С Днём знаний... А есть ли они?

В День знаний логично поговорить об этих самых знаниях. А конкретно о том, почему знания человечества перестали достаточно давно уже прирастать? Ну, точнее - знания нынешней цивилизации. Почему остановился прогресс? Почему так и не "заиграли" так называемые альтернативные источники энергии? Почему давно уже не увеличивается мощность ДВС, а их надёжность ещё и многократно упала? Почему мы так и мотаемся уже 70 лет на околоземной орбите? (те, кто верят в полёты американцев на Луну и в недавний вертолётик на Марсе, могут дальше не читать). Почему тактовая частота процессоров уже лет 15 как не растёт? Почему мы не носим с собой в кармане маленькую батарейку, которую вставил в автомобиль - и гоняй на нём месяц без подзарядки? И таких "почему" можно назвать ещё сотни. Но нет смысла, ибо и так всё понятно. А как всё начиналось! В 50-60-е годы прошлого столетия и правда казалось, что через 20 лет на Марсе будем яблони сажать. Или на Венере, без разницы. Но не срослось... Почему?

Ваш покорный слуга уже неоднократно писал (да и не только он), что устройство нынешней цивилизации (мировоззренческое, социокультурное, технологическое, экономическое и прочее) уже выработало свой ресурс и ничего нового не создаст. Как не могло создать, скажем, рабовладельческое общество те же двигатели внутреннего сгорания. Оно вообще никакие двигатели не могло создать, кроме как запрячь раба или лошадь/быка в повозку. Ну, просто потому, что его идеологическое, социальное и экономическое устройство не предполагало наличия самих потребностей в чём-то ином. Рабский труд полностью удовлетворял запросы того времени, поэтому не было даже идей о том, чего бы такое более совершенное придумать. Ведь чтобы возник, например, стул, необходимо, чтобы возникла идея стула, а перед этим - ощущение того, насколько комфортнее на нём можно сидеть по сравнению с камнем или пнём. А уж потом только появляются эскизы, чертежи, расчёты и, наконец, работоспособные изделия.

Ну, хорошо, а что же мешает нам сегодня изобрести какой-нибудь космолёт для путешествия к другим планетам, компактный и безопасный источник энергии, способный толкать грузовик целый год, или компьютер с процессором в тысячи раз быстрее нынешних, но при этом чтобы он был недорогой и размером со смартфон? Да то же самое: отсутствие ощущение, что это всем нам нужно, а как следствие - полное отсутствие идей. И вот тут возникает самый интересный вопрос: а идей чего конкретно? С социокультурными причинами остановки прогресса мы уже неоднократно разбирались, но вот чисто технически что мешает развивать нам самые разнообразные технологии? Очень просто: мешает то, что мы на самом деле совсем недалеко ушли от дикарей, которые только-только научились добывать огонь, готовить на нём пищу, освещать свои пещеры, как-то обогревать их, отгонять хищников и проч. Не верите? Сейчас докажу...

Что общего у костра, двигателя автомобиля (или пусть даже самолёта, ракеты, без разницы), батарейки смартфона и современного супер-пупер-компьютера? Да и ещё у сотен или даже тысяч технических примочек, которыми постоянно пользуемся в быту и на производстве. А общий у них базовый принцип, на котором всё основано. Заставляют гореть костёр, работать аккумулятор или двигатель определённые химические реакции. В двигателях и костре это окисление, в батарейках - например, реакция карбида лития с оксидом кобальта (соединяются - аккумулятор отдаёт энергию, распадается продукт этой реакции - идёт зарядка) и так далее. С процессорами чуть сложнее, поскольку никаких химических реакций там нет, но принцип всё тот же. Какой? Для ответа на этот вопрос зададим уточняющий: а что такое вообще любые химические реакции? Тоже просто: это обмен в атомах реагирующих веществ валентными электронами, то есть теми, которые расположены на их внешних оболочках. Вот именно энергию, запасённую в них, мы и гоняем туда-сюда.

И именно поэтому горит костёр, работает движок или аккумулятор, создаются новые материалы, пищевые продукты, лекарственные препараты и многое другое. А при чём же тут процессор? При том, что он состоит из миллионов транзисторов, которые есть сборки из разных типов проводников. А в проводниках есть неустранимое нетепловое хаотичное движение электронов, но не всех, а только валентных - как раз тех, которые и делают возможными химические реакции. Упорядоченное движение таких электронов и есть электрический ток, который многократно преобразуется в процессоре, благодаря чему он может "думать" и выполнять наши команды. Из этого следует один принципиальный вывод: вся наша "технологическая мощь" основана на использовании разнообразных свойств валентных электронов, образующих самую верхнюю оболочку любого атома. А вот дальше мы проникать с пользой для себя пока не научились. То есть по сути мы мало чем отличаемся от упомянутых выше пещерных дикарей. Разве что свойства валентных электронов используем разнообразнее.

Ну ладно, скажете, ну используем электроны с внешних оболочек атомов - кому плохо-то от этого? Ну жили же как-то и развивались - почему вдруг дальше нельзя? А всё дело в том, что в большинстве случаев использования их свойств практический потолок энергии мы оттуда уже выбрали. Именно поэтому нельзя, например, создать аккумулятор, способный толкать автомобиль целый месяц без подзарядки. Аккумулятор вменяемых размеров имеется ввиду, конечно же. Если он будет размером и массой с сам автомобиль, то можно, но кому тогда такие аккумуляторы будут нужны? И так во всём: мы уперлись в практические пределы извлечения энергии из химических реакций. Во внутренних же электронных оболочках атомов заключено энергии на порядки больше, но никто даже не представляет, как до неё добраться. Нет, разрушать атомы мы научились, но при этом понятия не имеем, как оттуда безопасно извлекать энергию и как её там запасать в случае необходимости. Если бы эта технологическая задача была решена, то батарейка от карманного фонаря могла бы двигать ваше авто, причём долго. Но... уже не в этой цивилизации.

А что же процессорам мешает работать быстрее? Ответ хорошо известен: типичное время возбуждения и затухания электронной волны. Это время составляет пикосекунды, т.е. порядка 10^(-12) c, а с учётом передачи сигнала внутри транзистора это время составляет уже наносекунды или чуть меньше, т.е. порядка 10^(-9) c или максимум несколько миллиардов колебаний в секунду. И да, тактовая частота современных процессоров как раз и составляет несколько гигагерц. Поднять её выше уже не дадут физические пределы, вытекающие из самой природы электронов. Да, здесь электроны из внутренних оболочек атомов не помогут, поскольку это будут всё равно электроны, такие же точно. Значит, их нужно чем-то заменить. Чем? Например, фотонами. У них уже типичное время возбуждения и затухания колебаний может составлять считанные фемтосекунды, т.е. 10^(-15) с, следовательно, тактовая частота таких процессоров сразу скакнёт далеко в терагерцовую область (триллионы колебаний в секунду). Это значит, что производительность компьютеров возрастёт минимум на три порядка, но опять же никто не знает, как подступиться к решению такой крутой научно-технической задачи.

И вот такое положение дел наблюдается сейчас абсолютно во всех отраслях науки и техники. Мы не умеем по сути пользоваться ничем, кроме того, что и так лежит на поверхности. Да, мы научились извлекать энергию из ядер атомов, но опять же - мы их для этого только разрушаем. А вот безопасно гонять энергию туда-сюда (внутрь атома и обратно), запасая и расходуя по мере надобности - нет даже идей, как к этому подойти. Мы даже освоили термоядерные реакции, но правда только в виде самой разрушительной бомбы. Управляемый синтез нам пока не под силу, причём уже с 50-х годов, когда началась "атомная эра", до его изобретения всё также "остаётся где-то 10-15 лет". Но и термоядерная реакция высвобождает всего 0,7% полной энергии вещества, описываемой знаменитой формулой Эйнштейна E=mc^2. Это значит, что использование полной энергии вещества даст энергетический прирост примерно в 140 раз по сравнению даже с термоядерным взрывом. Причём любого вещества, хоть мусора из ведра на вашей кухне, а не дорогущего дейтерида лития. Если высвобождение такого количества энергии будет управляемым и безопасным, то это даст в прямом смысле космический толчок к развитию цивилизации. Но... уже точно не этой. С Днём знаний всех ещё раз!