Мегатех. Технологии и общество 2050 года в прогнозах ученых и писателей - Коллектив авторов

Можно было бы говорить о важном достижении и значительном прогрессе, если бы удалось выявить какое-либо конкретное наблюдаемое явление, несущее в себе характерные черты квантовой гравитации, – и, конечно, понаблюдать за ним. До сих пор, несмотря на повсеместное интенсивное внимание и перспективу славы и премий, это еще никому не удалось.

Важная функция фундаментального знания состоит в том, чтобы избавить нас от мыслей, которые, скорее всего, окажутся непродуктивными. Здесь я хотел бы упомянуть о трех потенциальных «технологиях», широко представленных в популярных СМИ, но не слишком хорошо стыкующихся с фундаментальной физикой. Конечно, сюрпризы всегда возможны, и природа – это высший авторитет. Но развитие событий в следующих направлениях потребует от нас отказаться от принципов, которые до сих пор нам очень хорошо служили.

• Передача информации со сверхсветовой скоростью противоречит специальной теории относительности. В экстремальных условиях, при наличии сильных гравитационных полей, пространство-время может деформироваться. Из-за этого возникает вероятность образования туннелей в пространстве («кротовых нор») между точками, которые иначе находятся невероятно далеко одна от другой. Но, как я буду размышлять ниже, использование «кротовых нор» выходит далеко за пределы возможностей любой достижимой технологии.

• Воздействие на большом расстоянии, о котором говорила, например, астрология, не является частью нашей стандартной модели. Не случайно это также не согласуется с накопленным наукой опытом. Стоит предпринять несколько обычных мер предосторожности, как даже невероятно тонкие эксперименты дают воспроизводимые результаты, независимые от внешнего мира.

• Ментальное воздействие, явным образом проявляющееся в экстрасенсорном восприятии, телекинез, ясновидение и так далее, оторванные от физического субстрата, являются объектами аналогичных толков. Для них в современной фундаментальной физике нет места. И даже после максимально тщательно проведенных исследований экспериментаторы не сочли нужным беспокоиться о том, что думают люди.

Перспективы

Можно ожидать, что скоро компьютеры сделают для ядерной физики, астрофизики, материаловедения и химии то, что уже сделали в области авиастроения, дополнив и в конечном счете заменив лабораторные эксперименты вычислениями.

Недавняя разработка КХД – нашей теории сильного взаимодействия – позволяет достаточно четко предвидеть грядущее. Первоначальная проверка теории производилась при помощи точного количественного описания процессов очень высоких энергий, где ее закономерности упрощаются. Но ядерная физика, требующая изучения, в первую очередь, сильных взаимодействий, оказалась крепким орешком. Для решения уравнений КХД аналитическими методами потребовалась значительная изобретательность, а наиболее успешным подходом на сегодняшний день стало представление фундаментальных уравнений в формате, с которым могут работать компьютеры с тем, чтобы дальше действовали они. Теперь мы можем предвидеть будущее, в котором ядерная физика достигнет того же уровня точности и универсальности, которого добилась сегодня атомная. Усовершенствованная ядерная «химия» может дать нам сверхплотные источники энергии – более компактные, более управляемые и более универсальные, чем современные реакторы (или бомбы).

При проектировании полезных катализаторов и препаратов расчет будет все чаще заменять эксперименты, что приведет к значительно большей эффективности и откроет новые возможности для творческих исследований.

Многие технологические проблемы напрямую связаны со свойствами материалов. Создание более производительных аккумуляторных батарей (источников энергии) может привести к революции в области робототехники; повышение эффективности работы фотоэлементов может облегчить переход на широкомасштабное использование солнечной энергии; сверхпроводники, сохраняющие свойства при комнатной температуре, могут облегчить движение железнодорожного транспорта; прочные материалы позволят построить космический лифт, способный дешево и надежно связать Землю с космосом. В каждой из этих – и многих других – важных областей относительно небольшие улучшения ключевых свойств материалов могут кардинально изменить основные правила функционирования объектов. Можно ли это сделать? Ответ скрыт в наших уравнениях, но, чтобы извлечь его, надо произвести вычисления.

Здесь есть две проблемы: аппаратное и программное обеспечение. А 25 циклов закона Мура (глава 4) дали людям в целом и физикам в частности вычислительные средства огромной мощности. Рост, раньше бывший экспоненциальным, замедляется, больше не предполагая удвоения количества компонентов в интегральной схеме каждые два года, поскольку, когда миниатюризация достигает атомных масштабов, начинают действовать другие законы физики. Тем не менее в ближайшие десятилетия мы можем ожидать по крайней мере еще несколько циклов даже без резкого изменения ситуации в существующей полупроводниковой технологии.

Существует и ряд перспективных новых направлений. В основном обработка информации сегодня основана на перемещении электрического заряда, реализуемом как движение электронов. Но электроны движутся гораздо медленнее света, и их трафик порождает тепло, которое хлопотно удалять. Для передачи больших объемов информации на дальние расстояния уже регулярно используется свет – процесс, требующий преобразования из электронного кодирования в световое и обратно. При работе с ним преобразователи быстро становятся более эффективными и универсальными и могут превратиться в самостоятельные «фотонные» компьютеры.

Более революционной является перспектива квантовых компьютеров, использующих для кодирования информации явление квантовой запутанности. В принципе, это явление имеет сложную структуру, что позволяет использовать его для хранения и обработки информации с чрезвычайно высокой плотностью. К сожалению, сложность эту переоценить трудно. Весьма перспективными кажутся несколько возможных технологий для защиты и эксплуатации этого явления, но пока они находятся в зачаточном состоянии. Если большие и практичные квантовые компьютеры могут быть построены, они должны быть очень хороши в решении задач квантовой механики, высвобождая скрытую силу нашей основной темы.

Еще одно направление – возможность черпать вдохновение в биологии. Современные компьютеры в основном двумерны. Они базируются на чипах, которые должны производиться в условиях идеально чистого помещения, поскольку любое отклонение от этого требования может оказаться фатальным для их работоспособности. Если чип поврежден, его уже нельзя восстановить. Мозг человека отличается от чипов во всех отношениях: он трехмерный, создается в грязных условиях, не требуя при этом особого контроля со стороны, и способен восстанавливаться при сбоях и травмах. В системах, сохраняющих плотность записи, скорость и масштабируемость полупроводниковых технологий, существует хорошая возможность достижения этих характеристик, и нет явного физического барьера, не позволяющего реализовать эту идею.

Наиболее эффективные алгоритмы используют особенности задач, для решения которых они предназначены. Их работа – это совершенно творческий процесс, который трудно рассматривать в общих чертах. Здесь я остановлюсь только на одном – наиболее примечательном – аспекте разработки программного обеспечения. Значительная часть работы, проделанной для подкрепления закона Мура (особенно в его самых последних циклах), была основана на современных программных средствах и системах автоматизированого проектирования (САПР). Последние, описывая влияние фундаментальной физики в новых условиях, позволяют инженерам исследовать и уточнять новые пути реализации элементов схемы (например, уменьшая транзисторы) и оптимизировать ее архитектуру. Таким образом, существует мощный цикл обратной связи, благодаря которому успехи в области вычислений приводят к усовершенствованию конструкции компьютера, в свою очередь, способствуя дальнейшему прогрессу в вычислениях. Мы можем предвидеть, что с усложнением искусственного интеллекта возникнут многие другие петли обратной связи такого же рода. В результате открытия, сделанные при помощи наиболее мощных (и все более автономных) компьютеров, приведут к созданию еще более мощных компьютеров.

Фундаментальная физика утверждает, что существуют важные аспекты мира, которые мы могли бы наблюдать, но пока не можем этого сделать. Хочу упомянуть о нескольких наиболее выдающихся из них.