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, 5x5x0,1 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

ПУСТОТА — ИСТОЧНИК ЧАСТИЦ

Чтобы сделать рассуждения понятными, необходимо сейчас напомнить читателю, что окружающий нас физический вакуум — это совсем не абсолютная пустота, как считалось, скажем, сто лет назад. По многим своим свойствам физический вакуум материален. Это проявляется, в частности, в том, что в физическом вакууме непрерывно происходят процессы рождения и взаимного уничтожения пар так называемых виртуальных частиц. Такими парами могут быть электрон и позитрон или пары различных квантов электромагнитного излучения. Поскольку эти пары рождаются все же «из ничего», они должны отвечать обязательному условию: если энергия (масса) одной из частиц такой пары положительна, то энергия (масса) второй частицы должна быть отрицательной и равной по абсолютной величине энергии первой частицы. При таком условии частицы, взаимно уничтожаясь, исчезают бесследно и средняя энергия, распределенная в физическом вакууме, как и следует быть, оказывается равной нулю.Иначе обстоит дело, если рождение пар виртуальных частиц происходит вблизи горизонта событий. Тогда частица, обладающая отрицательной энергией, падает внутрь черной дыры и исчезает. А частица, обладающая положительной энергией, подчиняясь закону сохранения количества движения, улетает в сторону от черной дыры, Легко показать, что внутрь должны падать именно частицы с отрицательной энергией. Если бы было наоборот, то энергия черной дыры непрерывно увеличивалась бы за счет энергии падающих на нее виртуальных частиц. Энергия бралась бы из ничего, что запрещено законом сохранения. Наоборот, если внутрь черной дыры падают частицы с отрицательной энергией, ее энергия постепенно уменьшается и это уменьшение в точности равно положительной энергии частиц, улетающих в космическое пространство. Вот и получается, что черная дыра излучает, то есть представляется для внешнего наблюдателя горячим телом. Рассуждения С. Хокинга полностью подтвердились сделанными им расчетами.

ТЕМПЕРАТУРА БИЛЬЯРДА

К тем же выводам, что и С. Хокинг, можно прийти, исходя из совершенно иных соображений. И снова, в который раз, вернемся к бильярду. Когда шары на бильярдном столе неподвижны и составлены в пирамидку, можно сказать, что температура бильярда равна нулю. Ведь температура определяется средней скоростью движения частиц. Разбивая пирамидку, мы «нагреваем» бильярд до определенной температуры. При этом шары «забывают» свое первоначальное положение в пирамидке и движутся так, что все положения на столе для них равновероятны. Можно сказать, что процесс нагревания — это то же самое, что процесс забывания. Раньше мы строго сформулировали ту же мысль, сказав, что информация суть энтропия, взятая с обратным знаком, чем выше энтропия системы, тем меньшее количество информации может быть от нее получено.Но должно быть справедливо и обратное. Чем меньше информации может быть получено от системы, тем выше должна быть ее энтропия. Мы уже сталкивались с подобным положением в главе четвертой и подчеркивали там, что существенное значение имеет именно принципиальная возможность получать информацию, а не то, хотим мы получать эту информацию и располагаем ли мы при этом соответствующими приборами или нет.Перенося эти рассуждения на случай черных дыр, приходим к непосредственному выводу. Поскольку возможность получать какую-либо информацию о черной дыре отсутствует, значит, энтропия ее должна быть велика. Черная дыра полностью «забыла» как о своем собственном происхождении, так и о всех тех объектах (в том числе и виртуальных частицах), которые она поглотила. А подобное забывание эквивалентно тому, что черная дыра ведет себя как тело, нагретое до достаточно высокой температуры.Все эти рассуждения, может быть, и не имели бы особой цены, если бы, будучи облаченными в математические формулы, они не дали бы в точности тот же результат, который получается при выводе математических зависимостей на основе представления о виртуальных частицах.До открытия эффекта Хокинга мы знали единственный механизм появления тепловых свойств у динамической системы. Он состоит в превращении упорядоченного движения частиц в хаотическое, проявляясь и при трении двух кусков дерева, с помощью которых наши предки добывали огонь, и в современных установках по нагреву плазмы. Физика черных дыр указала нам новый механизм появления тепла, который происходит по схеме: черная дыра — черный ящик (то есть объект, который можно изучить только по его внешним проявлениям) — черное тело.Черные дыры помогли нам увидеть новые и неожиданные аспекты термодинамики, обогатив наше понимание природы теплоты. Поэтому независимо от того, существуют эти объекты в природе или нет, они уже с лихвой оправдали себя как предмет теоретического исследования и, можно думать, надолго останутся в истории естествознания.