О техническом прогрессе

Прежде чем мы перейдем к философским вопросам науки, дадим краткий обзор тех технологий, которые находятся на стадии разработки, и по оценке специалистов будут иметь определяющее значение для развития человечества.

Следуя за П.Л.Капицей, проведем следующую линию: наука – это то, чего не может быть, а то, что может быть – это технический прогресс.

Квантовые провода

По мнению Ричарда Смоли, Нобелевского лауреата по химии за 1996 год, профессора университета штата Коннектикут, сегодняшнее состояние энергетики катастрофично и латать проблемы старыми методами не годится. Руководимая им лаборатория работает над проводами нового типа, которые способно кардинальным образом преобразовать существующую электрическую систему. Цель исследований – создание провода с таким низким электрическим сопротивлением, которое не допускало бы потери электрической энергии в результате выделения тепла при нагревании проводов. Уже получен самый тонкий провод на свете из карбоновой нанотрубки. Ширина нанотрубки составляет 1,5 нанометра (примерно 10 атомов), их получают путем бомбардировки лазером смеси углерода, никеля и кобальта (последние два выступают в роли катализатора) после чего углеродные фуллерены (фуллерен – новая молекулярная форма углерода, открыта в 1985году) и объединяются в трубку. Более низкий вес и большая прочность этих проводов позволит установить на существующих опорах линий высоковольтных передач кабели большего сечения и с мощностью в десятки раз превышающей мощность тяжелых и неэффективных армированных сталью алюминиевых кабелей. Идеальный провод должен состоять из нанотрубок только одного типа, однако при существующей технологии производства происходит беспорядочное изготовление нанотрубок различных типов. Р.Смоли уверен в том, что путем добавления небольшого количества одной углеродной нанотрубки в начале процесса можно катализировать производство идентичных нанотрубок, т.е. организовать клонирование исходной трубки.

Светоизлучающий кремний

Поскольку компьютеры работают все быстрее, они приближаются к границе физической способности меди передавать большие объемы информации, и им требуется что-то вроде оптоволоконной сети для того, чтобы продолжать совершенствоваться в том темпе, которого мы от них ожидаем. Решить эту проблему можно, заставив кремний испускать свет. Частота светового сигнала гораздо выше, чем у сигнала электрического, поэтому он может передавать в тысячи раз больший объем информации. Поскольку транзисторы располагаются близко, проходящие через них электрические сигналы начинают мешать друг другу, как радиостанции, вещающие на одной и той же частоте. Однако превращение кремния в источник света – довольно сложное дело. Лишь в 2005 году группе исследователей из Калифорнийского университета, а затем из корпорации Intel впервые удалось изготовить лазер на основе кремний. Лазер испускает непрерывный, а не пульсирующий луч, что является обязательным условием для передачи данных.

Нужным физическим звеном является так называемый эффект Ч.В.Рамана и К.С.Кришнана (открыт в 1928 году как комбинационное рассеяние света веществом, сопровождающееся изменением частоты рассеиваемого света), который в квантовой механике описывается как обмен энергией между молекулами рассеивающегося вещества и падающим светом. Некоторые фотоны света, проходящие через тот или иной материал, забирают энергию у естественной вибрации его атомов и изменяют его частоту. Из-за данного эффекта фотоны выходят из материала в виде луча лазера с различной частотой. Помимо лазера создан кремниевый модулятор, который позволяет кодировать данные на луче света, увеличивая или уменьшая его мощность.

Если основанные на фотоэлектронике соединения между микросхемами уже технически возможны, то для оптической связи внутри микросхемы потребуется кремниевый лазер с электропитанием, работы над которым ведутся. Создание эффективного кремниевого лазера означает, что все технические устройства, от суперкомпьютеров, расположенных в разных странах, до самых миниатюрных транзисторов, будут взаимодействовать со скоростью света.

Метаболомика

Метаболомика – анализ тысяч небольших молекул, например сахара и жиров, являющихся продуктами обмена веществ, метаболизма. Если метаболическую информацию удастся перевести на язык диагностических тестов, она сможет обеспечить более раннюю, более быструю, а главное – более точную диагностику многих болезней.

Метаболомика является естественным следствием успехов в геномике и протеомике, которые позволили ученым начать идентификацию многих генов и белков, задействованных в процессе заболевания. Сегодня ученые приходят к пониманию того, что им необходимо изучать метаболиты так же системно, чтобы получить полную картину процессов, происходящих в организме человека, фиксируя тот момент, когда заболевание только начинает развиваться. Это самым кардинальным образом изменит диагностику как таковую и произведет тем самым переворот в медицине.

Магнитно-резонансная микроскопия

В области нанотехнологий и в молекулярной биологии ученые зачастую сильно ограничены из-за невозможности наблюдать за атомами и молекулами в трехмерном пространстве. Белки, например, скрыты в сложных структурах, которые по большей части остаются невидимыми биологам в попытках выяснить их функции в качестве биомолекул. Технология магнитно-резонансной микроскопии (MRFM) возникла из соединения технологии получения изображения при помощи магнитного резонанса и атомно-силовой микроскопии, которые широко используются в области нанотехнологий. Физики из научно-исследовательского центра корпорации IBM в городе Сан-Хосе, штат Калифорния, обнаружили слабый магнитный сигнал (кручение) одиночного электрона, что говорит в пользу указанной технологии. Принцип работы MRFM основан на раскачивании микроскопического магнитного наконечника на конце сверхчувствительной стрелки, которая наклоняется, реагируя на действие даже очень небольшой силы. При соблюдении точно заданных условий сила действия магнитного поля между наконечником и электроном приводит к изменениям вибрации стрелки, которые могут быть измерены. Теоретически сканирование молекулы в трехмерном растре может обеспечить формирование изображения.

Давая ученым-фармацевтам возможность более полно раскрыть структуру белков, технология MRFM способна оказать неоценимую помощь в поисках путей создания более безопасных и эффективных лекарственных препаратов. Стандартный метод определения сложной трехмерной структуры белков включает их кристаллизацию и последующий анализ дифракционной картины рентгеновских лучей, вызывающих колебание атомов в кристалле. Однако не все белки поддаются кристаллизации, а расшифровка дифракционной картины рентгеновских лучей – это дело трудоемкое и сложное. Поэтому ученые разработали сканирующий туннельный микроскоп, с помощью которого можно получать изображения атомов, что позволило создать технологии манипулирования на атомном уровне.

Универсальная память

Программа создания универсальной памяти включает появление сверхплотных, маломощных запоминающих систем, что становится возможным на базе использования нанотрубок. Уже появились пластинки кремния, на которой можно хранить 10 миллиардов бит информации. Кодировка каждого бита осуществляется не при помощи электрического заряда на элементе схемы, и не путем управления магнитным полем, как на жестких дисках, а посредством физической ориентации наномерных структур.

Технология, которую разрабатывает компания Nantero, основана на исследованиях руководителя научного подразделения компании Томаса Рьюкса, которые он выполнил еще будучи студентом Гарвардского университета. Он обратил внимание на то, что существующие запоминающие устройства в долгосрочной перспективе перестанут соответствовать растущим требованиям пользователей к компьютерным технологиям. Возникла идея о том, как соединить в одном устройстве все лучшее, чем сегодня отличаются статистическая и динамическая память в ноутбуках и флэш-память.

Решение было следующим. Предстояло создать память, каждая из ячеек которой изготовлена из углеродных нанотрубок размером менее одной десятитысячной толщины человеческого волоса и подвешена на расстоянии нескольких нанометров над электродом. Это «положение по умолчанию», в котором между нанотрубками и электродами не проходит электрический ток, соответствует цифре 0.

Если приложить к ячейке небольшое напряжение, нанотрубки провисают в середине, приходят в соприкосновение с электродом и образуют цепь – запоминая цифру 1.

Нанотрубки сохраняют свое положение, даже когда напряжение отключается. Это может позволить создать персональный компьютер мгновенного включения и в перспективе сделать ненужной флэш-память, а кроме того, высокая плотность хранения информации, обеспечиваемой этой технологией, значительно повысит объем информации, которую можно будет хранить в памяти мобильных телефонов.

Другие направления на этом пути – магнитная оперативная память, которую разрабатывают корпорации Motorola и IBM, а также молекулярная память, лидером в разработках которой является Hewlett-Packard.

Космонавтика

До 2020 года состоится первый пилотируемый полет к Марсу.

До 2025 года на Луне будет построена база для добычи полезных ископаемых и подготовки полетов к другим планетам.

До 2030 года над Землей будет создано гигантское поле из солнечных батарей, что позволит получать энергию, все более отказываясь от атомных электростанций.

До 2040 года на Марсе будет создано постоянное поселение землян.

До 2050 года состоится первое применение принципиально нового ракетного двигателя, позволяющего космическому кораблю двигаться с околосветовой скоростью.