Удивительная физика. Магия, из которой состоит мир - Феликс Фликер

или более основных, создавая сложные паутины. Если любое письменное предложение может быть передано символами, расположенными в строке, сплетение способно кодировать структуры неизмеримо большей сложности. Проще всего понять, как устроены такие высказывания, можно, если представить себе, что записанное предложение содержит не только саму мысль, но и указания по переходам туда и обратно по странице. Люди по большей части воспринимают историю как нечто линейное, соответствующее порядку, в котором расположены отражающие ее письменные или устные фразы. Узлоделы же видят историю паутинообразной структурой сплетений.

Алгоритмический процесс манипуляций с узлами также позволяет использовать сплетение в качестве абака для выполнения вычислений. То же можно сказать и о лингвистическом кодировании: некий узел на нити может означать переход на нить второго порядка, но другой узел или последовательность узлов может означать, что нить второго порядка следует отвязать и присоединить в другом месте или же что нужно соединить две нити, до этого не соединявшиеся. В результате запись в сплетении получается не статической, а динамической – она изменяется в процессе чтения. Как правило, узлоделы не проводят такого же резкого различия между прошлым и будущим, как читатели обычных текстов. И это не случайно, ибо динамическое сплетение способно выражать вычисления, предсказывающие события будущего с произвольной точностью. Эти знания порождают возникновение в умах узлоделов новых узлов прошлого и будущего, и в конце концов они почти перестают отличать одно от другого…

Деление неделимого

Развитие физики конденсированного состояния с самого начала было тесно переплетено с развитием вычислительной техники. Несмотря на огромную сложность компьютеров – позволяющую им создавать новые миры, служить основой новых научных достижений и управлять всеми аспектами нашей жизни, – все они в конечном счете основаны на одном скромном состоянии конденсированной материи, полупроводнике. Но эта глава не о том, как полупроводники приобрели такое значение; она о том, что будет дальше.

Полупроводники занимают промежуточное положение между проводниками и изоляторами с точки зрения способности проводить тепло и электричество. Их магия имеет форму заклинания деления – создания электронно-дырочных пар, – а их пользу, возможно, лучше всего иллюстрирует один простой рассказ о практических нуждах. Весной 1944 года, во время сражений Второй мировой войны, в окрестностях итальянского города Анцио наступило временное затишье. Ни одна из сторон не могла продвинуться вперед, и солдатам было практически нечем заняться. Им запрещалось слушать радио, потому что враг мог обнаружить сигнал приемника, работающего на батареях, и установить его местоположение. В один прекрасный день солдаты войск союзников сделали замечательное открытие. При подсоединении одного провода наушников к английской булавке, а второго к бритвенному лезвию получался работающий радиоприемник – без источника питания.

Вот как работало это «окопное радио». Металлическая поверхность бритвенного лезвия покрыта слоем оксида – ржавчины. Этот оксид металла является полупроводником. Непрочное соединение с булавкой образует радиодеталь, которую называют теперь точечно-контактным выпрямителем. Поскольку радиоволны – это электромагнитное излучение, они порождают в металлических проводах – в данном случае в проводах наушников – электрические токи. Однако это переменные токи, меняющие направление на противоположное много раз в секунду; поэтому они не создают в наушниках слышимого звука. Тут-то и требуется выпрямитель: он пропускает ток только в одном направлении. В этом отношении он подобен стене, через которую перекатываются волны. Выпрямитель преобразует переменный ток в постоянный, который можно услышать в наушниках. Работа выпрямителя основана на простом логическом условии: если ток направлен в одну сторону, то его следует пропустить, а если в другую, то нет. Эта основополагающая идея – что свойства материалов можно использовать для воплощения логики – привела к созданию ставшего теперь знаменитым полупроводникового прибора, транзистора.

Транзистор – это полупроводник, к которому подсоединены три провода. Как и выпрямитель, он осуществляет простую логику. Назовем эти провода А, Б и В. Транзистор пропускает ток от А к В, если приложить напряжение между А и Б. Это логическое условие: если между этими проводами есть напряжение, ток проходит. Такое простое правило лежит в основе электронных компьютеров. Вскоре мы увидим, как оно работает.

Успех компьютерной отрасли был предсказан с самого начала. Это предсказание, известное под названием закона Мура, утверждает, что плотность расположения транзисторов на печатной плате должна удваиваться каждые два года. Грубо говоря, мощность компьютеров должна следовать той же тенденции – экспоненциально расти, – и уже на протяжении полувека этот закон соблюдается с почти неукоснительной точностью. Успешность этого предсказания обеспечивает множество разных факторов; до некоторой степени оно стало самосбывающимся. Но в исходной статье Мура 1965 года[72] есть множество утверждений о том, как физика полупроводниковых материалов создает возможности развития этих технологий; там, например, говорится, что их рост не будет ограничен соображениями выделения тепла, потому что кремниевые подложки могут обеспечить его эффективный отвод.

Однако в мире с ограниченными ресурсами рост не может быть бесконечным. Эту идею иллюстрирует старинная легенда об изобретении шахмат, которую записал ученый XIII века Ибн Халликан. Как рассказывается в этой истории, царю так понравилась эта игра, что он предложил изобретателю любую награду, какую он только пожелает. Изобретатель попросил положить одно пшеничное зерно на первую клетку доски, а потом класть на каждую следующую клетку вдвое больше зерен, чем на предыдущую. Царь счел это жалким вознаграждением за столь великолепное изобретение. Но когда его министры попытались выполнить это поручение, они обнаружили, что число зерен быстро превысило все запасы страны. О дальнейших событиях рассказывают по-разному: одни говорят, что изобретателя сделали высокопоставленным сановником, другие – что его казнили, чтобы не умничал.

Мы оказались в положении министров, сыплющих зерно на шахматную доску: в 2004 году ученые из Карлсруэ создали транзистор, состоящий из одного-единственного атома[73]. До предела исполнения закона Мура остается в лучшем случае несколько удвоений, а по некоторым оценкам отклонения от него уже начались. Что происходит с экономикой, основанной на росте, когда мы достигаем пределов, накладываемых на развитие технологий фундаментальными законами физики?

Закон Мура – это утверждение о конкретном воплощении вычислительной техники. Чтобы выйти за его пределы, нам нужно вернуться к заклинанию деления, которое используют полупроводники, и поинтересоваться, нельзя ли изменить его формулировку; так мы, возможно, сумеем отделить идею компьютеров от их электронного воплощения. Фантастический – но, возможно, не столь уж далекий от нашего собственного будущего – пример такого решения дает история мира, которую читает Вериана, и существующие в ней компьютеры, основанные на магии узлов.

Во всех электронных устройствах логические операции выполняются путем перемещения электрических зарядов в полупроводниковых материалах. Сколько бы мы ни вглядывались в кофейную гущу, мы не можем предсказать, что именно придет на смену этой технологии. Однако несомненно одно: эти новшества