cicatrix

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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

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

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.

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.

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

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

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.

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

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

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

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.

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

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.

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.

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

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.

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.

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.

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):

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).

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.

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).

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:

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.

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):

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.

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».

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.

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.

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 :

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:

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.

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.

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.