Физика будущего - Мичио Каку

Таким образом, из божественной топки Вулкана вышли как мечты, так и страдания рода человеческого. Сегодня мы разрабатываем принципиально новые машины, «скованные» из отдельных атомов. Эти машины должны стать нашими «первичными инструментами». Но что они принесут человечеству: пламя познания или ветры хаоса?

На протяжении всей истории человечества нашу судьбу определяло владение инструментами. Когда много тысяч лет назад были изобретены лук и стрелы, это означало, что человек научился посылать метательное оружие на гораздо большее расстояние, чем это можно сделать руками, что увеличило эффективность охоты и расширило доступные человеку источники пищи. Когда около 7000 лет назад человек научился обрабатывать металл, это означало, что со временем он сможет заменить землянки и хижины великолепными прочными домами, которые вознесутся над землей. Вскоре на месте лесов и пустынь начали расти великие империи, построенные металлическими инструментами.

В настоящий момент человечество стоит на пороге овладения совершенно новым типом орудий труда, намного более мощным, чем все, чем мы владели до сих пор. На этот раз мы обретем власть над самими атомами, из которых состоит все вокруг. Возможно, еще в этом столетии мы получим самое важное орудие, какое только можно вообразить. Речь идет о нанотехнологиях, которые позволят нам манипулировать отдельными атомами. Это событие может стать началом второй промышленной революции, поскольку молекулярное производство создаст материалы, о которых сегодня мы можем только мечтать, — сверхпрочные, сверхлегкие, с поразительными электрическими и магнитными свойствами.

Нобелевский лауреат Ричард Смолли (Richard Smalley) утверждает: «Величайшая мечта нанотехнологии — научиться строить из атомов, как из кирпичиков». Филип Кукес (Philip Kuekes) из компании Hewlett-Packard говорит: «Вообще, цель не в том, чтобы просто сделать компьютер размером с пылинку. Идея в том, чтобы научиться делать простые компьютеры размером с бактерию. Тогда можно будет упаковать нечто столь же мощное, как ваш настольный компьютер, до размеров пылинки».

И это не просто надежды мечтателей с горящими глазами. Правительство США воспринимает все это очень серьезно.

В 2009 г., учитывая громадный потенциал нанотехнологий в медицине, промышленности, аэронавтике и коммерческом применении, в рамках Национальной инициативы в области нанотехнологий на исследования было выделено 1, 5 млрд долларов. В докладе по нанотехнологиям правительственного Национального научного фонда говорится: «Нанотехнологии могут в перспективе сделать человека умнее, обеспечить устойчивое улучшение материалов, воды, энергии и пищи, защитить от неизвестных бактерий и вирусов…»

В конце концов может оказаться, что от нанотехнологий зависит состояние мировой экономики и судьба целых стран. Около 2020 г. или вскоре после него закон Мура начнет давать сбои, а возможно, и совсем перестанет действовать. Развитие компьютерной отрасли остановится. Мировой экономике будет грозить хаос, если физики не найдут подходящей замены для кремниевых транзисторов в чипах наших компьютеров. Решение этой проблемы, вероятно, будет найдено в области нанотехнологий.

Не исключено также, что при помощи нанотехнологий удастся, возможно еще до конца этого века, создать машину, которой прежде могли владеть только боги, — машину, способную создавать что угодно почти из ничего.

Квантовый мир

Первым внимание научного сообщества к этой новой области физики привлек нобелевский лауреат Ричард Фейнман, задавший обманчиво простой вопрос: «Насколько маленькой можно сделать машину?» Вопрос этот не был чисто академическим. Компьютеры постепенно становились все меньше и меньше, меняя лицо промышленности, и делалось все более очевидным, что ответ на этот вопрос может оказать громадное влияние на общество и экономику.

В пророческой лекции, прочитанной в 1959 г. в Американском физическом обществе и озаглавленной «Там, внизу, полно места», Фейнман сказал: «Интересно, что физик в принципе может (как мне кажется) синтезировать любое химическое вещество по написанной химиком формуле. Пишите заказ, и физик все сделает. Каким образом? Поставит атомы на те места, которые укажет химик, и таким образом построит вещество». Фейнман сделал вывод, что возможны машины, состоящие из отдельных атомов, но новые законы физики делают их создание трудным, хотя и не невозможным, делом.

Так что в конечном итоге может оказаться, что судьбы мировой экономики и множества стран зависят от интуитивно непонятных и даже нелепых на взгляд непосвященного принципов квантовой теории. В обычной жизни нам представляется, что законы физики при переходе к более мелкому масштабу не меняются. Из фильмов типа «Дорогая, я уменьшил детей» и «Невероятно уменьшающийся человек» зритель получает ошибочное впечатление о том, что для миниатюрных человечков законы природы выглядели бы точно так же, как для нас. К примеру, в одной из сцен диснеевского фильма уменьшившиеся герои едут на муравье во время грозы. Капли падают на землю и образуют крошечные лужицы, в точности как в нашем мире. На самом же деле капли будут крупнее муравьев, так что муравей, столкнувшись с упавшей каплей, увидит большую водяную полусферу. Водяная полусфера не растекается, потому что сила поверхностного натяжения удерживает ее, как накинутая сверху сеть. В нашем мире поверхностное натяжение воды невелико и не играет существенной роли; мы его просто не замечаем. Но в масштабе муравья поверхностное натяжение приобретает громадное значение.

(Более того, если вы попытаетесь пропорционально увеличить муравья, так чтобы он стал размером с дом, у вас возникнет серьезная проблема: ноги такого муравья-гиганта не выдержат и сломаются. Дело в том, что при увеличении муравья его вес будет расти намного быстрее, чем сила его ног. Если вы сделаете муравья в десять раз длиннее, его объем, а значит, и масса вырастут в 10х10х10=1000 раз. Но сила мускулов пропорциональна их толщине, т. е. площади сечения, и увеличится всего лишь в 10х10=100 раз. Следовательно, гигантский муравей станет в 10 раз слабее, в относительных единицах, своего реального прототипа. Это означает также, что Кинг-Конг, вместо того чтобы терроризировать Нью-Йорк, просто рассыпался бы, попытавшись влезть на небоскреб.)

Фейнман отметил, что на атомном уровне доминируют другие силы, к примеру водородные связи и силы Ван-дер-Ваальса, порождаемые электрическим взаимодействием между атомами и молекулами. Многие физические свойства веществ определяются именно этими силами.

(Для наглядной демонстрации этого рассмотрим простой вопрос: почему на дорогах северо-востока США[12] так много выбоин и ухабов? Каждую зиму вода проникает в крохотные трещинки в асфальте; при замерзании вода расширяется, асфальт начинает крошиться и образуется выбоина. Но сама мысль о том, что вода при замерзании расширяется, противоречит житейскому здравому смыслу. А вода действительно расширяется, и причиной тому — водородные связи. Молекула воды по форме напоминает букву V, причем в основании располагается атом кислорода. Молекула воды несет легкий отрицательный заряд у основания и легкий положительный заряд «наверху», где располагаются атомы водорода. Поэтому при замораживании воды ее молекулы выстраиваются в правильную пространственную решетку и застывают, а между ними остается пустое пространство. Молекулы воды образуют пространственные шестиугольники, расстояние между атомами в которых больше, поэтому лед объемнее воды. По этой же причине снежинки обладают шестисторонней симметрией, а лед плавает в воде, хотя по идее должен бы в ней тонуть.)

Проходить сквозь стены

Помимо поверхностного натяжения, водородных связей и сил Ван-дер-Ваальса на атомном уровне существуют и странные квантовые эффекты. Как правило, в повседневном быту мы не видим, как работают квантовые силы. На самом же деле они всюду. Известно, к примеру, что внутри атомы по большей части пусты, и по идее ничто не должно нам мешать проходить сквозь стены. Между ядром в центре атома и электронными оболочками ничего нет, там вакуум. Если увеличить атом до размеров футбольного поля, поле окажется пустым, поскольку его ядро при этом приобретет примерно размеры песчинки.

(Мы иногда удивляем студентов простой демонстрацией. Берем счетчик Гейгера, кладем перед студентом, а со спины к нему подносим безвредную крупинку радиоактивного вещества. Студентов поражает, что какие-то частицы пронизывают его тело насквозь, вызывая щелчки счетчика, как если бы занимаемый его телом объем был по большей части пуст. А ведь так и обстоит дело в действительности!)

Но если мы с вами по большей части пусты, то почему мы не можем проходить сквозь стены? В фильме «Привидение» герой Патрика Суэизи, убитый соперником, превращается в призрак. Каждый раз, когда он пытается прикоснуться к своей бывшей невесте, которую играет Деми Мур, у него ничего не получается Его руки проходят сквозь обычное вещество; он понимает что утратил вещественную составляющую и теперь просто плавает, не замечая твердых объектов. В одной сцене он засовывает голову в движущийся вагон метро. Поезд несется мимо, голова героя торчит сквозь летящую стену, но он ничего не чувствует (Фильм не объясняет, почему сила тяжести не заставляет героя провалиться сквозь пол и дальше до самого центра Земли. Судя по всему, привидения могут проходить сквозь любые вещи кроме твердого пола.)