От утопии к реальности: разбор физики вселенной Bioshock infinite
Пост опубликован в блогах iXBT.com, его автор не имеет отношения к редакции iXBT.com
Если автор пообещал вам публикацию на iXBT.com (а не в блогах iXBT.com), то сообщите об этом, пожалуйста, на почту abuse@corp.ixbt.com
Ракета Пилигрима заканчивает свой полет, и вот перед Вами, словно в сказке, Колумбия — город, парящий в небесах. Все в нем настолько идеально, что даже не хочется думать о том, как здесь все функционирует, хочется просто наслаждаться этим подобием Рая в небесах. Но тут ты бьешься о землю, ибо даже в Рае есть свои недостатки и город не может парить сам по себе в небесных просторах. И сегодня я бы хотел рассмотреть физику, представленную во вселенной мира игры Bioshock infinite, с точки зрения физики реального мира и провести реальные аналогии.
Тех, кто не проходил игру, попрошу воздержаться от прочтения данного текста, ибо будут присутствовать спойлеры.
Колумбия
Начнем с основ. Город Колумбия — то место, где и разворачивается большая часть событий. Целый город, который находится на высоте 4.6 км (эту информацию можно услышать в тот момент, когда г.г. взмывает в небо на раке, а диктор отсчитывает расстояние от начальной точки на земле).
Первое, что видит игрок: по архитектуре и структуре город представляет собой улицы, выполненные в стиле конца 19 века, скорее, с английскими мотивами, которые расположены на отдельных островах, соединенные между собой некими стыковочными платформами.
Сами же острова удерживаются в воздухе с помощью дирижаблей, а маневрировать им позволяют либо какой-то аналог реактивных двигателей, либо стандартные воздушные винты.
Как регулируется положение этих самых островов (именно место управления), чтобы они банально не столкнулись друг с другом, к сожалению, неизвестно.
Давайте разберем, возможно ли удержать целое здание в воздухе. Порывшись в интернетеможно найти информацию о том, что на 1 кубометр гелия (которым, в основном, и заполняют воздушные шары) приходится подъемная сила, способная поднять 1 кг веса.
Рассчитывается это по молярной массе:
Воздух — 29 г/моль
Гелий - 4 г/моль
При нормальных условиях (атмосферное давление = 1а.т.м. или 10^5 Па и температура 273 К или 0 градусов по Цельсию) 1 моль = 22,4 л.
Грубо говоря, разница в массах и будет той подъемной силой: (29-4)/1000=0.025 кг; кубометр в 44,6 раз больше, следовательно, 0.025х44,6=1,115 кг;
В воздушный шарик диаметром 28 см помещается примерно 0.014 кубометров гелия, тогда груз, который сможет поднять этот шарик будет составлять лишь 1 г.
Кирпичное двухэтажное здание площадью 11х11 м весит 250 тонн (250000 кг), несложными действиями можно посчитать, сколько понадобится таких шариков для удержания такого здания над землей: 250000/0.001=250000000 шаров.
Один гелиевый шарик по ценам в интернете стоит 25р., тогда на удержание одного такого здания понадобится 6250000000 р. Если брать за основу один большой шар, то он в любом случае по размер должен будет превосходить площадь здания в тысячи раз. А город, как правило, предполагает структуру из нескольких зданий и такие затраты никому не нужны. Если все-таки Вам удалось поднять целый город в небо на высоту 4.6 км, то возникнет еще одна большая проблема — холод. На высоте 4 км наблюдается температура в минус 10 градусов Цельсия, поэтому улицы, облаченные в солнечные мотивы, представленные в игре, Вы вряд ли увидите.
Но по ходу игры узнается, что местный физик-теоретик Розалинда Лютес смогла остановить атом в воздухе, позже перейдя от элементарной частицы к целому городу. Да, именно посредством этого город удерживается в воздухе, а не с помощью дирижаблей. В игре никак не объясняется, относительно чего поднимается этот самый атом и, выходит, что гравитационное поле Земли на него не действует, тогда он должен уйти в “свободное плавание”, но этого не происходит. Как корректируется его положение и удержание — тоже неизвестно. И это уже действительно похоже на чудеса, сказку. Или нет?
Сверхпроводимость
На самом деле похожий аналог физического явления в жизни присутствует — сверхпроводимость.
Сверхпроводимость – это свойство определенных материалов обладать нулевым электрическим сопротивлением при достижении критической температуры (температура, которая ниже определенного значения). Само явление имеет квантовую природу.
На изображении Вы видите, как магнит левитирует над охлажденным жидким азотом сверхпроводником. Далее я объясню природу данного явления:
Эффект Мейснера.
Эффект, который заключается в том, что происходит полное вытеснение магнитного поля из объема проводника в том момент, когда он переходит в сверхпроводящее состояние. При охлаждении вещества, которое является сверхпроводником и находится во внешнем постоянном магнитном поле, при переходе в сверхпроводящее состояние магнитное поле полностью вытесняется из его объема. Так как магнитное поле отсутствует в объеме проводника, то можно заключить вывод о том, что в нем существует только поверхностный ток. Он физически существует и занимает какой-то объем вблизи поверхности проводника. Магнитное поле тока аннулирует внутри сверхпроводника внешнее магнитное поле, в таком случае можно считать, что проводник ведет себя как диамагнетик, но таковым не является, так как намагниченность внутри проводника равна нулю.
Если углубляться дальше то, точное теоретическое описание выглядит так:
между электронами при определенных условиях возникает притяжение. Притяжение, которое обусловлено возбуждениями: колебания кристаллической решетки, которое способно создавать «куперовские пары» — связанные состояния двух электронов в кристалле. Пара может двигаться в кристалле, при этом не распадаясь на колебания решетки и примеси. В веществах, температура которых отлична от нуля, достаточно энергии, чтобы разрушить такую пару электронов, в то время как при низких температурах система не имеет достаточно энергии. В результате этого и возникают потоки связанных электронов – куперовских пар, которые не взаимодействуют с веществом. Проще говоря, электрическое сопротивление -это взаимодействие электронов с ионами вещества (ионы являются положительными частицами и при столкновении часть энергии электронов уходит на колебания структурной решетки вещества). Но при низких температурах электроны образую некую “волну”: электрон, идущий впереди, образует скопление положительных частиц, которые притягивают идущий сзади электрон, и сила отталкивания электронов друг от друга уступает силе взаимодействия с положительными частицами, тем самым сопротивление исчезает. Наглядно это показано на рисунке ниже.
Сверхпроводимость позволяет левитировать объектам над конкретной поверхностью, но происходит это только при температурах -270 градусов по Цельсию, такой эффект называют квантовой левитацией. В нашем мире такая технология уже применяется, например, поезда на магнитной подушке. Но для целого города это очень большие затраты, да еще и на такую высоту… Представьте, каких мощностей должны быть магниты на земле.
Итог: можно, но непрактично и очень затратно. Но хочу указать на еще один интересный факт, который будет гласить о том, что проект аналога города “Восторг” из оригинальной части все же есть, называется он “Океанская спираль” (отель на 5000 мест) обойдется нам в 25 млрд. долларов. Больше информации по этому проекту вы можете легко найти в интернете.
Поле Лютес
Теперь перейдем к самому вкусному — путешествие во времени и между параллельными вселенными. Хоть эта тема и вкусна, но похожа она больше на дремучий лес, выбраться из которого будет непросто. Да и саму концепцию таких путешествий я бы отнес не к теме физики, а, скорее, к теме философии.
Все тот же физик Розалинда Лютесне остановилась на остановке атома и продолжила свои исследования, разработав механизм “Поле Лютес”, который позволяет увидеть вероятность событий. Позже, это устройство будет усовершенствованно до такой степени, что сможет сделать невозможное — открыть “дверь” в параллельные вселенные и различные временные точки. Конечно, таких технологий в нашем мире еще нет, но будет ли возможно само путешествие во времени? В игре взята концепция путешествий во времени схожая с концепцией фильма “Назад в будущее”. То есть, отправляясь в прошлое и меняя события, вы создаете “ответвление” в ходе времени, которое уже становится собственным и полноценным миром.
Спешу Вас огорчить: путешествия во времени назад, скорее всего, невозможны. Был хороший физик-теоретик Стивен Хокинг, однажды он решил провести эксперимент: устроить вечеринку для путешественников во времени. Да-да, именно для них. Эксперимент окончился отрицательным результатом, тем самым физик уверил себя в том, что путешествовать во времени невозможно. Не говоря уже о нарушении причинно-следственных связей. Но вы можете поднять голову, взглянув ночью на звездное небо, и увидеть прошлое. Нет, я не сошел сума. Это легко объясняется. Все мы знаем, что свет — это поток фотонов, которые в вакууме имеют строго определенную скорость, которой не хватает для мгновенного преодоления космических пространств, то есть, фотоны, испускаемые Солнцем, транслируют Вам в мозг неактуальное состояние этого самого объекта. Конкретно состояние Солнца мы видим с задержкой в целых 8 минут, а некоторых звезд на небе и вовсе уже нет.
Но речь шла о путешествиях в прошлое, теперь поговорим о путешествиях в будущее. Ура! Здесь у нас есть шанс от фантазий перейти к реалиям. Теория относительности Эйнштейна позволяет сделать выводы о том, что время — это не ручей, который протекает с одной скоростью, его можно разогнать! Есть “парадокс близнецов”, который нам скажет о том, что перемещаясь в космосе на релятивистских скоростях (скорость, близкая к скорости света) время для Вас будет протекать быстрее: два года будут равны целым двум векам на Земле. А все тот же Стивен Хокинг предполагал, что в мире масштабов 10^(-35) м существуют “кротовые норы”, которые, так сказать, соединяют некоторые точки пространства-времени. Задача человечества лишь заключается в том, чтобы расширить те самые “норы”.
Способности Элизабет и суперпозиция Лютес
Элизабет:
И вот, продвигаясь далее по сюжету, вы видите прекрасную девушку, которая рисует на холсте свою мечту — Париж, но еще мгновение, и вы замечаете невозможное: девушка просто открывает «окно» в тот самый Париж. Вы в недоумении задаетесь вопросом: как? В игре присутствует объяснение, но, по моему мнению, очень скудное и спорное.
Начну сразу с экшена: Элизабет не из вселенной, в которой она находится изначально. Ее продали из собственного мира в другой, причем это сделал сам отец, а покупателем был аналог отца из другой реальности. И в процессе «продажи» один из отцов передумал — началась перепалка, в ходе которой Элизабет потеряла часть своего мизинца. То есть, какая-то часть Элизабет осталась в одной реальности, а сама она — в другой. На этом объяснение ее способностей заканчивается. Да, вот так просто, ты — здесь, палец -там, побочный эффект — способность открывать порталы между реальностями. Никакой аналогии не приходит в голову, даже вспоминая курс квантовой механики. Поправьте меня, пожалуйста, если я ошибаюсь.
Лютес:
На протяжении всей игры Вас преследуют эти две загадочные личности, которые появляются настолько внезапно, как и пропадают. Точнее, не личности, а личность. Да, это один человек, но из разных реальностей. Просто один — женская версия второго, и наоборот. В игре есть объяснение того, как они «нашли» друг друга. Всему виной «Разрыв Лютес» (первоначально они обнаружили друг друга с помощью «Поля Лютес» и общались с помощью азбуки Морзе). Позже, когда Розалинда смогла открыть разрыв в реальность Роберта, они объединились, чтобы вместе развивать свои идеи. Почему именно Роберт перешел к Розалинде, а не наоборот? Все просто, в реальности Роберта главный герой не принял крещение, следовательно, никакого Комстока не существует, а спонсировал наработки Розалинды именно он (в ее реальности Комсток существует), поэтому у Роберта просто не хватило средств для развития своих технологий. Это бы многое объяснило, но в местах их появлений нет никаких разрывов или машины, которая их создает, тогда как они перемещаются в пространстве-времени? Объясняется это тем, что когда Комсток (по личным причинам) уничтожил машину, которая создает разрывы, тем самым породив парадокс того, что близнецы должны существовать по всем законам логики, но… И не должны. Тогда вселенная, вместо того, чтобы уничтожить обе реальности, поступила более рационально, и просто «выплюнула» мешающие работе детали. Следовательно, теперь они вне вселенной (пространства-времени).Явление, которое описано в игре, больше всего подталкивает меня провести аналогию с квантовой суперпозицией.Суперпозиция:В микромире действует одно интересное правило: если с какой-либо элементарной частицей (фотон, электрон и др.) не происходит взаимодействия, то она находится в нескольких состояниях одновременно (они, так сказать, накладываются друг на друга). То есть, тот же фотон может проявлять и волновые свойства, и свойства частицы. Но ставя эксперимент, Вы с определенной вероятностью получите тот или иной результат.
Теория (развернуть)
Например, частица может находится в состояниях U1 и U2, то она может находиться в состоянии, являющемся суперпозицией всех возможных состояний и будет описываться функцией U=x1U1+x2U2. И если мы возьмем квадрат модуля от тех самых x1 и x2, то мы получим вероятность обнаружить результатыс1 или с2, которые описываются U1 и U2 соответственно.
Теперь опишем мысленный эксперимент, подтверждающий принцип линейной суперпозиции — интерференция микрочастиц на двух щелях. Источником электронов будет нить накала. Пропускаем пучок термоэлектронов через диафрагму малого диаметра, чтобы создать точечный источник. Теперь поместим на пути электронов еще две щели. Получим на экране интерференционную картину с центральным максимумом против основного направления пучка. Если закрыть вторую щель, то появится картина интерференции с максимумом против первой щели, аналогично, если закрыть первую щель. И получится вполне себе плавная картина.
Наверняка у вас появился вопрос: а может ли такое правило работать в макромире (наш уровень или мир больших объектов)? Австралийский физик Эрвин Шредингер предложил мысленный эксперимент о котором многие могли слышать.
Кот, помещенный в коробку. В коробке устройство, которое представляет из себя молоток и колбу с ядом. Устройство защищено от воздействия кота. Сработает это устройство или нет, зависит от датчика, который фиксирует распад радиоактивного вещества (вероятность распада 50 на 50). Как только датчик фиксирует распад вещества, молоток тут же разбивает колбу с ядом и кот умирает. Следовательно, не открыв коробку мы не сможем с точностью сказать, мертв кот или жив. Такой эксперимент принято считать опровержением явления на «нашем уровне». Хотя до сих пор не выяснено, почему оно не может протекать на макроуровне.
Остальное
Также в мире игры мы видим иные технологии: аэротрассы и аэрокрюк; сифон; энергетики.
Аэротрассы:
Аэротрассы используются в игре для перемещения грузов из одной точки города в другую, но позже, с помощью аэрокрюка, их стали использовать для перемещения и сами люди. Откровенно говоря, я не понял принцип действия данного устройства, “он намагничен” — это не объяснение. Как происходит само передвижение? Знатоки, прошу в комментарии. Будет очень интересно прочесть Ваши варианты.
Сифон:
Сифон представляет из себя несколько колонок и электрических катушек, которые предназначены для удержания сил Элизабет. Также можно увидеть, как то же устройство «оживляет» мертвую жену Комстока. Но как это осуществляется? С теориями все в те же комментарии.
Энергетики:
И, наконец, энергетики, которые представляют из себя аналог плазмидов из оригинальной части, в которые был добавлен окислитель и их можно было просто пить, а не вводить инъекцию. Также они не вызвали привыкания и мутаций. Суть же заключается в том, что в организм вводятся стволовые клетки, которые позволяют производить изменения генетического кода. Генетику я совсем не знаю, поэтому не могу сказать, возможны ли мутации на том уровне, который показан в игре.
Мультивселенная: И, собственно, вся вселенная серии игр «Bioshock» подчиняется концепции мультивселенной. Концепция мультивселенной заключается в том, что существует бесконечное множество различных интерпретаций нашего мира, которые формируются посредством даже мельчайших выборов: надели Вы рубашку или футболку, черные или белые носки, моргнули в определенное время или нет, и т.д. Многого по этому поводу не напишешь, ибо это лишь гипотетическая концепция, которая не подчиняется научному методу, так как ее нельзя ни доказать, ни опровергнуть. Здесь лишь можно рассуждать, фантазировать и философствовать. В игре же переходы между этими самыми вселенными изначально изображаются в виде разрывов, а ближе к концу в виде маяков. Почему маяки? Возможно, исходя из сюжета игры, этим показывают, что даже в самой темной ситуации можно найти надежду на что-то светлое (или выход из нее). ;)
Заключение
Я не стал разбирать какие-либо ошибки во временной ветке игры, ибо этот лес настолько густой, что есть шанс из него не выйти. В качестве заключения хочется сказать о том, что хоть мир игры и похож больше на утопию или сказку, а некоторые явления не имеют почвы под ногами, в угоду сюжета и зрелищности на многие недочеты можно закрыть глаза, иначе нам было бы так скучно жить…
Если же Вам есть что-то добавить, исправить, то буду рад Вашим комментариям. Простите.