Всё о науке за 60 минут - Марти Джопсон

быть, пройдет еще лет 20, прежде чем мы увидим, что реальность и закон Мура начинают расходиться. Ведь за всю историю вычислительной техники он не раз сталкивался со всевозможными и, казалось бы, непреодолимыми препятствиями. Но неизменно, когда это происходило, нам удавалось найти новый подход или изобрести нечто такое, что позволяло удваивать число транзисторов каждые два года. Мур однажды описал свой закон как «нарушение закона Мерфи». А вы знаете, что этот самый закон предсказывает: если что-то может пойти не так, оно точно пойдет не так? И тем не менее пока мы все еще можем придерживаться закона Мура и, как говорил он сам, «становиться все лучше и лучше».

Вибрирующие кристаллы в ваших часах

Не подскажете, сколько времени? Скорее всего, вы посмотрите на часы и, благодаря этому крошечному устройству, использующему кристалл кварца, сможете ответить на вопрос. На циферблаты многих настольных и наручных часов крошечными буквами наносят надпись quartz, чтобы вы точно знали, что перед вами кварцевые часы. Но никаких других видимых доказательств вы не найдете, пусть и разберете свои часы, – вам вряд ли удастся обнаружить даже что-то похожее на кварц.

Кварц – чрезвычайно часто встречающееся в природе вещество, второй по распространенности минерал в мире. Каждый раз, когда вы видите песчаный пляж, а точнее прогуливаетесь по нему, вы буквально идете по кварцу. Из него состоит бóльшая часть этого песка. Кварц – это соединение из атомов кремния и кислорода, связанных вместе в кристалл. Он обладает многими нужными нам свойствами: кварц очень твердый, прозрачный, его можно изготовить искусственно и он демонстрирует необычный эффект, называемый пьезоэлектричеством.

В 1880 году – задолго до того, как стать мужем Марии Склодовской, – Пьер Кюри обнаружил, что если сжать кристалл кварца, то он поляризуется и произведет слабый электрический импульс. Эта его способность стала известна как пьезоэлектрический эффект. Год спустя Кюри доказал, что открытый им эффект работает и в обратном направлении. Если приложить ток к кристаллу кварца, его форма слегка деформируется. А после отключения тока кристалл возвращается к своей первоначальной форме и производит небольшой электрический импульс. Это позволило исследователям из Bell Telephone Laboratories спустя 30 лет понять главное: если сделать из кварца крошечные камертоны, можно заставить их резонировать, подавая на них электрические импульсы.

Когда объект резонирует, он вибрирует с так называемой резонансной частотой. Представьте себе ребенка, сидящего на качелях. Они совершают колебание назад и вперед примерно раз в 2 или 3 секунды. Это резонансная частота качелей, и, если вы хотите подниматься все выше и выше, вам нужно придерживаться этой частоты. Если же вы попытаетесь толкать качели чаще, стремясь увеличить частоту, это окажется вовсе не эффективным. Каждый объект имеет свою особую резонансную частоту, которая определяется его физическими свойствами. В случае с качелями это длина их канатов или цепей.

Внутри кварцевых часов есть крошечная металлическая деталь диаметром в несколько миллиметров. Именно в ней скрыт кристалл кварца, сегодня, как правило, круглого, хотя сначала он имел форму вилки-камертона. Когда на него подаются импульсы электричества, он начинает вибрировать, и эти вибрации сильнее всего на его резонансной частоте. После каждого механического воздействия кристалл расслабляется и производит крошечный электрический импульс. Если для воздействия вы будете использовать ту же частоту электрических импульсов, с которой их генерирует кристалл, то сразу достигнете резонанса. Чтобы определить резонансную частоту импульсов, нужно заставить кварц вибрировать сильно. Кварц формируется лазерными резаками[18], после чего вибрирует ровно 32 768 раз в секунду. Когда я говорю «ровно», то имею в виду с точностью до тысячной доли вибрации в секунду.

Причина, по которой выбрано число 32 768, проста. Дело в том, что эта частота находится в том диапазоне частот, в пределах которого легко заставить кварц вибрировать. Но более важно другое: если вы разделите это число на два 15 раз, то получите строго одну вибрацию в секунду. Наряду с хитроумной электроникой, создающей резонанс в кристалле, в часах есть схема, которая подсчитывает электрические импульсы, производимые кварцем. Используя повторное деление на два, она может выдавать электрический импульс ровно один раз в секунду. А далее это задача крошечного шагового электродвигателя (чаще используется шаговый электродвигатель Лавета) и простых шестеренок – преобразовать импульс в движение стрелок на часах.

Быть может, вы решите, что это все, конечно, удивительно, но это же прошлый век. Компьютеры и смартфоны автоматически узнают время, скачивая его из интернета. Что ж, это действительно так, и тем не менее им все равно нужно следить за временем, чтобы просто не слетала системная дата, и они способны делать это даже без интернета. Так что все наши современные часы и устройства, которые показывают время, заключают в себе то, что известно как часы реального времени[19]. Внутри них, вибрируя с частотой 32 768 раз в секунду, функционирует крошечный кварцевый кристалл – кварцевый генератор.

Когда батареи умирают

Электрическую батарею изобрели в 1800 году. Человеком, совершившим этот прорыв, стал Алессандро Вольта – немного застенчивый итальянец, чья фамилия в конце концов увековечилась как единица измерения электрической энергии. До того момента в истории наше понимание электрических явлений простиралось не дальше мгновенных искр статического электричества. Затем появился Вольта со своим столбом из соединенных медных и цинковых дисков, между которыми прокладывалась бумага или сукно, пропитанное серной кислотой. Этот столб мог производить постоянный электрический ток. Каждая ячейка из дисков давала напряжение около 0,85 В, хотя в то время и не существовало технической возможности измерить это и, конечно же, не было даже понятия о вольтах. Если сложить достаточное количество таких ячеек вместе в батарею, можно получить серьезные величины разности потенциалов и начать проводить интересные электрические эксперименты. Именно этим и занялось научное сообщество.

Но была и остается одна проблема: все батареи в конце концов перестают работать. Батареи, изобретенные когда-то Вольтой, теперь питают почти все устройства, что есть у нас дома, и являются неотъемлемой частью нашей жизни. Но даже аккумуляторные батареи, которые мы можем подзарядить, неизбежно выходят из строя.

Ключом к пониманию того, почему это происходит, служит усвоение факта, что батарея – это резервуар для энергии, хранящейся в химической форме. Внутри любой батарей есть два разных и обычно твердых химических вещества, соединенных между собой третьим – жидким. В вольтовом столбе ученый использовал твердые медь и цинк, а соединяла их пропитавшая сукно серная кислота. Однако можно взять бесчисленное множество других