О нанотехнологиях и фемтомире

     — ...здесь, наверное, нет никого, кто не слышал бы о так называемых нанотехнологиях и прочих словечках с новомодной приставкой «нано». С математической точки зрения она означает уменьшение в миллиард раз. Если говорить о размерах в привычных единицах, миллиметр — одна тысячная, микрометр, он же микрон, — одна миллионная, нанометр — одна миллиардная часть метра.
     Ещё век назад наука ограничивалась изучением микромира — объектов как живой, так и неживой природы, структуру которых можно было рассмотреть, увеличив их изображение в десятки и сотни тысяч раз. Во всяком случае, размеры простейших органических образований типа вирусов, крупных органических и неорганических молекул попадают в этот диапазон. Ну а потом настал черёд более мелких единиц — так и докатились до нанометров. Для изучения строения атома пришлось оперировать даже меньшими размерными величинами, так в научный обиход вошёл ангстрем — одна десятимиллиардная часть метра, то есть одна десятая нанометра. По оценкам учёных, это приблизительно соответствует диаметру орбиты электрона в атоме водорода. Примерно того же порядка расстояние между атомами в большинстве кристаллов.
     Однако если в отношении размеров с приставкой «нано» всё более-менее ясно, во многих других случаях её использование выглядит откровенно притянутым за уши. Есть основания полагать, что мы даже знаем, чьи это уши — это уши бизнеса. Для подготовки почвы к массовому распространению новейших разработок в оборот запускаются различные наукообразные термины, и будущий потребитель уже готов отреагировать кошельком на внедрённое в его сознание кодовое слово «нано».
     Впрочем, «бизнесу — бизнесово», а вот относительно дальнейшего продвижения вниз по лестнице уменьшения размеров изучаемых объектов можно немного пофантазировать. Но для начала прогуляемся в противоположном направлении — вверх по этой лестнице, где размерной единицей служит метр.
     Для измерения расстояний давным-давно введена и повсеместно используется величина, кратная тысяче метров — километр. Исторически сложилось, что последующие увеличения в тысячу раз не привели к возникновению новых единиц. До определённого предела, о котором далее, размеры и расстояния так и измеряются в километрах. При этом тысячам километров соответствуют объекты планетарного масштаба, а миллионам километров — расстояния до ближайших планет. Миллиард километров (десять в двенадцатой степени метров) охватывает уже практически всю Солнечную систему. В сравнении с её размерами мы сами и окружающие нас объекты даже не пылинка, а нечто вроде ядра простейшего атома. Что же говорить при дальнейшем тысячекратном увеличении масштаба, когда речь пойдёт о десяти в пятнадцатой степени метров! Тут уже приходит пора попрощаться со старыми добрыми километрами, им на смену приходят световые года и парсеки.
     Световой год — это без малого девять с половиной триллионов километров или десять в шестнадцатой степени метров. Такими единицами оперируют при описании объектов и расстояний галактических размеров и ещё более грандиозных — вплоть до края наблюдаемой части Вселенной. Наиболее удалённые объекты, обнаруженные к настоящему времени, находятся от нас на удалении в десятки в двадцать шестой степени метров. Сравните: в противоположном направлении нашей размерной лестницы мы пока смогли продвинуться лишь до ангстрема — десяти в минус десятой степени!..
     Вернёмся к началу — упомянутым нанотехнологиям. Как нетрудно догадаться, своё название они получили от нанометра. Именно такие единицы измерения стали востребованы в новейших производственных процессах. В первую очередь это касается изготовления основных электронных компонентов, которые используются во множестве вычислительных и бытовых устройствах, прочно вошедших в нашу жизнь. Почему нанометры, тоже не составляет тайны: «рабочим телом», если так можно выразиться, в современной элементной базе являются не электроны, а световые фотоны. Видимый же нами свет — это электромагнитные колебания нанометрового диапазона (примерно от 380 до 760 нм).
     Однако здесь необходимо сделать существенную оговорку. При упоминании нанометров по умолчанию предполагается такой параметр, как длина волны, что применительно к фотонам некорректно. Исторически сложилось, что при рассмотрении колебаний чаще используется длина волны, а не частота. Эти параметры связаны между собой через скорость распространения волны. Скорость распространения электромагнитных колебаний известна, отсюда простым пересчётом и появились эти «виртуальные» длины волн. Они прочно вошли в обиход, потеснив частоты, однако есть надежда, что справедливость будет восстановлена. Во всяком случае, повсеместное распространение FM-радиостанций привело к указанию именно несущей частоты вещания, а не пресловутой длины волны.
     Итак, нанометр — это десять в минус девятой степени, одна миллиардная часть метра. Микромир, населённый бактериями и вирусами, мы хоть кое-как смогли рассмотреть в микроскоп с сильнейшим увеличением, а наномир даже трудно представить в виде материальных объектов. Он соответствует уже не атомам, а составляющим их «элементарным частицам». Те, в свою очередь, далеко не столь элементарны, как когда-то представлялось. А это означает только одно: неизбежность формирования модели, состоящей из объектов размером порядка десять в минус двенадцатой метра (пикометра), а затем и десять в минус пятнадцатой (фемтометра). Если, конечно, тогда вообще сохранится смысл говорить о геометрии и размерах в привычном понимании. Пока лишь можно отметить, что размеры протона оцениваются как раз величиной порядка десять в минус пятнадцатой метра, а так называемые «точечные частицы» типа электрона — и вовсе десять в минус восемнадцатой метра.
     Чтобы лучше представлять порядок этих величин, можно ещё раз сопоставить атомы с привычным нашему глазу макромиром. Напомню: в сравнении с ним размеры атомов настолько же малы, насколько мир, где мы обитаем, мал в сравнении с размерами Солнечной системы.
     Кстати, раз уж мы заговорили о таких приставках, как «нано», «пико» и «фемто», будет нелишним напомнить, что они используются не только для обозначения размеров. Многие процессы в ядерных реакциях настолько быстротечны, что требуют для описания соответствующих единиц времени, например, фемтосекунд, то есть десять в минус пятнадцатой степени секунды. В то же время космические и планетарные процессы охватывают промежутки в миллионы и даже миллиарды лет. Возраст Вселенной в настоящее время оценивается примерно в четырнадцать с половиной миллиардов лет — это величина порядка десяти в шестнадцатой – десяти в семнадцатой степени секунд.
     При этом надо помнить, что секунда, как и год, как и метр — единицы искусственные, придуманные человеком для удобства хозяйственной деятельности и познания мира. Однако в данном случае наша задача не столько измерение, сколько определение соотношений между различными объектами и процессами во Вселенной, а для этого вполне достаточно сравнить порядки величин.
     Способно ли будет человечество заглянуть в таинственный «фемтомир», сейчас гадать ни к чему. Так же любые попытки представить, какие объекты и каким образом будут там изучаться, пока лишь поле для игры воображения. Быть может, именно там будут найдены отличия живой природы от неживой и объяснение существования разума или разного рода мистики...
     Не исключено, что научно-технический прогресс позволит продвинуться в изучении таких объектов в не слишком отдалённом будущем. Вспомним, какую эволюцию менее чем за век претерпели представления о строении атома. Оказалось, что атом, считавшийся первокирпичиком материи, включает протоны, нейтроны, электроны, а составляющие его ядро частицы сами могут быть разложены на более мелкие — кварки. Причём кварки обладают дробным электрическим зарядом, что с позиций классической физики вообще ни в какие ворота не лезет. Но и этого мало! В физический лексикон внедрилось ещё более элементарное понятие — преоны. Высказываются идеи, касающиеся и фотонов: в частности, некоторые исследователи пытаются оценить их размер и выдвигают предположение, что они имеют тороидальную форму.
     Смущает, однако, одно обстоятельство: достижения в ядерной физике уже много десятилетий достигаются при помощи установок, принцип работы которых заключается в столкновении потоков частиц со всё возрастающей энергией. В дальнейшем проводится анализ «обломков», возникших в ходе таких столкновений. В результате накопилась уйма экспериментального материала, который стараются объяснить всё более сложными теоретическими построениями. Это напоминает поведение детей, пытающихся понять устройство игрушки, бросая её со всей силы о стену или с большой высоты. Даже если она разлетится на отдельные детали, сможет ли детский ум понять, как эта игрушка собрана, какая деталь где стоит и для чего предназначена? Как и из чего она сделана? И вообще, где отдельная целая деталь, а где лишь обломок? С учётом огромного количества открытых «частиц» вопрос не столь очевидный.
     Ситуация может оказаться сродни той, как если с высоты ронять на каменный пол одинаковые вазы: все они разобьются вдребезги, но осколки будут разными! А потом каждый осколок из этой кучи будет принят за самостоятельный элемент. При этом и структура, и молекулярный состав осколков одинаковы, но чтобы сделать такое открытие, понадобится ещё на несколько ступеней спуститься по нашей размерной лестнице. Окажется ли такая задача по силам учёным и инженерам, покажет будущее, а пока остаётся лишь философствовать и фантазировать.
     Например, можно пофантазировать на тему мозговой деятельности вообще и разума в частности, ведь до сей поры никто так и не определил, что он собой представляет с физической стороны.
     Другая фантазия относится к любимым эзотериками «тонким полям». Исходим из того, что любое взаимодействие должно передаваться благодаря какому-то носителю. В наших современных представлениях о мироустройстве присутствуют два таких носителя: вещество и поле. При этом, если докапываться до глубинных причин и связей, взаимодействия на макроуровне (на уровне вещества) вызваны магнитными, электрическими, гравитационными и прочими полями молекул и атомов, из которых состоит вещество. Почему бы не предположить, что упомянутые «тонкие поля» относятся как раз к пико- и фемто-диапазонам (с условной «длиной волны» в пико- и фемтометрах)? Продолжая фантазировать, можно высказать предположение, что их способны генерировать лишь большие органические молекулы типа белковых. А отсюда один шаг до версии появления разума: он мог возникнуть вследствие достижения этими полями определённых количественных характеристик. Как сказали бы философы, имеем очередное проявление закона перехода количественных изменений в качественные.
     Однако не стоит обольщаться раньше времени. Идея, что мир состоит из неделимых частиц — атомов, появилась ещё в эпоху античности, а до открытия атомов прошли многие века. Высказанные здесь и любые другие фантазии на тему фемтомира может постигнуть та же участь...
    
    
     V.2020...IX.2021...VII.2022