Не фантастика, а наука

Фантастика? Реальность.

Демон против

Вечный двигатель. Как часто мы слышим этот интригующий термин. Любые его авторы и конструкторы, случись им соорудить нечто, что способно производить полезную работу без затрат энергии извне, вошли бы во все учебники, спровоцировали бы технологический рывок и разорили все крупные корпорации. Илон Маск, столь нелюбимый в определённых кругах, быстренько бы выкупил такую машинку и уже улетел на Марс на полученную прибыль. Но, к сожалению или счастью, в природе существуют законы, которые невозможно обойти. Давайте рассмотрим один из них – второе начало термодинамики.

Суть его достаточно проста: замкнутая система, та, на которую ничто не действует извне, не способна сама перейти из менее упорядоченного состояния в более упорядоченное. Сгоревшее полено не может взять и воссоздать себя из золы и дыма, воду можно заморозить и разморозить вновь, хотя это не приведёт к увеличению её массы и объёма без посторонних усилий. Разбитая чашка не взлетит снова на стол и не склеится сама (а вот этого порой так не хватает :-) То есть, степень упорядоченности системы будет либо падать, либо не меняться совсем.

Однако, один из видных учёный прошлого, Джеймс Максвелл, автор знаменитых открытий в области электромагнитного излучения, придумал очень интересный эксперимент, пусть и мысленный. Вроде бы, такой опыт должен не только опровергнуть второе начало термодинамики, но и дать работоспособный принцип вечного двигателя. Суть такова: нам понадобится сосуд, разделённый на две половины. Сверху будет газ, а снизу вакуум или значительное разрежение. Пусть в перегородке имеются ворота и некий страж, который будет пропускать вниз только самые быстрые частицы из первой половины. Современники Максвелла назвали такой механизм «демоном Максвелла», указывая на мистическую природу стража. Демон своими действиями со временем позволит получить в системе очень высокую упорядоченность: в нижней половине температура вырастет, а в верхней упадёт. Таким образом мы получим источник, на базе которого легко построить вечный двигатель. Вот и всё, пала цитадель науки, вперёд в гараж и звонить Маску?

Следует учитывать вот что – демон и механизм, которым он управляет, должны будут откуда-то брать тепло для работы, а если система изолирована, то придётся использовать её ресурсы. Значит, какая-то часть остынет быстрее или не сможет нагреться до нужных величин. К тому же, в процессе отбора частиц не избежать потерь при взаимодействии с воротами и демоном. Так что мера упорядоченности, которая вроде бы должна повыситься, на самом деле останется в лучшем случае, неизменной, а в худшем всё равно упадёт.

Доводы против реальности такой схемы даёт и квантовая механика. В микромире, который по своим масштабам не соизмерим с привычным нам пространством, действуют очень специфические законы. Так, согласно принципу неопределённости Гейзенберга, страж в замкнутом сосуде не сможет точно определить скорость молекулы, которую необходимо отсечь или пропустить, значит ему не удастся наполнить другую половину только быстрыми частицами, вырастет количество ошибочных срабатываний, как бы страж не старался. Опять же, и расположение молекулы однозначно не определяется, поэтому некоторые из них могут просто не попасть в регулируемые ворота, отскакивая от краёв или банально промахиваясь.

Забавно, но даже очевидное объяснение подобного эксперимента и демонстрация универсальности законов природы не мешает и в XXI веке некоторым изобретателям предлагать свои примитивные проекты вечного двигателя. Как правило, в интерьере бедных и неухоженных мастерских и на основе того, что нашли на помойке. Их бы целеустремлённость да на полезное дело…

Относительная заметка

В нашем мире всё относительно – таков один из принципов Вселенной. Следствие из этого простого факта гораздо удивительнее, чем можно представить. И уж конечно, здесь нет ничего общего с обычными бытовыми отговорками и смыслом, который в них вкладывают кухонные философы.

В начале прошлого века наука оказалась на грани очередного интригующего открытия, которым стала теория относительности. Учёные Пуанкаре и Эйнштейн, известные ныне почти каждому, кто не прогуливал слишком много лекций по физике, предложили концепцию, которая описывала бы многие процессы во Вселенной с подходящей точностью. И одним из главных постулатов этой теории стало понятие относительности, которое неразрывно связано с постоянством скорости света и замедлением времени.

Подумайте, а как мы определяем время? По часам, это верно, но в основе этого способа лежит достаточно простой принцип. Время можно описать как промежуток между какими-то событиями, будь то движение стрелки от одной точки до другой, или как результат деления пройденного расстояния на скорость, если мы рассматриваем движущиеся объекты. Простое определение и простое математическое описание, когда речь заходит о житейских задачах, вроде того, за сколько можно дойти до остановки спокойным шагом, если до неё 100 метров. Но вот когда мы рассматриваем обычный свет, от Солнца, от фонаря или зажигалки, то сталкиваемся с удивительными особенностями.

Давайте посмотрим, что будет происходить, если два человека под фонарём бегут навстречу друг другу с разными скоростями. Для приближающегося к источнику наблюдателя и для удаляющегося, как бы быстро они это не делали, свет всегда будет обладать одинаковой скоростью, хотя может пройти при этом разные расстояния. Отсюда следует странный вывод – для одного участника забега свет будет очень быстрым, а для другого – медленным, хотя источник во всех случаях одинаков. И как же найти ответ, кто из них прав? Надо просто отказаться от концепции, что время для наблюдателей течёт абсолютно одинаково. Эта простая и логичная поправка приводит к интересным парадоксам. Если наблюдатель двигается быстро, а мы, находясь в состоянии покоя, следим за его часами, то увидим – они замедляются. А вот для движущегося человека будет казаться, что наши часы ускоряются. Более того, подобный вывод был уже многократно проверен и, обладай мы чрезвычайно точной техникой за пределами лаборатории, можно было бы попросить бегунов преодолевать дистанции с разными скоростями и регистрировать, насколько разошлись в показаниях их часы.

Раз уж мы заговорили о скорости света, то почему бы не сконструировать устройство, которое позволит человеку двигаться удивительно быстро, за секунду пролетая около 300 000 километров, то есть достигая светового барьера? И тут снова коварные законы природы, называемые нами теорией относительности, не позволят осуществиться задумке. Если у тела есть какая-то масса, отличная от нуля, то с приближением к скорости света, масса будет увеличиваться вплоть до бесконечности. А для разгона тела с подобной массой потребуется приложить бесконечную энергию

Когда вакуум не пустой

Как часто на вопрос, а что же находится в межзвёздном или межпланетном пространстве, мы получаем ответ – вакуум, пустота? Надо признать, что подобное суждение в каком-то смысле не слишком ошибочно, но уточнить всё равно необходимо – пустоты во Вселенной нет, а то, что мы в быту называем вакуумом не всегда является пространством без единого намёка на материю.

Представьте себе бутылку, ещё недавно заполненную водой. Затем жидкость выливают, и вот перед нами сосуд, в котором ничего нет. Можно сказать, что он пустой и в этом есть доля правды, если мы всего лишь задались вопросом, сколько бутылка весит. С точки зрения одного из разделов физики – механики, ошибки в терминах нет. Но в бутылке не вакуум, ведь в ней остаются молекулы воздуха. Тогда постараемся удалить из сосуда как можно больше вещества – и если давление внутри окажется гораздо ниже атмосферного, то по правилам техники и прикладных наук мы всё же устроили вакуум. Это будет очень приближённым описанием состояния – в космосе на каждый кубический дециметр, то есть литр пространства, приходится множество молекул и опять вакуум окажется не абсолютным.

Впрочем, не буду затягивать вступление, хотя без него никак. «Истинным» вакуумом считается некое состояние пространства, имеющее минимальные значения энергии. Даже если вы убрали из бутылки вообще все молекулы, то на самом микроскопическом уровне, таком, что сравним с размерами атомов, в ней всё равно существуют поля. Вы наверняка сталкивались с проявлениями полей в обычном, макроскопическом мире, мире вещей гораздо больших, чем элементарные частицы. Например, если пытаться совместить магниты одинаковыми полюсами, то явно можно почувствовать сопротивление. При этом, проведя между магнитами листом бумаги или пластмассовой ручкой, можно убедиться, что никакого особого веществами в зазоре нет, а сила отталкивания всё равно существует. То есть, поле проявляет себя в виде некоторого взаимодействия, которому не нужно вещество для передачи на расстояние. Конечно, раз поле может действовать, то оно обладает энергией.

В квантовом мире всё чуть сложнее, и перед нами один из феноменов квантового поля. Благодаря ему можно ввести понятие физического вакуума.

Точное определение вакуума на данный момент достаточно простое – это поле с минимальным значением энергии или, что точнее, с наименее низким энергетическим состоянием. Давайте прибегнем к сравнению, хоть и не совсем логичному: описываемое состояние можно представить как поверхность пруда в безветренную погоду. Она кажется гладкой и ровной, а когда вы приглядитесь, то увидите небольшие вздрагивания и волны, вызванные едва ощутимыми внутренними процессами. Такое состояние для воды будет считаться состоянием с минимальной энергией. То же и с вакуумом.

При этом, вакуумов несколько, в зависимости от того, как «вздрагивают» наши поля. Стоит вакууму немного увеличить энергию, как образуются высокоэнергетические участки, словно всплески на воде. Эти состояния называют ложными вакуумами. Существуют они очень недолго, ибо крайне нестабильны и стремятся отдать лишнюю энергию. В процессе распада такого вакуума образуются элементарные частицы, из которых затем складываются атомы.

Наш мир формально создаёт пустота. Которой в бытовом смысле слова вообще нет.

Сильное взаимодействие очень сильное

Ещё мыслители Древней Греции выдвинули смелую гипотезу о том, что всё вещество состоит из мельчайших частиц, которые невозможно разглядеть и разделить. Но только множество веков спустя люди подтвердили догадку мыслителей прошлого, открыли атом и атомное ядро, удивительные структуры, описанию и исследованию которых посвящено множество книг. Теперь мы знаем, как же примерно выглядят составные части молекул, какой обладают массой и на что способны. Фактически, это удивительное знание о микромире, который ничем не уступает по возможностям, а местами и превосходит знакомое нам пространство из крупных объектов. Однако, одно из самых замечательных свойств атомного мира – силы, которые не позволяют ядрам химических элементов развалиться, про них и пойдёт речь в этой заметке.

Начнём с того, что мы будем представлять ядро атома не как целый шарик, а как связанные между собой частицы, протон и нейтрон. Это не хитрый приём для упрощения материала, такие частицы существуют в реальности и называются нуклонами. Название подобрано соответствующее, от латинского nucleus «ядро». Нейтрон и протон вместе составляют бОльшую часть массы атома, хотя масса самого протона несравнимо меньше массы самого маленького кристаллика сахара в стакане вашего чая. Гравитация, чьё воздействие кажется нам огромным и универсальным, бесполезна на подобных масштабах. Тяготение заслуженно считается самой слабой силой во Вселенной и удержать вместе нуклоны только лишь гравитационным взаимодействием абсолютно немыслимо. Так что для связи нейтрона и протона в природе существует иной механизм, гораздо более эффективный и гибкий – так называемое сильное взаимодействие. Как видите, в этом случае физики придумали название без лишней помощи фантазии.

Сильное взаимодействие настолько сурово, что не будь у него ограничений, скрутило бы всю материю и изменило бы наш мир до неузнаваемости. Но здесь срабатывает некая вселенская защита от дурака, ведь у сильного взаимодействия есть своя сфера «применимости», это совсем микроскопическое расстояние, 10 в минус 15-й степени метра. Дальше оно никак себя не проявляет, и это, поверьте мне, здорово.

Ещё более экстраординарным можно считать сам механизм сильного взаимодействия – его так же называют обменным. Уже по одному слову можно догадаться, что в основе феномена лежит процесс распределения чего-то между нуклонами. Когда один нуклон притягивает второй, происходит обмен мезонами, элементарными частицами, которые являются переносчиками этого самого сильного взаимодействия. Хорошим примером механизма служит перебрасывание мячика двумя игроками. Когда один кидает, а другой ловит и происходит взаимодействие. Мезоны, столь важные для существования материи, несмотря на свою роль, относятся к короткоживущим частицам, время их существования не превосходит стомиллионных долей секунды.

Никому мы не нужны

Трудно сказать, когда именно лучшие умы человечества решили, что Земля не является единственным небесным телом во Вселенной, на котором возможна разумная жизнь. И я не говорю о жрецах и мистиках, которым нет нужды как-то обосновывать или подтверждать догматы собственных учений. Но в прошлом веке, благодаря развитию коммуникаций, сенсационные заявления о высадке пришельцев или наблюдениях летающих тарелок стали появляться в огромном количестве, словно какая-то завеса молчания упала. Фантасты и киноиндустрия верно уловили тренд, и вот уже количество фильмов и сериалов о вторжении жителей иных планет можно считать десятками или сотнями. Сюжет, за редким исключением, сводится к попытке завоевать бедненькое человечество или как минимум здорово ему подгадить. В конце, разумеется, побеждает дружба землян против захватчиков из космоса. Контакт считается оконченным и люди получают сомнительный приз в виде десятилетий восстановления осколков цивилизации. Но это лишь фантастика.

А вот современная наука не только не отрицает возможность существования внеземных цивилизаций, но и интенсивно ищет признаки разумной деятельности в нашей Галактике. Давайте отбросим сказки и мистификации о летающих тарелках и прикинем – а зачем инопланетянам прилетать на Землю? Интересна ли наша планета в качестве объекта для оккупации?

Предположим, где-то сравнительно недалеко от Солнечной системы есть обитаемый мир. Его жители овладели очень продвинутыми технологиями и стали использовать всю энергию собственной звезды. А это достаточно большие запасы, которые позволят быстро решить все проблемы на отдельно взятом обитаемом небесном теле и форсировать развитие науки. Разумеется, добившись всего и сразу, инопланетяне собрали межзвёздный флот, засекли сигналы с Земли и отправились в долгий путь к Солнцу.

Может быть, им нужна наша вода? В горле пересохло сразу у всех разумных существ, а океаны выпили ещё на прошлой неделе. В ряде книг и фильмов коварные инопланетяне прилетают, отстреливают 90% человечества и выкачивают океаны Земли. А дальше то ли в цистерны пакуют, то ли по межзвёздному трубопроводу отправляют. Надо признать, что у этих захватчиков явно проблемы с логикой, если не с головой. Рядом с Юпитером вращается более многообещающий объект для оккупации, целый водный мир, планета-спутник Европа. Она покрыта льдом, под коркой которого плещется солёный жидкий океан. Никаких тебе войнушек, загрязнений и, наверное, чужих форм жизни – качай на здоровье. Рядом, кстати, есть ешё один привлекательный объект, Ганимед, на котором так же отмечены признаки наличия воды.

А может, инопланетянам стало тесно на своей планете и наш мир интересует их как новый дом? Обладая огромными запасами энергии и передовыми технологиями, самым простым способом для них будет просто выбрать любую необитаемую планету без атмосферы и преобразовать её по своим вкусам, а не тащиться за десятки световых лет, чтобы истреблять миллиарды живых существ и искать спасение от земных вирусов и бактерий. Быстрее, дешевле, безопаснее.

Наконец, сырьё. Инопланетяне летят высосать нашу нефть, раздолбать планету в поисках ценных минералов и утащить к себе на прицепе? Тут снова есть вариант значительно проще. Солнце окружает пояс астероидов, огромных глыб, которые так же богаты полезными ископаемыми и лишены всех недостатков Земли. Нет никакой геологической активности, никаких лишних усилий для бурения сквозь поверхностный слой, не бегает семь миллиардов безволосых обезьян, которые могут научиться стрелять. К тому же, недра нашей планеты слишком неспокойны и часть из них, едва ли не большая, находится в экстремальном состоянии – высокая температура и давление делают будущую добычу чего-то полезного слишком трудной. Проще насобирать астероидов. Кстати, проекты по поиску и переработке сырья на астероидах существуют даже у земных учёных. Что же касается нефти, то этому соединению трудно даже представить место среди сырья для цивилизации, которая овладела способами межзвёздных перелётов.