Перед такой цивилизацией встаёт фундаментальный выбор. Первый путь — отказаться от материи, перейти в энергетическую форму: стать структурами из полей, плазмы или топологических дефектов, не зависящими от стабильности протонов. Второй путь — не отказываться от материи, а научиться её обновлять: если протон распадается, можно создавать новые протоны.

В этой части мы рассмотрим два пути, их физическое основания, пределы и парадоксы. В конечном счёте выбор между «стать светом» или «чинить кирпичи» определит не только форму, но и саму возможность существования разума в умирающей Вселенной.

Я мог бы светом стать

Когда цивилизация осознаёт, что протоны распадаются, самым элегантным решением кажется отказ от них вовсе. Зачем цепляться за обречённые кирпичи, если можно перейти на субстрат, не знающий подобной угрозы?

Электромагнитные поля, плазменные сгустки, солитоны, фотоны, гравитационные волны и топологические узлы не содержат барионов и потому неуязвимы для распада протона. В такой форме разум мог бы существовать до самого конца Вселенной, питаясь энергией вращения чёрных дыр и постепенно замедляясь по мере остывания космоса.

Однако прежде чем решиться на такой переход, необходимо понять, из какого именно «материала» можно построить бестелесный разум. Выбор здесь крайне ограничен. Фундаментальных взаимодействий, известных физике, четыре: гравитационное, слабое, сильное и электромагнитное. Каждое описывается своим полем, и каждое по-своему пригодно или непригодно для создания устойчивых структур, способных нести информацию и поддерживать сложные вычисления.

Гравитационное поле слишком слабое. Структуры из чистой гравитации не способны удерживать сложную информацию на микроскопических масштабах.

Сильное взаимодействие — короткодействующее. Его носители (глюоны) в свободном состоянии не существуют из-за конфаймента, а барионы подчиняются судьбе протонов. (Тем не менее есть весьма спекулятивный сценарий жизни в нейтронной звезде).

Слабое взаимодействие ещё менее пригодно: оно не только короткодействующее, но и его переносчики (W± и Z-бозоны) нестабильны.

Остаётся электромагнитное поле. Оно дальнодействующее, как гравитационное, но несравнимо сильнее. Оно способно удерживать заряженные частицы, формировать токи, плазму и сложные электромагнитные конфигурации. Именно взаимодействие электромагнитного поля с электрон-позитронной плазмой позволяет строить устойчивые структуры, кодировать информацию и выполнять вычисления.

В отличие от чистого фотонного газа, такая среда обладает нелинейностью, необходимой для существования аналогов логических элементов, памяти и вычислительных цепей. Более того, электромагнитное взаимодействие может работать без барионов: электроны, позитроны и фотоны стабильны (в рамках Стандартной модели) и не зависят от судьбы протонов. Таким образом, единственный реалистичный кандидат на роль «ткани» бестелесного разума — это электромагнитное поле и его возбуждения.

Прежде чем отказаться от барионной материи, цивилизация должна решить несколько инженерных задач.

Первую, вы уже наверное догадываетесь – собрать всю доступную материю в черную дыру?
Нет. Даже если бы плазменной цивилизации нужен был холодильник, то к времени распада протонов температура реликтового фона будет на многие порядки ниже чем температура излучения Хокинга любой черной дыры. Но и холодильник им не очень нужен, им нужна мощность. У одной большой дыры площадь "отбора мощности" минимальна. Поэтому наша цивилизация будет собирать не мегадыру, а рой черных дыр звездной массы (задача трех тел нерешаема, а как насчет задачи сотни тысяч тел?).(Отметка №1: Управление роем чёрных дыр).

Далее необходимо собрать из электронов, позитронов, фотонов и электромагнитных полей вычислитель.

У нас будут:

• логические элементы на плазменных солитонах, которые нужно постоянно стабилизировать, Солитоны прекрасны, но без постоянной подпитки рассыпаются в поток излучения (отметка №2);

• память на замкнутых токовых структурах требующая периодической регенерации, магнитные петли размываются диффузией (отметка №3);

• плазменные волноводы и токопроводы, имеющие сопротивление (отметка №4: компенсация омических потерь);

• электроны с позитронами, которые несмотря на электромагнитное разделение иногда туннелируют друг к другу и аннигилируют (отметка №5: компенсация аннигиляции).

Цена существования

Если суммировать все инженерные отметки, поддерживающие плазменный вычислитель, окажется, что они потребляют почти всю (99.9...%) доступной мощности. На собственно «мышление» почти ничего не остаётся (для сравнения: у человека затраты на работу мозга оцениваются в 2,5–3% от общей потребляемой энергии).

Вдобавок плазменная цивилизация не может остановиться и «поспать». Перерыв в подаче энергии длительностью в доли микросекунды приведёт к распаду вычислителя: магнитные поля исчезнут, солитоны рассеются, электрон-позитронная плазма превратится в облако гамма-квантов. Существование такой цивилизации — это непрерывная борьба с энтропией собственного тела, практическое воплощение мема "Маши крыльями или сдохнешь".

Поэтому цивилизация продолжает развиваться. Пока вокруг ещё работают чёрные дыры и механизм Блэндфорда-Знайека продолжает выкачивать их вращательную энергию, она постепенно строит вычислительную инфраструктуру следующего поколения. Она медленно охлаждает отдельные области плазмы: сначала до сотен кельвинов, затем до единиц, потом до милликельвинов.

В какой-то момент происходит фазовый переход.

Горячая электрон-позитронная плазма перестаёт быть плазмой в привычном смысле. Тепловое движение практически исчезает. Частицы начинают подчиняться квантовой статистике Ферми — Дирака. Возникает вырожденный ферми-газ.

Когда температура падает ниже температуры Ферми, включается принцип Паули: частицы не могут занимать одинаковые состояния, поэтому перестают хаотично сталкиваться и излучать. Тормозное излучение, синхротронные потери, омический нагрев — всё это схлопывается в разы. Проводимость вырастает на порядки, аннигиляция почти замирает.

Плата — скорость: чем холоднее, тем медленнее шевелятся «нейроны».

На температурах порядка миллионных долей кельвина практически вся потребляемая энергия может быть переработана в вычисления. Но из-за низкого собственного потребления цивилизация теряет способность быстро влиять на материальный мир, а в худшем случае вообще становится заложником ранее созданной энергетической инфраструктуры.

Со стороны покажется, будто цивилизация почти остановилась. Но никакой трагедии здесь нет. Внешняя Вселенная к этому моменту тоже почти перестала меняться, только чёрные дыры медленно вращаются, отдавая последние проценты своей энергии. Спешить больше некуда.

С инженерной точки зрения это выглядит как деградация производительности. С философской — как окончательная победа над временем.

Все еще помните Доктора Манхэттена? Забудьте. Вспомните Аристотеля, который считал высшей целью разумной жизни не действие, а созерцание: не бесконечную деятельность, не накопление богатства и не войну, а существование, посвящённое пониманию мира.

Но для стороннего наблюдателя скучненько как то это выглядит, поэтому в следующей части мы рассмотрим второй путь. Путь цивилизации которая сказала:

“Я создам свои протоны, с блэкджеком и шлюхами”

Даже мы уже умеем создавать материю. Не в промышленных масштабах, но принципиально. Физика высоких энергий ежедневно занимается рождением частиц из вакуума — в ускорителях, коллайдерах и космических лучах.

Для цивилизации уровня Кардашева III+, оперирующей энергией целых звёзд и чёрных дыр, производство протонов — всего лишь инженерная задача. Сложная, дорогая, но решаемая. И вот три реалистичных пути.

Рождение из света: два гамма-кванта

Самый прямой способ — столкновение двух гамма-квантов сверхвысокой энергии. Если суммарная энергия фотонов превышает удвоенную массу покоя протона (примерно 1,88 ГэВ), они могут породить пару «протон – антипротон».

Это не фантазия. Процесс рождения пар при столкновении фотонов — фоторождение — наблюдался экспериментально на ускорителях тяжёлых ионов, таких как RHIC и LHC. Там электромагнитные поля релятивистских ядер выступают как облака почти реальных фотонов, которые сталкиваются и рождают частицы. Вероятность рождения протонной пары в одном событии невелика — сечения порядка микробарн, но никакого фундаментального запрета нет.

Для цивилизации, способной концентрировать энергию звёзд в пучки гамма-излучения, строительство «фотонной фабрики протонов» — это вопрос лишь размеров установки и КПД. Проблема в том, что для одного протона нужны два фотона, каждый с энергией не меньше массы протона. Это дорого, но терпимо.

Однако есть нюанс: вместе с протоном всегда рождается антипротон. И это не баг, а фундаментальное свойство.

Кварк-глюонная плазма: металлургия далёкого будущего

Более эффективным выглядит путь через кварк-глюонную плазму (КГП). При температурах порядка нескольких триллионов кельвинов привычные протоны и нейтроны перестают существовать как цельные объекты. Их внутренности — кварки и глюоны — выходят на свободу, образуя плотную «суп» из сильновзаимодействующих частиц. Именно такое состояние заполняло Вселенную в первые микросекунды после Большого взрыва и регулярно воспроизводится в столкновениях тяжёлых ионов на Большом адронном коллайдере и RHIC.

Если затем плазму медленно охладить, кварки снова объединяются в адроны. Этот процесс называется хадронизацией. Природа не делает различий между веществом и антивеществом: из остывающей КГП рождаются протоны, антипротоны, нейтроны, антинейтроны, пионы и множество других частиц — строго парами, если исходное барионное число равно нулю.

Современные эксперименты уже производят миллионы таких событий. Для сверхразвитой цивилизации установка на основе КГП стала бы аналогом металлургического комбината, где вместо руды используются кварки, а вместо доменной печи — колоссальные магнитные ловушки и лазерные системы охлаждения. КПД такого процесса, вероятно, выше фоторождения, но всё равно далёк от ста процентов.

И снова: на каждый протон — антипротон.

Поле, рвущее вакуум: механизм Швингера

Существует и третий, самый экзотический путь. Квантовая электродинамика предсказывает, что в электрическом поле напряжённостью около 10¹⁸ В/м вакуум становится нестабильным. Он начинает самопроизвольно рождать электрон-позитронные пары. Это явление известно как механизм Швингера — один из немногих предсказанных, но пока не наблюдавшихся в лаборатории эффектов квантовой теории поля.

Для рождения протонов потребовались бы поля ещё на несколько порядков сильнее, поскольку сначала необходимо создать тяжёлые кварковые пары, а затем позволить сильному взаимодействию собрать их в адроны. Формально это не запрещено, но практическая реализация потребовала бы куда-то деть лавину электрон-позитронных пар которые создавались бы попутно.

Тем не менее, для цивилизации, пережившей распад протонов и научившейся манипулировать чёрными дырами, это не выглядит абсолютно невозможным. Просто ещё одна инженерная задача.

И опять: каждый протон рождается вместе с антипротоном.

Все три технологии имеют одну общую, неумолимую особенность. Ни одна из них не умеет производить одиночные протоны.

Каждый новый протон появляется в сопровождении антипротона. Это следствие фундаментального закона сохранения барионного числа. Если до реакции суммарное барионное число было равно нулю, таким же оно должно остаться и после. Протон имеет барионное число +1, антипротон — −1. Вместе они дают ноль.

Именно здесь задача перестаёт быть чисто физической и превращается в инженерно-экзистенциальную.

Антипротон — это идеальная копия протона, отличающаяся только знаком квантовых чисел. Его создание требует ровно столько же энергии, сколько и создание протона. Выбрасывать антипротоны в космос — безумное расточительство. Аннигилировать их сразу после рождения — ещё безумнее: это буквально уничтожение половины произведённой материи.

Цивилизация, которая уже прожила 10⁴⁰ и хочет прожить еще как минимум столько же, не может позволить себе терять половину продукта.

Решение, которое напрашивается само собой, почти неизбежно.

Пока одна промышленность выпускает новые протоны для ремонта стареющего вещества, вторая начинает накапливать антипротоны. Затем появляются антиатомы, антимолекулы, антиконструкционные материалы и, наконец, вычислители из антиматерии.

Спустя достаточно долгое время рядом с цивилизацией вещества возникает её двойник — цивилизация антивещества. Обе цивилизации подчиняются одним и тем же законам физики (CPT-симметрия никто не отменял), используют одну и ту же энергию и, что самое важное, производят друг для друга самый ценный ресурс во Вселенной — строительный материал для продолжения собственного существования.

Возникает симбиоз. Вещество нужно антивеществу для того, чтобы производить новые антипротоны, и наоборот. Вместе они образуют замкнутый цикл, в котором барионное число Вселенной остаётся равным нулю, но при этом обе ветви цивилизации живут, строят, мыслят и, возможно, обмениваются информацией через тщательно изолированные каналы связи.

Так распад протона неожиданно приводит не к исчезновению материи, а к рождению сразу двух цивилизаций, связанных между собой самыми фундаментальными законами сохранения.

Помните Бендера из «Футурамы»? Он мечтал создать свой лунопарк с блэкджеком и шлюхами. Здесь всё серьёзнее: цивилизация, столкнувшись с распадом протонов, создала половину доступной вселенной.

Оба пути не позволили нашей цивилизации погибнуть из-за распада барионной материи.

Энергетический разум и строители протонов со строителями антипротонов жили долго и счастливо? Да, пока к ним не подкрался очередной белый полярный лис.

Как это работает вкратце:

Берем атом водорода, "раздеваем" его до состояния протона. Дальше прикладываем к нему отрицательный потенциал, протон летит к источнику, но пролетает в дырочку в мишени. С противоположной стороны его уже ждет новый потенциал, который гонит наш протончик дальше к мишени со ртутью. Если у него достаточно энергии он выбьет протон из ртути и мы получим что хотели (золото или то, что придётся потом долго дезактивировать).

Для строительства ускорителя нужны:

1. Водород

2. Высокий вакуум

3. Высокое напряжение

4. Магниты

5. Немного колдовства с контроллерами

6. ОЧЕНЬ прямые руки

7. Защита от радиации

8. Система охлаждения

Где это брать и как не сойти с ума:

1. Водород можно нагенерировать электролизом воды (Заодно наделаете кислорода - сами придумайте куда его девать). Если что, на Алиэкспрессе продаются готовые установки. Чтобы его ионизировать, берем электроны например с помощью горячего катода из вольфрамовой проволоки, разгоняем их до пары сотен электронвольт, собираем электронный пучок и скрещиваем его с тонкой струйкой водорода. Магия плазмы готова.

2. Высокий вакуум, чтобы все в принципе работало как надо (нам же нужен водород, а не смесь из всего подряд и чтобы он попадал в ртуть, а не в случайную молекулу газа на пути). Тут понадобятся деньги на откачной пост, но:

   Форвакуумный насос можно купить в магазине кондиционерщиков или если всё совсем плохо, то собрать батарею из холодильных компрессоров.

   Диффузионный насос тоже пилится в гараже. Главное — не перепутать вакуумное масло с подсолнечным.

3. Высокие напряжения для разгона частиц и фокусировки пучка получаются с помощью трансформаторов (например из микроволновки) и выпрямителей на диодах. Опять же, продаются готовые модули. Для высоковольтной части большие токи не понадобятся так что можно обойтись DIY модулями. Главное — не становиться частью цепи.

4. Магниты нужны для управлением потоками заряженных частиц - см. правило правой руки (лучше конечно, если при расчетах вы будете пользоваться векторным умножением, как нормальные инженеры и ученые). Мотаются из проволоки и сердечника. Не забудьте добавить охлаждение т.к. при больших токах все это будет греться.

5. Немного колдовства с контроллерами - разумеется, всем этим хозяйством надо управлять. Arduino, Raspberry Pi или старый ноутбук - выбирайте, чем будете дирижировать этим оркестром.

6. ОЧЕНЬ прямые руки. (желательно с группой допуска по электробезопасности и привычкой не совать голову под пучок протонов). Всё это нужно собрать так, чтобы установка не убила вас, ваших «сотрудников» и кота, который решил проверить, что там гудит.

7. Радиационный фон. Вас ждут: рентген от рекомбинации, тормозное излучение при ударе протонов о мишень, гамма-кванты от распада изотопов ртути и та самая ионизирующая радиация, которую вы так старательно генерировали. Дозиметр — ваш новый лучший друг.

8. Охлаждение. Тепла будет много: греются магниты, раскаляется мишень, диффузионный насос требует водяной рубашки, да и трансформаторы не отстают. Водопровод, радиаторы или старый автомобильный антифриз — выбирайте, чем будете отводить киловатты (ладно, сотни ватт, но всё равно).

Вывод: "бюджетно" наделать золото из ртути вполне реально, но проверять мы этого, конечно, не будем. Не будем же?

Шаг 2: Что нужно для «домашнего» эксперимента

1. Источник нейтронов: Нейтроны не продаются в магазине «Чижик». Их можно получить только в работающем ядерном реакторе или в центре термоядерного синтеза . У вас на балконе стоит токамак? Нет? Тогда мимо. Кстати, калифорнийский стартап Marathon Fusion утверждает, что их реактор сможет делать до 5 тонн золота в год из ртути . Но у них и бюджет — десятки миллионов долларов .

2. Затраты энергии: Даже если вы запихаете реактор на кухню, процесс сожрёт столько энергии, что вы разоритесь на оплате счетов быстрее, чем получите один грамм золота .

3. Побочные эффекты: Даже если вы каким-то чудом всё запустите, полученное золото будет радиоактивным . Его нельзя будет взять в руки или надеть на цепочку — только любоваться издалека, пока оно вылеживается 14-18 лет .

Шаг 3: Суровая реальность вашей кухни

А теперь о грустном. Если вы разобьете ртутный градусник (а это основная «домашняя ртуть»), то вы занимаетесь алхимией ровно наоборот:

· Вы не сделаете золото. Ртуть, которая вытекла из градусника, — это яд. Пары ртути начинают испаряться уже при комнатной температуре . Они не пахнут, но вызывают тремор, потерю памяти и проблемы с почками .

· Демеркуризация, а не магия: Ваши действия должны быть строго регламентированы МЧС, а не учебником алхимии. Банка с холодной водой, резиновые перчатки, марлевая повязка — вот ваш набор «золотодобытчика» .

· Кстати о ювелирке: Если золотое кольцо контактирует с ртутью (например, пока вы собираете шарики), оно покрывается нестираемыми пятнами и превращается в амальгаму . Вот вам и трансмутация — только порча дорогого украшения.

Золотой вывод

Друзья, наука — это круто. Мы действительно умеем превращать ртуть в золото, и это доказано физикой. Но «домашние условия» для этого процесса — это целый ядерный исследовательский центр, а не ваша кухня .

Поэтому не играйте в алхимиков с ртутью. Играйте с гипоаллергенным пластилином. А если разбили градусник — сразу звоните в МЧС и Роспотребнадзор, а не мне за рецептом философского камня. Берегите себя и свои нейроны!

Мы привыкли думать, что протон — это просто статичный набор кварков и глюонов. Однако реальность, как водится, сложнее. Ученые уже давно знают, из чего состоят эти частицы, но точное поведение и распределение внутренних «ингредиентов» до сих пор оставалось загадкой. А между тем, от этих деталей напрямую зависит успех экспериментов на коллайдерах: ведь именно там, сталкивая протоны, физики надеются открыть новые частицы или понять фундаментальные законы природы.

Главным математическим инструментом для изучения недр протона долгое время служила так называемая партонная модель. Она позволяет рассчитывать плотность частиц внутри протона с помощью теории вероятностей и предсказывать, как будет выглядеть его «начинка» в ходе ускорительных экспериментов.

«Партонная модель невероятно эффективна — на ней держится почти всё наше знание о внутреннем устройстве протона. Но если взглянуть на неё непредвзято, становится ясно: лежащая в её основе картина мира довольно классическая, — поясняет Алексей Владимиров из Мадридского университета Комплутенсе. — А это, конечно, заблуждение, потому что мы-то знаем, что существует квантовая механика».

Идеи о поиске квантовых эффектов внутри протона витают в научной среде с 1980-х годов, рассказывает Владимиров. Однако все эти годы разные эксперименты давали противоречивые, а порой и взаимоисключающие результаты.

Чтобы внести ясность, Владимиров с коллегами сосредоточились на одном характерном признаке квантового мира — интерференции. Если говорить проще, квантовые частицы обладают волновой природой, а интерференция — это когда две такие волны накладываются друг на друга: в одних точках они усиливаются, а в других — гасят друг друга. С точки зрения математики это выглядит так: если в классике вероятности просто складываются, то при интерференции к их сумме добавляются дополнительные члены.

Исследователям удалось выделить математические «отпечатки» квантовой интерференции, проанализировав более десятка совершенно разнородных массивов данных. Например, часть информации поступила из ЦЕРН (Швейцария), а часть — с немецкого ускорителя DESY. Причем ни один из этих экспериментов изначально не был нацелен на поиск интерференции.

«Все прежние попытки проваливались именно потому, что исследователи опирались на какой-то один источник данных, — поясняет Владимиров. — Собрать всё воедино было технически сложно, но это того стоило». В итоге ученые смогли четко зафиксировать конкретные случаи квантовой интерференции внутри протона — например, когда глюон «взаимодействует» сам с собой через пару «кварк-антикварк».

По словам Владимирова, это открытие заставляет физиков по-новому взглянуть на привычную модель: «Мы привыкли считать протон почти классическим набором частиц. Мы показали, что это не так, — он гораздо более квантовый, чем принято думать».

«Ценность этой работы в том, что она собирает воедино огромный объем информации из разных источников и говорит: "Смотрите, мы точно видим, что эффекты квантовой интерференции реально присутствуют в физических процессах"», — комментирует Владимир Браун из Университета Регенсбурга (Германия).

Браун отмечает, что это первый столь масштабный анализ, и он должен подстегнуть новые эксперименты. Например, будущие исследования на ускорителе имени Томаса Джефферсона в Вирджинии (США) могут выявить дополнительные признаки интерференции и связать их с другими явлениями, возникающими при столкновениях частиц на высоких скоростях.

Сам Браун, посвятивший этой теме 40 лет, признаётся, что его удивили детали. «Я, конечно, не сомневался в квантовой природе протона, — говорит он. — Но я ожидал, что самые яркие эффекты проявят себя совсем в другом месте, а не там, где они обнаружились».

В планах исследовательской группы — расширить базу данных, уточнить анализ и окончательно подтвердить свои выводы. Однако впереди не менее важный вопрос: как интерпретировать полученные результаты и составить цельную картину того, что на самом деле творится внутри протона.

Например, обнаруженный эффект интерференции тесно связан с квантовым спином кварков и глюонов. Эта характеристика до сих пор измерена очень приблизительно и плохо понята. Кроме того, физикам еще предстоит выяснить, как интерференция соотносится с силами, действующими на кварки и глюоны. В частности, речь идет о сильном ядерном взаимодействии — одной из четырех фундаментальных сил природы. Понимание этой связи приблизило бы нас к разгадке самых базовых законов Вселенной.

Дело в том, что я откопал в закромах старенький прибор охранно пожарный - Радиус-4, а у него все прописанные нем ключи давно потеряны и получается, что надо через программатор сбросить их на ноль.

Вот балуюсь, хочу его реанимировать и потом куда-то пристроить.

Если у кого-то есть такой программатор, то может я приехал бы к вам с прибором и смогли за пять минут его обнулить?