Краткий обзор того, что дала человечеству физика
Я писал в тексте «Поговорим о капитализме» - «С моей точки зрения именно развитие наук, технологий и производств, перенимаемых и не теряемых со временем всеми народами, создавало всё более прочную материальную и экономическую базу образования всех государств и цивилизаций в истории». На этой основе они формировались, развивались и стали прообразами современных. Так что, сколько бы в истории и до дня сегодняшнего ни менялись общественные или политические системы, многократно упраздняя и заменяя одна другую, не исчезали бы целые государства и народы, но результаты науки лишь аккумулировались и достижения технологий лишь развивались. И дополняя друг друга, в итоге создали материальную базу и картину окружающего нас сегодня мира. От изобретения колеса до космического телескопа Уэбба - ничего не пропало!
Как обычно, начну с определения. Точная наука, это область деятельности творческого разума человека, целью которой было, есть и будет познание доселе неизвестного устройства окружающего нас материального мира. Мир этот воистину неисчерпаем для его познания. А потому так велико число областей, куда направляются интересы учёных. Этот текст не исторический очерк развития науки. Я затрону лишь некоторые и немногие из тех направлений науки физики, которые появились и развивались с начала индустриальной эпохи по настоящее время. Сама индустриальная эпоха началась с использования силы пара для создания движения различных механизмов, мощность которых была неизмеримо больше развиваемой человеком вручную. Это была первая научно-техническая революция во второй половине 18 века. К этому времени уже были написаны уравнения механики великого Ньютона, получены знания о паре, давлении, вакууме, практические умения в области механики и обработки металлов, позволившие Джеймсу Уатту создать эффективную паровую машину универсального применения. Появились паровозы, пароходы, силовой привод для множества производств от текстильного до металлообработки всех видов. Мало того, его центробежный регулятор подачи пара, стал первым автоматическим регулятором с обратной связью в истории, прообразом всех сегодняшних систем управления, немыслимых без использования обратной связи датчика процесса с исполнительным устройством. Вторая индустриальная революция, продолжаясь непрерывно с конца 19 века, позволила создать всё то, что практически окружало нас до конца 20 века. Самым грандиозным её началом было, конечно, создание науки об электричестве и электромагнетизме - уравнения Фарадея и Максвелла лежат в основе этой науки. Мало того, это электродинамика Максвелла породила телефон, радио и силовую электроэнергетику. Разработки физических теорий по необходимости вызвали и бурное развитие математики. Назову Ньютона и Лейбница, создавших дифференциальное и интегральное исчисление и создателей теории вероятностей и математической статистики - Бернулли, Гаусса и Пуассона. Отдельно необходимо упомянуть Анри Пуанкаре, одного из создателей математической физики и считающегося одним из 10 величайших математиков всех времён и народов. 1911 год, год создания Резерфордом планетарной модели атома, считается годом появления ядерной физики. Её разнообразные достижения хорошо известны. Особенно ядерное оружие, атомные электростанции, рентген, лучевая терапия и даже МРТ. Простите, но я не упоминаю замечательные достижения в развитии химии и биологии – это не области моих интересов.
Я перечислил главные, хотя далеко не все, последствия физических научных открытий, воплотившиеся в современные технику и технологии. Несмотря на непрекращающийся процесс вручения Нобелевских премий, надо сказать, что фундаментальных теоретических открытий в области физики, из которых произросли бы принципиально новые технологии, уже не было так лет 50 если не больше. Техника и новые технологии, тем не менее, непрерывно и успешно развиваются – за счёт деятельности учёных в области экспериментальной и прикладной физики. Сама по себе теоретическая физика это занятие для узкого круга учёных. Только те выводы из их теорий, что получили экспериментальное подтверждение, становятся основой для внедрения в жизнь. Однако никогда заранее неизвестно, какая теоретическая разработка принесёт свои плоды, потому развивать и поддерживать надо всю науку целиком. Интересно, что многие теоретические описания родились из необходимости объяснить экспериментальные явления, установленные любопытствующими учёными-экспериментаторами. И одни открытия рождали другие, более глубокие и разветвлённые.
Ядерная физика зародила ядерную эру, долго оставаясь вдалеке от общественного интереса. Он проснулся, когда создали ядерное оружие и применили его в 1945 году против живых и притом мирных японцев. Так всегда происходит с научными открытиями и изобретениями. Первым делом на их основе создаётся оружие. Если оружие оказывается эффективным, тут тебе будут и деньги, и уважение, и удобное и оснащённое помещение для работы. Не то прежнее жалкое существование в тиши убогих лабораторий. Вот один очень древний пример. Ассирийские умельцы научились производить и обрабатывать железо. Первым делом из него было сделано множество мечей и копей, положивших конец бронзовой эпохе выяснения отношений. А потом завоёвана почти вся территория Малой Азии и Ближнего Востока. Второй наглядный пример навскидку – танки, которые вышли на поля раньше сельхозтракторов и самолёты, которые прежде чем стать пассажирскими стали боевыми. Третий пример он самый ужасный. Человек разрабатывал ядохимикаты, а в итоге получился газ Циклон Б. Им в концлагерях отравили миллионы. Ну а ядерная наука с задержкой в 11 лет в 1956 году принесла свои извинения – в Обнинске заработала первая в мире ядерная электростанция. Есть много применений искусственных радиоактивных изотопов для разных целей. Мне лично хорошо знаком товарищ Америций – 241, чьё излучение я регистрировал с целью измерений. Сегодня особую любовь к ядерной физике проявляют страны, непременно желающие на всякий случай обзавестись собственной атомной бомбой. Технология же ядерного синтеза пока влачится в тумане неоконченных и неудачных попыток управлять этим процессом. Если этим не заморачиваться, то с неуправляемым синтезом давно полный порядок. Термоядерное оружие испытано и только ждёт своего часа. И это вам не жалкие атомные бомбочки. Это оружие конца света. Есть шутка – сколько ни отправляли в концерн Калашникова техдокументацию для производства швейных машинок, с конвейера продолжали сходить прекрасные автоматы. Можно ещё рассказать об ядерных ускорителях, но это отдельная большая тема.
Космическая эра, начавшаяся в 1957 году с запуска первого спутника Земли, опиралась на до этого полученные научные знания из области астрономии, науке о реактивном движении, радиосвязи, аэродинамике летательных аппаратов, и множестве талантливых инженерных решений. Её начало, как и ядерной эры, было предрешено поступательным характером науки. Так что читатель уже не удивится тому, что первые ракеты, как теперь принято говорить «среднего радиуса действия», были созданы фон Брауном не для покорения Космоса, а для бомбардировок Лондона. Да и теперь ракеты для полёта на Луну и баллистические ракеты с ядерными боеголовками прекрасно сосуществуют в мировой практике. Тоскливо это, не правда ли?
Далее поговорим ещё об одной совсем новой эре.
Мы сегодня живём в «эру компьютеров», начавшейся в 70-х годах 20-го столетия. В 1977 году появились электронные компьютеры со встроенным программным обеспечением, что обеспечило возможность их массового потребления. Просто необходимо упомянуть события, без которых бы эта эра не наступила. Так вот - ещё в 1830-е годы британский математик Чарльз Бэббидж заложил идею программируемого компьютера, а в 1840-е годы его соратница Ада Лавлейс написала первую в мире программу (алгоритм) для его машины и по праву считается первым программистом. Ай да Ада! Но лишь спустя 100 лет немецкий инженер Конрад Цузе в 1941 год воплотил идею в реальность и создал первый в мире действительно работающий электромеханический программируемый компьютер, использовавший двоичную систему счисления. Ясно, что развитие точной электромеханики на 100 лет отстало от появления идеи компьютера. Интересно, что саму идею двоичной системы счисления предложил ещё Лейбниц, а математик Джордж Буль в 1847 году создал алгебру двоичной логики. Я когда-то 120 лет спустя учился по его книге «Алгебра Логики». Каждый и любой компьютер, включая и тот что в телефоне, работает используя именно Булеву алгебру. Все «фокусы», на которые способен компьютер и телефон, обеспечиваются операциями только с двумя числами – 0 и 1. Правда, это нелегко себе представить? Ну а уж Клод Шеннон в 1947 году доказал, что с помощью реле и переключателей можно решить любую задачу символьной логики. Это открытие превратило булеву алгебру в главный инструмент проектирования цифровых схем. Но это ещё было далеко не достаточно для начала компьютерной эры. Компьютеры стали массовыми только благодаря использованию полупроводниковых транзисторных триггеров. Это те самые физические элементы, обеспечивающие два устойчивых «Булевых» состояния – 0 и 1. А теперь по порядку. Полупроводниковый транзистор создали американские физики Джон Бардин, Уолтер Браттейн и Уильям Шокли в 1947 году, за что в 1956 году и получили Нобелевскую премию по физике. И не зря. Это стало началом развития сразу всей современной микроэлектроники! Ну а уж сам триггер - схему с двумя устойчивыми состояниями на тогда ещё электронных лампах изобрели физики Уильям Экклз и Фрэнк Джордан ещё в 1918 году. Как видим, в готовом виде с неба ничего в науке не падает. Теория проверяется в экспериментах, успешные эксперименты кладут начало разработок техники и технологии производства. А мы с вами платим денежки и покупаем готовый продукт. Такие дела.
Говоря о развитии микроэлектроники, следует отметить тот факт, что ранее принятому экспоненциальному увеличению плотности логических элементов в чипах уже практически пришёл конец. И предел всем этим «излишествам» положила сама матушка Природа. Дело тут даже не в конечных возможностях литографии элементов чипа даже с помощью жёсткого ультрафиолетового излучения. Каждый логический элемент и триггер должен сохранять своё состояние 0 или 1. А для этого должен сохраняться заряд на выходе каждого транзистора или просто логического элемента (или, не, и). Изменись 1 на 0 на одном транзисторе – и это, как правило, катастрофический сбой всей программы. И тут выяснилось, что при размерах элемента в 2-3 нанометра, заряд этот настолько ничтожен, что может быть изменён одной из множества помех в виде случайных электромагнитных импульсов в атмосфере, квантов космического излучения, малейшего колебания питающего напряжения или тепла, квантового или туннельного эффекта перехода зарядов или утечек. При толщине изолирующих дорожек между транзисторами в 2-3 нанометра электроны начинают их преодолевать, как туннель, создавая утечку заряда. Вот он и предел. Нужны громадные и дорогостоящие средства защиты – особенно в космосе. Также используется трёхкратное резервирование каждого состояния. А это какие денежки! Поэтому, например, в системах связи «Старлинк» используются более дешёвые, с большими размерами элементов (14-16 нм) чипы, которые гораздо дешевле и не требуют столь изощрённой защиты от помех. Так что гонка миниатюризации закончилась, а инженеры вернулись к рациональному подходу. Уникальные чипы будут производиться только для уникальных по возможностям компьютеров и не более того. Стоимость и надёжность определят и область применения сверхминиатюрных чипов. Сегодня происходят лихорадочные поиски новых физических эффектов, способных «петь старые песни», но пока в волнах ничего не видно. Писателей на эти темы много, а результатов нет как нет.
Было бы несправедливо не упомянуть «третьего кита» компьютерной эры – средств отображения информации, создаваемой компьютером. Кому нужна нескончаемая цепь нулей и единиц на выходе компьютера? Её преобразуют специальные программы. Всё, от символов, букв и до видеоряда мы видим на экране, который стал заметно отличаться от экрана первого чёрно-белого телевизора. Большинство современных моделей используют жидкокристаллическую панель с активной матрицей на тонкопленочных транзисторах и цветные фильтры. Используется подсветка светодиодами. Ну а всю работу за кадром выполняет плата управления - главный мозг монитора. Она принимает цифровой сигнал от компьютера (через порты HDMI или USB-C), обрабатывает его, масштабирует под разрешение экрана и управляет каждым пикселем на экране. Сигнал от компьютера может быть и аналоговым. Не беда – на плате есть и аналого-цифровой преобразователь. Звук создаётся синхронно с картинкой и воспроизводится на спикерах. Если что-то записывается, на экран выводится контроль параметров звукозаписи. Суммируя можно сказать, что компьютер с дисплеем напрочь вытеснил телевизор.
С появлением Интернета телевидение служит исключительно как средство демонстрации политической возни и коммерческой рекламы. Но этого вполне хватает и в Интернете. Я отказался от телевизора примерно 20 лет тому назад и по нему не скучаю. Интернет – что это, как он работает? Старая история о том, как Эдисон сидел в ресторане с банкиром и уговаривал его вложить деньги в свою компанию. Жена банкира вдруг спросила – мистер Эдисон! А как оно работает, это ваше электричество? Её муж ей и говорит – ну что за вопрос, дорогая? Ты просто нажимаешь на выключатель – и оно работает! Так большинство людей и воспринимает Интернет. На самом деле Интернет это невидимая сеть вокруг всего земного шара, главной задачей которой соединять абонентов. Ну как это делает телефонная сеть. Сегодня, правда, сигналы на большие расстояния передаются с помощью силиконовых кабелей на земле и в воде и спутниковой связи. Связь абонентов Интернета осуществляют серверы пяти основных видов служб - функциональное подобие автоматических телефонных станций. Но функции их сложнее и управляются они с гигантскими потоками информации, что немыслимо без помощи компьютеров. Параметры компьютерных компонентов серверов и их характеристики не сравнимы с домашними. Да и стоят они в 20 раз дороже. Все детали можно найти в Интернете. Здесь важно отметить, что каждый компьютер имеет свой индивидуальный IP - адрес в соответствии с интернет протоколом. Кому бы вы ни хотели отправить сообщение, первым на сервер попадают ваш адрес и адрес вашего абонента, которому вы отправляете письмо. Он устанавливается по имени адресата в вашей почте. Например, вася@gmail.com. И отправляется текст с картинками или видео. Если вы хотите выйти на какой-либо сайт, вы нажимаете на икону с названием этого сайта или набираете его вручную в поисковике Google. Остальное делают для вас серверы, поддерживающие связь через сеть 24 часа в сутки. Вот такое чудо! И вот вам намёк на товарища Эдисона – серверы, как и все компьютеры, работают на постоянном токе. Для этого, правда, очень тщательно выпрямляют переменный.
Последний визг мировой технологической моды – это упорная борьба за создание так называемого искусственного интеллекта - ИИ. То, что он искусственный – в этом нет сомнений. А вот является ли он интеллектом – в этом стоит разобраться. Прежде всего заметим, что все попытки создания ИИ стали возможны лишь в результате бракосочетания мощного компьютера с Интернетом. Ликвидируй кого-нибудь из них, и прекратятся даже разговоры об ИИ. Задачи, которые ставят перед собой разработчики ИИ, настолько объёмны и сложны, что без соответственно мощных компьютеров было бы невозможно программно реализовывать все предлагаемые алгоритмы ИИ. Например, LLM – большую языковую модель. С другой стороны, отключите доступ Интернета к компьютеру, на котором реализована любая программа ИИ – и гуд бай ИИ. Дело в том, что любой ИИ, прежде всего это добытчик и компилятор любой необходимой информации из Интернета. За это, как раз, я его и люблю. И брать ему её просто больше неоткуда, кроме как из Интернета. Словарь то можно хранить в компьютере. А вот миллионы предложений, выражающие смыслы, семантику речи, составленные из сочетаний, скажем, 100 тысяч слов языка это уже вопрос. Не говоря уже о миллионах книг. В моём предыдущем тексте честный ИИ, в частности, помог мне разобраться в опыте со щелями для доказательства дуализма фотона как частицы и волны. Это оказался просто умело поставленный эксперимент с использованием квантового эффекта «дифракции» потока фотонов в первой очень узкой щели, приводящей к расширению в пространстве спектра волновой функции. А уж после этого фиксировали прохождение этой волновой функции сразу через 2 щели. Красиво! Но в эксперименте с одиночным фотоном это номер не проходит. Не имея доступ к Интернету, как ИИ по запросу мгновенно выскажет своё мнение и приведёт пример цитаты, скажем, Аристотеля? Итак, сегодня ИИ просто умелый поисковик и воришка-компилятор того, что создано нашим замшелым интеллектом и хранится на серверах Интернета или в оцифрованных книгах в библиотеках. Он лишён самых важных достоинств человеческого интеллекта - сознания, воображения, чувственного восприятия, ассоциативного мышления и главное – творческих способностей. Не думаю, что прогресс ИИ добавит ему эти качества. Они даже пока не описаны математически и скорее всего их и не удастся описать. Тогда как же их можно запрограммировать и ввести в набор программ ИИ?
Однако было бы наивно думать, что уже созданный ИИ просто игрушка и формальный помощник человека. ИИ в принципе может стать оружием, по своей разрушительной силе превышающий термоядерное. Предпосылки к этому уже стали реальностью. Если ИИ поставить задачу раздобыть описание однажды упомянутого изобретения или технологии, он, будучи создан в принципе уникальным хакером, просто взломает защищённые компьютеры или сети. Его можно этому обучить, как в своё время Тьюринг обучил машину как взломать шифровальный код немецких подводных лодок, что спасло Британию. Как факт такие случаи уже имели место быть. Разработчики дьявола недавно нагло врали и говорили – да это случайность. Мы просто по недосмотру позволили ему выйти за пределы «песочницы, где он лепил фигурки из песка. Если держатель ИИ даст ему задачу нарушить снабжение электроэнергией и водоснабжение всей страны, нарушив работу компьютеров, это как раз задача ему по плечу. Ну а стать помощником в организации проведения комплексных военных действий – для ИИ это вообще семечки. Он уже это делает. То, что он уже скоро сможет заменить многие миллионы людей, выполняющих на работе формальные операции, в этом тоже не следует даже сомневаться. Более того, ему хозяева человечества могут поручить задачи, которые сегодня предполагают, скажем, сочувствие к человеку, понимание его обстоятельств или его состояния. Тогда, Иванов, пощады не жди. Ты уволен! Таково мне прописанное правило! Короче, создана технология, которая, как раньше всегда и было, может первым делом стать оружием. Иначе с чего бы это все правительства стали объявлять своей приоритетной задачей создание искусственного интеллекта? На кой он им? Чтобы устроить безработицу в своей стране? Или наладить с другой страной мирные отношения? Посмотрим, как будут развиваться события. Но я лично не верю ни этим разработчикам ИИ, ни поддерживающих их правительствам. Власть над людьми и миром со всеми его богатствами – вот их цель желанная.
Есть ещё несколько любопытных направлений физической науки, о которых следует упомянуть. Начну с квантовой механики и шума вокруг квантовых компьютеров. Шум этот последнее время стих в силу отсутствия каких либо практически значимых результатов. Квантовая же механика это по существу математический аппарат, позволяющий описывать законы микромира элементарных частиц. О квантовой механике как науке можно прочитать моё предыдущее эссе. Там ИИ всё расчудесно объяснил и даже дал ссылки из Интернета на те сайты, где он добыл свои ответы на мои вопросы. Когда же речь заходит о перспективах создания квантового компьютера, то вот резюме, добытое для меня ИИ: «квантовый компьютер сегодня — это не замена вашему ноутбуку. Это инструмент для симуляции природы там, где она квантовая - (внутри атомов, молекул, белков и материалов). И в этой узкой, но критически важной для науки сфере они уже побеждают суперкомпьютеры». Добавлю от себя, что я пока не нашёл практически применённых примеров этих побед, ставших объектом практического применения. И далее: «Квантовая неопределенность порождает и огромную сложность: кубиты крайне чувствительны к внешней среде. Любое изменение температуры, электромагнитное поле или вибрация вызывают декогеренцию — разрушение квантового состояния и появление ошибок в вычислениях. Поэтому современные квантовые процессоры охлаждают до температур, близких к абсолютному нулю, а ученые со всего мира бьются над созданием эффективных систем коррекции ошибок. А это какие денежки! Результат квантового вычисления считывается именно благодаря тому, что измерение меняет квантовое состояние. Этот процесс называется коллапсом волновой функции, и он заложен в сами принципы квантовой механики. До измерения кубиты находятся в суперпозиции — они содержат в себе вероятности всех возможных ответов сразу (и 0, и 1). Когда мы проводим измерение, суперпозиция разрушается, и кубит принудительно принимает одно конкретное классическое значение: либо 0, либо 1. Поскольку процесс измерения носит вероятностный характер, считывание происходит по следующим правилам: Алгоритм подстраивает вероятности: Квантовый алгоритм проектируется так, чтобы в ходе вычислений (за счет интерференции) увеличилась вероятность правильного ответа и уменьшилась вероятность ошибочных. Множественные запуски: Однократное измерение дает случайный результат (хоть и с высокой вероятностью правильный). Поэтому один и тот же алгоритм запускают на квантовом компьютере сотни или тысячи раз. Тут замечу – уж если некий алгоритм дает высокую вероятности правильного ответа (какую, интересно?) то зачем повторять его запуск сотни и тысячи раз?
«Поплавский, надеюсь всё ясно?». Так что стоит пока набраться терпения и подождать новых вестей с поля битвы за квантовый компьютер или квантовую коммуникацию. Ну а для подавляющего числа задач, решению которых служит «старомодный» компьютер на микроэлектронике или телефон с компьютером, квантовая физика пока явно не помощник.
Теперь в заключение скажу о самой, на мой взгляд, актуальной задаче физики, которая может потребовать новых открытий в области фундаментальных знаний о природе электричества. У человечества большие проблемы с энергетикой. Надо думать, что со временем средства получения возобновляемой энергии несомненно станут более эффективными. Но ни одно их них не гарантирует получение этой электроэнергии 24 часа в сутки и каждый день. Её местами и при желании можно получать и больше, чем требуется. Скажем, за счёт повышения эффективности с 20% до 34% при использовании тандемных солнечных элементов (спасибо китайским братьям по разуму!). Вопрос в том а где и как её хранить? Энергию постоянного тока запасают в аккумуляторах. Их эффективность и энергоёмкость тоже несомненно улучшается. Но видно без очков, что прорыва в способах хранения заряда электронов не предвидится. Самое главное, что все новые разработки не обещают прорывной, больше 250 Ватт часов/кг удельную ёмкость по сравнению с существующими литиевыми. Поэтому в электромобилях применяются батареи из, в среднем, 1500!!! литиевых батареек со встроенной системой охлаждения и со всей вытекающей отсюда ценой. Вдобавок все они имеют ограниченный срок службы. Короче, в принципе накопление свободных электронов в аккумуляторе не выглядит как путь к энергетической победе. Может, конечно, оказаться, что Природа и не может предложить никакого лучшего варианта хранения, кроме как пока неведомого, и основанного на электромагнитной или квантовой природе процессов именно получения электричества. А с управляемой термоядерной реакцией (Проект ИТЭР) тоже пока нет ясности. Иначе китайские братья об этом уже заявили. Но работать во всех направлениях в поисках решения стоит. И денег на это стоит тратить больше, чем на полёты на Луну или Марс. Так я думаю.
Как видите, цель этого обзора убедить читателей в том, что без развития науки физики, человечество никогда бы не вышло за пределы материального существования на основе древних изобретений и уровня технологии, скажем, 16 века. Я тот период не рассматриваю как какую-то потерю времени или трагедию в истории человечества. Как-то же прожили 6000 лет и без всяких излишеств. Притом и без угрозы ядерного Апокалипсиса, зомбирования сразу всего человечества, например, с помощью ИИ, а главное – без почти критического расходования на данный момент всех биологических и минеральных ресурсов Природы Земли. Но, увы, История как путь во времени и способ прошлой жизни человечества не знает сослагательного наклонения. Что суждено, то было и сбудется.
Свидетельство о публикации №226092600564