Текст книги "Информация или интуиция?"

Автор книги: Алексей Шилейко

Соавторы: Тамара Шилейко
сообщить о нарушении

Текущая страница: 15 (всего у книги 16 страниц)

УПАКОВКА ЧАСТОТЫ

Помните, мы рассказывали в четвертой главе, как М. Планк пришел к великому открытию, изучая, причем именно с энтропийных позиций, распределение энергии по различным длинам волн? Кроме отмеченных уже тенденций к равномерному распределению в пространстве и времени, энергия испытывает также тенденцию равномерно распределяться по частотному диапазону – недаром Солнце излучает белый свет. Так вот, с помощью лазера осуществляется концентрация энергии не только в пространстве и времени, но и в пределах чрезвычайно узкого частотного диапазона.Это последнее обстоятельство используется, в частности, для построения так называемых молекулярных часов. До самого последнего времени самыми точными часами в мире были-звезды. Любые, сколь угодно точные искусственно созданные, часы проверялись по звездам. Теперь, наоборот, пользуясь молекулярными часами, мы получили возможность проверять точность движения небесных тел. И не зря! Оказалось, что небесные «часы» не так уж точны, как представлялось нашим предкам.Молекулярные часы – это газовый мазер. Частота его, равная сотням миллиардов колебаний в секунду, делится во много раз, пока не получаются колебания с частотой одно колебание в секунду. Газовый, потому что в газе молекулы в минимальной степени влияют друг на друга, и это позволяет получить наименьшие отклонения частоты колебаний.Но опять-таки говорим мы все это здесь исключительно ради того, чтобы задать один вопрос: разве сведения о том, который сейчас час, не есть информация в самом широком понимании этого слова?

ПОЛЕЗНЫЕ ПРИМЕСИ

Среди всевозможных технических систем наибольшее отношение к нашей теме имеют, конечно, различные средства переработки информации и, в частности, ЭВМ. ЭВМ совместно с чрезвычайно широко развитыми методами сбора, хранения и переработки информации составляют то, что с полным основанием можно назвать информационной индустрией. Сочетание слов «искусственный интеллект» перестало быть достоянием фантастов и любителей экзотики в науке и служит просто для обозначения одной, совершенно конкретной отрасли промышленности (заодно, конечно, и науки). Но именно в силу этих особенностей ЭВМ и другие средства переработки информации описаны сейчас в огромном количестве публикаций, в том числе и популярных. Мы не станем здесь повторять общеизвестное. Коснемся одного вопроса, связанного с современной технологией средств переработки информации. Эта технология известна как технология интегральных схем вообще и, в частности, больших интегральных схем (БИС).Что же такое БИС? Всякая переработка информации осуществляется по программе точно так же, как синтезируются белки в живой клетке. Поэтому, чтобы построить устройство для переработки информации, необходимо решить две основные задачи: обеспечить средства для хранения программы, а заодно, и тех данных, которые подвергаются переработке, и построить собственно рабочую часть, которая под управлением со стороны программы будет выполнять отдельные операции над данными.И ту и другую задачу можно решать многими способами. В своем развитии техника переработки информации испробовала самые различные способы, начиная с электромагнитных реле, и в настоящее время почти окончательно остановилась на интегральных схемах, которые, в свою очередь, используют в работе свойства полупроводников.Полупроводниками называют весьма широкий класс материалов, которые по электропроводности занимают промежуточное место между изоляторами (совсем не проводят электрического тока) и проводниками (проводят электрический ток очень хорошо). Главное свойство полупроводников состоит в том, что их электропроводность сильно зависит от самых различных факторов и, в частности, от наличия примесей. Чистый полупроводник при комнатной температуре практически представляет собой изолятор. Однако достаточно добавить к нему определенную примесь в количестве, не превышающем, скажем, одной тысячной доли процента, электропроводность увеличивается в миллион и более раз.Одна тысячная доля процента! Сто лет назад техника просто не позволяла очистить вещество так, чтобы содержание любых примесей в нем имело подобный порядок. Теперь же одна тысячная доля процента – это содержание совершенно определенной примеси. Что же касается примесей вообще, которые всегда присутствуют в любом материале, то их содержание должно быть еще на несколько порядков ниже.Большинство известных полупроводников – кристаллические тела. Атомы в них расположены в строго определенных местах, в узлах так называемой кристаллической решетки. Добавляемые к полупроводнику примеси замещают в отдельных узлах атомы основного вещества, причем, как уже отмечалось, на сто тысяч атомов основного вещества может приходиться один атом примеси. Этого достаточно, чтобы в области, окружающей дополнительный атом, полупроводник резко изменил свои свойства.Представим себе теперь, что в толще кристалла полупроводника созданы отдельные области, содержащие примеси. Размеры каждой такой области могут иметь порядок долей микрометра. Представим себе также, что все эти области, взятые вместе, составляют сколь угодно сложный, но непрерывный узор – каждая область касается одной или нескольких соседних. Тогда электрический ток будет проходить в кристалле сложный путь от области к области. Читатель уже догадался, что сейчас последует аналогия с бильярдом. Все правильно. Электроны, составляющие электрический ток, движутся в кристалле такими же зигзагами, как и бильярдные шары.Такая аналогия, однако, справедлива не во всем. Для бильярда особенно характерно было полное безразличие. В первых главах мы не уставали повторять, что ни одна из областей поверхности стола не обладает какими-либо преимуществами по сравнению с другими.Здесь же, наоборот, электрический ток может проходить сколь угодно сложный, но строго определенный путь.И еще одно обстоятельство. Чтобы области полупроводника, содержащие примеси, проводили электрический ток, недостаточно одного присутствия примесей. Нужно еще, чтобы данная область находилась под определенным электрическим напряжением относительно всего кристалла. Эти напряжения могут устанавливаться извне с помощью специальных выводов или создаваться тем же самым протекающим током.

ВОТ ОНА КАКАЯ —БИС!

Теперь нарисованная нами картина достаточно полна. Сделайте усилие, читатель, и представьте себе кристаллик, скажем, германия или кремния (это наиболее часто используемые материалы) размерами, скажем, 5×5x0,1 миллиметра. Кристаллик таких размеров лучше рассматривать в лупу.В толще вещества кристаллика имеется большое количество отдельных областей, содержащих примеси. Размеры областей, как уже отмечалось, могут быть весьма малы, ведь в принципе, чтобы свойства полупроводника изменились, достаточно одного атома примеси. Поэтому в кристаллике указанных размеров можно создать миллион (это далеко не предел) таких областей, расположенных в строго определенном порядке. От одной области к другой протекают электрические токи. Они распространяются по самым прихотливым путям, натыкаются на препятствия, ищут обходные пути и наконец достигают (или не достигают) специальных выводов, которые для данной схемы являются выходными. Это и есть БИС.Она интегральная потому, что в ней объединено (интегрировано) много областей, называемых также компонентами.Если их количество имеет порядок миллиона и выше, то интегральная схема с полным основанием приобретает название большой.Ну а что касается ее функционирования, здесь все ясно. Области, занимаемые примесями, играют ту же роль, что и отдельные аминокислоты в молекуле ДНК.Сложные пути, проходимые токами, – это и есть зафиксированная информация. Она составляет программу, в соответствии с которой открываются или закрываются отдельные пути для токов. Именно так и происходит переработка информации.Что могут современные ЭВМ, читатель хорошо знает; как было условлено выше, мы не станем касаться этих вопросов. Приведем только несколько данных, характеризующих основные свойства современных интегральных схем.Первая советская ЭВМ, разработка которой была закончена в 1952 году, требовала для своего размещения зал площадью около ста квадратных метров и мощности в несколько десятков киловатт. Потребляемая мощность была столь велика, что специальную проблему представлял отвод тепла. Кроме зала, занятого самой ЭВМ, требовался еще подвал с холодильной установкой.К началу 60-х годов размеры ЭВМ (при одинаковой производительности) уменьшились до габаритов письменного стола, а потребляемая мощность снизилась до нескольких десятков ватт. Современная интегральная технология позволяет разместить ЭВМ, обладающую почти теми же возможностями, в корпусе наручных часов. Она может питаться в течение года от одной батарейки размером меньше копеечной монеты.

ОПТРОНИКА

Казалось бы, о чем еще мечтать? Но конструкторская мысль не знает пределов. Если упомянутая первичная ЭВМ была способна выполнять около тысячи отдельных операций в секунду, то сейчас мы подходим к быстродействию, измеряемому сотнями миллионов операций в секунду. И все же этого недостаточно. Поэтому проводятся опыты с оптическими интегральными схемами. Суть здесь состоит в том, что различные примеси влияют не только на электропроводность, но и на прозрачность полупроводниковых материалов. Прозрачность опять-таки может зависеть не только от наличия примеси, но и от различных условий, в которых находятся области с примесями.Оптическая интегральная схема – это снова кристалл полупроводника, в котором по различным путям между компонентами проходят не электрические токи, а световые лучи. В результате быстродействие оказывается выше еще примерно на порядок. Правда, само понятие «световой луч» здесь уже оказывается условным. Например, в так называемых голографических устройствах переработки информации состояния отдельных областей, которыми в данном случае являются группки из нескольких молекул – домены, определяются их намагниченностью. Намагничиваются или перемагничиваются домены с помощью светового луча. А почему нет? Ведь свет – это электромагнитные колебания, имеющие как электрическую, так и магнитную компоненту. Эта магнитная компонента вполне способна намагнитить отдельные области достаточно малых размеров. А размеры настолько малы, что появился даже специальный термин «молектроника».Так, может быть, мы достигли пределов возможного? Нет, отнюдь. Спросите любого специалиста по электронике, и он скажет вам, что, по его мнению, мы находимся лишь в самом начале пути. Оно и на самом деле так. Несмотря на всю фантастичность только что нарисованной картины, пока еще в области переработки информации мы не достигли в целом (хотя и превзошли, как говорят, по отдельным показателям) даже тех параметров, которых достигла природа в процессе эволюции. Но эволюция слепа – она действует методом проб и ошибок. Поэтому есть все основания ожидать, что целенаправленный инженерный поиск в конце концов превзойдет природу.

БИОТЕХНОЛОГИЯ

Но мы не только соревнуемся с природой, мы непрерывно учимся у нее и используем ее методы в своих целях. В качестве еще одного примера технических информационных систем рассмотрим новую, стремительно развивающуюся и чрезвычайно перспективную отрасль промышленной индустрии – иммунную биотехнологию.Для проведения химического анализа традиционными методами иногда приходится решать чрезвычайно сложные задачи. Например, чтобы с помощью химических методов отличить инсулин, взятый из поджелудочной железы свиньи, от инсулина бычьего, надо, чтобы оба препарата были абсолютно чистыми. Затем необходимо определить последовательность аминокислот в цепочке белковой молекулы и того и другого препарата, чтобы удостовериться, что в том месте молекулы свиного инсулина, где находится аминокислота треонин, в молекуле бычьего инсулина вместо нее стоит аминокислота аланин. Но так же точно выглядит и молекула инсулина овцы. Чтобы удостовериться, что это не она, надо рассмотреть еще один участок молекулы: в овечьем инсулине должна быть аминокислота глицин вместо аминокислоты серина, которая типична и для свиного и для бычьего инсулина. Легко представить себе, насколько сложен и длителен подобный анализ и какая требуется квалификация специалистов.Положение существенно упрощается, если использовать для анализа антитела. В 1890 году впервые в истории медицины американский и японский исследователи Беринг и Китазато использовали антитела на практике. Они вводили кроликам токсины (ядовитые продукты обмена веществ) возбудителя дифтерии и полученную от них сыворотку с антителами —антисыворотку–использовали для лечения дифтерии у детей. Лечение оказалось в высшей степени успешным и применяется до сих пор. Только теперь вводят не цельную антисыворотку иммунизированных животных, а выделенные из них иммуноглобулины, которые и содержат антитела.Открытие антител и одновременное их прикладное использование было удостоено Нобелевской премии, которую Беринг и Китазато получили в 1902 году. И поныне технология получения антител—иммунная биотехнология– делится на три этапа: иммунизация животного соответствующим антигеном, получение от него кровяной сыворотки с антителами и выделение из нее максимально очищенных антител против данного антигена, будь то микроб или токсин, клетка животного происхождения или гормон, фермент или любой белок.Для выделения нужного антитела можно использовать следующие приемы. Сначала животное иммунизируют (а проще говоря, заражают) смесью различных веществ, в которой содержится и то вещество, для которого нужно получить антитела. Вступает в действие иммунный механизм животного, и вырабатываются антитела против всех веществ, входящих в состав смеси. Для каждого вещества вырабатывается своя, сугубо специфичная группа антител, никак не реагирующая на другие вещества. Затем получают сыворотку, которая, очевидно, содержит все эти антитела. Теперь задача сводится к тому, чтобы выделить только одну, интересующую нас группу антител. Для этого поступают следующим образом. Смешивают сыворотку со смесью различных веществ, которые теперь заведомо не содержат данного вещества (например, овечьего инсулина). В результате взаимодействия все другие антитела, прореагировав с соответствующими веществами, потеряют активность и в смеси останутся лишь нужные антитела. Они и могут быть использованы для выполнения анализов.С помощью антител упомянутые выше три вещества можно проанализировать всего за несколько часов. Причем чувствительность анализа высочайшая – до 10-12 грамма на литр, то есть антитела выловят инсулин из среды даже в том случае, если в литре его будет всего лишь одна триллионная доля грамма. Доверить эту операцию можно начинающему экспериментатору. И вовсе не надо иметь очищенные препараты – они могут быть с чем угодно смешаны и входить в состав сложнейших многокомпонентных систем, например, в сыворотку крови, питательную среду, в которой выращивались микроорганизмы, в смесь на выходе сложных биохимических реакций.Вряд ли следует указывать здесь, что всякий анализ – это метод получения информации о составе анализируемого вещества, а анализ, проводимый со столь высокой точностью, позволяет получить очень большое количество информации.Информационная техника и информационные методы буквально пронизывают сейчас все, с чем приходится ежедневно сталкиваться современному человеку. Поэтому, заканчивая главу, посвященную роли информации в технике, мы должны сказать, что в предшествующих строках мы не только не нарисовали сколь-нибудь исчерпывающей картины присутствия информации в различных системах, но не сделали даже одного мазка этой картины. Несколько рассмотренных нами примеров выбрано из огромного множества подобных им, и понадобились они лишь для того, чтобы помочь прийти в следующей главе к некоторым заключительным выводам.

СУЩЕСТВУЮТ ЛИ ЧЕРНЫЕ ДЫРЫ?

Эту последнюю главу мы начнем с рассмотрения двух примеров, которые не подошли ни под один из заголовков предыдущих глав. Первый пример мы заимствовали из статьи Д. Киржница и В. Фролова, опубликованной в одиннадцатом номере журнала «Природа» за 1981 год.Черные дыры – эти гипотетические небесные объекты – в последние годы привлекают к себе большое внимание. Их аномально сильное тяготение действует как своего рода клапан: вещество непрерывно захватывается таким объектом и падает на него, как в дыру.В то же время никакое тело, даже квант света, не может вырваться из этих объектов наружу, поэтому любому внешнему наблюдателю они должны представляться черными.Пока с уверенностью нельзя сказать, что черные дыры открыты, хотя возможность их существования неизбежно следует из общей теории относительности.Согласно общей теории относительности вблизи тяготеющих масс пространство искривляется. Если тяготеющая масса очень велика, такое искривление пространства приводит к его замыканию. Подобное замкнутое пространство и есть черная дыра. Обнаружение черных дыр, в которые так верит большинство специалистов, имело бы чрезвычайно важное значение для астрофизики и космологии. Однако уже сегодня интерес к черным дырам выходит далеко за рамки науки о космосе. В процессе исследования этих необычных объектов обнаружилась их глубокая связь с фундаментальными проблемами физики. В частности, это связано с удивительными термодинамическими свойствами черных дыр, которые, как оказалось, в принципе не могут быть холодными телами, а обязательно должны излучать подобно нагретому до определенной температуры черному телу. Такое явление называют эффектом Хокинга.

ВТОРАЯ КОСМИЧЕСКАЯ

Чтобы как следует понять, что такое черная дыра, обратимся к космонавтике. Известно, что всякое тело, движущееся вблизи тяготеющей массы, находится под воздействием двух сил – силы тяготения и силы, вызываемой ускорением тела в его движении относительно этой массы. Характер движения определяется тем, какая из этих двух сил больше. Если больше сила тяготения, тело падает «вниз». Если больше сила, вызываемая ускорением, и, кроме того, эта сила направлена в сторону, противоположную силе тяготения, тело будет удаляться от тяготеющей массы и в конце концов покинет сферу ее воздействия.При орбитальном движении ускорение тела пропорционально квадрату скорости и обратно пропорционально расстоянию до центра вращения. Поэтому, чтобы преодолеть силу тяготения, тело должно приобрести определенную скорость. Самая маленькая скорость, при которой тело может преодолеть путы земного притяжения, получила название второй космической скорости. В настоящее время вторая космическая скорость – это не предмет научных спекуляций, а совершенно реальная величина, используемая в расчетах траекторий космических кораблей, направляющихся к Марсу, Венере и более отдаленным небесным телам солнечной системы,При орбитальном движении сила, противодействующая силе тяготения, зависит не только от скорости, но и от радиуса орбиты: чем меньше радиус, тем больше вторая скорость. Существует такая величина радиуса (она называется гравитационным радиусом), при которой вторая космическая скорость оказывается равной скорости света. Поскольку никакой физический объект не может двигаться быстрее, чем со скоростью света, попав внутрь сферы с радиусом, равным гравитационному радиусу, объект никогда уже не сможет выйти наружу. Для этого необходимо, конечно, чтобы вся тяготеющая масса была сосредоточена внутри сферы с гравитационным радиусом.

ГОРИЗОНТ СОБЫТИЙ

Для Солнца гравитационный радиус равен примерно трем километрам. Это означает, что сфера с гравитационным радиусом (ее называют также горизонтом событий) целиком расположена внутри материи Солнца. Поэтому Солнце и излучает различные частицы, главным образом фотоны, в окружающее его пространство.Если масса небесного тела превышает некоторую критическую величину, под воздействием собственных сил тяготения оно начинает сжиматься и сжимается до тех пор, пока целиком не окажется сосредоточенным внутри сферы – горизонта событий.Такой процесс называется коллапсом, и так рождается черная дыра.Если наблюдатель, двигаясь по направлению к черной дыре, пересекает сферу горизонта событий и продолжает двигаться дальше, он не наблюдает ничего особенного. Просто ускорение силы тяжести непрерывно увеличивается, формально обращаясь в бесконечность в центре черной дыры. Для наблюдателя же, находящегося вне черной дыры, она просто не существует, поскольку, как уже отмечалось, никакой физический объект, в том числе и квант электромагнитного излучения, не может покинуть черную дыру и быть зарегистрированным в каком-либо физическом эксперименте. Черная дыра как бы вычеркивается из пространства, изучаемого внешним наблюдателем.Любой физический объект, упавший на черную дыру, исчезает. Исчезает не в том смысле, что он перестает быть доступным для наблюдателя, а исчезает совсем, то есть перестает каким бы то ни было способом влиять на любые процессы, происходящие в рассматриваемой области пространства. Конечно, при падении объекта в черную дыру его энергия (масса) прибавляется к общей энергии черной дыры.То же самое происходит с количеством движения, моментом количества движения и электрическим зарядом.Казалось бы, все только что сказанное неотвратимо свидетельствует об одном: черная дыра должна восприниматься внешним наблюдателем как тело, находящееся при температуре абсолютного нуля. Ведь понятиетеплоты неразрывно связано у нас с понятием из лучения, а черная дыра ничего не излучает и ничего не отражает. Но вот американский ученый С. Хокинг в 1975 году показал обратное