Марк Медовник - Жидкости

Ящерица молох собирает воду через кожу, пользуясь гидрофобными материалами и капиллярным эффектом. © Bäras

Потенциал подобной технологии водосбора для миллиардов людей, не имеющих доступа к постоянным источникам чистой воды, громаден, особенно если удастся также разработать методы дешевой фильтрации. Возможно, этим займется новый материал под названием оксид графена. Это двумерный слой атомов углерода и кислорода. В виде мембраны он действует как барьер для большинства типов химических молекул, но легко пропускает молекулы воды. Так что он очень похож на своего рода сито. Из него мог бы получиться чрезвычайно эффективный и дешевый водяной фильтр, способный даже морскую воду сделать пригодной для питья.

Как мы знаем, вода — живительная субстанция; обычно считается, что именно присутствие жидкой воды позволило жизни на Земле развиться от самых базовых химических структур до сложных клеток, из которых мы состоим. Но это пока лишь гипотеза; мы не знаем наверняка, как это произошло. Ученые всего мира активно экспериментируют, пытаясь воспроизвести химические условия на Земле в те времена, когда на планете зародилась жизнь: 4 млрд лет назад. Сейчас представляется наиболее вероятным, что она появилась на дне наших глубоких океанов. Там у термальных источников возникает сложный химический суп, где присутствуют многие химические элементы, которые мы видим в наших клетках. В XXI в. исследование этих областей и океанского дна в целом станет для нас важным передним краем. Странно, в самом деле, что о происходящем на дне наших океанов мы знаем меньше, чем о процессах на поверхности Луны.

Если наш следующий физический рубеж располагается на дне океана, то два ближайших информационных рубежа уже на горизонте, и достижение их обоих зависит от жидкости. И клетки, и компьютеры обрабатывают информацию, но совершенно по-разному. Клетки действуют и воспроизводятся с использованием информации, заключенной в ДНК при помощи химических реакций. Кремниевые компьютеры, однако, считывают информацию с кристаллов, на которых умещаются миллиарды твердотельных транзисторов, реагирующих на входящие электрические сигналы, возникающие согласно компьютерной программе. Сигналы эти передаются при помощи последовательности единиц и нулей — двоичного языка цифровых компьютеров. Транзисторы применяют к потоку единиц и нулей логику, вычисляют ответы опять же в виде единиц и нулей и передают их в другую часть компьютерной микросхемы. Всё это кажется очень примитивным, но с помощью миллиардов простых вычислений могут быть реализованы другие, сложные — те, что побеждают шахматных гроссмейстеров и рассчитывают траекторию полета ракеты к Луне.

Когда клетки производят вычисления, они пользуются химическими реакциями вместо транзисторов. Вместо единиц и нулей они применяют для расчетов молекулы и общаются тоже при помощи молекул. У них нет ни транзисторов, ни проводов, только химические реакции в жидкой среде внутри клеток. Эти химические реакции происходят невероятно быстро, причем одновременно по всей клетке, что делает систему так называемых параллельных вычислений чрезвычайно эффективной. Все молекулы, задействованные в этих вычислениях, очень малы: секстильон (1 000 000 000 000 000 000 000) таких частиц легко поместится в единственной капле воды. И потенциально это колоссальный источник вычислительной мощности и памяти.

Ученые пытаются воспроизвести этот процесс, используя ДНК для создания жидкого компьютера. Исследования продвигаются стремительно, особенно по мере того, как способы манипуляции ДНК и проведения вычислений в пробирках становятся всё более хитроумными и доступными. В 2013 г. исследователи получили очень важный результат: они сумели записать данные цифровой фотографии в жидкость, а потом считать ее. Это достижение открывает двери для новой парадигмы вычислений — не исключено, что в будущем вы сможете хранить все свои данные в одной-единственной капле жидкости.

Жидкие вычисления — первая из двух невероятных систем, которые разрабатываются в настоящее время. Вторая — квантовые вычисления, они оперируют квантовыми версиями двоичных единиц и нулей; информация хранится в компьютере одновременно как «1» и «0» до тех пор, пока процесс не завершен. Такие вычисления используют преимущества правил квантовой механики, которые позволяют всем возможным исходам события существовать одновременно. При этом все возможные ответы задачи могут быть вычислены за один раз, что сильно ускоряет процесс. Уже есть аппараты, способные это проделывать, но пока технология в самом начале пути. Одно можно сказать наверняка: для работы им нужны очень низкие температуры, которые можно получить только при помощи особой жидкости — жидкого гелия.

Гелий — газ при температуре выше –269 °C; при охлаждении до этой температуры, которая всего на 4,15 °C выше абсолютного нуля, он превращается в жидкость. К счастью, мы уже имеем представление о том, как работать с жидким гелием, благодаря больничной технике. Если вам случалось получить травму головы, бедра, колена или лодыжки или вам ставили диагноз «рак», вас, скорее всего, подвергали МРТ-исследованию. Но без сверххолодного жидкого гелия эти диагностические инструменты, жизненно необходимые каждой современной больнице, перестали бы работать. Именно холод жидкого гелия позволяет МРТ-аппаратам надежно выявлять крохотные изменения в магнитных полях внутри человеческого тела и таким образом получать изображения внутренних органов. К несчастью, однако, хотя гелий и является одним из самых распространенных элементов во Вселенной, на Земле он встречается редко. В наше время его нехватка — обычное дело для любой больницы, и запасы его часто заканчиваются. В ответ геологи постоянно ищут новые источники гелия в земной коре (обычно его находят в виде природного газа), но из-за его растущей значимости цены на это жизненно важное вещество поднялись за последние пятнадцать лет на 500 %.

Жидкий гелий, конечно, чрезвычайно полезен, но при этом очень непослушен. Он успешно охлаждает МРТ-аппараты при –269 °C, но стоит охладить его еще на несколько градусов, до –272 °C, и он входит в состояние, которое мы называем сверхтекучестью. В нем все атомы жидкости занимают одно-единственное квантовое состояние; иначе говоря, миллиарды молекул гелия ведут себя как единая частица. Жидкость при этом обретает странные способности — например, не имеет вообще никакой вязкости и может вытечь спонтанно вверх из емкости. А то и проникать сквозь твердые преграды: она находит путь через атомарные дефекты объекта и не испытывает трения.

К этому моменту, надеюсь, такое ее поведение вас особенно не удивляет. Жидкости обладают дуальностью (двойственностью): это не газы и не твердые тела, а нечто промежуточное. Они необычайно интересны и могучи, с одной стороны, но слабоуправляемы и слегка пугающи — с другой. Такова их природа. Однако наша способность управлять жидкостями дает по большей части положительный для человечества результат, и я готов поставить на то, что в конце XXI в. мы оглянемся на методы медицинской диагностики при помощи лаборатории на чипе и дешевые способы опреснения воды и восславим их как важнейшие прорывные открытия, которые сделали возможными повышение ожидаемой продолжительности жизни, позволили предотвратить массовые миграции и конфликты. Но я надеюсь также, что к тому времени мы успеем покончить со сжиганием ископаемого топлива, особенно керосина. Эта жидкость подарила нам дешевые путешествия по всему миру, солнечные каникулы и интересные приключения, но его роль в глобальном потеплении слишком велика, чтобы не обращать на нее внимания. Какую жидкость мы изобретем ему на замену? Какова бы она ни была, подозреваю, что и тогда будет существовать предполетный ритуал безопасности. Возможно, туда не включат демонстрацию спасательных жилетов, кислородных масок и пристяжных ремней, но мы не сможем обойтись без церемоний, позволяющих отметить опасную и радостную мощь жидкостей.