2. Физические основы будущей технологии
Фрэнк Вильчек
Достижения фундаментальной физики качественно изменили ее взаимоотношения с технологиями. Надежный фундамент позволяет четко видеть как ограничения, так и возможности. Перед нами открываются не только блестящие перспективы, но и опасности.
Фундаментальная физика одновременно сдерживает и развивает технологии. В принципе, это очевидная истина: большая часть технологий воплощена в жизнь в виде машин и структур, которые, будучи физическими объектами, подчиняются законам физики. Однако на протяжении большей части истории почти все области техники были довольно слабо связаны с фундаментальной наукой. Рассмотрим, например, некоторые наиболее яркие моменты использования технологий римлянами — их великолепные дороги, акведуки и Колизей. Согласно книге «De Architectura», написанной в I веке до н. э., технология, на которую опираются эти технические чудеса, основана на опыте, накапливавшемся в течение очень долгих лет. Последний и породил ряд эмпирических правил. Например, найдены подробные инструкции по выбору и подготовке строительных материалов, в некотором роде предвосхищающих современные композиты. При этом не нашлось ничего такого, что можно было бы признать систематизированной наукой — материаловедением. Точно так же центральный элемент римского строительства — арка — представлен в виде шаблона, а не как математически выверенное решение проблемы распределения нагрузки и напряжений. Причем этот шаблон, основанный на сегментах круга, не оптимален.
Сегодня связь между фундаментальной физикой и технологией гораздо более тесная. Примечательно, что современные микроэлектроника и телекоммуникация поддерживают обработку и передачу информации со скоростью, всего несколько десятилетий назад казавшейся совершенно фантастической. Эти технологии, предоставляющие массу интереснейших возможностей, были бы невозможны без глубокого, надежного понимания квантовой теории материи и света (включая радио‑, микро‑ и остальные волны электромагнитного спектра). Без нее невозможны никакие новаторские разработки.
В этом кратком обзоре я намерен исследовать нынешнее состояние фундаментальной физики в той мере, в которой оно актуально для развития технологий, могущих возникнуть в течение последующих 50 лет. Я также рассмотрю будущие направления их развития и открывающиеся возможности.
От тайны к умению
Позвольте мне начать с главного утверждения, которое я буду потом и объяснять, и отстаивать.
Сегодня у нас уже есть точные и полные уравнения, способные лечь в основу ядерной физики, материаловедения, химии и любых важных направлений инженерного дела.
Таким образом, решив соответствующие уравнения, во всех этих областях мы могли бы заменить эксперименты расчетами. Это — качественно новая ситуация в истории человечества, возникшая в XX веке в первую очередь благодаря впечатляющим достижениям в области квантовой механики.
Чтобы получить более ясное представление об этом, следует вернуться в прошлое.
В начале XX века фундаментальная физика еще не могла учесть множество основополагающих и чрезвычайно важных свойств природы. Химики эмпирически пришли к периодической таблице элементов. Они также создали детализированную картину геометрии молекул — в частности, кольцевую структуру бензола и других органических веществ — и успешно использовали ее для разработки новых молекул и реакций. Но известные тогда законы физики не объясняли существование стабильных атомов, не говоря уж об их свойствах или формировании химических связей. Аналогичным образом с законами фундаментальной физики не связывались и основные свойства материалов, такие как электропроводность, прочность и цвет. Ничего не было известно о Солнце как об источнике энергии, а скорость охлаждения светила, рассчитанная лордом Кельвином, была слишком высокой, чтобы соответствовать эволюционной теории Чарлза Дарвина. Открытым оставался вопрос, могли ли основные явления жизни (метаболизм и размножение) и мысли (познание) возникнуть вследствие обычного поведения физической материи, или для этого потребовались дополнительные «жизненно важные» ингредиенты.
