихся частей для поддержания искусственной гравитации, так как постоянное ускорение корабля создаст экипажу полный эквивалент земного притяжения.

Как сделать чёрную дыру и забыть о проблемах? Наука, Черная дыра, Космос, Длиннопост

Вот видите, как выясняется, при соблюдении осторожности, чёрные дыры могут быть не только безопасными, но и крайне полезными в хозяйстве. В этом посте мы коснулись применения малых чёрных дыр, в следующем посте мы посмотрим, а можно ли нам извлечь какую-либо пользу из крупных. Тем более, что рано или поздно, в нашей вселенной не останется ничего, кроме них.

Показать полностью 10

Кварки - кирпичики материи

К началу 60-х годов 20 века, физики располагали целым зоопарком открытых элементарных частиц, подверженных сильному взаимодействию (такие частицы называют адроны и у них есть собственный коллайдер). Этот «зоопарк» насчитывал к тому времени более 100 видов открытых адронов. Почти каждый год открывалась какая-то новая частица, и многим это не нравилось – было очевидно, что открытые частицы не отражали предельный или «фундаментальный» уровень материи. Само слово «фундаментальный» предполагает, что частица не имеет составных частей, иными словами, её нельзя разобрать на части или разделить. Так же многим было очевидно (однако, экспериментально это не было на тот момент подтверждено), что в природе не может быть такого количества фундаментальных строительных блоков или «кирпичиков», если хотите. Поэтому гипотеза о новых фундаментальных частицах, из которых можно строить адроны, казалась вполне правдоподобной.

Кварки - кирпичики материи Квантовая физика, Кварки, Наука, Фундаментальные частицы, Гифка, Длиннопост

До того это всех достало, что в 1964 году аж два физика, американец Ма́рри (Мюррей) Гелл-Ма́н (Murray Gell-Mann) и Джордж Цвейг (George Zweig) независимо друг от друга предложили новую модель, в которой адроны состояли из более мелких составных частей, а уже через год эту модель дополнили и развили.


Если кому интересно, как Гэлл-Манн дошёл до жизни такой, гуглим Eightfold way (Восьмеричный путь). Модель изначально предлагала 3 вида таких кирпичиков, а поскольку Гэлл-Манн в то время перечитывал роман Джеймса Джойса (James Joyce) «Поминки по Финнегану» (в оригинале Finnegans Wake), где в одном из эпизодов чайки кричат “Three quarks for Muster Mark”, слово quark ему приглянулось, вот он и назвал эти частицы кварками.


Четыре года спустя, в 1968 году, в Национальной ускорительной лаборатории SLAC (Стенфорд), операторы безбожно тратили деньги американских налогоплательщиков, развлекаясь тем, что обстреливали ни в чём не повинные протоны хорошенько разогнанными электронами, фотографируя последствия.


Результат экспериментов схематично показан на рисунке ниже – видно, что в ряде случаев электрон пролетал протон насквозь, а в других случаях – отскакивал от каких-то препятствий.

Кварки - кирпичики материи Квантовая физика, Кварки, Наука, Фундаментальные частицы, Гифка, Длиннопост

На самом деле, фотографии столкновений на ускорителях частиц выглядили примерно так (рисунок не от конкретно этого опыта, просто для представления о том, как выглядит результат эксперимента на ускорителе):

Кварки - кирпичики материи Квантовая физика, Кварки, Наука, Фундаментальные частицы, Гифка, Длиннопост

Всё говорило о том, что протон неоднороден и состоит из более мелких частиц. Физики, работающие на SLAC даже не хотели называть открытые ими частицы «кварки», как предлагал Гэлл-Манн. Ричард Фейнман даже придумал для них другое название – «партон» (от part – часть), однако название «кварк» уже закрепилось и сейчас партонами называют все виды составных частей адронов (кварки, анти-кварки и глюоны).


Для того, чтобы расчёты теоретической модели работали, было необходимо немыслимое: «раздробить» заряд электрона, считавшийся до этих пор элементарным (неделимым). Так один тип кварков должен был иметь положительный электрический заряд в 2/3 заряда электрона, а другой – отрицательный заряд в 1/3. Как-то, Гэлл-Манн со своим коллегой Гаральдом Фрицшем обсуждали классификацию кварков и забрели в кафе Baskin-Robbins, где предлагали 31 вкус (flavour) мороженного. Так, благодаря мороженному, типы кварков получили название flavour (изначально – вкус, но в русскоязычной литературе используется термин «аромат»). На всякий случай напомню: ничего общего с реальным вкусом или ароматом кварков данный термин не имеет. Строго говоря, это общее название квантовых чисел (читай — характеристика или свойство), характеризующее тип кварка.


Всего известно о 6 ароматах кварков: верхний (u – up), нижний (d – down), очаровательный (c – charm), странный (s – strange), истинный (t – truth или top) и прелестный (b – beauty или bottom).

Кварки - кирпичики материи Квантовая физика, Кварки, Наука, Фундаментальные частицы, Гифка, Длиннопост

Названия ароматов – причуда учёных. Верхний и нижний ароматы были названы, потому что имели разные верхние и нижние компоненты изоспина (ещё одно из свойств кварков), название «странный» было дано кваркам, которые были обнаружены в «странных частицах», открытых в космических лучах ещё до предложенной кварковой модели. Странным в них было то, что у них был странно-долгая продолжительность жизни. Очаровательный аромат был назван Шелдоном Ли Глэшоу и Джеймсом Бьёркеном, работающими в то время на SLAC, по их словам за «очарование и симметрию, которую он привнёс в субъядерный мир». Названия top и bottom были предложены Хаимом Харари, так как они являются «логическими партнёрами» верхнего и нижнего кварков. Хотя, названия последних двух в англоязычной литературе обычно приводятся как top и bottom, но, чтобы не путать up с top, а down с bottom, в русскоязычных источниках используются названия истинный и прелестный. Truth не прижилось, а вот названием прелестный (beauty) иногда пользуются на ускорителях, когда говорят о них, как о «фабриках красоты» (beauty factories). Что между ними общего? Если смотреть по рядам, то масса растёт слева направо, но все сохраняют электрический заряд и спин. Столбцы на картинке представляют собой т. н. «поколения». Чтобы этот пост не превратился в путеводитель по физике частиц, далее будем касаться только верхнего и нижнего кварков, так как почти вся материя нашей вселенной состоит именно из них.


Кварк – частица очень хрупкая и не может существовать в одиночку. Отдельно кварк может прожить невообразимо малое время – менее 3 × 10⁻²⁴ секунды. Ему просто необходимо общество других кварков. Почему? Дело в том, что кварки любят обмениваться энергией с соседями, для чего постоянно посылают соседям «пакеты» энергии, которые называются глюоны. Если кварк не получит энергии взамен утраченной, он попросту исчезнет. Навание глюон произошло от английского слова glue (клей), и очень точно описывает их суть.

Кварки - кирпичики материи Квантовая физика, Кварки, Наука, Фундаментальные частицы, Гифка, Длиннопост

Глюоны являются переносчиком сильного ядерного взаимодействия – одной из четырёх фундаментальных сил природы (электромагнитной, сильной, слабой и гравитации). Мы все видели результат электромагнитного взаимодействия или гравитации, однако дальность действия сильного взаимодействия очень мала – она проявляется лишь на расстояниях порядка размера атомного ядра. Так почему же она «сильная»? Потому что на расстоянии её действия, она действительно очень сильна. Эта сила склеивает кварки друг с другом, и ещё остаётся достаточно, чтобы склеить вместе протоны и нейтроны в атомном ядре. Собственно, энергия звёзд – энергия термоядерного синтеза, есть ни что иное, как одно из проявлений сильного ядерного взаимодействия.


Эта сила замечательна ещё и тем, что в отличие от электромагнитного, сила которого убывает с расстоянием, сильное взаимодействие до определённого предела становится тем сильнее, чем взаимодействующие частицы дальше друг от друга. Это похоже на пружину (однако, это неверная аналогия, и ниже я объясню почему): чем сильнее ее растягивать, тем сильнее она будет сжиматься и тем больше у нее будет энергии. Чтобы сильнее стягивать кварки, сильное взаимодействие создает новые глюоны. И чем дальше мы их растягиваем, тем больше глюонов создается.


Сильное взаимодействие так же имеет свой заряд (по аналогии с электрическими зарядами в электромагнитизме), но он не электрический, а цветовой. Да, кварки и глюоны все разноцветные. Нет, разумеется, они слишком малы, чтобы иметь цвет в нашем повседневном смысле (их размер на много порядков меньше, чем длины волн видимого цвета). Тем не менее, кварки могут обладать неэлектрическим «зарядом», которому присвоен определённый «цвет». Строго говоря, это ещё одно квантовое число (читай свойство), которым можно охарактеризовать кварк. Вообще, тот же Фейнман назвал идиотами своих коллег-физиков, кто придумал именовать данный вид заряда «цветом», но что поделать, название прижилось, к тому же, изменение цветового заряда у кварков действительно напоминают процесс смешения цветов. Физики раскрасили кварки в три основных цвета (условно: красный, зелёный и синий), а так же дополнили картину «анти-цветами» (анти-красным, анти-зелёным и анти-синим).

Кварки - кирпичики материи Квантовая физика, Кварки, Наука, Фундаментальные частицы, Гифка, Длиннопост

Комбинации цветовых зарядов красный + синий + зелёный, либо анти-красный + анти-синий + анти-зелёный, либо любая пара цвет + анти-цвет дают бесцветный (нулевой цветовой заряд).


Все адроны имеют нулевой цветовой заряд, соответственно, чтобы этого добиться, нужно либо скомбинировать три дополняющих друг друга до нулевого цветовые заряды (красный + синий + зелёный), и тогда получится класс частиц, называемых барионы, либо скомбинировать кварк и анти-кварк, и тогда получится мезон.


Глюоны, испускаемые кварками так же имеют цветной заряд, более того, при выпуске глюона определённого «цвета», сам кварк тоже изменит цвет, так как глюон «унесёт» с собой определённый цветовой компонент. Схематично данный процесс показан на следующей анимации:

Кварки - кирпичики материи Квантовая физика, Кварки, Наука, Фундаментальные частицы, Гифка, Длиннопост

Давайте же разберёмся, почему сила, стягивающая кварки вместе – сильное ядерное взаимодействие, увеличивается при увеличении расстояния – это происходит из-за того, что в пространстве между кварками не происходит квантовых флуктуаций, описанных в предыдущем посте, кварки как бы сдавливает друг с другом под давлением квантовой пены. Это эффект сродни описанному в том же посте эффекту Казимира. Как я уже упомянул выше, сравнение глюонов с пружиной – не совсем верная аналогия, на самом деле кварки сдавливаются вместе внешним давлением квантовых флуктуаций. На анимации красным полем показан усреднённый уровень энергии вокруг двух кварков. Между кварками наблюдается провал.

Кварки - кирпичики материи Квантовая физика, Кварки, Наука, Фундаментальные частицы, Гифка, Длиннопост

Чем дальше расходятся кварки друг с другом, тем больше энергии в виде «глюонов» вкачивается в пространство между ними. Как уже было сказано в другом посте, чтобы создать по-настоящему пустое место, нужно много энергии. Но в какой-то момент энергия этих созданных глюонов становится настолько большой, что выгоднее становится создать новую пару кварк-антикварк, чем продолжать плодить глюоны. Много глюонов исчезает, вместо них появляются кварк и антикварк. В момент появления кварк-антикварковой пары из четырех кварков создаются два мезона, каждый из которых бесцветен. Данное явление получило название Конфайнмент (удержание цвета). По этой же причине, схема протона и нейтрона, на которой обычно показано по три кварка так же неверна. Протон и нейтрон могут содержать какое угодно (нечётное!) число кварков, однако большая часть их – виртуальная (то есть, создана в паре со своим анти-кварком). Самым близким по прадоподобности условным изображением строения протона, что удалось найти, приведено ниже – несколько кварков в квантовой пене (в данном случае – 5, но может быть и 7, 9, 11 – любое нечётное количество, важно лишь, чтобы их суммарный электрический заряд был равен +1, а суммарный цветовой заряд – 0):

Кварки - кирпичики материи Квантовая физика, Кварки, Наука, Фундаментальные частицы, Гифка, Длиннопост

На рисунке видно, что помимо верхнего и нижнего кварков, в данный конкретный миг времени в протоне так же присутствует кварк-антикварк пара виртуальных странных кварков. Через миг они могут исчезнуть, а взамен них может появиться ещё какое-нибудь количество виртуальных пар. Так же виден вакуум, который образовался в пространстве между ними. Глюоны, которыми обмениваются кварки, подавляют флуктуации и окружающая квантовая пена сдавливает кварки друг с другом, что и является проявлением сильного фундаментального взаимодействия.


Так же, будет заблуждением считать, что масса протона или нейтрона есть результат взаимодействия кварков с полем Хиггса. Безусловно, данное взаимодействие даёт им какую-то массу (порядка всего 1%). Остальная масса – энергия. Энергия глюонов, которыми постоянно обмениваются кварки.

Показать полностью 9

Так ли "пуст" вакуум как нам кажется?

Мы привыкли понимать слово «вакуум», как область пространства, где полностью отсутствует какая-либо материя, однако по-настоящему пустого пространства в нашей вселенной попросту не существует. А всё из-за одного наблюдения, который в 1927 году сделал немецкий физик Вернер Гейзенберг. Выраженное в математической формуле, данное наблюдение получило название «принцип неопределённости» или даже «принцип неопределённости Гейзенберга».

Так ли "пуст" вакуум как нам кажется? Физика, Вакуум, Квантовая механика, Наука, Неопределенность Гейзенберга, Гифка, Длиннопост

У квантовой механики есть несколько отцов-основателей, однако именно Вернер Гейзенберг получил Нобелевскую премию по физике с формулировкой «за создание квантовой механики...».


Простыми словами, эта формула значит следующее: чем точнее мы будем знать положение квантового объекта в пространстве, тем меньше мы будем знать о моменте этой частицы и наоборот. Сам по себе, данный принцип является краеугольным камнем в фундаменте квантовой механики.


Давайте разбираться


На сегодняшний день, единственной экспериментально-подтверждённой теорией, способной описать и предсказать поведение элементарных частиц при высоких энергиях (то есть при энергиях, существенно превышающих их энергию покоя), является квантовая теория поля (КТП). Согласно этой теории, пространство пронизано различными квантовыми полями, своё поле есть для каждой частицы. Различные энергии полей заставляют их колебаться и вибрировать с разной интенсивностью, и эти пики возбуждения и есть электроны, кварки, нейтрино, фотоны, глюоны и пр.

Так ли "пуст" вакуум как нам кажется? Физика, Вакуум, Квантовая механика, Наука, Неопределенность Гейзенберга, Гифка, Длиннопост

Поскольку поля являются квантовыми, это значит, что возбуждение поля может происходить не с какой угодно энергией, а лишь «порциями» или квантами – целочисленными множителями какого-то базового минимального уровня. Иными словами, уровни энергии можно представить определёнными ступенями, чем выше «ступенька», тем больше частиц находится в данном квантовом состоянии. Вся «математика» квантовой теории поля состоит из путешествий вверх и вниз по этим ступеням при помощи операций создания и аннигиляции, помогают в которых диаграммы, которые придумал американец Ричард Фейнман – по-своему легендарная фигура и не только в физике.

Так ли "пуст" вакуум как нам кажется? Физика, Вакуум, Квантовая механика, Наука, Неопределенность Гейзенберга, Гифка, Длиннопост

Пример – диаграмма аннигиляции электрон-позитронной пары, которая порождает фотон, который, в свою очередь, снова распадается на электрон-позитронную пару. Просто следим за стрелочками и смотрим, как происходит взаимодействие частиц.


Самый низкий энергетический уровень нашей «лесенки» не должен иметь никакой энергии, что означает, что в данном квантовом состоянии отсутствуют какие-либо частицы, это состояние вакуума. В идеальном вакууме, энергия всех полей всё время должна находиться в состоянии вакуума, но тут на сцену выходит принцип неопределённости Гейзенберга. Мы видели, что невозможно одномоментно зафиксировать положение и момент частицы, но у принципа неопределённости есть одно следствие – оотношению неопределённости подвержены не только момент и скорость, но и любые две сопряжённые переменные. В общем случае, и в отличие от случая координаты и импульса, обсуждённого выше, нижняя граница произведения «неопределённостей» двух сопряжённых переменных зависит от состояния системы. Иными словами, соотношение неопределённости можно также применить и к энергии со временем, в той интерпретации, что Δ E – максимальная точность определения энергии квантовой системы, достижимая путём процесса измерения, длящегося время Δ t :

Так ли "пуст" вакуум как нам кажется? Физика, Вакуум, Квантовая механика, Наука, Неопределенность Гейзенберга, Гифка, Длиннопост

Чем точнее мы будем стараться определить временной интервал, тем меньше определённой будет энергия квантового поля в заданном отрезке времени, квантовое поле будет размыто по всем энергетическим состояниям. В вакууме, наиболее вероятный уровень энергии – нулевой, но иногда поле будет содержать достаточно энергии, чтобы создать частицу, будто бы «из ничего». Такие частицы называются «виртуальными частицами». Квантовая теория поля рассматривает подобные виртуальные частицы как основу и связующее звено всех взаимодействий в нашей вселенной. Например, электромагнитное взаимодействие рассматривается как обмен виртуальными фотонами между двумя заряженными частицами.


Однако, законы сохранения должны соблюдаться и здесь, и виртуальные частицы обычно создаются парами частица-античастица. И существовать такие пары могут лишь в тот краткий миг времени, отведённый принципом неопределённости, и чем выше энергия виртуальной частицы, тем меньший период времени она может существовать. Это ограничение и определяет дальность действия каждого из фундаментальных взаимодействий. Например, безмассовый фотон может иметь крайне малые уровни энергии, поэтому может существовать неопределённо долго, достаточно долго, чтобы передавать электромагнитное взаимодействие на любое расстояние. В случае с глюоном же, требуется более высокая энергия на его создание, что означает, существует предел для перемещения виртуального глюона, что делает сильное ядерное взаимодействие (переносчиком которого и являются глюоны) столь ограниченным по расстоянию.


Кто-то может возразить, что виртуальные частицы – лишь математический трюк, костыль, которым подпирают теорию (хотя надо отметить, что КТП делает предкрасные предсказания и описания явлений в своей области), но как же «поймать» виртуальную частицу, которая по определению существует между измерениями, живёт тогда, когда мы не смотрим?


Первые намёки на них мы получили в 1947 году Уиллисом Лэмбом и его аспирантом Робертом Ризерфордом (нет, не тем Резерфордом), которые заметили слабое различие между энергиями стационарных состояний ²S₁⸝₂ и ²P₁⸝₂ атома водорода. Позднее его назовут Лэмбовский сдвиг, а самому Лэмбу дадут Нобелевку, однако на то время по модели Бора, данные уровни должны были иметь идентичные уровни энергии. Данное открытие заставило учёных исследовать глубже данный феномен. Позднее американец немецкого происхождения Ханс Бете объяснил данный сдвиг флуктуациями энергии вакуума.


Виртуальные частицы и анти-частицы образовываются в пространстве между ядром и электронами, после чего ориентируются по силовым линиям электрического поля, что в какой-то степени загораживает электроны от положительного заряда ядра, что и влечёт за собой слегка разную энергию электрнов:

Так ли "пуст" вакуум как нам кажется? Физика, Вакуум, Квантовая механика, Наука, Неопределенность Гейзенберга, Гифка, Длиннопост

Другим способом поохотиться на виртуальные частицы является обнаружение их общего влияния на вакуум. Если квантовые поля находятся в постоянном возмущении из-за непрерывного появления и аннигиляции виртуальных частиц, то «нулевая энергия» (энергия нулевого уровня) данных полей будет ненулевой и абсолютно пустой объём пространства будет иметь какое-то количество реальной энергии – энергии вакуума.


В 1948 году голландский физик Хендрик Казимир придумал замечательный способ обнаружить данную энергию. Он предложил расположить две проводящие пластины, расположенные очень близко друг к другу таким образом, чтобы между ними могли существовать фотоны только определённой частоты (возьмите гитарную струну определённой длины – она будет резонировать только на определённые звуковые частоты). Нерезонирующий фотон не сможет существовать между пластинами, что вызовет пропорциональное уменьшение энергии вакуума между пластинами, однако на внешней поверхности пластин могут существовать фотоны с любой энергией, в результате чего возникнет сила, сдавливающая пластины ближе друг к другу. Эффект Казимира был впервые успешно измерен лишь в 1984 году.

Так ли "пуст" вакуум как нам кажется? Физика, Вакуум, Квантовая механика, Наука, Неопределенность Гейзенберга, Гифка, Длиннопост

Вне зазора, сформированного пластинами, могут существовать частицы с любыми частотами. Между пластинами, возможны частицы лишь с определённым набором частот.


Ни эффект Казимира, ни сдвиг Лэмба не позволяют оценить количество энергии вакуума в абсолютном выражении. Данные эксперименты способны оценить лишь относительную разность уровней энергии между между разными состояниями, поэтому возникает вопрос, а сколько вообще энергии содержится в вакууме? На данный момент наука пока не знает ответа на этот вопрос. Одним из ответов может быть ускорение расширения вселенной – тёмная энергия может быть энергией вакуума.


Австралийским учёным из центра исследования субатомной структуры материи физического отделения университета Аделаиды под руководством Дерека Лайнвебера удалось создать компьютерную модель флуктуаций, происходящих в крохотном объёме пространства 2,4×2,4×3,8 фемтометра (1×10⁻¹⁵ метра). Анимация ниже построена при помощи данной модели. Уровень энергии закодирован в цвете, при этом самый низкий уровень энергии сделан прозрачным, так, чтобы мы могли видеть, что происходит внутри. Анимация смоделирована со скоростью 1×10²⁴ кадров в секунду.

Так ли "пуст" вакуум как нам кажется? Физика, Вакуум, Квантовая механика, Наука, Неопределенность Гейзенберга, Гифка, Длиннопост

Анимация Центра исследований субатомной структуры материи физического отделения университета Аделаиды (Австралия)


Именно так выглядит пустое место или вакуум. В пустоте непрерывно происходят подобные флуктуации, потому что даже в самом разреженном вакууме межзвёздного или даже межгалактического пространства всё равно присутствует энергия. Это может показаться странным, но для создания истинного вакуума с минимально-возможным уровнем энергии, этой энергии придётся затратить гораздо больше. И даже если бы нам удалось создать подобный истинный вакуум, он бы оказался крайне нестабилен, словно гвоздь, сбалансированный вертикально на своём острие – малейшая помеха и энергия снова хлынет в него, возобновляя флуктуации.

P. S. Всех пикабушников с наступающим новым годом! В следующем посте будем разбираться с тем, кто такие кварки.

Показать полностью 7

Что значит m в формуле E = mc^2

Продолжение.
Часть 1
Часть 2
Часть 3

Атом водорода имеет меньшую массу, чем сумма масс отдельно взятых протона и электрона. Мы знаем это точно, иначе бы в нашей Вселенной не было бы звёзд, потому что именно благодаря этому «дефекту массы» и возможны ядерные и термоядерные реакции, однако, как может что-то иметь массу меньшую, чем сумма масс его составных частей?

Разумеется, из за этого:

Что значит m в формуле E = mc^2 Масса, Энергия, Теория относительности, Физика, Альберт Эйнштейн, Длиннопост

Давайте посмотрим, что же на самом деле означает самое знаменитое уравнение в истории физики.

Это уравнение было опубликовано А. Эйнштейном 27 апреля 1905 года в работе под названием «Зависит ли инерция тела от содержащейся в нем энергии?», где заключается: « … если тело отдаёт энергию L в виде излучения, его масса уменьшается на L/c² ». Иными словами, в оригинале, уравнение имело вид:

m = L/c²

(в оригинальной работе Эйнштейи использовал для энергии обозначение L)
Русский перевод здесь, всего 3 странички, можно осилить.

Эйнштейн использовал такую запись, потому что краеугольным камнем современной физики является понимание того, что такое масса.

Мы часто слышим утверждения вроде масса – одна из форм энергии, или масса – «замороженная» энергия, или (в наихудшем виде) масса может быть преобразована в энергию. На самом деле ни одно из данных утверждений не верно на 100%.

Чтобы понять, что же именно значит E = mc², давайте рассмотрим явления, которые не укладываются в наше повседневное и обыденное представление о массе.

Вот, к примеру, одно из них: если два объекта состоят из абсолютно идентичных составных частей, данные объекты не обладают идентичной массой.

(a + b + c) ≠ (b + c + a)

Масса чего-либо созданного из более мелких составных частей не является суммой масс этих частей:

m1 ≠ ma + mb + mc
m2 ≠ ma + mb + mc

Общая масса составного объекта зависит во-первых, от того, как составные части расположены по отношению друг к другу, во-вторых – от того, как они двигаются внутри данного объекта.

Вот конкретный пример: представьте себе пару заводных механических часов, чьё строение идентично до атомной структуры. Единственная разница между ними – то, что пружина в одних часах взведена, и часы идут, а пружина вторых часов расслаблена, и часы стоят. Согласно Эйнштейну, масса тикающих часов больше, потому что шестерёнки и стрелки находятся в движении и их кинетическая энергия больше. Кроме того, пружина в этих часах заведена и имеет большую потенциальную энергию. Между движущимися деталями этих часов возникает трение, которое их слегка нагревает, и атомы, из которых состоят эти часы, двигаются более интенсивно. Тепловая энергия – это та же кинетическая энергия атомов, из которых состоят наши часы.

Так что же говорит нам уравнение E = mc²? То, что вся тепловая, кинетическая и потенциальная энергия часов добавляется к их массе. Мы просто складываем всю эту энергию, делим на скорость света в квадрате и получаем ту «лишнюю» массу, которая добавилась к идущим часам.

Так как величина скорости света в квадрате – астрономически огромное число, полученное нами значение даст прибавку порядка атто-грамм или 1×10⁻¹⁸ доли процента (0,000000000000000001%), однако эта разница в массах присутствует и может быть объективно-измерена в лабораториях.

Этот пример показывает нам, что масса – это не характеристика количества материи в объекте. В повседневной жизни мы просто не замечаем разницы.

Для того, чтобы среди физиков не возникало недопониманий, современная наука оперирует понятием «масса покоя» или «инвариантная масса», то есть – масса недвижимого объекта. Само слово «покоя» часто не произносят, но когда говорят о массе, всегда подразумевают «массу покоя», так как только о данной величине все независимые наблюдатели из любой системы отсчёта смогут договориться (по аналогии с тем, как пространственно-временные интервалы между событиями являются единственной объективной характеристикой, о которой могут договориться независимые наблюдатели).

Из классической ньютоновской механики мы знаем, что полная энергия движущегося объекта растёт, что выражается формулой кинетической энергии E = mv²/2, путём нехитрых преобразований мы можем получить понятие релятивистской массы – массы движущегося тела:

Что значит m в формуле E = mc^2 Масса, Энергия, Теория относительности, Физика, Альберт Эйнштейн, Длиннопост

Таким образом, релятивистская масса является коэффициентом пропорциональности между импульсом и скоростью тела:

Что значит m в формуле E = mc^2 Масса, Энергия, Теория относительности, Физика, Альберт Эйнштейн, Длиннопост

Поскольку импульс тела так же вносит свой вклад в полную энергию (и релятивистскую массу), полная версия уравнения Эйнштейна выглядит следующим образом:

Что значит m в формуле E = mc^2 Масса, Энергия, Теория относительности, Физика, Альберт Эйнштейн, Длиннопост

Определённая таким образом масса является релятивистским инвариантом, то есть она одна и та же в любой системе отсчёта. Если мы согласимся считать скорость в единицах скорости света, то данную формулу в специальной теории относительности можно упросить до:

Что значит m в формуле E = mc^2 Масса, Энергия, Теория относительности, Физика, Альберт Эйнштейн, Длиннопост

Как видно из приведённых формул, релятивистская масса тела растёт с увеличением скорости. Как следствие — по мере приближения к скорости света потребуется всё большая и большая сила для дальнейшего увеличения скорости. Релятивистская масса стала бы бесконечно большой при достижении этого порога, что так же означает, что до придания телу такой скорости, потребуется бесконечно большое усилие.

В общей теории относительности всё ещё больше усложняется, но для нас сегодня m в формуле E = mc² означает массу покоя. Полную же массу можно считать индикатором того, насколько сложно будет придать объекту ускорение, либо какое гравитационное воздействие будет испытывать данный объект.

Вернёмся к примерам, вот ещё один: как только вы включите фонарь, его масса немедленно начнёт уменьшаться. Свет, который исходит от фонаря, уносит энергию, которая ранее была запасена электрохимическим образом в батарее и добавлялась к полной массе фонаря. Наше солнце – в принципе, тот же фонарь, только огромных размеров. Оно теряет около 4 миллионов тонн массы каждую секунду и только его огромные размеры спасают нас от гибели в холоде и тьме, потому что эта масса – лишь 1×10⁻²¹ доля полной массы Солнца (за почти десять миллиардов лет своего существования, Солнце истратило лишь 0,07% своей массы).

Так что же означают слова, что солнце преобразует массу в энергию? Речь не идёт ни о какой алхимии. Вся энергия солнечного света – результат преобразования иной формы энергии – кинетической и потенциальной энергии частиц, из которых состоит наше Солнце. Те 4 миллиона тонн, которые теряет наше Солнце – лишь результат уменьшения потениальной и кинетической энергии частиц, из которых оно состоит.

Всё, что мы взвешиваем на весах – лишь энергия частиц, мы просто никогда этого не замечали.

Ещё пример: представьте, что вы стоите с фонариком в руке внутри закрытого ящика с зеркальными стенками, который, в свою очередь, стоит на больших весах. Уменьшится ли показание весов, если включить фонарик? Ответ – нет, не уменьшится. Хотя масса фонаря и уменьшится, масса всего ящика останется неизменной, так как энергия фотонов, которые покинули фонарик, не покинет пределы ящика, и хотя у фотонов масса покоя отсутствует, их энергия включается в массу покоя ящика.

В каждом из рассмотренных примеров целый объект имел большую массу, чем масса его составных частей, но в начале этого поста было сказано, что масса атома водорода меньше, чем сумма масс протона и электрона, из которых он состоит. Почему так?

Потому что потенциальная энергия может быть и отрицательной. Давайте обозначим потенциальную энергию протона и электрона, находящихся бесконечно далеко друг от друга за нулевую. В силу того, что они притягиваются друг к другу, чем меньше между ними расстояние, тем меньше будет их потенциальная энергия (точно так же, как потенциальная гравитационная энергия уменьшается по мере приближения к поверхности земли). Если они сблизятся до размеров атома водорода, их потенциальная энергия меньше нуля. Хотя электрон в атоме водорода и обладает ещё кинетической энергией, так как он движется вокруг протона, суммарная энергия системы протон-электрон всё равно будет отрицательной, а следовательно, согласно нашей формуле m = E/c² будет так же меньше нуля.

Именно поэтому масса атома водорода меньше, чем сумма масс его составных частей. На самом деле, масса любого атома в периодической таблице будет меньше, чем сумма масс протонов, нейтронов и электронов, из которых они состоят.

Что значит m в формуле E = mc^2 Масса, Энергия, Теория относительности, Физика, Альберт Эйнштейн, Длиннопост

То же самое касается и молекул. Молекула кислорода O₂ весит меньше, чем два отдельных его атома, так как суммарная потенциальная и кинетическая энергия этих атомов становится меньше нуля, когда они образуют химическую связь друг с другом.

А что насчёт самих протонов? Они состоят из частиц, называемых кварки, и их суммарные массы примерно в 100 раз меньше массы протона. Так откуда же у протона масса? Она «добирается» из глюонов (или, если упрощённо – потенциальной энергии кварков).

Откуда же берётся масса элементарных частиц (электронов или кварков)? По крайней мере в стандартной модели физики частиц, у них нет составных частей (поэтому они и называются элементарными). С определёной точки зрения (и точки зрения до-Эйнштейновской физики), их массы элементарны, однако, и об их массе можно судить, как о некоей форме потенциальной энергии. Например, можно рассматривать их массу, как потенциальную энергию взаимодействия электронов и кварков с полем Хиггса, а так же с электрическими полями, которые они сами же и порождают, либо, в случае с кварками – потенциальная энергия взаимодейтсвия с их глюонными полями.

Даже классический пример так называемого «преобразования массы в энергию» – аннигиляцию материи и антиматерии концептуально сводится к тому же преобразованию одного вида энергии к другому, и вам не требуется алхимия по преобразованию массы в энергию для его объяснения.

Основная идея данного поста в том, что масса – понятие виртуальное. Это всего лишь свойство, свойство, которое проявляет энергия, поэтому некорректно думать, что масса может являться мерой количества материала в том или ином объекте, на самом деле, это характеристика количества энергии, которой данный объект обладает. Значение именно этой характеристики мы получаем, когда взвешиваем тот или иной объект.

Показать полностью 6
Отличная работа, все прочитано!