Фрэнк Вильчек - Основы реальности

Для благополучного существования нам требуются особые условия, в том числе температура, не выходящая за пределы узкого диапазона, воздух, содержащий особую смесь молекул и свободный от токсинов, надежное обеспечение водой и питательными веществами, а также защита от ультрафиолета и космических лучей. Эти условия сошлись в тонком слое над поверхностью Земли, но очень редки в других местах Вселенной. Колонизация космоса, притом что наши изнеженные тела приспособлены лишь к земным условиям, — безумно сложный проект.

Гораздо более простая, более реальная и не менее значимая задача — расширение нашей сферы влияния и информированности. Датчики и управляющие устройства, которые мы запускаем в космос, могут исследовать его, оставаясь с нами на связи.

Глубокое понимание материи дает нам возможность создавать и свои системы крупномасштабной динамической сложности. Они сильно отличаются от возникающих путем образования и разрыва химических связей. Мы можем дополнять или даже заменять химию электроникой и фотоникой.

Хороший пример — цифровая фотография. Здесь первичные датчики — приборы с зарядовой связью, или ПЗС-матрицы, — подсчитывают электроны, выбиваемые с их поверхности фотонами, и записывают полученные числа в виде массивов нулей и единиц, зашифрованных с использованием определенного формата. Эта информация кодирует изображение. Ее можно обработать разными способами — например, удалить шум, выделить интересующие области или как-либо еще улучшить качество, — а затем преобразовать обратно в изображения, используя дисплеи. Вся обработка выполняется на компьютерах или специализированными микросхемами. Фотопластинки, проявители, закрепители и темные комнаты, использовавшиеся фотографами прошлого, создавали ауру романтики и тайны, но, увы, делали съемку намного более долгой и трудной. Сейчас их практически не применяют.

Изменяющиеся шаблоны связей и управляемая с помощью химических реакций деятельность нашего мозга сегодня кажутся апогеем динамической сложности. Но важность других вариантов ее реализации возрастает, и остается много возможностей для их развития.

Современные компьютеры хранят и обрабатывают информацию не в виде упорядоченных и перегруппированных атомов или молекул, а в виде электронов. При этом требуется намного меньше энергии, как и времени на обработку. Для отображения информации в каждой из миллиардов или триллионов маленьких ячеек памяти создается либо высокая концентрация электронов (что приводит к низкому напряжению, интерпретируемому как 0), либо низкая концентрация электронов (что приводит к высокому напряжению, интерпретируемому как 1). Таким образом, мы создаем комбинаторный взрыв условно стабильных единиц. Это универсальная платформа для получения динамической сложности.

Для записи 0 и 1 также можно использовать направления спинов электронов — вверх или вниз. Управление ими — более тонкая работа, но в принципе это быстрее и эффективнее с энергетической точки зрения. Мы также можем работать с фотонами вместо электронов и контролировать их концентрацию (амплитуду), цвет (длину волны) или спин (поляризацию).

У этих новых систем, пришедших на смену химическим, много преимуществ в скорости, размере и энергоэффективности. Они также позволяют лучше использовать все многообразие квантового мира контролируемым образом [89]. В частности, они вот уже долгое время помогают распространять экспансию человеческого разума на огромные расстояния в космосе.

Что может пойти не так

Чем больше сила, тем больше ответственность [90].

Главный вывод из наших основных принципов таков: есть много пространства, много времени и много материи и энергии. Физический мир рисует нам — людям — перспективы намного более долгого и богатого будущего, чем все прежние. Если, конечно, мы его не взорвем.

Многое могло бы пойти не так. В прошлом чума, землетрясения и извержения вулканов опустошали человеческие цивилизации и вызывали жуткие катастрофы. Неудачное столкновение Земли с другим космическим телом обрекло динозавров на вымирание [91]. Мы можем и должны уменьшать подобные риски. Но здесь, в завершение части, я кратко выделю две возможных опасности, которые, наоборот, возникли вследствие нашей же деятельности. Они тесно связаны с темами этой главы и сегодня приобретают угрожающие размеры.

Солнце снабжает Землю гораздо большей энергией, чем мы используем. Технологии, позволяющие ее улавливать, быстро развиваются, и нет сомнений, что в будущем, если не произойдет катастрофы, мы сможем обеспечить с их помощью устойчивое развитие мировой экономики.

Но в настоящее время проще и удобнее использовать энергию, которая когда-то улавливалась растениями, а теперь хранится в ископаемом топливе — угле и нефти. К сожалению, сжигание этого топлива в больших масштабах приводит к выбросу в атмосферу углекислого газа и других загрязняющих веществ. В результате ее свойства меняются. Атмосфера поглощает все больше солнечной энергии, вызывая повышение средней температуры Земли. Это первый угрожающий нам кризис.

Сестра нашей Земли — планета Венера — жемчужина ночного неба. Она тоже служит нам предупреждением. Ее атмосфера, богатая углекислым газом, чрезвычайно эффективно улавливает энергию Солнца. Температура поверхности Венеры приближается к 460°C, что больше температуры плавления свинца, и исключает сложную химию. Венера ближе к Солнцу, но если мы поместим ее на орбиту Земли, то температура все равно будет опасно высокой — около 340°C. Земля не станет такой горячей в ближайшее время, но даже повышение температуры на несколько градусов чревато серьезными, возможно катастрофическими, последствиями. Такое потепление приводит к таянию полярного льда. Из-за этого повышается уровень моря, происходят суровые катаклизмы, вызванные ростом влажности воздуха, и нарушаются условия жизни чувствительных к температуре растений и животных. Тем самым мы подвергаем опасности наши запасы пищи (и наших друзей).

Вторая рукотворная угроза — ядерное оружие. Работая над проблемами сильных и слабых взаимодействий, ученые открыли новые эффективные виды топлива, основанные на ядерном, а не химическом горении. Это позволило создать новые виды бомб, гораздо более разрушительные. Если бы они использовались в военных действиях, миллионы людей погибли бы в ужасных мучениях, а основные центры цивилизации превратились бы в необитаемую пустыню. Прогресс человечества замедлился бы катастрофически и, возможно, необратимо [92].

Блага экономического роста и науки идут рука об руку с серьезными опасностями. Этих опасностей можно избежать. Избежим ли мы их — вопрос открытый.