Борис Кузнецов - Философия оптимзма

С констатации подобных парадоксальных процессов начало свою историю учение о квантах электромагнитного поля. После того как Планк открыл дискретность излучения и поглощения электромагнитных волн, Эйнштейн пришел к представлению о квантах электромагнитного поля, исходя из необъяснимых в рамках классической физики особенностей фотоэлектрического эффекта. Этот эффект состоит в том, что свет выбивает электроны с поверхности некоторого тела, например с поверхности металлической пластинки. Энергия выбитого светом электрона соответствует энергии, принесенной электромагнитной волной. Казалось бы, чем дальше расходятся электромагнитные волны, тем меньшая энергия содержится в каждой точке расходящейся волны — плотность энергии на фронте волны уменьшается. Таким образом, энергия электромагнитной волны в той точке, где она выбивает с поверхности пластинки электрон, должна зависеть от расстояния между пластинкой и источником света. На самом деле энергия электрона, выбитого с поверхности металла, не зависит от этого расстояния. Как заметил Крамере, получается так, будто матрос бросился с корабля в море, от места всплеска воды во все стороны пошла круговая волна, она дошла до другого матроса, купавшегося на другом конце моря, и ее энергии хватило, чтобы выбросить этого матроса из воды на палубу его корабля. Парадоксальный с классической точки зрения факт оказался естественным, когда Эйнштейн предположил, что свет существует в виде квантов, получивших название фотонов.

Процессы, подобные в этом отношении фотоэлектрическому эффекту, парадоксальные в рамках классической теории и естественные в квантовой физике, становятся основными технически применяемыми процессами в квантовой электронике и в радиационной генетике. Именно они позволили кибернетике стать основным фактором преобразования характера труда.

В первом поколении кибернетических машин применялись вакуумные приборы. Если впаять в стеклянную трубку электроды и выкачать из этой трубки воздух, то электрический ток будет проходить через трубку, когда один из электродов испускает электроны, которые доходят до другого электрода. Для этого нужно нагреть один из электродов. В обычной лампе накаливания раскаленный волосок наряду с квантами света испускает электроны. Можно впаять в стенку лампы другой электрод и включить лампу в цепь так, чтобы волосок был катодом, а второй электрод — анодом. В этом случае отрицательные заряды — электроны — будут переходить с катода на анод и лампа станет проводником.

Варьируя и комбинируя подобные схемы, можно получить приборы, пропускающие ток только в одном направлении, или приборы, которые проводят ток или, наоборот, становятся изоляторами, когда к ним приложено напряжение, или приборы, которые включают ток или выключают его при получении двух одинаковых или двух различных импульсов. Вообще такие вакуумные приборы как бы отвечают «да» или «нет» (включают или выключают сеть), получая два импульса (это соответствует союзу «и» в заданном вопросе) или при получении одного из импульсов (это соответствует союзу «или»). Реакция подобного прибора аналогична положительному или отрицательному ответу на вопрос, в котором изложены условия, выраженные какой-то логической операцией. Нужно подчеркнуть скорость такого ответа. В биологической эволюции среда дает отрицательный или положительный ответ на вопрос организмов, испытавших мутации. Она дает положительный ответ — мутации закрепляются отбором или отрицательный — среда отвергает их. Ответ требует массового эксперимента в течение долгого ряда поколений, и этот ответ задерживается на тысячелетия. Можно построить макроскопический механизм типа замка, который отпирается (утвердительный ответ) или не отпирается (отрицательный ответ), или прибор, где якорь притягивается либо не притягивается электромагнитом. Но в обоих этих случаях макроскопический характер приборов требует для их функционирования больших энергий и длительных сроков при каждом элементарном процессе. Макроскопическая упорядоченность процессов означает, что частицы, собранные в громадные ансамбли, действуют единообразно. Эти ансамбли — рычаги, валы, зубчатые колеса, якоря электромагнитов и т. д. — движутся в макроскопической пространственной шкале миллиметров и сантиметров и в макроскопической временной шкале секунд. Даже при очень больших энергиях скорости реакций макроскопических механизмов не могут быть высокими.

Электроника исходит из микроскопически упорядоченных процессов, которые приводят к макроскопическим эффектам. Возьмем уже упоминавшиеся электронные приборы. Исходный процесс — эмиссия электронов. Это существенно микроскопический процесс. Его результатом служит замыкание или размыкание электрической цепи, которая может быть достаточно мощной, чтобы вызвать перемещения макроскопических масс. Микроскопические события, в которых участвуют дискретные частицы вещества и излучения, разыгрываются в весьма дробной пространственной и временной шкале. Здесь существенны тысячные и миллионные доли сантиметра и секунды. В этих пространственно-временных интервалах происходят события, которые становятся исходным пунктом таких макроскопических процессов, как изменение режима работы десятков гигантских электрических станций.

Сигналы, изменяющие сопротивление электронных приборов, могут быть световыми и при этом действовать на холодные катоды. Фотоэлектрический эффект (тот парадоксальный с классической точки зрения эффект, который привел к мысли о квантах света) лежит в основе фотоэлементов, где свет срывает с анода электроны, проводящие ток через вакуумную трубку. Применение световых сигналов не только включает в число исходных сигналов для электронных приборов всю сферу зрительных впечатлений, в том числе препараты, лежащие под объективом микроскопа, и наблюдаемое через телескоп звездное небо. Фотоэлемент реагирует и на электромагнитные колебания за пределами видимого спектра. Они позволяют, как уже говорилось, соединять элементы кибернетических устройств средствами «прицельной» квантовой электроники, лазерными лучами, в том числе ультрафиолетовыми и еще более коротковолновыми лучами.

На смену электронным лампам пришли другие приборы. Их появление и распространение связано с быстрым развитием квантовой теории твердого тела. Классическая физика рассматривает твердое тело как совокупность частиц, которые представляют собой те же твердые тела, очень малые, но не отличающиеся от макроскопических по характеру своего поведения. Квантовая физика твердого тела описывает специфические процессы, которых не знает макроскопическая картина мира. Именно эти парадоксальные с точки зрения классической физики процессы используются в кибернетических приборах. Квантовая теория позволяет значительно точнее представить себе специфические процессы изменения проводимости кристаллов и в значительно большей мере управлять этими процессами. Далее существует ряд веществ, которые являются полупроводниками. Их проводимость зависит от состава и внешних воздействий, например от поглощения света. Поэтому системы полупроводниковых приборов могут выполнять все операции, которые выполняют системы вакуумных приборов, принимая и перерабатывая информацию, содержащуюся в поступающих извне сигналах.