Завтрак с Эйнштейном. Экзотическая физика повседневных предметов - Чад Орцель

Если вы конструируете электронику с использованием лишь двух уровней напряжения, а не плавно меняющийся уровень аудиосигнала, транзистор будет функционировать как цифровой переключатель – ток или течет, или не течет – и это является критически важным элементом для компьютерных процессоров. Целый ряд транзисторов может быть использован для того, чтобы представлять числа в двоичной форме, и более сложные контуры транзисторов могут выполнять математические операции на этих числах.

Это основа современной компьютерной технологии. Первые электронные компьютеры общего назначения были построены в 1940-х годах, и строились они на большом количестве вакуумных ламп. Вскоре после изобретения первого транзистора в 1947 году[206]полупроводниковые транзисторы начали заменять вакуумные лампы, сначала как отдельные компоненты, а затем в «интегрированных контурах», где множественные электронные компоненты встроены в единый блок кремния. Это делается варьированием примесей в различных слоях материала, так что они оказываются расположенными так, чтобы получились транзисторы, затем в этом материале прорезают углубления, и получаются транзисторы с размерами стороны в несколько нанометров[207].

Один чип размером в сантиметровый квадратик может содержать миллиарды взаимосвязанных транзисторов, организованных в контуры, которые нужны для обработки двоичных данных. Эти полупроводниковые «чипы» гораздо более компактны и требуют меньше электрической мощности, чем вакуумные лампы, и они быстро стали стандартом для электронной обработки данных.

Управляющий компьютер «Аполлона», о чем говорилось в начале этой главы, был одним из самых ранних компьютеров с интегрированными контурами[208], и с тех пор производительность основанных на транзисторных микросхемах компьютеров экспоненциально возрастала до той точки, когда немного устаревший смартфон обладает во много раз большей вычислительной мощностью, чем нужно для высадки человека на Луну, причем все это в приборе, легко помещающемся в кармане.

Вся эта основанная на полупроводниках мощность вместе с LED, которые обеспечивают работу экрана дисплея, и мощными транзисторами, которые усиливают звук, стала возможной с помощью квантовой механики. Понимание, как волновая природа электронов ведет к появлению структуры энергетических полос с пробелами в большом собрании атомов и как эта структура может управляться для изменения электрических свойств материала, считается ключевым для конструирования не только наших лэптопов и настольных компьютеров, но также для компьютеров, какие можно найти практически везде в наши дни, от холодильников до машин и тостеров. Современное представление об электронах как волнах, чье поведение управляется знаменитым уравнением Шрёдингера, и склонность этих волн занимать сразу множество состояний, так же как и печально известный кот, вот что в конечном счете позволяет нам превратить довольно скучные в принципе кусочки кремния в революционную технологию.

Глава 9

Магниты – как, черт возьми, они работают?

Я открываю холодильник, чтобы начать завтрак, стараясь при этом быть аккуратным и не сдвинуть множество предметов искусства, прикрепленных к двери холодильника магнитиками.

Сила между двумя магнитами или между магнитом и куском металла считается одним из наиболее увлекательных примеров фундаментальной физики, как для молодых, так и для старых. Одной из наиболее популярных игрушек в дни моего детства был конструктор из пластиковых фигурок простых форм, которые могли соединяться за счет магнитов по сторонам; почти каждый день из них создавались новые интересные конструкции. Местный научный музей выстраивал длинные линии с помощью гигантского подковообразного магнита и нескольких пригоршней стальных шайб, и взрослые наравне с детьми пытались понять, какой длины можно вытянуть цепь из шайб, присоединив их к одному из полюсов магнита. В действительности, магниты – это притягательные врата для входа в физику. Эйнштейн вспоминал, как захватывал его воображение компас, когда он был ребенком, удивляясь невидимым силам, которые всегда тянули иглу назад к северу. Это подталкивало к размышлениям о природе этого явления, продолжавшимся всю жизнь. В моих воспоминаниях о детстве есть, например, попытка заставить небольшой магнит левитировать над набором больших магнитов[209]. Восхищение не пропадает даже у взрослых, и игрушки на магнитном столе стали распространенным явлением на факультетских кафедрах в отделениях физики повсюду.

Какими бы они ни были знакомыми, все же известно, что действие магнитов сложно объяснить. Часто показывают клип из шоу 1980-х, в котором прославленный физик Ричард Фейнман[210] категорически заявлял: «Я действительно не могу объяснить магнитные силы в терминах чего-нибудь, с чем вы лучше знакомы, потому что я не понимаю это в терминах чего-нибудь, с чем вы лучше знакомы»[211]. Менее интеллектуальный пример можно привести из песни 2009 года «Чудеса», в которой клоунская группа рэпперов Insane Clown Posse спровоцировала тысячи неуспешных попыток объяснить работу магнитов строчкой: «Долбаные магниты, как они работают?» [212]

Может показаться странным, что так широко распространенное явление, что мы используем, чтобы прикрепить рисунки детей на кухне к бытовой технике, так трудно объяснить нетехническим языком, но физика действительно крайне сложна и зависит от тонких деталей микроскопической структуры материалов, состоящих из частиц. И конечно же – как вы, возможно, догадались, – это сводится обратно к квантовому миру: постоянные магниты, которые мы используем для крепления бумажек на дисплей, были бы невозможны без спинов и принципа запрета Паули.

Направляющий магнетизм

Когда люди спрашивают «Как работают магниты?», они на самом деле задают два различных, хотя и связанных между собой, вопроса. Постоянный магнит является макроскопическим куском материала, который создает магнитное поле вокруг себя. Одним из вариантов интерпретации вопроса будет ссылка на общее поведение этих магнитных полей. С точки зрения физики, это наиболее легкий вариант для ответа на эти два вопроса. Природу магнитных полей начали изучать с середины 1800-х годов, когда Максвелл написал свои уравнения, показывающие, как токи и изменяющиеся электрические поля создают магнитные поля, и наоборот.

К несчастью, в то время как уравнения Максвелла предлагают прямолинейный подход к пониманию возникновения магнитных полей за счет движения вокруг заряженных частиц, они не отвечают на второй вопрос про постоянные магниты, а именно, в первую очередь – почему эти особенные куски инертного в других отношениях материала спонтанно генерируют магнитные поля. В конце концов, не похоже, что внутри куска природного магнетита текут какие-либо токи, и все же минерал создает значительное магнитное поле.

Склонность некоторых материалов притягивать металлы была известна по крайней мере с шестого века до нашей эры, встречается в записях в Греции, Индии и Китае и практически использовалась, по меньшей мере, с XI века н. э., поскольку с этого времени китайцы использовали магнитные компасы для навигации[213]. Однако, несмотря