Прежде, чем кончится нефть
Мы всегда были растущим, а потому незрелым обществом. Айзек Азимов. Звезды как пыль Так что теперь мы вели игру не с Россией, но с самою Природой Станислав Лем.Глас Господа
Одним из наиболее значительных событий 2010 года, отраженных в мировой научной фантастике, был полет советского космического корабля "Алексей Леонов" к Юпитеру. Космических корабль с экипажем из 10 космонавтов, 7 советских и 3 американских, был оснащен "двигателями Сахарова", очевидно термоядерными, которые Величайший Гуманист придумал во время горьковской ссылки. Он был еще жив в 2010 году, и, занимая пост Президента АН СССР продолжал заниматься разной Хуйней, вроде Спасения Человечества.
Это далеко не самый эпический провал прогнозирования будущего в научно-фантастической литературе. Например, Джерри Пурнелл в цикле романов о СоВладении (своеобразной конфедерации СССР и США, основанной в 1990 году) относит первый межзвездный перелет к 2008 году. Что характерно, оба автора считаются представителями так называемый "твердой научной фантастики", т.е. такой фантастики, которая отвергает всякие ненаучные и антинаучные предпосылки, вроде колдовства,эльфов, вампиров и т.д. и т.п. и претендует на научную обоснованность и достоверность сюжетов. Поэтому к несовпадениям прогнозов с реальностью в геополитической и социально-гуманитарной сфере (например, в том, что касается судьбы СССР) следует отнестись с максимальным снисхождением. Другое дело - прогнозы научно-технического прогресса; с этой стороны никакого снисхождения быть не должно. Эти провалы до некоторой степени подорвали интерес читателей к жанру "твердой научной фантастики", тем сильнее становятся попытки возродить его популярность у читателей. Эти попытки наблюдаются и у нас, например, apervushin выступает в качестве антрепренера группы молодых авторов, называющих себя "возрожденцами". Свою задачу "возрожденцы" видят в том, чтобы вызвать интерес читателей, особенно молодых к науке и технике, к задачам научно-технического возрождения нашей страны. Разбор литературных достоинств произведений "возрожденцев" не входит в мои задачи. Для меня в данном случае интересно, что ни сами "возрожденцы", ни их оппоненты не касаются перспектив научно-технического прогресса как такового, молчаливо предполагается он в той или иной форме неизбежен, вопрос лишь состоит в том, в каком направлении он должен идти. То, что, вопреки прогнозам классиков "твердой научной фантастики", мы до сих пор никак не можем слетать на Марс или Юпитер, объясняется различными субъективными обстоятельствами, вплоть до того, что мы попали в "неправильный" вариант исторической альтернативы, и польза "твердой научной фантастики" состоит в том, что может помочь обществу вернуться на путь истинный.
Совсем неудивительно, что такие взгляды разделяют писатели-фантасты. Куда удивительнее тот факт, что аналогичных взглядов придерживаются люди, которым по должности следовало бы смотреть на вещи более реалистически. Например, не так давно космонавт Георгий Гречко заявил в интервью "Йеху Москвы", что советский пилотируемый полет на Марс не состоялся лишь потому, что С.П.Королев слишком рано умер. Куда более радикален был самый авторитетный Британский Учоный Стивен Хоукинг. Он заявил, что опасается агрессии инопланетян и призвал к немедленному освоению космического пространства. Судя по всему, Хокинг нуждается в срочной психиатрической помощи.
Британского Учоного колбасит и плющит.
Боковой амиотрофический склероз - неизлечимое дегенеративное заболевание Центральной Нервной Системы.
Ради справедливости, следует упомянуть, что всё-таки время от времени предсказания писателей-фантастов сбываются (подводная лодка, атомная бомба, геостационарные спутники связи и тд). Небольшой обзор этих предсказаний см. здесь. Однако, похоже, автор этого обзора прав - все эти совпадения можно объяснить с помощью эргодической гипотезы: если посадить большое количество мартышек за пишущие машинки, то они в конце концов напечатают "Войну и мир". Количество промахов гораздо больше; похоже писатели фантасты и Учоные автоматически переносят темпы прогресса прошлых времен в будущее. Между тем, несоответствия просто вопиют. Приведу лишь некоторые примеры
Существует, однако, очень важное исключение. Оно касается микроэлектроники. Развитие микроэлектроники с 60-х годов подчиняется закону Мура, согласно которому количество транзисторов на микросхеме удваивается каждые 18-24 месяца. Если первый микропроцессор фирмы Intel 4004 имел 2300 транзисторов и изготовлялся по 10-микронной технологии, то в 2005 году был выпущен процессор Intel Pentium D, содержащий 230 миллионов транзисторов и изготовленный по 90-нанометровой (0.09 микронной) технологии. И это еще не предел - после 90-нм технологии появились 65-мн и 45-мн, а сейчас достигнут уровень 32-нм и на очереди 28-нм и 22-нм технологии. Технические проповедники, рекламирующие достижения микроэлектроники любят прибегать к разным метафорам для более наглядного представления прогресса микропроцессоров. Например, если бы автомобили прогрессировали с такой же скоростью, то одной заправке можно было проехать расстояние равное расстоянию от Земли до Луны и что автомобиль было бы дешевле выбросить и купить новый, чем платить за парковку.
Возникает вопрос: а в чём причина столь разительного различия между микроэлектроникой и другими технологиями? Чтобы ответить на этот вопрос, нужно понять: а что является ограничивающим фактором для дальнейшего прогресса микроэлектроники?. Ответ на него достаточно очевиден: приближение минимального контролируемого размера технологического процесса к атомным размерам. Радиус атом кремния составляет 0.13 нм, а межатомное расстояние кристаллической решетки равно 0.54 нм. Если подойти к вопросу достаточно прямолинейно и отталкиватся от 32-нм технологического процесса, то получается, что минимальный контролируемый размер на сегодня всего в 64 раза больше межатомного расстояния. Поскольку 64=26, то осталось 6 периодов удвоения количества транзисторов и через 9-12 лет размеры транзисторов сравняются с межатомными расстояниями. В действительности дело обстоит несколько сложнее. Например, многие специалисты считают, что 14-нм технологии будут использоваться где-нибудь в районе 2016-2018 года, а 10-нм микропроцессоры уже будут использовать принципиально иную технологию: так называемые одноэлектронные тразисторы, являющиеся квантовыми точками. Предполагается, что на основе квантовых точек возможно создание транзисторов с размерами вплоть 1 нм, то есть примерно в 2 раза больших чем межатомное расстояние. Эта технология пока еще не вышла из стен лабораторий и неясно, как скоро она оттуда выйдет. Но ясно, что скоро должны начаться серьезные отклонения от закона Мура и развитие микроэлектроники станет похожим на развитие других технологий.
Но если подобное ограничение для развития микроэлектроники кажется вполне естественным и достаточно очевидным, то откуда берутся ограничения для развития других технологий? Я буду опираться на "бритву Оккама": "новые сущности не следует изобретать сверх необходимости". То есть я предпологаю, что ограничением для развития вообще всех технологий является существование атомной структуры вещества и что для большинства технологий эти ограничения в основном достигнуты (с некоторыми нюансами, о которых ниже).Чтобы лучше уяснить это предположение, полезно использовать т.н. атомную систему единиц, в которой масса и заряд электрона, а также постоянная Планка приняты за единицу. В атомной системе единиц все физические величины, относящиеся к явлениям атомного масштабам, безразмерны и несколько больше или несколько меньше 1. Единицей длины в атомной системе единиц будет боровский радиус, равный 0.053 нанометра. Атомная единица энергии равна 27.2 электронвольта(примерно 4.36·10-18 Дж). Квантовомеханические модели предсказывают, что атомы имеют размер порядка боровского радиуса, а характерные энергии процессов порядка нескольких электронвольт. Действительно, все атомы имеют размеры примерно такого порядка величины (от 1 до 5 боровских радиусов), а, например, потенциалы ионизации всех атомов составляют десятые доли от атомной единицы энергии, доходя почти 1 у гелия. В таком узком интервале сосредоточено все разнообразие физических и химических свойств окружающих нас различных материалов и их можно объяснить, исходя из квантовомеханических представлений. Если перевести 1 электронвольт на атом в макроскопические едиинцы, то получится примерно 100 килоджоуль на моль. Например, энергия сублимации железа составляет 340 кДж/моль, а вольфрама 820 кДж/моль. Типичные энергии, связанные с химическими реакциями такого же порядка величины. Например, энтальпия образования воды из водорода и кислорода равна 240 кДж/моль. Одним словом, энергии связи атомов у большинства веществ в конденсированном состоянии такого порядка величины. И чтобы их разрушить, нужно затратить энергию примерно такого порядка. Это означает также, что при температурах порядка 10000 К не может существовать никакое вещество в конденсированном состоянии, только в виде газа. (Можно измерять температуру в энергетических единицах, для это нужно постоянную Больцмана положить равной 1, тогда 1 эв равен примерно 11000 К). Таким образом можно считать, что практически все тугоплавкие уже материалы известны и на прогресс в этом направлении нечего надеятся.
Для сравнения можно привести характерные энергии ядерного масштаба. Например, энергия, выделяющаяся при слиянии ядер дейтерия и трития с образование ядра гелия и нейтрона равна 17.6 мегаэлектронвольт, то есть на 7 порядков больше. Энергия расщепления ядра урана-235 еще на порядок больше, она равна примерно 200 Мэв. Таким образом, овладение ядерной энергией до некоторой степени напоминает ситуацию лисы в винограднике - хоть видит око, да зуб неймет. Возможности использования ядерной энергии жестко ограничены свойствами материалов, не выдерживающих высоких концентраций энергии, которые могут быть получены благодаря внутриядерным процессам.
Последнее утверждение представляет собой частный случай "принципа Капицы". Согласно этому принципу энергетическая установка тем более эффективна чем больший поток плотности энергии в ней возможен. Скажем, солнечные энергоустановки заведомо неэффективны, потому что поток плотности энергии составляет в них примерно 100 ватт на квадратный метр и для получения более или менее приличных с экономической точки зрения мощностей они должны занимать площади порядка квадратных километров. Другой важный пример энергетических установок с ограниченной плотностью потока энергии - это электрохимические источники энергии, аккумуляторы и топливные элементы. Хотя они обладают высоким коэффициентом полезного действия и в них химическая энергия преобразуется в электрическую, минуя тепловую, возможная плотность потока энергии в них разве что на порядок превосходит плотность потока энергии в солнечных элементах. Ограничителем тут служит коэффициент диффузии, который для жидкостей при комнатной температуре порядка 10-9м2/сек, а для твердых тел еще на три порядка меньше. Малость коэффициента диффузии опять таки объясняется ограничениями атомных масштабов. В жидкостях и твердых телах диффузия сильно затруднена высокой по сравнению с газами плотностью упаковки атомов (молекул,ионов). Чтобы переместиться из одного положения в другое, атому, молекуле или иону приходятся преодолевать активационные барьеры, которые в твердых телах составляют опять таки несколько электронвольт, а в жидкостях - примерно на порядок меньше, из-за более рыхлой структуры жидкостей и большего по сравнению с твердыми телами свободного объема (т.е. объема, не занятого атомами).
Следует отметить также, что довольно часто встречаются утверждения, что использование достижений биоэнергетики, способно привести к революции в энергетике. Однако эти надежды малообоснованы потому, что основные биоэнергетические процессы: фотосинтез, дыхание, окислительное фосфорилирование так или иначе связаны с ионным транспортом, а значит и для этих процессов играют роль ограничения, связанные с малостью коэффициентам диффузии в жидкостях. Разумеется, в биоэнергетических процессах, да и не только в них, а вообще в большинстве биохимических процессов используется активный транспорт, то есть транспорт против градиента концентрации за счет использования специальных молекул - ионных насосов. Активный транспорт требует затрат энергии и молекулы-насосы получают её за счет расщепления аденозинтрифосфорной кислоты (АТФ). Любопытно заметить, что в тех случаях, когда требуется быстрая мобилизация энергии, например, когда животное нападает или спасается бегством используется реакция гликолиза, анаэробного расщепления глюкозы до молочной кислоты, значительно менее эффективная энергетически, но гораздо более быстрая.
Одним из самых важных ограничений, которые вытекают из атомной структуры вещества, является теоретический предел прочности. Грубая оценка (взять и поделить характерную энергию межатомных взаимодействий,10-19 Дж на атомный объем, 10-30 м3) дает 1011 ньютон на метр квадратный или 100 Гигапаскалей (или в технических единицах 10 тонн силы на квадратный миллиметр). Более аккуратные оценки дают примерно такой же результат. Однако реальные материалы имеют существенно более низкий (на 2-3 порядка) предел прочности. Причина этого в том, что в реальных материалах имеется большое количество дефектов кристаллической структуры. Механизм разрушения носит флуктуационный характер. При разрушении (например, при образовании трещины) всегда образуется дополнительная свободная поверхность, а на образование поверхностей затрачивается энергия, поскольку твердые тела, как и жидкости обладают поверхностным натяжением. То есть образование трещины всегда связано с проигрышем свободной энергии, но при этом также происходит выигрыш в энергии, за счет уменьшения упругой энергии. Если выигрыш больше проигрыша, то трещина растет неограниченно. Такой механизм напоминает механизм фазовых переходов первого рода с образованием зародышей новой фазы(например, пузырька пара в жидкости при кипении). В реальных кристаллах размеры дефектов могут быть весьма велики (порядка тысяч атомных объемов) и они являются готовыми зародышами для инициации процесса разрушения. Поэтому реальные материалы и разрушаются при нагрузках на 2-3 порядки ниже, чем те при которых должны разрушаться идеальные монокристаллы, поскольку в идеальных кристаллах "активационный объем" (т.е. объем с которого начинается процесс разрушения) имеет порядок атомного объема и далее снижен быть не может.
Казалось бы, тут есть некоторый простор для дальнейшего развития: попробовать создать бездефектные монокристаллы, которые на несколько порядков прочнее всех существующих материалов. Однако на самом деле такие бездефектные монокристаллы впервые получены лет 60 назад. Это так называемые нитевидные монокристаллы (на жаргоне - "усы" или "вискеры"). Они обладают рядом уникальных свойств, причем не только механических. Их прочность всего лишь в 3-4 раза ниже теоретической. Сначала их открытие вызвало прилив энтузиазма, но потом выяснилось, что максимальная длина таких монокристаллов составляет несколько миллиметров, а толшина примерно в 100 раз меньше. И причина их бездефектности - как раз маленький размер, поскольку очевидно, что вероятность образования дефекта пропорциональна объему кристалла. Ситуация с углеродными нанотрубками аналогична: предел прочности у них примерно такого же порядка как и у вискеров, и длина образцов хотя и несколько больше, но всё же не километры, а всего лишь сантиметры. Так что конструкции типа лифта Арцутанова, как были недостижимой мечтой, так ей и остаются.
Возможность получения массивных бездефектных монокристаллов еще более проблематична. Но даже если их удасться получить, то возникает вопрос - а как их обрабатывать? Ведь обработка - это необратимое изменение формы, а значит всегда связана с пластическими деформациями заготовки. А пластические деформации всегда происходят через образование дислокаций - линейных дефектов структуры кристалла. То есть обработка невозможна образования дефектов кристаллической структуры. Правда, в одной из дискуссий на эту тему мне заметили, что обрабатывать монокристаллы ни к чему, нужно сразу выращивать монокристаллы нужной формы. Идея, на первый взгляд красивая, однако в ней не учитывается тот факт, что монокристалл не может иметь произвольную форму! Или, если говорить точнее, не любая форма монокристалла является равновесной. Например, если мы возьмем и вырежем из монокристалла шар или цилиндр, то он начнет самопроизвольно менять форму. Дело в том, что поверхностное натяжение монокристала анизотропно, оно различно в разных направлениях. Для жидкости с изотропоным поверностным натяжением форма, которая отвечает минимуму поверхностной энергии есть шар, то для анизотропных тел - это некий многоугольник с гранями отвечаюшими направлениям кристаллографический плоскостей монокристалла. Это показал Ландау в работе, опубликованной уже посмертно, в сборнике посвященном памяти академика Иоффе. Разумеется, огранение монокристалла - процесс очень медленный, но под действием механических напряжений поверхность такого кристалла будет источником для образования дефектов (да и сама поверхость тоже является дефектом, идеальным может быть лишь бесконечный монокристалл).
Приведенные выше примеры, конечно, не являются доказательством.Но они наводят на определенные размышления и предлагают некоторый метод поиска ограничений и пределов развития. Мне кажется, что если внимательно поискать, то всегда можно их найти. Это всегда очень полезно, поскольку помогает избавиться от иллюзий.Полезно также попытаться представить мир, где подобных ограничений нет, или хотя бы, они менее жестки. Особенно это полезно тем авторам-фантастам, которые претендуют на научность и достоверность. Ну, например, пусть масса электрона будет раза в три больше, чем в нашем мире. Что от этого изменится? Казалось бы, немного: атомы станут поменьше, процессоры пошустрее, нанотрубки попрочнее. На самом деле в этом мире не будет ни нанотрубок, ни процессоров, ни даже атомов. Дело в том, что из-за трехкратного увеличения массы электрона в этом мире станет разрешенным обратный бета-распад, то есть захват электрона протоном с образованием нейтрона и нейтрино. В нашем мире он тоже существует и известен под названием K-захвата, когда ядро захватывает электрон с самой ближней электронной оболочки и превращается в ядро с номером на единицу меньшим. Но для этого у родительского и дочернего ядра должна подходящая разность энергий, а нашем новом мире это будет доступно для всех ядер, поскольку разность масс нейтрона и протона будет несколько меньше чем новая электронная масса. Так что этот новый мир будет состоять преимущественно из нейтронов, и такое однообразие несколько удручает. Еще один возможный вариант - это заменить электроны в атомах какими-нибудь другими отрицательно заряженными частицами. На память приходит "мезовещество" из романов братьев Стругацких, где из этого мезовещества делают отражатели фотонных ракет. Но с мезонами номер не проходит, поскольку мезоны - сильно взаимодействующие частицы и они будут очень быстро захвачены ядрами. А вот если взять мюоны (которые неправильно называют мю-мезонами), то их можно использовать вместо электронов в атомах, и такие атомы физики действительно умеют создавать, а поскольку масса мюона в 200 с лишним раз больше массы электроны, то и размеры таких атомов соответственно меньше.Беда только в том, что мюон нестабилен и распадается за 10-6 сек. Опять таки, можно представить себе мир где мюон стабилен. Для этого нужно отключить слабое взаимодейстие. Однако отключение слабого взаимодействия приведет к ряду неприятных последствий. Например, погаснут звезды, потому что часть термоядерных реакций как в в протон-протонном, так и углеродном цикле идут по слабому механизму. Но даже если в новой вселенной будут возможны какие-то альтернативные термоядерные циклы, то все равно, в этому мире не будет элементов тяжелее железа, которые образуются в звездах путем нейтронного захвата и последующего бета-распада.
Это, конечно, похоже на заговор Мироздания (хотя и не гомеостатического) против Прогресса, но на самом деле это не более чем проявление антропного принципа, причем в слабой его форме: значения фундаментальных физических констант таковы потому, что при других значениях констант просто некому было бы их измерять. А ограничения на развитие технологий уже отсюда вытекают. Тем более нет необходимости объяснять замедление прогресса интригами или злой волей Начальства. И получается, что в некотором смысле мы дейстительно живем в лучшем из возможных миров. В том смысле, что он оптимален, что его нельзя улучшить: в результате попыток улучшения получается мир, непригодный для существования разумной жизни. И эта оптимальность диктует пределы для развития технологий.
В заключение вкратце остановлюсь на возможных социально-политических последствиях остановки (или сильного замедления ) научно-технического прогресса. В общем-то, эта идея не нова, но всегда считалось, что такое замедление может произойти в результате либо какого-то катаклизма, либо по злой воле власть предержащих. Эндогенное замедление научно-технического прогресса рассматривалось в очень любопытной концепции Поздневековья. Она не свободна от различных нестыковок и противоречий, и с одной стороны слишком оптимистична, а с другой стороны - слишком пессимистична. Избыточный оптимизм, на мой взгляд, состоит в том, что автор считает, что прогресс возобновится в относительно недалеком будущем - во второй половине будущего столетия. Пессимизм же заключается в том, что последствия замедления прогресса рассматриваются чуть ли не как катастрофа. Мне не кажется, что в результате замедления или прекращения прогресса произойдет что-то ужасное. Да, для некоторых стран последствия будут неприятными. Это касается в первую очередь стран-лидеров, извлекающих выгоду из своего лидерства. Для других же стран (догоняющих) последствия будут скорее благоприятными - у них появится шанс догнать лидеров. Конечно, это вряд ли понравится нынешним лидерам и они будут пытаться помешать догонящим странам уравнять игру. Для самых же отсталых стран ничего не изменится - как они были отсталыми, так отсталыми и останутся. Полезным будет замедление прогресса и для науки: она снова вернется к своему предназначению, к познанию окружающего нас мира, а не к извлечению прибыли из научных знаний. Конечно, потребность в научных работниках резко сократится и большинству Учоных (я полагаю, примерно 95%) придется искать занятие, более полезное для общества. Разумеется, различные инновации будут время от времени появляться, но их внедрение будет диктоваться вопросами моды и т.д. Ведь научно-технологический прогреес вовсе не является необходимым условием для инноваций. Конечно, прекращение действия закона Мура приведет к глобальному краху одного из важных сегментов потребительского рынка (на промышленные и военные применения микропроцессоров, скорее всего никакого влияния не будет, или оно окажется минимальными). Ведь этот сегмент процветает за счёт того, что из-за действия закона Мура модельный ряд регулярно обновляется. Случится это, видимо, в конце 2-го десятилетия или начале 3-го. Трудно судить о глубине и продолжительности этого кризиса... Возможно, его сумеют потихоньку спустить на тормозах за счет переориентации потребительского спроса в другие сегменты. Наверняка большой бизнес осознает (да и уже осознал), что надо вкладываться в промывание мозгов тех, кого называют малоосмысленным термином "средний класс". Некоторые технологии этого типа выглядят многообещающе (например, транскраниальная магнитная стимуляция), но скорее всего успех в этом деле будет достигнут, так сказать, традиционными методами.
На Марс, скорее всего, люди не полетят (а постоянных поселений на других планетах не будет наверняка). Термоядерного реактора, скорее всего не будет (а на чистом дейтерии - наверняка), хотя бы потому что никакого дефицита энергоресурсов нет, угля, урана и тория хватит на тысячелетия. Автомобили будут работать на углеводородном топливе в любом обозримом будущем, не говоря уже о самолетах. (О)нанотехнологии так и останутся (о)нанотехнологиями. Квантовомеханического компьютера тоже, скорее всего, никогда не будет. А что будет? А будет все тоже самое, что и было на протяжении всей истории: постоянная борьба за свое место под солнцем,за свой кусок хлеба, за то, чтобы тебе и твоей стране, твоему народу жилось немножко получше, а другим - немножко похуже. И для этого непрерывный прогресс технологий совсем не нужен. Конечно же, эпоха зрелости будет сопровождаться своими болезнями и трудностями, но это болезни зрелости, а не болезни роста. Впрочем, возможно, кто-то предпочтет слову "зрелость" слово "застой". Но надо помнить, большая часть истории человечества приходится на эпохи застоя, а эпоха прогресса была всего лишь исключением.
Одним из наиболее значительных событий 2010 года, отраженных в мировой научной фантастике, был полет советского космического корабля "Алексей Леонов" к Юпитеру. Космических корабль с экипажем из 10 космонавтов, 7 советских и 3 американских, был оснащен "двигателями Сахарова", очевидно термоядерными, которые Величайший Гуманист придумал во время горьковской ссылки. Он был еще жив в 2010 году, и, занимая пост Президента АН СССР продолжал заниматься разной Хуйней, вроде Спасения Человечества.
Это далеко не самый эпический провал прогнозирования будущего в научно-фантастической литературе. Например, Джерри Пурнелл в цикле романов о СоВладении (своеобразной конфедерации СССР и США, основанной в 1990 году) относит первый межзвездный перелет к 2008 году. Что характерно, оба автора считаются представителями так называемый "твердой научной фантастики", т.е. такой фантастики, которая отвергает всякие ненаучные и антинаучные предпосылки, вроде колдовства,эльфов, вампиров и т.д. и т.п. и претендует на научную обоснованность и достоверность сюжетов. Поэтому к несовпадениям прогнозов с реальностью в геополитической и социально-гуманитарной сфере (например, в том, что касается судьбы СССР) следует отнестись с максимальным снисхождением. Другое дело - прогнозы научно-технического прогресса; с этой стороны никакого снисхождения быть не должно. Эти провалы до некоторой степени подорвали интерес читателей к жанру "твердой научной фантастики", тем сильнее становятся попытки возродить его популярность у читателей. Эти попытки наблюдаются и у нас, например, apervushin выступает в качестве антрепренера группы молодых авторов, называющих себя "возрожденцами". Свою задачу "возрожденцы" видят в том, чтобы вызвать интерес читателей, особенно молодых к науке и технике, к задачам научно-технического возрождения нашей страны. Разбор литературных достоинств произведений "возрожденцев" не входит в мои задачи. Для меня в данном случае интересно, что ни сами "возрожденцы", ни их оппоненты не касаются перспектив научно-технического прогресса как такового, молчаливо предполагается он в той или иной форме неизбежен, вопрос лишь состоит в том, в каком направлении он должен идти. То, что, вопреки прогнозам классиков "твердой научной фантастики", мы до сих пор никак не можем слетать на Марс или Юпитер, объясняется различными субъективными обстоятельствами, вплоть до того, что мы попали в "неправильный" вариант исторической альтернативы, и польза "твердой научной фантастики" состоит в том, что может помочь обществу вернуться на путь истинный.
Совсем неудивительно, что такие взгляды разделяют писатели-фантасты. Куда удивительнее тот факт, что аналогичных взглядов придерживаются люди, которым по должности следовало бы смотреть на вещи более реалистически. Например, не так давно космонавт Георгий Гречко заявил в интервью "Йеху Москвы", что советский пилотируемый полет на Марс не состоялся лишь потому, что С.П.Королев слишком рано умер. Куда более радикален был самый авторитетный Британский Учоный Стивен Хоукинг. Он заявил, что опасается агрессии инопланетян и призвал к немедленному освоению космического пространства. Судя по всему, Хокинг нуждается в срочной психиатрической помощи.
Британского Учоного колбасит и плющит.
Боковой амиотрофический склероз - неизлечимое дегенеративное заболевание Центральной Нервной Системы.
Ради справедливости, следует упомянуть, что всё-таки время от времени предсказания писателей-фантастов сбываются (подводная лодка, атомная бомба, геостационарные спутники связи и тд). Небольшой обзор этих предсказаний см. здесь. Однако, похоже, автор этого обзора прав - все эти совпадения можно объяснить с помощью эргодической гипотезы: если посадить большое количество мартышек за пишущие машинки, то они в конце концов напечатают "Войну и мир". Количество промахов гораздо больше; похоже писатели фантасты и Учоные автоматически переносят темпы прогресса прошлых времен в будущее. Между тем, несоответствия просто вопиют. Приведу лишь некоторые примеры
- Если бы в период между мировыми войнами авиация развивалась бы теми же темпами, что и сейчас, то во 2-й мировой войне воевали бы на самолетах 1-й мировой войны. Дейстительно, между началом 1-й и 2-й мировых войн прошло 25 лет, то есть столько же, сколько от 1985 года до сегодняшнего дня. Даже основу ВВС США, самой богатой и технически развитой стране мира, составляют практически те же типы самолетов, что в 1985 году
- За 40-летний период перед 1-й мировой войной ведущие флоты мира сменили корабельный состав как минимум трижды. За аналогичный период 1970-2010 года не закончился даже один цикл перевооружения.Например, авианосцы типа "Нимиц", разработка и постройка которых начата в 60-е годы прошлого века,будут окончательно выведены из состава ВМФ США только к середине 50-х годов текущего века.
- Современная космонавтика базируется на ракетах-носителях, разработанных в 50-70-е годы и новые ракеты, которые идут им на смену, ничего революционного не представляют
- Если сравнить последний американский стратегический бомбардировщик поршневой эпохи, B-36 и самый современный стратегический бомбардировщик, B-2, то мы увидим что максимальная скорость удвоилось (с 390 км/час до 860 км/час), дальность полета осталась практически той же самой (11000 км), а по бомбовой нагрузке B-2 почти вдвое уступает B-36 (22 тонны у B-2 против 39 у B-36 ).Единственно, в чем B-2 существенно превосходит B-36, так это в стоимости - от 3.7 миллионов долларов у B-36 до 3 миллиардов долларов у B-2, то есть практически на три порядка. Конечно, доллары 1947 года не тоже самое что доллары 1997 года, но даже с учетом инфляции это будет два порядка.
- Электромобили начала 20 века по своим характеристикам, например, по дальности пробега вполне сопоставимы с электромобилями начала 21 века (на эту ссылку навел меня obsrvr)
- Работы по управляемому термоядерному синтезу начались 60 лет назад. И на протяжении всех этих 60 лет до создания реактора остается 30 лет. То же самое относится и к работам в области искусственного интеллекта.
- В будущем году исполняется 100 лет со дня открытия Камерлинг-Оннесом сверхпроводимости и 25 лет со дня открытия Мюллером и Беднорцем высокотемпературной сверхпроводимости. И всё это время исследования сверхпроводимости ведутся под разговоры об огромном, революционном значении этих открытий для технологий. Правда, практически применений мы видим очень мало. Можно назвать разве что сверхпроводящие квантовые интерферометры (сквиды) и сверхпроводящие магниты в чисто исследовательских проектах - большом адронном коллайдере и международном термоядерном реакторе ITER
Существует, однако, очень важное исключение. Оно касается микроэлектроники. Развитие микроэлектроники с 60-х годов подчиняется закону Мура, согласно которому количество транзисторов на микросхеме удваивается каждые 18-24 месяца. Если первый микропроцессор фирмы Intel 4004 имел 2300 транзисторов и изготовлялся по 10-микронной технологии, то в 2005 году был выпущен процессор Intel Pentium D, содержащий 230 миллионов транзисторов и изготовленный по 90-нанометровой (0.09 микронной) технологии. И это еще не предел - после 90-нм технологии появились 65-мн и 45-мн, а сейчас достигнут уровень 32-нм и на очереди 28-нм и 22-нм технологии. Технические проповедники, рекламирующие достижения микроэлектроники любят прибегать к разным метафорам для более наглядного представления прогресса микропроцессоров. Например, если бы автомобили прогрессировали с такой же скоростью, то одной заправке можно было проехать расстояние равное расстоянию от Земли до Луны и что автомобиль было бы дешевле выбросить и купить новый, чем платить за парковку.
Возникает вопрос: а в чём причина столь разительного различия между микроэлектроникой и другими технологиями? Чтобы ответить на этот вопрос, нужно понять: а что является ограничивающим фактором для дальнейшего прогресса микроэлектроники?. Ответ на него достаточно очевиден: приближение минимального контролируемого размера технологического процесса к атомным размерам. Радиус атом кремния составляет 0.13 нм, а межатомное расстояние кристаллической решетки равно 0.54 нм. Если подойти к вопросу достаточно прямолинейно и отталкиватся от 32-нм технологического процесса, то получается, что минимальный контролируемый размер на сегодня всего в 64 раза больше межатомного расстояния. Поскольку 64=26, то осталось 6 периодов удвоения количества транзисторов и через 9-12 лет размеры транзисторов сравняются с межатомными расстояниями. В действительности дело обстоит несколько сложнее. Например, многие специалисты считают, что 14-нм технологии будут использоваться где-нибудь в районе 2016-2018 года, а 10-нм микропроцессоры уже будут использовать принципиально иную технологию: так называемые одноэлектронные тразисторы, являющиеся квантовыми точками. Предполагается, что на основе квантовых точек возможно создание транзисторов с размерами вплоть 1 нм, то есть примерно в 2 раза больших чем межатомное расстояние. Эта технология пока еще не вышла из стен лабораторий и неясно, как скоро она оттуда выйдет. Но ясно, что скоро должны начаться серьезные отклонения от закона Мура и развитие микроэлектроники станет похожим на развитие других технологий.
Но если подобное ограничение для развития микроэлектроники кажется вполне естественным и достаточно очевидным, то откуда берутся ограничения для развития других технологий? Я буду опираться на "бритву Оккама": "новые сущности не следует изобретать сверх необходимости". То есть я предпологаю, что ограничением для развития вообще всех технологий является существование атомной структуры вещества и что для большинства технологий эти ограничения в основном достигнуты (с некоторыми нюансами, о которых ниже).Чтобы лучше уяснить это предположение, полезно использовать т.н. атомную систему единиц, в которой масса и заряд электрона, а также постоянная Планка приняты за единицу. В атомной системе единиц все физические величины, относящиеся к явлениям атомного масштабам, безразмерны и несколько больше или несколько меньше 1. Единицей длины в атомной системе единиц будет боровский радиус, равный 0.053 нанометра. Атомная единица энергии равна 27.2 электронвольта(примерно 4.36·10-18 Дж). Квантовомеханические модели предсказывают, что атомы имеют размер порядка боровского радиуса, а характерные энергии процессов порядка нескольких электронвольт. Действительно, все атомы имеют размеры примерно такого порядка величины (от 1 до 5 боровских радиусов), а, например, потенциалы ионизации всех атомов составляют десятые доли от атомной единицы энергии, доходя почти 1 у гелия. В таком узком интервале сосредоточено все разнообразие физических и химических свойств окружающих нас различных материалов и их можно объяснить, исходя из квантовомеханических представлений. Если перевести 1 электронвольт на атом в макроскопические едиинцы, то получится примерно 100 килоджоуль на моль. Например, энергия сублимации железа составляет 340 кДж/моль, а вольфрама 820 кДж/моль. Типичные энергии, связанные с химическими реакциями такого же порядка величины. Например, энтальпия образования воды из водорода и кислорода равна 240 кДж/моль. Одним словом, энергии связи атомов у большинства веществ в конденсированном состоянии такого порядка величины. И чтобы их разрушить, нужно затратить энергию примерно такого порядка. Это означает также, что при температурах порядка 10000 К не может существовать никакое вещество в конденсированном состоянии, только в виде газа. (Можно измерять температуру в энергетических единицах, для это нужно постоянную Больцмана положить равной 1, тогда 1 эв равен примерно 11000 К). Таким образом можно считать, что практически все тугоплавкие уже материалы известны и на прогресс в этом направлении нечего надеятся.
Для сравнения можно привести характерные энергии ядерного масштаба. Например, энергия, выделяющаяся при слиянии ядер дейтерия и трития с образование ядра гелия и нейтрона равна 17.6 мегаэлектронвольт, то есть на 7 порядков больше. Энергия расщепления ядра урана-235 еще на порядок больше, она равна примерно 200 Мэв. Таким образом, овладение ядерной энергией до некоторой степени напоминает ситуацию лисы в винограднике - хоть видит око, да зуб неймет. Возможности использования ядерной энергии жестко ограничены свойствами материалов, не выдерживающих высоких концентраций энергии, которые могут быть получены благодаря внутриядерным процессам.
Последнее утверждение представляет собой частный случай "принципа Капицы". Согласно этому принципу энергетическая установка тем более эффективна чем больший поток плотности энергии в ней возможен. Скажем, солнечные энергоустановки заведомо неэффективны, потому что поток плотности энергии составляет в них примерно 100 ватт на квадратный метр и для получения более или менее приличных с экономической точки зрения мощностей они должны занимать площади порядка квадратных километров. Другой важный пример энергетических установок с ограниченной плотностью потока энергии - это электрохимические источники энергии, аккумуляторы и топливные элементы. Хотя они обладают высоким коэффициентом полезного действия и в них химическая энергия преобразуется в электрическую, минуя тепловую, возможная плотность потока энергии в них разве что на порядок превосходит плотность потока энергии в солнечных элементах. Ограничителем тут служит коэффициент диффузии, который для жидкостей при комнатной температуре порядка 10-9м2/сек, а для твердых тел еще на три порядка меньше. Малость коэффициента диффузии опять таки объясняется ограничениями атомных масштабов. В жидкостях и твердых телах диффузия сильно затруднена высокой по сравнению с газами плотностью упаковки атомов (молекул,ионов). Чтобы переместиться из одного положения в другое, атому, молекуле или иону приходятся преодолевать активационные барьеры, которые в твердых телах составляют опять таки несколько электронвольт, а в жидкостях - примерно на порядок меньше, из-за более рыхлой структуры жидкостей и большего по сравнению с твердыми телами свободного объема (т.е. объема, не занятого атомами).
Следует отметить также, что довольно часто встречаются утверждения, что использование достижений биоэнергетики, способно привести к революции в энергетике. Однако эти надежды малообоснованы потому, что основные биоэнергетические процессы: фотосинтез, дыхание, окислительное фосфорилирование так или иначе связаны с ионным транспортом, а значит и для этих процессов играют роль ограничения, связанные с малостью коэффициентам диффузии в жидкостях. Разумеется, в биоэнергетических процессах, да и не только в них, а вообще в большинстве биохимических процессов используется активный транспорт, то есть транспорт против градиента концентрации за счет использования специальных молекул - ионных насосов. Активный транспорт требует затрат энергии и молекулы-насосы получают её за счет расщепления аденозинтрифосфорной кислоты (АТФ). Любопытно заметить, что в тех случаях, когда требуется быстрая мобилизация энергии, например, когда животное нападает или спасается бегством используется реакция гликолиза, анаэробного расщепления глюкозы до молочной кислоты, значительно менее эффективная энергетически, но гораздо более быстрая.
Одним из самых важных ограничений, которые вытекают из атомной структуры вещества, является теоретический предел прочности. Грубая оценка (взять и поделить характерную энергию межатомных взаимодействий,10-19 Дж на атомный объем, 10-30 м3) дает 1011 ньютон на метр квадратный или 100 Гигапаскалей (или в технических единицах 10 тонн силы на квадратный миллиметр). Более аккуратные оценки дают примерно такой же результат. Однако реальные материалы имеют существенно более низкий (на 2-3 порядка) предел прочности. Причина этого в том, что в реальных материалах имеется большое количество дефектов кристаллической структуры. Механизм разрушения носит флуктуационный характер. При разрушении (например, при образовании трещины) всегда образуется дополнительная свободная поверхность, а на образование поверхностей затрачивается энергия, поскольку твердые тела, как и жидкости обладают поверхностным натяжением. То есть образование трещины всегда связано с проигрышем свободной энергии, но при этом также происходит выигрыш в энергии, за счет уменьшения упругой энергии. Если выигрыш больше проигрыша, то трещина растет неограниченно. Такой механизм напоминает механизм фазовых переходов первого рода с образованием зародышей новой фазы(например, пузырька пара в жидкости при кипении). В реальных кристаллах размеры дефектов могут быть весьма велики (порядка тысяч атомных объемов) и они являются готовыми зародышами для инициации процесса разрушения. Поэтому реальные материалы и разрушаются при нагрузках на 2-3 порядки ниже, чем те при которых должны разрушаться идеальные монокристаллы, поскольку в идеальных кристаллах "активационный объем" (т.е. объем с которого начинается процесс разрушения) имеет порядок атомного объема и далее снижен быть не может.
Казалось бы, тут есть некоторый простор для дальнейшего развития: попробовать создать бездефектные монокристаллы, которые на несколько порядков прочнее всех существующих материалов. Однако на самом деле такие бездефектные монокристаллы впервые получены лет 60 назад. Это так называемые нитевидные монокристаллы (на жаргоне - "усы" или "вискеры"). Они обладают рядом уникальных свойств, причем не только механических. Их прочность всего лишь в 3-4 раза ниже теоретической. Сначала их открытие вызвало прилив энтузиазма, но потом выяснилось, что максимальная длина таких монокристаллов составляет несколько миллиметров, а толшина примерно в 100 раз меньше. И причина их бездефектности - как раз маленький размер, поскольку очевидно, что вероятность образования дефекта пропорциональна объему кристалла. Ситуация с углеродными нанотрубками аналогична: предел прочности у них примерно такого же порядка как и у вискеров, и длина образцов хотя и несколько больше, но всё же не километры, а всего лишь сантиметры. Так что конструкции типа лифта Арцутанова, как были недостижимой мечтой, так ей и остаются.
Возможность получения массивных бездефектных монокристаллов еще более проблематична. Но даже если их удасться получить, то возникает вопрос - а как их обрабатывать? Ведь обработка - это необратимое изменение формы, а значит всегда связана с пластическими деформациями заготовки. А пластические деформации всегда происходят через образование дислокаций - линейных дефектов структуры кристалла. То есть обработка невозможна образования дефектов кристаллической структуры. Правда, в одной из дискуссий на эту тему мне заметили, что обрабатывать монокристаллы ни к чему, нужно сразу выращивать монокристаллы нужной формы. Идея, на первый взгляд красивая, однако в ней не учитывается тот факт, что монокристалл не может иметь произвольную форму! Или, если говорить точнее, не любая форма монокристалла является равновесной. Например, если мы возьмем и вырежем из монокристалла шар или цилиндр, то он начнет самопроизвольно менять форму. Дело в том, что поверхностное натяжение монокристала анизотропно, оно различно в разных направлениях. Для жидкости с изотропоным поверностным натяжением форма, которая отвечает минимуму поверхностной энергии есть шар, то для анизотропных тел - это некий многоугольник с гранями отвечаюшими направлениям кристаллографический плоскостей монокристалла. Это показал Ландау в работе, опубликованной уже посмертно, в сборнике посвященном памяти академика Иоффе. Разумеется, огранение монокристалла - процесс очень медленный, но под действием механических напряжений поверхность такого кристалла будет источником для образования дефектов (да и сама поверхость тоже является дефектом, идеальным может быть лишь бесконечный монокристалл).
Приведенные выше примеры, конечно, не являются доказательством.Но они наводят на определенные размышления и предлагают некоторый метод поиска ограничений и пределов развития. Мне кажется, что если внимательно поискать, то всегда можно их найти. Это всегда очень полезно, поскольку помогает избавиться от иллюзий.Полезно также попытаться представить мир, где подобных ограничений нет, или хотя бы, они менее жестки. Особенно это полезно тем авторам-фантастам, которые претендуют на научность и достоверность. Ну, например, пусть масса электрона будет раза в три больше, чем в нашем мире. Что от этого изменится? Казалось бы, немного: атомы станут поменьше, процессоры пошустрее, нанотрубки попрочнее. На самом деле в этом мире не будет ни нанотрубок, ни процессоров, ни даже атомов. Дело в том, что из-за трехкратного увеличения массы электрона в этом мире станет разрешенным обратный бета-распад, то есть захват электрона протоном с образованием нейтрона и нейтрино. В нашем мире он тоже существует и известен под названием K-захвата, когда ядро захватывает электрон с самой ближней электронной оболочки и превращается в ядро с номером на единицу меньшим. Но для этого у родительского и дочернего ядра должна подходящая разность энергий, а нашем новом мире это будет доступно для всех ядер, поскольку разность масс нейтрона и протона будет несколько меньше чем новая электронная масса. Так что этот новый мир будет состоять преимущественно из нейтронов, и такое однообразие несколько удручает. Еще один возможный вариант - это заменить электроны в атомах какими-нибудь другими отрицательно заряженными частицами. На память приходит "мезовещество" из романов братьев Стругацких, где из этого мезовещества делают отражатели фотонных ракет. Но с мезонами номер не проходит, поскольку мезоны - сильно взаимодействующие частицы и они будут очень быстро захвачены ядрами. А вот если взять мюоны (которые неправильно называют мю-мезонами), то их можно использовать вместо электронов в атомах, и такие атомы физики действительно умеют создавать, а поскольку масса мюона в 200 с лишним раз больше массы электроны, то и размеры таких атомов соответственно меньше.Беда только в том, что мюон нестабилен и распадается за 10-6 сек. Опять таки, можно представить себе мир где мюон стабилен. Для этого нужно отключить слабое взаимодейстие. Однако отключение слабого взаимодействия приведет к ряду неприятных последствий. Например, погаснут звезды, потому что часть термоядерных реакций как в в протон-протонном, так и углеродном цикле идут по слабому механизму. Но даже если в новой вселенной будут возможны какие-то альтернативные термоядерные циклы, то все равно, в этому мире не будет элементов тяжелее железа, которые образуются в звездах путем нейтронного захвата и последующего бета-распада.
Это, конечно, похоже на заговор Мироздания (хотя и не гомеостатического) против Прогресса, но на самом деле это не более чем проявление антропного принципа, причем в слабой его форме: значения фундаментальных физических констант таковы потому, что при других значениях констант просто некому было бы их измерять. А ограничения на развитие технологий уже отсюда вытекают. Тем более нет необходимости объяснять замедление прогресса интригами или злой волей Начальства. И получается, что в некотором смысле мы дейстительно живем в лучшем из возможных миров. В том смысле, что он оптимален, что его нельзя улучшить: в результате попыток улучшения получается мир, непригодный для существования разумной жизни. И эта оптимальность диктует пределы для развития технологий.
В заключение вкратце остановлюсь на возможных социально-политических последствиях остановки (или сильного замедления ) научно-технического прогресса. В общем-то, эта идея не нова, но всегда считалось, что такое замедление может произойти в результате либо какого-то катаклизма, либо по злой воле власть предержащих. Эндогенное замедление научно-технического прогресса рассматривалось в очень любопытной концепции Поздневековья. Она не свободна от различных нестыковок и противоречий, и с одной стороны слишком оптимистична, а с другой стороны - слишком пессимистична. Избыточный оптимизм, на мой взгляд, состоит в том, что автор считает, что прогресс возобновится в относительно недалеком будущем - во второй половине будущего столетия. Пессимизм же заключается в том, что последствия замедления прогресса рассматриваются чуть ли не как катастрофа. Мне не кажется, что в результате замедления или прекращения прогресса произойдет что-то ужасное. Да, для некоторых стран последствия будут неприятными. Это касается в первую очередь стран-лидеров, извлекающих выгоду из своего лидерства. Для других же стран (догоняющих) последствия будут скорее благоприятными - у них появится шанс догнать лидеров. Конечно, это вряд ли понравится нынешним лидерам и они будут пытаться помешать догонящим странам уравнять игру. Для самых же отсталых стран ничего не изменится - как они были отсталыми, так отсталыми и останутся. Полезным будет замедление прогресса и для науки: она снова вернется к своему предназначению, к познанию окружающего нас мира, а не к извлечению прибыли из научных знаний. Конечно, потребность в научных работниках резко сократится и большинству Учоных (я полагаю, примерно 95%) придется искать занятие, более полезное для общества. Разумеется, различные инновации будут время от времени появляться, но их внедрение будет диктоваться вопросами моды и т.д. Ведь научно-технологический прогреес вовсе не является необходимым условием для инноваций. Конечно, прекращение действия закона Мура приведет к глобальному краху одного из важных сегментов потребительского рынка (на промышленные и военные применения микропроцессоров, скорее всего никакого влияния не будет, или оно окажется минимальными). Ведь этот сегмент процветает за счёт того, что из-за действия закона Мура модельный ряд регулярно обновляется. Случится это, видимо, в конце 2-го десятилетия или начале 3-го. Трудно судить о глубине и продолжительности этого кризиса... Возможно, его сумеют потихоньку спустить на тормозах за счет переориентации потребительского спроса в другие сегменты. Наверняка большой бизнес осознает (да и уже осознал), что надо вкладываться в промывание мозгов тех, кого называют малоосмысленным термином "средний класс". Некоторые технологии этого типа выглядят многообещающе (например, транскраниальная магнитная стимуляция), но скорее всего успех в этом деле будет достигнут, так сказать, традиционными методами.
На Марс, скорее всего, люди не полетят (а постоянных поселений на других планетах не будет наверняка). Термоядерного реактора, скорее всего не будет (а на чистом дейтерии - наверняка), хотя бы потому что никакого дефицита энергоресурсов нет, угля, урана и тория хватит на тысячелетия. Автомобили будут работать на углеводородном топливе в любом обозримом будущем, не говоря уже о самолетах. (О)нанотехнологии так и останутся (о)нанотехнологиями. Квантовомеханического компьютера тоже, скорее всего, никогда не будет. А что будет? А будет все тоже самое, что и было на протяжении всей истории: постоянная борьба за свое место под солнцем,за свой кусок хлеба, за то, чтобы тебе и твоей стране, твоему народу жилось немножко получше, а другим - немножко похуже. И для этого непрерывный прогресс технологий совсем не нужен. Конечно же, эпоха зрелости будет сопровождаться своими болезнями и трудностями, но это болезни зрелости, а не болезни роста. Впрочем, возможно, кто-то предпочтет слову "зрелость" слово "застой". Но надо помнить, большая часть истории человечества приходится на эпохи застоя, а эпоха прогресса была всего лишь исключением.