" Ваша жерт
ва могла бы сказать что-то туманное об атомах и их порядке, но когда вы буд
ете настаивать на разъяснении, вы бы в лучшем случае получили в ответ что-
то вроде "Кто знает? Физика пока не может объяснить материю!" Ретроспектив
ный взгляд делать легко, однако в мире, сделанном из материи, населённом м
атериальными людьми, использующими материальные инструменты, это неве
жество о природе материи было брешью в человеческом знании, которое Михе
льсону бы возможно следовало заметить. Это была брешь не в "шестом знаке п
осле запятой", а в самой целой части числа.
Также стоит посмотреть, до какой степени Михельсон был прав. Законы, о кот
орых он говорил включали законы Ньютона о гравитации и движении, и закон
ы 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 скорост
и; 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 значен
иях этих теорий. Но эти края кажутся далёкими от мира живых существ и маши
н, которые мы строим. Революции относительности и квантовой механики изм
енили наше знание о материи и энергии, но сами материя и энергия остались
неизменными Ц 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, жи
вых существах, планетах и звёздах. Эти законы пока не окончательно общие;
поиск универсальной теории всех физических явлений продолжается. Но ка
к утверждает физик Стефан В. Хокинг, "На настоящий момент мы обладаем набо
ром частных законов, которые управляют поведением вселенной при всех, кр
оме наиболее экстремальных условий." И по инженерным стандартам, эти усл
овия просто необычайно экстремальны.
Физики постоянно объявляют новые частицы, наблюдаемые в осколках из сто
лкновений частиц с крайне высокой энергией, но вы не можете купить одну и
з этих частиц в коробочке. И это важно понимать, потому что если частица не
может быть сохранена, то она не может служить компонентом стабильной ма
шины. Коробочки и их содержимое состоят из электронов и ядер. Ядра, в свою
очередь, состоят из протонов и нейтронов. Атомы водорода имеют в своих яд
рах только один протон; атомы свинца имеют восемьдесят два протона и бол
ее сотни нейтронов. Изолированные нейтроны распадаются за несколько ми
нут. Некоторые другие стабильные частицы известны: фотоны Ц частицы све
та, полезны и могут быть на некоторое время пойманы; нейтрино Ц почти нео
пределяемые и не могут быть пойманы. Эти частицы (кроме фотона) имеют соот
ветствующие античастицы. Все остальные известные частицы распадаются
за несколько миллионных секунды или быстрее. Таким образом единственны
е известные строительные блоки для аппаратных средств Ц 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 оче
видные пробелы. Неустойчивое основание теории элементарных частиц ост
авляет некоторые пределы неопределёнными. Мы можем обнаружить новые ст
абильные частицы, которые "можно поместить в коробочку", такие как магнит
ные монополи или свободные кварки; если это так, они несомненно найдут се
бе применение. Мы можем даже найти поля дальнего действия или форму ради
ации, 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, устойчи
вых структур из частиц. Вне среды колапсирующей звезды, это значит струк
туры из атомов, которые хорошо описываются релятивистской квантовой ме
ханикой. Границы физики передвинулись. На теоретическом уровне физики и
щут универсальное описание взаимодействий всех возможных частиц, даже
частиц с наименьшим сроком жизни. На экспериментальном уровне они изуча
ют структуры осколков атомов, создаваемых столкновениями с высокими эн
ергиями в ускорителях частиц. Пока никакие новые устойчивые и полезные ч
астицы не выходят из таких столкновений, или возникают как остатки прошл
ых космических потрясений, атомы будут оставаться единственными строи
тельными блоками устойчивых аппаратных средств. И конструирование буд
ет оставаться игрой, в которую играют с помощью уже известных фигур по уж
е известным правилам. Новые частицы добавили бы новые фигуры, но не отмен
или бы правил.

Границы аппаратных средств


Действительно ли молекулярные машины Ц конец на пути миниатюризации? И
дея, что молекулярные машины могли бы стать шагом на пути ещё более мален
ьких "ядерных машин" кажется достаточно естественной. Один молодой челов
ек (студент последнего курса по экономике в Колумбийском университете) с
лышал о молекулярной технологии и её способности манипулировать атома
ми 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 возможнос
тей молекулярной технологии по той же причине, что и превращение свинца
в золото лежит вне возможностей алхимии. Молекулярные силы имеют мало вл
ияния на ядра атомов. Атомы содержат в себе более 99,9 процентов атомной мас
сы и занимают около 1/1.000.000.000.000.000 его объёма. В сравнении с ядром, остальная част
ь атома (электронное облако) меньше, чем пушинка. Пытаться изменить ядро, т
ыкая в него молекулой Ц это даже более бесполезно, чем пытаться расплющ
ить стальной шарик от подшипника, тыкая в него шаром воздушной сахарной
ваты. Молекулярная технология может сортировать и переупорядочивать а
томы, 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 не
которое число частей в близком контакте, но плотно упакованные ядра ярос
тно отталкивают друг друга. Когда расщеплялись ядра при взрыве Хиросимы
, большая часть энергии высвободилась из-за свирепого электростатическ
ого отталкивания только что расщеплённых половинок. Хорошо известная т
рудность 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 дви
гаться по спирали так, чтобы получать полезную информацию, позволяя докт
орам делать медицинские изображения, основанные на ядерном магнитном р
езонансе. Но все эти явления опираются только на свойства хорошо разделё
нных ядер. Изолированное ядро слишком просто, чтобы действовать как маши
на или электронная схема. Ядра можно заставить сблизиться, но только при
громадном давлении, которое обнаруживается внутри коллапсирующих звёз
д. Занятия конструированием в таких условиях представляло бы существен
ные трудности, даже если коллапсирующая звезда была бы у нас в руках.
Это возвращает нас к основному вопросу: что мы можем сделать, нужным обра
зом упорядочивая атомы? Некоторые пределы уже кажутся понятными. Самый п
рочный возможный материал будет иметь грубо в десять раз больше прочнос
ть, чем сегодняшний самый прочный стальной провод. (Самый прочный матери
ал для изготовления кабелей, по-видимому Ц карбин, форма углерода, имеющ
ая атомы, упорядоченные в прямые цепочки.) Представляется, что тепловые в
ибрации при обычных давлениях будут разрывать самые прочные твёрдые ма
териалы при температурах около четырёх тысяч градусов Цельсия (примерн
о на полторы тысячи градусов прохладнее, чем на поверхности Солнца).
Эти грубые свойства материи Ц прочность и жароустойчивость не могут бы
ть существенно улучшены посредством сложного, умно устроенного упоряд
очивания атомов. Кажется вероятным, что наилучшие структуры будут доста
точно простые и правильные. Другие довольно простые цели включают перед
ачу тепла, изоляцию от тепла, передачу электрического тока, электрическу
ю изоляцию, передачу света, отражение света и поглощение света.
Для некоторых целей, погоня за совершенством приведёт к простым структу
рам; для других она приведёт к конструкционным проблемам, которые нет ни
какой надежды разрешить. Разработка наилучшего возможного переключающ
его компонента для компьютера может оказаться достаточно простой; разр
аботка наилучшего возможного компьютера будет намного более сложной. В
действительности, то, что мы рассматриваем как "наилучшее возможное" буд
ет зависеть от многих факторов, включая стоимость материи, энергии и вре
мени Ц и от того, что мы собираемся вычислять. В любом конструкторском пр
оекте, то, что мы называем «лучшим» зависит от бесконечно многих факторо
в, включая плохо определяемые и постоянно меняющиеся человеческие потр
ебности. Что более важно, даже когда «лучшее» определено, стоимость поис
ка последнего прироста в улучшении, которое отделяет наилучшее от прост
о отличного может не стоить своей цены. Однако мы можем игнорировать все
такие вопросы, как сложность и стоимость разработки, когда рассматривае
м, 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 атом
ов определяет свойства аппаратных средств, а согласно квантовой механи
ке, множество возможных способов упорядочивания конечно Ц более чем ас
трономически огромно, но не бесконечно. Математически следует, что при я
сной цели, некоторое одно из этих способов упорядочивания должно быть на
илучшим, или близким к нему. Как в шахматах, ограниченное число фигур и ход
ов ограничивает способы упорядочивания и, значит, возможности. Однако и
в шахматах, и в конструировании, множество возможного в этих пределах не
исчерпаемо.
Знать лишь фундаментальные законы материи не достаточно, чтобы сказать
точно, где лежат все пределы. Мы кроме того должны встретиться со сложнос
тями конструирования. Наше знание о некоторых ограничениях остаётся в б
ольших пределах: "Мы знаем только то, что предел лежит между этой точкой (н
есколько шагов вперёд) и той (пятнышко где-то у линии горизонта)". Ассембле
ры откроют путь к пределам, где бы они ни были, а системы автоматического и
нжиниринга ускорят прогресс по пути к этому. Абсолютное совершенство ча
сто оказывает неуловимым, но бегущие вверх часто оказываются почти окол
о него.
По мере того, как мы будем продвигаться к действительным пределам, наши с
пособности будут во всё больших областях технологии прекращать расти. П
родвижения в этих областях остановятся не просто на десятилетие или век
, но насовсем.
Некоторые могут игнорировать слово «насовсем», думая "Никаких улучшени
й за тысячу лет? За миллион лет? Это должно быть переоценкой." Однако там, гд
е мы достигнем настоящих физических пределов, мы дальше не пойдём. Прави
ла игры встроены в структуру вакуума, в структуру вселенной. Никакое пер
еупорядочивание атомов, никакое сталкивание частиц, никакое законодат
ельство или пение хоралов не сдвинут естественные законы ни на йоту. Мы м
ожем неправильно оценивать пределы сегодня, но где бы пределы ни были, та
м они и останутся.
Этот взгляд на естественные законы показывает пределы качеству вещей. Н
о мы также сталкиваемся с пределами количеству, устанавливаемому не тол
ько естественными законами, но тем, как материя и энергия упорядочена во
вселенной, как нам удаётся её обнаруживать. Автор книги "Пределы росту", та
кже как и многие другие, пытался описать эти пределы, не исследуя прежде п
ределы технологии. Это дало результаты, вводящие в заблуждение.

Энтропия: предел использова
нию энергии

Не так давно многие авторы описывали накопление отработанного тепла и х
аос как то, к чему ведёт человеческая деятельность. В книге "Годы бедности
Ц политика в век скудных ресурсов", Ричард Барнет пишет:
В этом есть ирония, что повторное открытие границ совпадает с двумя самы
ми дерзкими технологическими подвигами в человеческой истории. Один из
них Ц генетическая инженерия, неожиданный проблеск способности измен
ять форму самого вещества жизни. Другой Ц выход в космос. Эти прорывы под
толкнули фантазии на тему возможностей, но они не сломали экологическую
смирительную рубашку, известную как второй закон термодинамики: больше
е потребление энергии производит большее количество тепла, которое ник
огда не исчезает, а должно считаться необратимыми затратами энергии. Так
как накопление тепла может вызвать экологическую катастрофу, эти издер
жки ограничивают продвижение человека в космосе, равно как и на земле."
Джереми Ривкин (с Тедом Ховардом) написали целую книгу по организациям т
ермодинамики и будущего человечества, озаглавленную "Энтропия: новый вз
гляд на мир".
Энтропия Ц стандартная научная мера расхода тепла и беспорядка.
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47