Physics

14 января 1742 года шведский астроном Андерс Цельсий представил свою шкалу температур, которая впоследствии получила его имя. В оригинальной шкале Цельсия точка кипения воды была 0 градусов, а точка замерзания — 100 градусов. Позже, Карл Линней, также шведский ученый, перевернул эту шкалу, и она приобрела тот вид, который нам известен сегодня (0°С — точка замерзания, 100°С — точка кипения).

Предложенная шкала стала важным стандартом для научных измерений и повседневного использования. Шкала Цельсия способствовала развитию термометрии и позволила проводить более точные и согласованные измерения температуры, что было критически важно для развития различных областей науки, от химии до метеорологии.

Что больше всего боятся путешественники во времени? Правильно, встретить самого себя. Ещё страшнее дотронуться до самого себя. Но если сами путешествия во времени худо-бедно имеют некоторые рациональные корни, которые держатся на хоть какой-то физической логике, то этот вечный страх попадания двух объектов в одно время столь очевидного описания не имеет. Давайте вместе попробуем поразмыслить на этот счёт и поищем теоретический смысл.

Напомню, что в зависимости от контекста ожидаемы два похожих события - произойдёт или коллапс пространства-времени и пропадёт буквально всё, или произойдёт только лишь коллапс существующих материальных объектов с одинаковым кодом. Какой именно вариант тут нас ожидает предсказать сложно. Фантасты с удовольствием смакуют этим эффектом и во многих фильмах с путешествиями во времени наблюдаются самые разные последствия.

Чаще всего есть этакий "софт" вариант. Копия объекта просто потихоньку начинает растворяться и пропадает. Но это чаще лишь способ притянуть всё к сюжетной линии. Ведь на практике всё должно было бы быть как раз-таки очень даже ярко и мгновенно.

Есть ещё разновидности этого события. Герой может рассматриваться не как полная копия самого себя, а как существо, прошедшее другой путь и не являющееся тем же самым объектом. Тоже самое будет касаться самого себя в разные возрастные периоды. Во многом разная логика тут напоминает попытки применить разные гипотезы строения Вселенной. Скажем, каждая новая сюжетная линия - это аналог подхода с мультивселенными. Такая логика нам сейчас не совсем интересна, так как подход практически очевиден.

Гораздо полезнее поискать физический смысл в аксиоме путешественников во времени:

Одно и то же тело не может занимать одно и то же место в одно и то время.

На самом деле у этого принципа есть вполне себе разумное описание. Другое дело, что не совсем ясен результат взаимодействия. Яркий и зрелищный коллапс - это скорее яркое и фантастическое преувеличение проблемы.

Любой объект состоит из частиц. Частицы состоят из более мелких частичек и так до квантового уровня. Квантовые объекты описываются функцией состояния.

Вероятность обнаружения конкретной частицы имеет функциональную зависимость от синусов и косинусов. Это не имеет ничего общего с амплитудой в виде энергии, импульса или чего-то еще, полумесяцы и впадины увеличиваются, а вероятности обнаружения уменьшаются при проведении наблюдения. Именно вероятность нахождения определяет положение частицы. Сама теория противоречит логике появления двух объектов в самой точке. При этом что же всё-таки будет при их встрече не уточняется.

При это частицы, обладающие целочисленным спином, называются бозонами и могут занимать одно и то же пространство в одно и то же время, что означает, что вероятность нахождения одного из них в координатах (x, y, z) увеличивается, чем их больше. Бозоны вообще могут находиться в одном и том же квантовом состоянии. Частицы с полуцелым спином являются фермионами и следуют статистике ферми-Дирака и, следовательно, не могут занимать одно и то же пространство. Вероятность нахождения одного объекта в точке (x, y, z) всегда будет равна вероятности нахождения одной частицы. Только одна может находиться в квантовом состоянии одновременно.

То есть всё приходит к тому, что такая ситуация просто невозможна. Но глубоко в теории, яркие и красочные эффекты тоже могут быть как-то описаны.

Тут можно обратиться к принцип запрета Паули. Он гласит, что два или более тождественных фермиона не могут одновременно находиться в одном и том же квантовом состоянии в квантовой системе. Отметим, что появление точно такой же частички в том же месте как раз-таки подразумевает включение принципа.

Если нарушить принцип Паули, частицы с одинаковыми квантовыми числами будут отталкивать друг друга с силой, которая увеличивается по мере их приближения. Скажем, для электронов эта сила называется обменным взаимодействием и отвечает за разделение электронов и создание структуры атомов.

Преодолеть эту силу в обычных условиях невозможно. При попытке это сделать будут проявляться эффект сверхпроводимости. Столкнуть электроны всё-таки можно. При этом возможно рождение новых частиц, однако это возможно только если энергия будет достаточна для рождения других частиц. При этом будут рождаться другие частицы (так называемые глубоко неупругие процессы).

Также при попытке сжать материю возникнет предел, когда электроны не смогут приблизиться, не нарушив принцип запрета. Это создаёт давление, которое сопротивляется дальнейшему сжатию материи, называемое давлением вырождения. Описанные явления вполне себе могут быть причиной красочных фейерверков и некоторой аналогии схлопывания пространства.

Следующий момент можно привязать к "коду Вселенной". Представьте, что у вас есть некоторый программный код, который выводит объекты на экран. Как отреагирует простой компьютер на попытку вывести две точки в одно место одновременно? Скорее всего синим экраном. Хотя современные системы имеют встроенные алгоритмы защиты от таких полянок. Но какой-нибудь 98-ой можно было повесить так абсолютно наглухо.

Если применить эту логику к материи, которая выводится кодом, то тут тоже начнутся всяческие веселые явления. Среди них могут быть и сбои в матрице с красочными эффектами. Понятно, что подобная логика ведёт куда-то в сторону теории симуляции, но сама по себе конструкция атомов и наличие некоторого природного упорядочивания подсказывает, что в этом может быть здравый смысл.

Представьте себе, что внутри ваших приборов поселились монстры с тентаклями, которым нравится коротить схемы и сжигать компоненты. Представили? Это не выдумка, они уже здесь - это бессвинцовое оловянное покрытие.

Как? Чистое олово способно выпускать щупальца – их называют «оловянные усы» или «вискеры». Тонкие до невидимости - 1-10 мкм, и длинные - до 10 мм, они стремительно вырастают из любого участка с чистым оловом, будь то покрытие компонентов или лужение на плате. А затем, ориентируемые электрическим полем, они жадно присасываются к соседним проводникам, вызывая замыкания, которые провоцируют то необъяснимые неполадки, то фатальные поломки. В низкоточной цепи они могут годами изводить вас глюками неизвестной природы, то отрастая, то оплавляясь. Если же мощности достаточно – при замыкании усик превращается в плазму, вызывающую каскад отказов. Неприятно уронить сигарету и прожечь брюки, но более досадно уронить ее на промасленную ветошь на складе с горючим)

Почему это происходит? Достоверно установлено, что при 13,2°C олово вдруг решает сменить свою тетрагональную β-фазу на кубическую α-фазу, разрушая макроскопическую структуру вплоть до состояния мелкого порошка. Скорость процесса стремительно растет с понижением температуры, причем кубическая фаза, контактируя даже при более высокой температуре с нормальным оловом, вызывает в нем превращение. Процесс сопровождается разрастанием по поверхности металла усыхающих язв, почему явление и получило название оловянной чумы.

Известная с глубокой древности, чума была описана еще Аристотелем. Согласно историческим байкам, она явилась одной из причин поражения Наполеоновской армии в России. Будто бы на морозе пуговицы, ложки, кружки превратились в серый порошок. Доказанным считается, что ненадёжность оловянной пайки стала одной из причин неудачи экспедиции Роберта Скотта на Южный полюс. В письме, написанном в солнечном -70-градусном марте 1912 года, Скотт обращается к своей вдове: " ...Я думаю, что шансов нет. Мы решили не убивать себя, и бороться до конца, чтобы добраться до лагеря. Смерть в борьбе безболезненна, так что не волнуйся за меня."

Зараза не искоренена и поныне, возникая повсеместно с коварной непредсказуемостью. Как сварливая жена, аллотропия олова может превратить спокойную жизнь в катастрофу в одно мгновение по самому невообразимому поводу. Тут не только понижение температуры, но и контакт с катализаторами, в числе которых соединения ртути, диффундировавшие ионы меди и даже собственная оксидная пленка, а еще ионизирующее излучение, вибрация, влажность. Невозможно предсказать, когда объявится проблема, документированы случаи замыканий и через 5 дней, и через 5 лет.

Едва ли можно посчитать, сколько зависаний, спонтанных перезагрузок и потерь данных было вызвано одними только кратковременными замыканиями, но даже на бытовой технике и персональных компьютерах оловянные усы являются основным поставщиком неполадок. Божьей милостью, в России, несмотря на холод, зараза приживается плохо, а вот на ее родине сполна хлебнули из кубка благих намерений. Так, например, в 2006 году компания SWATCH понесла неразглашаемые убытки, будучи вынуждена отозвать у дилеров партии часов общей стоимостью $1 млрд! И ущерб не ограничивается деньгами:

• с 1975 по 1989 количество сбоев в кардиостимуляторах, вызванных усами, непрерывно росло, пока этим наконец не озаботились регулирующие органы, но проблема полностью не разрешилась до сих пор;

• отказы на атомных станциях: АЭС Дрездена, АЭС Саус-Тексас, АЭС Миллстоун;

• отключения спутников коммуникации: PAS-4, DirecTV 3, SOLIDARIDAD, GALAXY IV;

• ошибки наведения ракет Феникс и Пэтриот – действительно, пятисоткилограммовая ракета на перхлоратном топливе, это же так экологично, зачем портить ее свинцовым припоем.

И это только самые вопиющие случаи из тех, что повлекли расследования и просочились в открытый доступ.

Проблема, как описано, серьезная. Не просто серьезная – пугающая. И если чем паять, иногда мы все же выбираем сами, то купить некоторые компоненты не в бессвинцовом исполнении невозможно. Остается только искать пути минимизации рисков. О существующих решениях я постараюсь рассказать в следующих публикациях.

Автор - Георгий Александров

Статья написана для паблика CatScience. А ещё мы есть в телеге.

Подписывайтесь, чтобы не пропустить новые посты!