Страница:
Структура вакуума
Действительно ли скорость света – реальный предел? Люди когда-то говорили о "звуковом барьере", и некоторые верили, что он не даст самолёту перейти скорость звука. Затем на базе Эдвард Эа Форс в 1947 году, Чак Ииджер рассёк октябрьское небо звуком перехода звукового барьера. Сегодня некоторые люди говорят о "световом барьере", и спрашивают, может ли он также отступить.К сожалению для писателей научной фантастики эта параллель поверхностна. Никто никогда не мог утверждать, что скорость звука – это реальный физический барьер. Метеоры и пули превышали его каждый день и даже щёлкающий хлыст переходил "звуковой барьер". Но никто не видел ничего, что бы двигалось быстрее света. Удалённые места, видимые с помощью радиотелескопов, иногда кажутся движущимися быстрее, но простые трюки перспективы легко объясняются, как это может быть. Гипотетические частицы, называемые «тахионами» двигались бы быстрее света, если бы он существовали, но их пока не нашли, а сегодняшняя теория их не предсказывает. Экспериментаторы толкали протоны со скоростью более 99,9995 процентов скорости света и получили результаты, которые идеально соответствовали предсказаниям Эйнштейна. Когда их толкают всё быстрее, скорость частицы очень медленно приближается к скорости света, в то время как её энергия (масса) растёт безгранично.
На Земле, человек может идти пешком или плыть только на определённые расстояния, но никакой таинственный край или барьер вдруг не остановит его путешествия. Просто Земля круглая. Ограничение скорости в пространстве предполагает не больше "светового барьера", чем предел расстояния на Земле предполагает стену. Само пространство – вакуум, который содержит энергию и материю, имеет свойства. Одно из них – это его геометрия, которая может быть описана, если рассматривать время как особое измерение. Эта геометрия заставляет скорость света отступать перед ускоряющимся космическим кораблём во многом подобно тому как горизонт отступает перед движущимся по морю кораблём: скорость света, подобно горизонту всегда равноудалена во всех направлениях. Но аналогия здесь заканчивается – это подобие никак не поясняет кривизну пространства. Достаточно запомнить, что предельная скорость – это не что-то такое грубое и что можно преодолеть, как "световой барьер". Объекты всегда могут двигаться быстрее, но не быстрее света.
Люди давно мечтали о контроле над гравитацией. В издании 1962 года книги "Очертания будущего" Артур Ц. Кларк писал, что "Из всех сил гравитация – самая загадочная и самая неумолимая", и дальше продолжал, предлагая мысль, что мы однажды разработаем подходящие устройства для управления гравитацией. Однако действительно ли гравитация такая таинственная? В общей теории относительности Эйнштейн описывал гравитацию как кривизну в пространственно-временной структуре вакуума. Математическое описание этого элегантно и точно, и делает предсказания, которые прошли через все испытания, с тех пор предпринимаемые.
Гравитация не более и не менее неумолима, чем остальные силы. Никто не может заставить валун потерять свою гравитацию, но также никто не может заставить электрон потерять свой электрический заряд или электрический ток – своё магнитное поле. Мы управляем электрическими и магнитными полями, передвигая частицы, которые их создают; мы можем управлять гравитационными полями аналогичным образом, передвигая обычные массы. Представляется, что мы не можем изучить секрет управления за гравитацией, потому что мы уже это сделали.
Ребёнок с маленьким магнитиком может поднять гвоздь, используя магнитное поле, чтобы преодолеть гравитационное притяжение Земли. Но к сожалению для страстного желания инженеров, работающих с гравитацией, использование гравитации, чтобы поднять гвоздь, требует огромной массы. Если прямо у вас над головой будет находиться Венера – это почти сделает то, что нужно, пока она не упадёт на вас.
Инженеры возбуждают электромагнитные волны, передвигая электрические заряды туда-сюда в антенне; можно возбудить гравитационные волны, перемещая камень в воздухе. Но опять же, гравитационный эффект слабый. Хотя в радиостанции мощностью в один киловатт нет ничего необычного, перемещение и закручивание всей массы солнечной системы вместе взятой не может выделить так много, как один киловатт гравитационных волн.
Мы понимаем гравитацию достаточно хорошо; в этом просто нет большой пользы для построения машин намного легче чем Луна. Но устройства с использованием большой массы, будут работать. Гидроэлектростанция – часть гравитационной машины (другая часть – Земля), которая извлекает энергию из падающей массы. Машины, используя чёрные дыры, будут способны извлекать энергию из падающей массы более чем с 50-процентной эффективностью, основываясь на формуле Е=mc 2
Вылить одно ведро воды в чёрную дыру выделило бы столько же энергии, сколько переливание нескольких триллионов вёдер воды через генератор дамбы гидроэлектростанции в километр высотой.
Поскольку законы гравитации описывают, как искривляется вакуум, они также применимы к научно-фантастическим "искривлениям пространства". По-видимому, туннели из одной точки пространства в другую были бы нестабильны, даже если они могли бы быть прежде созданы. Это не позволяет будущим космическим кораблям достигать отдалённых точек быстрее, чем свет, используя короткий путь вокруг лежащего посреди пространства, и это ограничение в перемещении в свою очередь устанавливает предел росту.
По-видимому, закон Эйнштейна даёт аккуратное описание общей геометрии вакуума. Если так, то пределы, которые получаются в результате, неизбежны: вы можете избавиться почти от всего, но не от самого вакуума.
Другие законы и пределы выглядят неизбежными по аналогичным причинам. В действительности физики всё больше приходят тому, чтобы описывать все физические законы в терминах структуры вакуума. Гравитационные волны – определённый тип колебаний вакуума; чёрные дыры – определённый тип завихрения. Аналогично, радиоволны – другой вид колебаний вакуума, а элементарные частицы – ещё один, очень отличающийся вид завихрения (которые в некоторых теориях напоминает крошечные вибрирующие струны). С этой точки зрения существует только одно вещество во вселенной – вакуум, но оно принимает множество форм, включая те структуры, которые мы называем "твёрдой материей". Этот взгляд наводит на мысль о неизбежных свойствах естественного закона. Если единое вещество, которое заполняет вселенную – это и есть вселенная, то его свойства ограничивают то, что мы можем делать.
Однако странность современной физики ведёт к тому, что большинство людей ей не верят. Революции, которые произвели квантовая механика и относительность, породили разговоры о "принципе относительности", "волновой природе материи", "материи, которая суть энергия" и "искривлённом пространстве-времени". Атмосфера парадокса окружает эти идеи и таким образом саму физику. Понятно, что новые технологии должны выглядеть для нас странно, но почему древние и неизменные законы природы оказываются загадочными и шокирующими?
Наш мозг и языки развились так, чтобы иметь дело с вещами, намного превосходящими по размерам атомы, движущимися с крошечной долей скорости света. Они сделали в этом достаточно хорошие успехи, хотя чтобы научиться описывать движение падающего камня заняло у людей столетия. Но мы простерли наше знание далеко за пределы древнего мира ощущений. Мы обнаружили вещи (материальные волны, искривлённое пространство), которые кажутся причудливыми, и некоторые просто находятся вне нашей способности их представить. Но «причудливый» не значит таинственный или непредсказуемый. Математика и эксперименты тем не менее работают, позволяя учёным разнообразить и отбирать теории, производя в них эволюцию так, что они подходили даже под странную реальность. Человеческий разум оказался замечательно гибким, но не особо удивительно обнаружить, что мы не можем всегда себе представить невидимое.
Часть причины, что физика кажется такой странной в том, что люди страстно жаждут странностей, и имеют склонность распространять мимы, которые описывают вещи как странные. Некоторые люди поддерживают идеи, которые скрывают мир в слоях и наполняют его таинственностями вида "уровень Б". Естественно, они поддерживают и распространяют мимы, которые заставляют материю выглядеть нематериальной и квантовую механику выглядеть как ветвь психологии.
Относительность, как уже сказано, обнаруживает, что материя (которая – обычная старая материя, которую люди думают, что понимают) – это на самом деле энергия (эта тонкая таинственная субстанция, которая заставляет события происходить). Это даёт почву для широкого тумана на тему тайны вселенной. Могло быть более понятным сказать, что относительность обнаруживает, что энергия – одна из форм материи, во всех её формах, энергия имеет массу. Действительно, световые паруса работают на этом принципе, благодаря удару массы в поверхность. Свет даже идёт упакованным в частицы.
Также рассмотрим принцип неопределённости Эйзенберга, и связанный с ним факт, что "наблюдатель всегда воздействует на наблюдаемое." Принцип неопределённости присущ математике, описывающей обычную материю (давая атомам им присущий размер), но связанный "эффект наблюдателя" представлен в некоторых популярных книгах как магическое влияние сознания на мир. В действительности суть идеи более прозаическая. Представьте себе, что вы смотрите на пылинку в солнечном свете: когда вы наблюдаете отражённый свет, вы обязательно воздействуете на него – ваш глаз его поглощает. Аналогично, свет (со своей массой) воздействует на пятнышко пыли: он отталкивается от пылинки, прикладывая силу. Результат – не воздействие вашего разума на пыль, а воздействие света на пыль. Хотя квантовое измерение имеет особенности намного более тонкие чем эта, ни одна из них не включает разум, выходящий наружу, чтобы изменить реальность.
Наконец рассмотрим "парадокс близнецов". Относительность предсказывает, что если один из пары близнецов летит к другой звезде и возвращается со скоростью, близкой к скорости света, то близнец, который летит, будет младше, чем оставшийся дома брат. Действительно, измерения с точными часами демонстрируют эффект замедления времени при очень быстром движении. Но это – не парадокс, это просто факт природы.
Будет ли физика снова дополнена?
В 1894 году знаменитый физик Альберт А. Мичельсон заявлял: "Наиболее важные фундаментальные законы и факты физической науки открыты, и они сейчас так твёрдо установленные, что возможность их когда-нибудь заменить на что-то новое вследствие новых открытий крайне отдалена… Наши будущие открытия нужно искать в шестом знаке после запятой."Но в 1895 году Рентген открыл рентгеновские лучи. В 1896 году, Беккерель открыл радиоактивность. В 1897 – Томсон открыл электрон. В 1905-м – Эйнштейн сформулировал специальную теорию относительности (и таким образом объяснил собственные наблюдения Михельсона в 1887 году относительно скорости света). В 1905-м Эйнштейн также представил фотонную теорию света. В 1911-м Резерфорд открыл ядро атома. В 1915-м Эйнштейн сформулировал общую теорию относительности. В 1924-30, де Брогли, Эйзенберг, Бор, Паули и Дирак разработали основы квантовой механики. В 1929 году Хаббл объявил о доказательстве расширения вселенной. В 1931 Михельсон умер.
Михельсон сделал незабываемую ошибку. Люди всё ещё указывают на его заявление и то, что за ним последовало, чтобы подтвердить точку зрения, что нам не следует (никогда?) провозглашать какое бы то ни было достоверное понимание естественного закона или приделов возможного. В конце концов, если Михельсон было столь уверен и тем не менее оказался так не прав, не должны ли мы опасаться повторить его ошибку? Великая революция в физике привела некоторых людей к заключению, что наука будет продолжать приносить бесконечные важные сюрпризы, даже сюрпризы, важные для инженеров. Но есть ли вероятность нам встретиться с такими серьёзными сдвигами снова?
Возможно нет. Содержание квантовой механики было удивительным, однако до её появления физика была очевидно и серьёзно неполна. До квантовой механики вы могли бы подойти к любому учёному, злобно улыбаясь, стукнуть по столу и спросить: "Что удерживает эти штуки вместе? Почему это – коричневое и твёрдое, в то время как воздух – прозрачный и газообразный?" Ваша жертва могла бы сказать что-то туманное об атомах и их порядке, но когда вы будете настаивать на разъяснении, вы бы в лучшем случае получили в ответ что-то вроде "Кто знает? Физика пока не может объяснить материю!" Ретроспективный взгляд делать легко, однако в мире, сделанном из материи, населённом материальными людьми, использующими материальные инструменты, это невежество о природе материи было брешью в человеческом знании, которое Михельсону бы возможно следовало заметить. Это была брешь не в "шестом знаке после запятой", а в самой целой части числа.
Также стоит посмотреть, до какой степени Михельсон был прав. Законы, о которых он говорил включали законы Ньютона о гравитации и движении, и законы Максвелла об электромагнетизме. И действительно, при обычных условиях в конструировании эти законы были изменены только "в шестом знаке после запятой." Законы Эйнштейна гравитации и движения соответствуют законам Ньютона близко, за исключением предельных условий гравитации и скорости; законы квантовой электродинамики Феймана, Швингера и Томонага близко соответствуют Законам Максвелла кроме как при экстремальных значениях размера и энергии.
Дальнейшие революции, вне сомнения, притаились где-то на крайних значениях этих теорий. Но эти края кажутся далёкими от мира живых существ и машин, которые мы строим. Революции относительности и квантовой механики изменили наше знание о материи и энергии, но сами материя и энергия остались неизменными – они реальны и им нет никакого дела до наших теорий. Физики сейчас используют единый набор законов, чтобы описать, как ядра атомов и электроны взаимодействуют в атомах, молекулах, молекулярных машинах, живых существах, планетах и звёздах. Эти законы пока не окончательно общие; поиск универсальной теории всех физических явлений продолжается. Но как утверждает физик Стефан В. Хокинг, "На настоящий момент мы обладаем набором частных законов, которые управляют поведением вселенной при всех, кроме наиболее экстремальных условий." И по инженерным стандартам, эти условия просто необычайно экстремальны.
Физики постоянно объявляют новые частицы, наблюдаемые в осколках из столкновений частиц с крайне высокой энергией, но вы не можете купить одну из этих частиц в коробочке. И это важно понимать, потому что если частица не может быть сохранена, то она не может служить компонентом стабильной машины. Коробочки и их содержимое состоят из электронов и ядер. Ядра, в свою очередь, состоят из протонов и нейтронов. Атомы водорода имеют в своих ядрах только один протон; атомы свинца имеют восемьдесят два протона и более сотни нейтронов. Изолированные нейтроны распадаются за несколько минут. Некоторые другие стабильные частицы известны: фотоны – частицы света, полезны и могут быть на некоторое время пойманы; нейтрино – почти неопределяемые и не могут быть пойманы. Эти частицы (кроме фотона) имеют соответствующие античастицы. Все остальные известные частицы распадаются за несколько миллионных секунды или быстрее. Таким образом единственные известные строительные блоки для аппаратных средств – это электроны и ядра (или их частицы, для некоторых особых приложений); эти строительные блоки обычно комбинируются и образуют атомы и молекулы.
Однако вопреки мощи современной физики, наше знание всё ещё содержит очевидные пробелы. Неустойчивое основание теории элементарных частиц оставляет некоторые пределы неопределёнными. Мы можем обнаружить новые стабильные частицы, которые "можно поместить в коробочку", такие как магнитные монополи или свободные кварки; если это так, они несомненно найдут себе применение. Мы можем даже найти поля дальнего действия или форму радиации, хотя это кажется всё более маловероятным. Наконец, некоторые новые способы сталкивания частиц могут улучшить нашу способность превращать известные частицы в другие известные частицы.
Но в целом, сложные аппаратные средства будут требовать сложных, устойчивых структур из частиц. Вне среды колапсирующей звезды, это значит структуры из атомов, которые хорошо описываются релятивистской квантовой механикой. Границы физики передвинулись. На теоретическом уровне физики ищут универсальное описание взаимодействий всех возможных частиц, даже частиц с наименьшим сроком жизни. На экспериментальном уровне они изучают структуры осколков атомов, создаваемых столкновениями с высокими энергиями в ускорителях частиц. Пока никакие новые устойчивые и полезные частицы не выходят из таких столкновений, или возникают как остатки прошлых космических потрясений, атомы будут оставаться единственными строительными блоками устойчивых аппаратных средств. И конструирование будет оставаться игрой, в которую играют с помощью уже известных фигур по уже известным правилам. Новые частицы добавили бы новые фигуры, но не отменили бы правил.
Границы аппаратных средств
Действительно ли молекулярные машины – конец на пути миниатюризации? Идея, что молекулярные машины могли бы стать шагом на пути ещё более маленьких "ядерных машин" кажется достаточно естественной. Один молодой человек (студент последнего курса по экономике в Колумбийском университете) слышал о молекулярной технологии и её способности манипулировать атомами и сразу заключил, что молекулярная технология могла бы делать всё что угодно, даже разлагать ядерные бомбы на безопасные свинцовые кирпичики на расстоянии.Молекулярная технология не может делать ничего подобного. Превращение плутония в свинец (будь то на расстоянии или нет) находится вне возможностей молекулярной технологии по той же причине, что и превращение свинца в золото лежит вне возможностей алхимии. Молекулярные силы имеют мало влияния на ядра атомов. Атомы содержат в себе более 99,9 процентов атомной массы и занимают около 1/1.000.000.000.000.000 его объёма. В сравнении с ядром, остальная часть атома (электронное облако) меньше, чем пушинка. Пытаться изменить ядро, тыкая в него молекулой – это даже более бесполезно, чем пытаться расплющить стальной шарик от подшипника, тыкая в него шаром воздушной сахарной ваты. Молекулярная технология может сортировать и переупорядочивать атомы, но она не может достичь ядра, чтобы изменить тип атома.
Наномашины не могут быть полезны в построении машин размером ядра, даже если они могли бы существовать. Очевидно они не могут, по крайней мере при условиях, которые мы можем создать в лаборатории. Машины должны иметь некоторое число частей в близком контакте, но плотно упакованные ядра яростно отталкивают друг друга. Когда расщеплялись ядра при взрыве Хиросимы, большая часть энергии высвободилась из-за свирепого электростатического отталкивания только что расщеплённых половинок. Хорошо известная трудность слияния ядер происходит из той же самой проблемы отталкивания ядер.
В добавок к расщеплению или слиянию, ядра можно заставить испускать или поглощать различные типы излучения. В одном из методов их заставляют двигаться по спирали так, чтобы получать полезную информацию, позволяя докторам делать медицинские изображения, основанные на ядерном магнитном резонансе. Но все эти явления опираются только на свойства хорошо разделённых ядер. Изолированное ядро слишком просто, чтобы действовать как машина или электронная схема. Ядра можно заставить сблизиться, но только при громадном давлении, которое обнаруживается внутри коллапсирующих звёзд. Занятия конструированием в таких условиях представляло бы существенные трудности, даже если коллапсирующая звезда была бы у нас в руках.
Это возвращает нас к основному вопросу: что мы можем сделать, нужным образом упорядочивая атомы? Некоторые пределы уже кажутся понятными. Самый прочный возможный материал будет иметь грубо в десять раз больше прочность, чем сегодняшний самый прочный стальной провод. (Самый прочный материал для изготовления кабелей, по-видимому – карбин, форма углерода, имеющая атомы, упорядоченные в прямые цепочки.) Представляется, что тепловые вибрации при обычных давлениях будут разрывать самые прочные твёрдые материалы при температурах около четырёх тысяч градусов Цельсия (примерно на полторы тысячи градусов прохладнее, чем на поверхности Солнца).
Эти грубые свойства материи – прочность и жароустойчивость не могут быть существенно улучшены посредством сложного, умно устроенного упорядочивания атомов. Кажется вероятным, что наилучшие структуры будут достаточно простые и правильные. Другие довольно простые цели включают передачу тепла, изоляцию от тепла, передачу электрического тока, электрическую изоляцию, передачу света, отражение света и поглощение света.
Для некоторых целей, погоня за совершенством приведёт к простым структурам; для других она приведёт к конструкционным проблемам, которые нет никакой надежды разрешить. Разработка наилучшего возможного переключающего компонента для компьютера может оказаться достаточно простой; разработка наилучшего возможного компьютера будет намного более сложной. В действительности, то, что мы рассматриваем как "наилучшее возможное" будет зависеть от многих факторов, включая стоимость материи, энергии и времени – и от того, что мы собираемся вычислять. В любом конструкторском проекте, то, что мы называем «лучшим» зависит от бесконечно многих факторов, включая плохо определяемые и постоянно меняющиеся человеческие потребности. Что более важно, даже когда «лучшее» определено, стоимость поиска последнего прироста в улучшении, которое отделяет наилучшее от просто отличного может не стоить своей цены. Однако мы можем игнорировать все такие вопросы, как сложность и стоимость разработки, когда рассматриваем, действительно ли существуют пределы.
Чтобы определить предел, нужно выбрать направление, шкалу качества. Если двигаться по какому-то направлению, в сторону, определённую как «лучше», то обязательно будет что-то «наилучшее». Структура упорядочивания атомов определяет свойства аппаратных средств, а согласно квантовой механике, множество возможных способов упорядочивания конечно – более чем астрономически огромно, но не бесконечно. Математически следует, что при ясной цели, некоторое одно из этих способов упорядочивания должно быть наилучшим, или близким к нему. Как в шахматах, ограниченное число фигур и ходов ограничивает способы упорядочивания и, значит, возможности. Однако и в шахматах, и в конструировании, множество возможного в этих пределах неисчерпаемо.
Знать лишь фундаментальные законы материи не достаточно, чтобы сказать точно, где лежат все пределы. Мы кроме того должны встретиться со сложностями конструирования. Наше знание о некоторых ограничениях остаётся в больших пределах: "Мы знаем только то, что предел лежит между этой точкой (несколько шагов вперёд) и той (пятнышко где-то у линии горизонта)". Ассемблеры откроют путь к пределам, где бы они ни были, а системы автоматического инжиниринга ускорят прогресс по пути к этому. Абсолютное совершенство часто оказывает неуловимым, но бегущие вверх часто оказываются почти около него.
По мере того, как мы будем продвигаться к действительным пределам, наши способности будут во всё больших областях технологии прекращать расти. Продвижения в этих областях остановятся не просто на десятилетие или век, но насовсем.
Некоторые могут игнорировать слово «насовсем», думая "Никаких улучшений за тысячу лет? За миллион лет? Это должно быть переоценкой." Однако там, где мы достигнем настоящих физических пределов, мы дальше не пойдём. Правила игры встроены в структуру вакуума, в структуру вселенной. Никакое переупорядочивание атомов, никакое сталкивание частиц, никакое законодательство или пение хоралов не сдвинут естественные законы ни на йоту. Мы можем неправильно оценивать пределы сегодня, но где бы пределы ни были, там они и останутся.
Этот взгляд на естественные законы показывает пределы качеству вещей. Но мы также сталкиваемся с пределами количеству, устанавливаемому не только естественными законами, но тем, как материя и энергия упорядочена во вселенной, как нам удаётся её обнаруживать. Автор книги "Пределы росту", также как и многие другие, пытался описать эти пределы, не исследуя прежде пределы технологии. Это дало результаты, вводящие в заблуждение.