Бесконечное время

Я полагаю, что контролируемая термоядерная энергия останется соб­лазнительным миражом на горизонте открытий в течение по меньшей мере первых двух десятилетий нового века. Но поиск альтернативных источников энергии имеет множество веских причин, из которых не самыми последними являются загрязнение и вред, наносимый окружающей среде ископаемыми видами топлива, которые мы используем в настоящее время. Необходимо постоянно и настойчиво напоминать о необходимости искать источники де­шевой энергии, и даже если ведущие промышленные страны смогут сокра­тить свои громадные энергетические затраты, жизненно важные потребнос­ти развивающихся стран все равно должны быть удовлетворены. Политики должны наконец занять правильную позицию, но способы получения энер­гии должна обеспечивать наука, а наша современная наука не отвечает теку­щим требованиям. Более того, мы должны решить эту проблему как можно быстрее, так как население планеты растет, а запасы топлива сокращаются.

Большая часть научных исследований в физике проводится в областях, не пользующихся известностью, где решение проблем требует тяжелой работы и больших временных затрат, а прогресс движется очень медленно. Некоторое представление о диапазоне и разнообразии этой деятельности дает пере­числение тем, которые уже обсуждались на международных конференциях: последний список из более чем пятидесяти конференций, состоявшихся в течение только одного месяца, включает следующие темы: очищение и крис­таллизация протеинов, радиоактивные материалы, урановое топливо, высо­комагнитные поля, транспорт в беспорядочных системах, технология мик­розондирования, безопасность реакторов, кремниевые устройства, алмазная технология, энергия синтеза, комплексные жидкости и биофизика, тера­певтическая радиология, сложности и фракталы, электрическая изоляция и диэлектрические явления, обработка сигналов и изображений. Также в этот список входят конференции по темам, не привлекающим особого внимания. Сто лет назад физик, ведущий активную научную деятельность, мог получить полную информацию обо всем, что происходит в области физики, — понят­но, что сейчас это не доступно ни одному физику. Работы, которые обсужда­ются на таких конференциях, вызывают интерес, и многие из них, вероятно, найдут широкое практическое применение. Но это не тот материал, о кото­ром сообщают крупными заголовками. Он не получит Нобелевскую премию. Как и все современные физики, я не знаю о многом, что делают мои това­рищи по науке, и я надеюсь, что вы и они простят меня за недостатки моего обзора.

Я сделал рискованный шаг, осмелившись высказать свои прогнозы, и возможно, когда вы прочтете этот текст, будет уже известно, что я ошибся. Фундаментальные основы физики кажутся мне незыблемыми, и я надеюсь, что ничто их не разрушит. Но я буду очень удивлен, если это случится! В одном я уверен: сюрпризы обязательно будут. Они всегда есть.

Вот что можно сказать о развитии физики как науки, направляемом, если это необходимо, большими международными программами сотрудничества и планируемом на десятилетия вперед. Намного труднее предугадать, какие открытия будут сделаны в тех областях физики, в которых уровень явлений находится где-то между макрокосмом астрофизики и космологии и микро­космом физики частиц высокой энергии. Я думаю, что быстрый прогресс в квантовой оптике и в области физики, занимающейся манипулированием и управлением атомами и молекулами, продолжится. Побочные результаты этих разработок будут по-прежнему прокладывать себе путь на рынки сбы­та в таких диверсифицированных областях, как информационные техноло­гии и средства связи, с одной стороны, и генетическая инженерия и фар­макология с другой. К 2010 году будет разработан элементарный квантовый компьютер. В цифровых компьютерах будут использоваться электронные устройства нанометрического уровня, доводя закон Мура до его предела. Микроэлектрические механические системы (MEMS) будут переходить из исследовательских лабораторий в промышленное производство, так как меч­та о молекулярных механизмах воплощается в реальность.

Менее вероятно открытие сверхпроводника, работающего при комнат­ной температуре, но достижение этой цели имело бы такие далекоидущие последствия, что поиски такого проводника становятся все более интенсив­ными. Но я был бы разочарован, если бы мы продолжили свои поиски, не руководствуясь удовлетворительной теорией высокотемпературных сверх­проводников.

Микрофлуктуации температуры космической фоновой радиации, наблю­даемые по всему небу, будут измерены с большей точностью, что поможет объяснить происхождение галактик из квантовых флуктуаций в первые мгно­вения после большого взрыва — или же на первый план выйдет альтернатив­ная теория, для которой потребуются другие наблюдения* Космические детек­торы LISA или LIGO обнаружат гравитационные волны, а если нет, одно из главных предсказаний обшей теории относительности не исполнится, что, по моему убеждению, крайне неправдоподобно. Я предполагаю, что мы узнаем о происхождении гамма-вспышек к 2005 году. Поиски темной материи от­кроют природу недостающей массы, являющейся ключом к решению загад­ки движения звезд внутри галактик и ответом на космологические вопросы о зарождении галактик и конечной судьбе Вселенной. Кроме нейтралино, поиском которых занимаются в соляной шахте в Йоркшире, могут быть еще аксионы, более легкие частицы, которые, согласно предсказаниям ученых, помогут объяснить недостаток CP-нарушения в сильных взаимодействиях. Теоретики предполагают, что аксионы могли быть образованы, когда релик­товая кварк-глюоновая плазма совершала переход в состояние ядерной ма­терии, которое мы наблюдаем в настоящее время и в котором кварки и глюоны связаны внутри сильновзаимодействующих частиц. Эксперименты по поиску аксионов ведутся в Национальной лаборатории Лоуренса Левермора в США и в Киото, Япония. Нейтралино и аксионы являются кандидатами на участие в холодной темной материи, но продолжает существовать мнение, что необходимо небольшое количество горячей темной материи, для того чтобы объяснить образование галактических сверхкластеров из-за наруше­ний плотности в ранней Вселенной, — и эту роль, вероятно, сыграют массив­ные нейтрино.

Но даже когда факт по поводу недостающей массы можно будет объяс­нить, когда темная материя будет изучена, останется еще тайна расширения Вселенной. Существует ли космологическая постоянная? Или существует но­вый вид поля, которое генерирует универсальное отталкивание, точно также, как гравитация генерирует универсальное притяжение? Некоторые космоло­ги предполагают, что Вселенная заполнена так называемой «квинтэссенци­ей». В космологических уравнениях она вела бы себя как лямбда-член, но не являлась бы постоянной величиной и со временем могла бы измениться. Дополнительная информация о колебаниях плотности в ранней Вселенной будет получена от спутников, таких как MAP, и вместе с более убедительной теорией она поможет сделать выбор в пользу космологической константы, квинтэссенции или какого-нибудь другого объяснения ускорения расшире­ния Хаббла. Я думаю, что ответ будет получен к 2010 году.

В Антарктиде телескоп, погруженный в лед на километровую глубину, чтобы обнаружить нейтрино, откроет новое окно во Вселенную. Он сделан из сотен фотоумножителей, ФЭУ, которые будут улавливать вспышки света в километровом кубе льда, чтобы обнаружить нейтрино, прошедшие сквозь Землю, и установить направление их источника. Это телескоп Айс Кью. (Его уменьшенный вариант, АМАНДА, [детекторная решетка для обнару­жения антарктических мю-мезонов и нейтрино], начал действовать в начале 2000 года.) Так же, как рентгеновская и гамма-астрономия дополнили оп­тическую и радиоастрономию, нейтринная астрономия принесет новую ин­формацию из самых отдаленных участков космического пространства.

Как сказал Нильс Бор: «предсказывать тяжело, особенно будущее». Но я, воз­можно поспешно, сделал несколько прогнозов относительно того, что нам готовит двадцать первый век. Организации, вкладывающие средства в науч­ные исследования, требуют представить им подробное описание основных направлений и этапов работы, чтобы составить подробную «карту» новой тер­ритории, исследовать и осваивать которую хотят физики. Теоретизирование является лишь частью планирования, а дорогостоящие эксперименты физи­ки частиц или космологической астрономии должны планироваться на деся­тилетия вперед. Это означает, что в этих областях главные цели предстоящих долгосрочных исследований были уже тщательно изучены и отобраны коми­тетами и спонсирующими организациями.

Поэтому с некоторой долей уверенности я могу утверждать, что бозон Хиггса будет открыт на ускорителе Теватрон в Фермилабе (Национальная лаборатория ускорителя США в Батавии, штат Иллинойс), а если нет, то по­явится какая-нибудь новая концепция, объясняющая успехи стандартной модели¹. В любом случае, я надеюсь, что к 2020 году мы будем достаточно ясно представлять себе происхождение массы, что близко связано с ролью бозона Хиггса в стандартной модели. Эксперимент БаБар, а также следую­щий за ним, запланированный для исполнения в LHC, обеспечат решающую информацию, необходимую для понимания деталей нарушения СР-симметрии и, следовательно, причин асимметрии между материей и антиматерией во Вселенной. Одно из предсказаний от QCD, теории сильных взаимодейс­твий, касается возможности образования кварк-глюоновой плазмы при вы­соких температурах, то есть состояния материи, которое согласуется с нашим пониманием нейтронных звезд и того, что случается при взрыве сверхнов. Также полагают, что на самых ранних этапах существования Вселенной кварк-глюоновая плазма была обычным состоянием частиц с сильными вза­имодействиями, и что, возможно, есть такие звезды, в которых эта экзоти­ческая форма материи преобладает. Эксперименты уже показали интригую­щие мимолетные картины ее образования во время высокоэнергетических столкновений между тяжелыми ионами, и по моим прогнозам, в следующие несколько лет мы узнаем об этом намного больше.

Согласно теоретическим предположениям элементарные частицы и их взаимодействия демонстрируют сверхсимметрию, хотя она разрушена и пока недоступна для современных экспериментов. Я уверен, что к 2010 году мы получим убедительное доказательство теоретических прогнозов, а также в том, что будут идентифицированы первые из сверхсимметричных «партне­ров» кварков, лептонов и бозонов стандартной модели. Самые легкие из них, нейтралино, являются предпочтительными кандидатами в WIMPs, которые космологи считают частицами холодной темной материи, необходимой для восполнения недостающей массы во Вселенной. Я предсказываю, что их най­дут в глубине шахты в Йоркшире, Англия, где их поиском занимается группа астрофизиков и специалистов в области физики частиц.

Строго говоря, энергия свободна, и только свободная энергия стоит до­рого! Энергия никуда не уходит — она просто преобразуется из одной формы в другую. Энергия, высвобожденная во время термоядерных реакций, явля­ется энергетическим содержанием массы, потерянной при переходе водо­рода в гелий. Только свободная энергия является полезной и доступной для практического применения. Разница между энергией и свободной энергией подразумевает энтропию. Нам всем следует лучше понимать принцип дей­ствия энтропии. Это в действительности то, что повышает эффективность работы машин, а исследования в физике могут определять практическую де­ятельность практикой и способствовать прогрессу. Эти же задачи тесно свя­заны с необходимостью решать насущные проблемы такого масштаба, как глобальное потепление, загрязнение окружающей среды, а также в областях, связанных с термодинамикой, и все это напрямую касается нашего обще­ства. Как мы будем решать эти проблемы, является в первую очередь поли­тическим вопросом, но именно физика будет предлагать нам возможные ва­рианты их решения и предупреждать нас об их возможных последствиях.

Новый микроскоп — это только один пример из целого ряда появляю­щихся технических средств, которые уже совершают переход из научных лабораторий в промышленную эксплуатацию и которые основаны на своей способности манипулировать и управлять отдельными атомами, зондировать материалы на атомном уровне и изготавливать устройства в высшей степе­ни совершенные и точные. Характеристики электронных устройств — таких маленьких, что они используют за один раз только несколько электронов, — могут радикально отличаться от транзисторов и переключателей более габа­ритного уровня. С увеличением понимания процессов, проходящих на уров­не атомов и возможностей управлять отдельными атомами и молекулами появилась надежда добиться эмуляции некоторых действий атомов в живых системах или непосредственного взаимодействия с биофизическими систе­мами. В настоящее время мы можем делать химические датчики (искусствен­ные носы!), которые реагируют на специфические индивидуальные молеку­лы; вероятно, скоро мы сможем использовать бактерии для «выращивания» электронных устройств. Во время работы с такими размерами — от одной миллиардной метра (нанометр) и даже меньше — необходимо как-то видоиз­менить свою интуицию: квантовые эффекты начинают доминировать, а ре­акции материи — это не просто уменьшенный по размеру вариант ее реакций в более масштабных образованиях.

В 1959 году Ричард Файнман, один из пионеров квантовой электроди­намики, провел диспут на встрече Американского физического общества в Калифорнийском технологическом институте — диспут, который сегодня считается классическим. Он назывался «Внизу есть много места: приглаша­ем посетить новую область физики». «Эта область совершенно не похожа на другие, — говорил он, — в том смысле, что она почти ничего не говорит нам о фундаментальной физике… самое важное — это то, что у нее будут широ­чайшие возможности для использования в технике». Файнман ссылался на то, что сейчас называется нанотехнология, то есть физика и проектирование устройств на уровне всего лишь нескольких атомов: «В 2000 году, оглядыва­ясь на прошедший век, люди будут удивляться, почему до 1960-х никто не начал серьезно заниматься этой темой». Он предложил две премии по $1000 в надежде, что ему не придется долго ждать претендентов. Одна премия пред­назначалась для того, кто первым сконструирует действующий электродви­гатель, который можно будет разместить в кубе размером 1/64 дюйма. Этот приз нашел своего обладателя через год. Другая премия назначалась за умень­шение площади информации на книжной странице до размера в 1/25 000 в линейном масштабе, с тем чтобы ее можно было прочесть через электронный микроскоп. Претенденты на эту премию пока не появились, но они скоро появятся!

Успешное стремление создавать все менее громоздкие устройства для электроники способствует появлению захватывающих изобретений в про­ектировании и производстве компьютеров, так как все большее количест­во деталей может быть смонтировано на силиконовых чипах. Пионер в об­ласти микропроцессорной техники Гордон Е. Мур, соучредитель «Интель Корпорейшн», предсказывал в 1965 году, что плотность транзисторов на полупроводниковых чипах, используемых в компьютерах, будет удваиваться каждые два года. «Закон Мура» действовал безошибочно до сего времени, но это не может продолжаться бесконечно, так как размер атома устанавливает более низкий предел дукг самого маленького мыслимого размера транзистора, и этот предел будет достигнут в первые десятилетия этого века. Компьютерная индустрия имеет свои виды на новые технологии, которые перейдут от пла­ниметрии современных чипов к третьему измерению, что предполагает мон­тировку схем и устройств в многослойные конструкции, которые позволят «упаковать» еще большую вычислительную мощность в меньший по размеру прибор. Именно с этой целью она обращается к нанотехнологии. Но про­ектирование устройств все меньшего размера потребует большего, нежели простое изменение масштаба. По мере уменьшения размера системы кванто­вые эффекты становятся все более относительными, и физические свойства системы становятся количественно разными. Может потребоваться большой объем исследовательских работ по изучению т.н. MEMS (микроэлектромеха­нические системы), чтобы осуществить этот новцй вид компьютерного про­изводства и решить другие проблемы, с которыми придется столкнуться на пути к миниатюризации.

Квантовая когерентность является ochoboij еще одного важного дости­жения. Когда температура в системе снижается, также снижается и средний уровень кинетической энергии произвольной движения ее атомов или мо­лекул — по сути, температура является показателем энергии этого произ­вольного движения. При низкой температуре начинают проявляться кванто­вые эффекты, потому что частицы одного вида неотличимы одна от другой. Например, все электроны похожи друг на друга. Но электроны — это фермионы, а это значит, что они подпадают под принцип исключения Паули: никакие два электрона не могут одновременно находиться в одном и том же квантово-механическом состоянии. Следовательно, при самой низкой тем­пературе, при абсолютном нуле электроны «заполнят» доступные им места, начиная с самых низкоэнергетичных, и будут подниматься вверх по «энерге­тической лестнице» до тех пор, пока все электроны не будут расположены по своим местам. Бозоны ведут себя по-другому, так как принцип Паули к ним не приметается: когда температура падает, все большее их число занимает пространство с самым низким энергетическим уровнем. Когда число бозо­нов в этом одном квантовом состоянии становится макроскопическим, при­чем все имеют одну и ту же волновую функцию, система начинает вести себя очень интересно. Например, в жидком гелии с температурой ниже 2 К зна­чительная часть атомов (со свойствами бозонов) находится в одном и том же состоянии. Жидкость течет без трения, она становится сверхтекучей. Теория сверхтекучести многим обязана работе Льва Ландау, который за свои откры­тия в 1962 году был награжден Нобелевской премией. Теория BCS сверхпро­водимости связана с этой работой, поскольку она предполагает, что электро­ны в сверхпроводнике могут быть связаны по два, и эти пары начинают тогда вести себя как бозоны и в действительности становятся сверхтекучими и не­сут с собой постоянный ток, который характерен для сверхпроводимости.

Но и в сверхтекучем состоянии, и в сверхпроводниках бозоны продолжа­ют взаимодействовать друг с другом. Задача состояла в том, чтобы заставить бозоны действовать таким же образом в ситуации, в которой они так дале­ки друг от друга, что их взаимодействие является ничтожно малым. Тогда бы они стали «боз-эйнштейн конденсатом», впервые описанным Эйнштейном в 1925 году. Это состояние было названо пятым состоянием материи (другими являются известные газовое, жидкое, твердое и менее известное — плазма). Наконец, в 1925 году условия для получения боз-эйнштейновского конден­сата были созданы, и около 2000 атомов рубидия были охлаждены в ловушке до температуры менее 170 миллиардных градуса выше абсолютного нуля. Как говорили исполнители эксперимента Эрик Корнел и Карл Уайман, они по­лучили самую низкую во всей Вселенной температуру, если только физики в другой Солнечной системе не провели такой же эксперимент! Исследование этой экзотической формы материи является областью, в которой бурно раз­вивается научная деятельность. Например, свет можно очень сильно затор­мозить, если пропускать его через боз-эйнштейновский конденсат. Группа, руководимая Лен Хо в Гарвардском университете, и Институт науки Роланда замедлили скорость света до 38 миль/час! Хо говорит, что она уверена в том, что техника связи, телевизионные установки и устройства ночного видения скоро будут усовершенствованы благодаря экспериментам ее научно-иссле­довательской группы.

Конечно, у нас есть параллельные процессоры, но, по существу, — это устройства, ко­торые позволяют работать большому числу линейных машин. В квантовом компьютере множество вычислительных операций будет производиться од­новременно с помощью одного базового арифметического устройства.

Если из вводных данных, на основании которых должны быть выпол­нены вычислительные операции, выстроить не одну цепочку чисел, а про­извести квантовое наложение многих чисел, за одну операцию можно одно­временно обработать все эти числа. В этой области уже достигнут большой прогресс и сделаны первые, пока неуверенные, практические шаги. Это еще одна область, в которой, по моим предсказаниям, через десять или, скорее, двадцать лет технические препятствия будут преодолены, а последствия это­го будут очень важными. Ускорение, ожидаемое от успешного осуществле­ния квантовых вычислений, будет не просто маленьким шажком на пути, по которому мы следовали в течение последних пяти десятилетий — оно открывает перспективы выполнения актуальных, но простых арифметичес­ких задач за очень короткое время. Безопасность многих зашифрованных транзакций — например, финансовых межбанковских переводов — зависит от криптографии, которая, в свою очередь, зависит от очень трудной задачи нахождения простых 4исел для разложения на множители очень большого показателя. Если бы это можно было сделать со скоростью, теоретически до­пускаемой для квантового компьютера, код можно было бы взломать за счи­танные часы, а не за миллионы лет, которые отводятся на это в соответствии с временной шкалой надежности ключа к шифру.