Чтение онлайн

А теперь «следите за руками»! У электрона есть два состояния: спин вверх и спин вниз — своеобразные «орел» и «решка». Какова вероятность найти два электрона спином вверх (пусть электроны имеют разную энергию, чтобы не было проблем с ферми-статистикой)? Думаете одна четвертая? Ничуть не бывало. Одна треть. Считаем состояния. Два вверх. Два вниз. Один вверх, один вниз. Всего три состояния. Стоп, — скажете вы. Ну, один, два, а затем три — первый вниз, второй вверх, и четыре — первый вверх и второй вниз.

А вот и нет. Два электрона не бывают первым и вторым — они настолько одинаковы, что принципиальноне различимы. Один вверх (неважно какой), один вниз — и никак иначе! Физики эту вероятность померили, что называется, поиграли в орлянку. И подтвердили — одна треть!

В нашем мире любые два объекта — хоть братья близнецы — принципиально различимы. А в квантовом — наоборот: два электрона — это два электрона, а не первый и второй — пальцем в них ткнуть нельзя! Неразличимость одинаковых квантовых объектов (а это могут быть и нанокластеры) — удивительное отличие квантового мира от нашего. Что будет, если мы создадим точную атомарную копию какого-либо предмета — атом за атомом? Мы это еще не пробовали! А нанотехнологии нам такую возможность предоставят.

Еще раз повторимся: мы многого не знаем. Нет, мы знаем, как «удивительно» ведут себя молекулы, атомы и их составные части — элементарные частицы. Но мы до конца не знаем, как ведут себя их ансамбли при условии, что действие квантовых эффектов будет «продолжено» до надлежащих размеров. А то, что такое «продление» будет, сегодня уже можно не сомневаться. Помните про спины электронов? Вот с ними имеет место совершенно удивительный «фокус», уже частично «пролонгированный» в наш мир. На основе этого «фокуса» работают флешки — память, не требующая энергопотребления.

Электроны — фермионы, т. е. они подчинены так называемой ферми-статистике. Это означает, что два электрона в одно состояние запихнуть нельзя. Если «коробочка» занята, то будьте любезны — в другую. Помните, как в химии электроны химических элементов с ростом номера элемента заполняют электронные оболочки? Это оно и есть. Они не толпятся все на нижних орбитах — там занято и приходится забираться на следующие.

Впрочем, на каждой «орбите» все же не один электрон, а два, ведь есть еще спин, вверх и вниз. В каждой клеточке по два электрона, спины которых смотрят в разные стороны. И если мы у одного электрона перевернем спин, то у другого он тоже обязательно перевернется. На этом — или почти этом — принципе работают так называемые спин-спиновые взаимодействия, или спиновые волны. Это передача сигнала очень странным способом — без привычных нам сил. Кстати, на этом принципе работает и так называемый квантовый компьютер, которому посвящен отдельный раздел (см. п. 3.3 «Немного мертвый кот, или компьютер-демон»).

Исчерпываются ли «чудеса» и «фокусы» квантового мира тем, что мы рассказали? Конечно, нет! Например, мы можем с удивлением узнать, что, повернувшись на 360 градусов вокруг собственной оси, мы не очутимся в том же положении — оказывается, надо повернуться дважды! И многое-многое другое. Но обо всем этом — позже, конечно, лишь в том объеме, который нам необходим для разговора о рисках привнесения особенностей квантового мира в нашу жизнь.

Для понимания рисков, связанных с развитием нанотехнологий, очень важно ответить на, казалось бы, простой вопрос: что нам даст это развитие — наноартефакты неизвестной нам сегодня природы или привычные продукты, созданные на иной технологической основе? Иными словами, что мы ожидаем: будем ли мы продолжать изготовлять «табуретки» не из дерева, а из композитных наноматериалов, будем насаживать топор с нанопокрытием лезвия на рукоять из легкого и прочного наноматериала, чтобы нарубить дров для печного отопления, труба которого термоизолирована от потолка термозащитой из наноматериала во избежание пожаров, или речь о другом? Мы, конечно, утрируем. Но производство самолетов, ядерных реакторов и многого другого, что мы на сегодня умеем, в сущности — «табуретка» современности. Нанотехнологии найдут широкое применение и в авиастроении, и в традиционной электронике, и в большинстве традиционных областей: от медицины до космонавтики, но важно помнить, что это далеко не все. Манипулирование материей на атомарно-молекулярном уровне, использование в нашем мире эффектов квантового мира дают нам основание предполагать, что те возможности, которые предоставляют нанотехнологии, существенно шире «повторения пройденного». А если изменения — как мы, собственно, ожидаем — носят принципиальный характер, то мы должны ответить и на вопрос: как они могут изменить наши производство, потребление, а вместе с ними и сам «стиль» жизни, т. е. все? (См. главы 7 и 8.)

Итак, по факту (так уже сложилось в реальной жизни) есть два рода нанотехнологий, которые условно можно назвать «традиционные» и «квантовые». И дело не только в «квантовости» того или иного эффекта — дело в том, о чем шла речь выше: ручка ли топора это или что-то принципиально новое, как когда-то были первый телефон, первое радио, первое телевидение, первый компьютер, антибиотики и наркоз, воздушный шар и первый самолет. Конечно, такое разделение не следует рассматривать как категорическое и вполне точное. Достаточно заметить, что имеют место и так называемые «промежуточные» нанотехнологии, которым одновременно присущи некоторые системные черты и тех, и других.

Под «традиционными» можно (и как авторы полагают, следует) понимать технологии, лежащие в русле эволюционного развития, т. е. такого развития, которое вовсе не требует изменения наших базовых представлений или как минимум не требует их быстрого, а потому сложного изменения. Во многом такие представления уже сложились.

Каковы же эти базовые преставления?

Даже если мы не знаем точно, то в целом понимаем, зачем нам необходимы изменения свойств материалов и сред, применяемых в нашей технологической деятельности. Зачем и почему нужны материалы более прочные и легкие, более долговечные и способные работать в агрессивных средах, материалы, обладающие низкими коэффициентами трения и надлежащей адгезией и несмачиваемостью, и далее… — список может быть продолжен.

Так же и с электроникой в различных ее аспектах: мы знаем, зачем нужна миниатюризация, ведущая к высочайшему быстродействию и колоссальным объемам памяти (как оперативной, так и «архивной»), к снижению энергопотребления (что среди прочего делает эти электронные устройства возможными, купируя проблему «отвода» рассеиваемой мощности).

Иными словами, речь идет о нашем технологическом опыте, включая не только набор доступных нам технологий, а значит, возможностей, но и технологические «привычки» и стандарты мышления, наши рутины (см. п. 8.1 «Наш враг — стереотип»).

Так, человечество в области металлургии давно и с успехом (ранее — опытным путем, впоследствии — на строгой научной основе) создает и массово производит материалы с желаемыми свойствами. При этом, как физик в области твердого тела, так и металлург-технолог, оперируют понятиями о строении вещества на уровне малых размеров, когда говорят о дислокациях, доменах, когда изучают фононную и иные «квазичастичные» структуры материала. И все это уже давно представлено в нашей практической жизни: прочные и надежные конструкционные материалы, инструментальные материалы, включая материалы, применяемые для медицинского протезирования, и многое другое.