Blog Doktora No

Witam, dziś kolejny odcinek naszych naukowo-technicznych rozważań na kanwie filmu "Avatar" Jamesa Camerona.

W poprzednim odcinku zgłębiliśmy podróże międzygwiezdne, podwójny układ gwiezdny Alfa Centauri, promy kosmiczne i antymaterię.

 Dziś postaram się zgłębić najciekawsze tematy: awatary, latające góry, i rozwikłać zagadkę Unobtanium.

Co do poprzedniego odcinka otrzymałem kilka komentarzy, że lekceważę możliwość obalenia tezy o nieprzekraczalności prędkości światła. Otóż wcale nie uważam, że fizyka odkryła już wszystko, wręcz przeciwnie. Znane i udowodnione prawa fizyki mają często pewien zakres stosowalności. Jeżeli kiedykolwiek przekroczymy prędkość światła, to prędzej w dziedzinie przekazywania informacji, niż transportu materii. Nie zmienia to faktu, że zanim przywitamy się z Einsteinem i Stephenem Hawkingiem, to musimy najpierw przeprosić się z sir Newtonem.

A teraz, zapraszam do ciągu dalszego:

Klonowanie

Tytułowe awatary to będące dziełem inżynierii genetycznej, dorastające w sztucznej macicy hybrydy DNA mieszkańców Pandory i ludzi. Ich twarze są bardzo podobne do twarzy człowieka-dawcy DNA, i mają pięć palców u rąk i nóg, a nie cztery jak u Na’vich. Ludzie, poprzez specjalne łącza, mogą nimi sterować zdalnie, z drugiej strony otrzymując informacje z ich zmysłów. Każdy awatar może być sterowany przez osobę, która ma DNA identyczne, lub bardzo podobne do swojego operatora (dlatego Jake Sully mógł sterować awatarem przeznaczonym dla swojego zmarłego brata-bliźniaka). Same awatary nie posiadają ani krztyny świadomości i są po prostu czymś w stylu żywych marionetek.

Samo tworzenie awatarów jest logiczne: dla kosmitów (nawet humanoidalnych) to ludzie są obcymi z innego świata, którzy mogą wydawać się odrażający lub po prostu odmienni na tyle, że próba porozumienia się byłaby z góry skazana na porażkę. Stąd pomysł awatarów, których to naukowcy pod kierunkiem dr Grace wchodzą w kontakty z Na’vi i prowadzą badania poza bazą.

Tworzenie hybryd jest jak najbardziej realne, już teraz tworzy się organizmy transgeniczne, zawierające obce geny, swego czasu naukowcy w Wielkiej Brytanii zaszokowali świat, tworząc hybrydowe zygoty z komórek krowich zawierające ludzkie DNA. Tak więc absolutnie nie jest wykluczone że w przyszłości będzie można było tworzyć organizmy o dowolnie dobranym składzie genetycznym. Klonowanie już zostało przeprowadzone, mam tu na myśli słynną owieczkę Dolly. Poza tym są już nawet firmy oferujące klonowanie psów, kotów i innych domowych zwierzaków.

Wiążą się z tym duże problemy natury etycznej. Czy taka hybryda będzie jeszcze istotą ludzką, czy już nie? Nie mam zamiaru w tym miejscu się nad tym rozwodzić, gdyż jest to temat na odrębną dyskusje, trzeba być jednak świadomym tego problemu.

W Pandorapedi jest wzmianka o tym, że pierwsze udane próby z awatarami zostały poczynione przez naukowca o bardzo wątpliwym etycznie zachowaniu. Czyżbyśmy mieli potencjalnego czarnego charaktera do sequela? Zobaczymy…

Sztuczna macica, w postaci zbiornika, w którym dorasta awatar, jest powoli w opracowywaniu, i leży w granicy możliwości techniki. Np. zespół australijskich naukowców pracuje nad sztucznym łonem, w celu odnowy populacji jednego z gatunków rekina, a pani Hung-Ching Liu prowadzi badania nad sztucznymi macicami u myszy.

Psychotronika

Na filmie operatorzy awatarów łączą się z nimi poprzez skomplikowane urządzenia, z wyglądu przypominające tomografy komputerowe, które to z jednej strony odczytują z mózgu operatora komendy dotyczące ruchu, a w drugą stronę przekazują operatorowi wrażenia zmysłowe z awatara.

Sterowanie maszynami przy pomocy umysłu jest niezwykle frapującą ideę, która od kilkudziesięciu lat jest tematem poważnych badań, których efektem może być np. pomoc osobom niepełnosprawnym, sparaaliżowanym itp. poprzez stworzenie nowych protez czy metod komunikacji z komputerem.

Nasz układ nerwowy działa na zasadzie przekazywania impulsów elektrycznych, które łatwo można odczytać, jeżeli wepniemy się bezpośrednio do nerwów. Mniej inwazyjnym sposobem może być odczytywanie fal mózgowych, które są wypadkową aktywności naszego mózgu. Niedawno udało się nawet przekazać bioprądy na odległość:

Ludzki mózg emituje fale elektromagnetyczne o bardzo niskiej częstości. W zależności od długości fal zostały one nazwane kolejnymi literami alfabetu greckiego: alfa, beta, gamma theta i delta. Fale mózgowe zarejestrowano i poddawano badaniom już w latach 30tych zeszłego wieku.

Niestety, bez bezpośredniego odpięcia się do nerwów nie da się jednoznacznie i bezproblemowo odczytać sygnałów elektrycznych biegnących nimi. jest w praktyce niemożliwe, albo w najlepszym razie bardzo utrudnione. Próby odczytania takich impulsów poprzez analizę fal mózgowych (elektro-encefalografia – EEG) przypominają trochę badanie mikroprocesora woltomierzem.

Niedawno udało się naukowcom "wymacać" fale mózgowe odpowiedzialne za funkcje motoryczne naszego ciała. Tak więc mamy istotne podstawy do wysyłania sygnału do awatara, bez potrzeby dokonywania ryzykownych zabiegów chirurgicznych na mózgu.

Mimo licznych eksperymentów nie udało się z całą pewnością potwierdzić istnienia telepatii, nie mówiąc o tym, że ten obszar badań został zawłaszczony przez pseudonaukę.

Jednak stworzenie środków technicznych umożliwiających stworzenie czegoś będącego odpowiednikiem "naturalnej" telepatii jest jak najbardziej możliwe, np. poprzez pobieranie impulsów nerwowych i ich transmisję na odległość.

Można założyć że łączność między operatorem a awatarem odbywa się w sposób odbiegający od znanych metod przekazywania informacji. Być może w grę wchodzi tu tzw. splątanie kwantowe lub teleportacja kwantowa cząstek. Nie wdając się w zawiłości mechaniki kwantowej (kto chce, może sobie poczytać wykład Ryszarda Tanasia z Uniwersytetu im. Adama Mickiewicza na ten temat), cała rzecz polega na tym, że można przekazywać na odległość stany kwantowe atomów (np. spin, czyli kręt cząstki) co ma zastosowanie w raczkującej informatyce kwantowej. Są teorie mówiące o tym, że nasze mózgi są komputerami kwantowymi, ale jest sporo uzasadnionych wątpliwości co do prawdziwości tych teorii.

Unobtanium

Na Pandorze ludzie wydobywają metodą odkrywkową minerał zwany Unobtanium, który kosztuje "20 milionów za kilogram", i który wydaje się być czymś magicznym, lewitując w powietrzu na biurku administratora kolonii.

Sama nazwa to, według przyjętej powszechnie na wpół-żartobliwej definicji, "materiał, minerał pierwiastek itp. będący absolutnie nieosiągalnym, ale jednocześnie bardzo potrzebnym do danego celu".

Ten minerał to nadprzewodnik. Najprostsza definicja nadprzewodnictwa mówi że jest to efekt polegający na zaniku oporności przewodnika oraz na zaniku indukcji magnetycznej wewnątrz przewodnika. Efekt ten jest obserwowany po obniżeniu temperatury do tzw. temperatury krytycznej – charakterystycznej dla danego przewodnika.

Unobtanium jest rewelacyjnym materiałem, który wykazuje nadprzewodnictwo w temperaturze pokojowej. Znane współcześnie nadprzewodniki wykazują swoje właściwości w temperaturach poniżej stu stopni poniżej zera w skali Celsjusza.

Trzeba pogratulować Cameronowi zdrowego rozsądku i pomysłu; nikogo by nie przekonało inwestowania olbrzymich pieniędzy i energii po to aby wydobywać np. krzem czy tytan w innym układzie gwiezdnym… 

Brak oporności oznacza brak strat w przekazywaniu prądu. W  zamkniętej cewce  z nadprzewodnika prąd może  płynąć bez końca, generując silne pole magnetyczne. Można wyobrazić sobie linie przesyłowe w których nie zachodzi marnowanie energii podczas jej przekazywania na duże odległości. Już teraz stosuje się potężne  elektromagnesy nadprzewodzące do otrzymywania bardzo silnych pól magnetycznych (korzysta się z tego w CERNie do kierowania wiązkami cząstek w akceleratorach). Takie elektromagnesy można wykorzystać np. do konstrukcji kolei magnetycznej (np. niemieckiego pociągu magnetycznego Transrapid) zwanej z angielska "maglevem" (magnetic levitation):

Mechanizm tego zjawiska da się wyjaśnić na podstawie fizyki kwantowej, ale wciąż wiele rzeczy jest niejasnych dla fizyków (por. Tadeusz Domański , "Nadprzewodniki: nowe fakty i teorie", "Postępy Fizyku, nr. 3/2006").

Większość metali wykazuje nadprzewodnictwo w temperaturach bliskich zeru absolutnemu (np. w temperaturze wrzącego helu). Z biegiem czasu zaczęto odkrywać związki chemiczne, których nadprzewodnictwo objawiało się w coraz to wyższych temperaturach. Prawdziwą rewelacją było odkrycie w 1986 roku nadprzewodników wysokotemperaturowych, tj. takich, których temperatura krytyczna jest wyższa niż 100K (skala temperatury Kelwina różni się tym od skali Celsjusza, że punkt zero na jej skali jest zerem absolutnym, ok. -275ºC). Za to odkrycie panowie Karl Müller i Johannes Bednorz z laboratorium firmy IBM dostali Nagrodę Nobla z fizyki w 1987 roku.

Zaawansowane nadprzewodniki są ciałami o skomplikowanej budowie chemicznej, np. nadprzewodnik którego temperatura krytyczna wynosi 135K ma wzór chemiczny HgBa₂Ca₂Cu₃O₈.

Nadprzewodniki, dzięki efektowi Meissnera, odpychają pole magnetyczne stając się idealnymi diamagnetykami. Różne pokazy tego zjawiska, w których magnesy nad nadprzewodnikami lub same nadprzewodniki nad magnesami "lewitują" do złudzenia przypominają gadżet na biurku Selfridge’a:

Przykładowe eksperymenty z użyciem nadprzewodnika, w wykonaniu studentów Politechniki Warszawskiej, można zobaczyć tutaj:

http://www.knf.pw.edu.pl/~mziolek/witryna/uczelnia/labfiz2/nadprzewodnictwosprawozdanie.doc

Co ciekawe, obecność Unobtanium na Pandorze jest jednym z powodów, dla których może istnieć na niej życie. Gazowe giganty, jak Polifem,  wysyłają olbrzymie ilości szkodliwego promieniowania. Tymczasem nadprzewodnik tworzy własne pole magnetyczne, osłaniając księżyc przed szkodliwym promieniowaniem.

Egzoszkielety

Na filmie ludzie, w szczególności pułkownik Quatrich używają człekokształtnych maszyn z kabiną dla pilota, które naśladują hydraulicznymi nogami i rękoma jego ruchy ciała, zapewniając przy tym ochronę przed środowiskiem zewnętrznym. Poruszają się przy tym niewiele szybciej od człowieka i pozwalają pilotowi używać nadludzkiej siły np. do dźwigania ciężkiego działka czy mocowania się z potężnymi drapieżnikami.

Takie urządzenia to dyżurne akcesorium science-fiction. Pierwszy raz na szeroką skalę wprowadził je Robert A. Heinlein w 1957 roku w powieści "Kawaleria Kosmosu" gdzie Lotna Piechota ludzi używała wspomaganych zbroi wraz z silniczkami rakietowymi do walki z rasą inteligentnych owadów. Zasadniczo można wyróżnić dwie odmiany tego pomysłu: pierwszą są właśnie wspomagane zbroje w miarę ściśle przylegające do ciała użytkownika, a drugim są, mniejsze lub większe, humanoidalne, pilotowane przez człowieka roboty.

Od lewej: egzoszkielet z "Bubblegum Crisis", japońskiej ekranizacji "Żołnierzy Kosmosu" i serialu "VOTOMS".

Japończycy na punckie egzoszkieletów dostali prawdziwego szału, w tamtejszych filmach animowanych i komiksach od wielu lat przewijają się "mechy" (jak są tam zwane tego typu maszyny) we wsztstkich możliwych wariantach i sytuacjach.

Pierwszą próbą stworzenia takiego urządzenia był nieudany "Hardimen" firmy General Electric z lat 60-tych:

http://davidszondy.com/future/robot/hardiman.htm

Ten wspomagany egzoszkielet miał w założeniu służyć zwielokrotnieniu ludzkiej siły, co można by wykorzystać do np. przenoszenia ciężkich ładunków, pracy w elektrowniach atomowych itp.

Jego pełne uruchomienie powodowało coś, coś ujęto jako "tanieć świętego Wita", dlatego więc ze względów bezpieczeństwa poprzestano na skonstruowaniu działających szczypiec obsługiwanych ręką operatora.

Poza tym poważną wadą tego sprzętu była jego pokaźna masa, rzędu 1000 funtów i konieczność zewnętrznego zasilania.

Postęp w dziedzinie robotyki i automatyki spowodował jednak, że w ostatnich latach zainteresowanie egzoszkieletami i podobnymi konstrukcjami jest coraz większe. Wzrost mocy obliczeniowej komputerów powoduje, że systemy wbudowane sterujące robotami są w stanie lepiej koordynować ruchy,  uzwględnić bezwładność, czy specyficzne ruchy ciała człowieka.

O to dwunożny "fotel" chodzący, stworzony przez Koreańczyków, nazwany "Hubo FX-1":

Japończycy skonstruowali zestaw siłowników sterowanych ruchami ciała użytkownika, który zwielokrotnia jego siłę wielokrotnie. To urządzenie, zwane HAL-5, planowane do masowej produkcji przy firmę Cyberdyne Inc. jest pomyślane jako wspomaganie dla osób starszych i niepełnosprawnych ruchowo:

Jako ciekawostkę zwracam uwagę, że w innym koreańskim modelu (stworzonym w Koreańskim Instytucie Nauki i Techniki w Seulu) zastosowano rękawice przenoszące ruchy rąk operatora na ruch manipulatorów robota, które do złudzenia przypominają urządzenia noszone na rękach przez pilotów robotów na filmie:

Rzecz jasna całą sprawą od lat zainteresowane jest wojsko, jako sposobu na zwiększenie siły i opancerzenia dla piechoty. Wspomniana wcześniej agencja DARPA bada możliwość skonstruowania egzoszkieletu jako wspomagania dla żołnierzy amerykańskich.

Póki co największym problemem jest zasilanie tego typu układów. Rozsądnym rozwiązaniem wydają się ogniwa paliwowe, przetwarzające ciekłe paliwo wprost na prąd elektryczny poprzez odwrócenie elektrolizy. Tradycyjne siłowniki hydrauliczne, pneumatyczne czy elektryczne ogą być niewystarczające do konstrukcji takiego urządzenia. Przełomem może być opracowanie sztucznych mięśni, z substancji kurczących się i rozciągających pod wpływem prądu elektrycznego.

No i na zakończenie dwa krótkie filmiki:

http://www.youtube.com/watch?v=-w_YV_37ZEY

http://www.youtube.com/watch?v=WkrqjLOpbfg

Latające góry

Latające góry są znakiem firmowym "Avatara".  Wygląda to niesamowicie, gdyż przeczy wszystkiemu co znamy na co dzień z naszego szarego życia.

Góry te zawierają duże ilości Unobtanium, co w połączeniu z efektem Meissnera i silnym polem magnetycznym powoduje że unoszą się one w powietrzu.

Niestety, jeden z astrofizyków poproszonych przez Camerona o konsultacje, sprowadził nas na ziemię: "Aby to by było możliwe, to pole  magnetyczne by musiało by być tak silne, że by wyrywało hemoglobinę ze krwi".

A szkoda…

Biosieć

Najbardziej fascynującym pomysłem zawartym na filmie jest fakt, iż biosfera Pandory, a więc rośliny i zwierzęta, jest połączona w jedną całość, przypominającą gigantyczną sieć komputerową. Ten cały skomplikowany system posiada samoświadomość, i jest czczony przez Na’vich (którzy mogą się kontaktować z nim poprzez "warkocze" zawierające połączenia nerwowe) jako Eyva, Bogini Matka. Ta okoliczność, podobnie jak możliwość łączenia się z zwierzętami wykorzystywanymi jako wierzchowce, wyjaśnia dlaczego Na’vi nie wykształcili cywilizacji naukowo-technicznej, i czemu traktują każdą roślinę czy zwierze jak świętość.

Ciężko jest powiedzieć, o ile w ogóle, jakie to okoliczności ewolucyjnego rozwoju gatunków mogły by doprowadzić do powstania tego systemu. Faktem jest, że osiągnąłby on stan niemalże idealnej równowagi.

Niedawno odkryto, że pewne gatunki bakterii żyjące na morskim dnie, mogą przekazywać między sobą impulsy elektryczne.

Strzały kontra helikoptery

Początkowo byłem sceptyczny co do tego, czy ukazana na filmie scena, w której Na’vi strzałami przebijają kabiny helikopterów jest realna. Ale po wykonaniu kilku prostych obliczeń doszedłem do wniosku, że jest to całkiem możliwe.

Załóżmy, że jeśli strzała ma masę ~0,250 kg (gęstość drewna: 700 kg/m³, długość strzał: ~2m, średnica: 1,5cm) to jej objętość wynosi:

stąd jej masa wyniesie 0,245kg:

Wtedy jej energia kinetyczna dla prędkości 91 m/sek. wynosi 1014 Dżuli:

Dla porównania pociski z AK-47 mają ok. 2000 Dżuli energii kinetycznej (przy masie 8 gram).

Założyłem, że strzały mają prędkość 90 m/s (300 ft/sek), gdyż tyle wynosi prędkość strzały z nowoczesnego długiego łuku. Jeżeli będzie większa, to sami sobie policzcie co z tego by było. Naprawdę ciężko jest określić, jakie możliwości mają łuki na filmie, dlatego proszę to traktować jako pewne przybliżenie.

Warto pamiętać, że wyposażenie strzały w grot z kamienia itp. spowoduje wzrost jej masy, i co za tym idzie istotnie wzmocni jej energię kinetyczną. Poza tym, nie wyposaża się helikopterów w kuloodporne szyby, gdyż są one ciężkie i wrażliwe na drgania.

Dane donośnie strzał itp. wziąłem z tąd:
http://www.hosta.pl/drewno.html
http://www.huntersfriend.com/2007-Carbon-Arrows/arrow-selection-guide5.htm
http://en.wikipedia.org/wiki/7.62x39mm

I to by było na razie tyle.