Метка: Высокие технологии

Нанотехнологии и мегапроекты: размер не имеет значения?

В самом начале я хочу объяснить, что такое нанотехнологии, для этого приведу правильное на мой взгляд определение. Нанотехнологии — это технологии производства материалов и устройств с определяющими их свойства элементами, размеры которых находятся в пределах от 1 до 100 нанометров.

Для того, чтобы наглядно представить, о сколь малых размерах идет речь, можно сказать, что, например, человеческая ладонь столь же больше одного нанометра, сколь ее размер меньше диаметра Земли.

Многие говорят: нанотехнологии — это «все, что меньше ста нанометров». Конечно, такое определение неправильно, хотя бы потому, что все атомы и молекулы как правило меньше ста нанометров. Поэтому, согласно такому определению, все технологии, касающиеся обработки любых материалов, будут нанотехнологиями. Тут есть очень важное свойство. Существует много материалов, у которых есть элементы меньше ста нанометров. И это не обязательно атомы или молекулы. Например, домены, которые возникают в стали и влияют на ее прочность. Но это совсем не значит, что чем домены меньше, тем сталь лучше. Все гораздо сложнее. Поэтому сталеплавильная индустрия не является нанотехнологией. В моей любимой «википедии» приведено такое определение:

«Нанотехнология — междисциплинарная область фундаментальной и прикладной науки и техники, имеющая дело с совокупностью теоретического обоснования, практических методов исследования, анализа и синтеза, а также методов производства и применения продуктов с заданной атомарной структурой путем контролируемого манипулирования отдельными атомами и молекулами.»

Полупроводниковые наноструктуры: квантовые ямы и квантовые точки — «искусственные атомы»

Главное здесь то, что обязательно надо манипулировать отдельными атомами и молекулами. Представьте себе, что я хочу сделать какой-нибудь транзистор при помощи нанотехнологий. В мобильном телефоне, например, таких транзисторов несколько миллиардов, а в лэптопе их несколько десятков миллиардов. И вот я буду, «манипулируя отдельными атомами и молекулами», изготавливать транзистор за транзистором. Предположим, я буду изготавливать по одному в секунду. Сколько мне понадобится времени, чтобы изготовить один такой девайс? Думаю, к моменту моих похорон он будет готов в лучшем случае наполовину. Соответственно, такое определение не имеет значения для народного хозяйства. С помощью таких технологий ничего путного не сделаешь, можно только проводить исследования.

В настоящее время нанотехнологии являются самыми высокими технологиями. Они нужны, чтобы выжить в современных рыночных условиях. Например, рис, пшеницу и все, что мы едим, очень хорошо умеют выращивать китайцы. В отличие от нас, они мало едят, живут в теплом климате и получают очень мало денег. Поэтому, чтобы соревноваться с ними в культуре выращивания риса, нужно жить так же, как они.

Помните, в советские времена нам говорили, что тяжелая промышленность — это основа всего. Вот, например, судостроение — самая, что ни на есть, тяжелая промышленность. Корабли — самые большие устройства, которые производятся людьми. Оказывается, что в судостроении китайцы тоже очень хороши. Они это доказали еще в конце 80-х годов, когда Швеция в одночасье лишилась своей судостроительной отрасли, потому что китайцы стали строить точно такие же корабли, но гораздо дешевле.

Соответственно, выживание в современных рыночных условиях возможно, только если умеешь делать то, что никто другой не умеет. Придумать, а потом быстро делать, пока этому не научились другие. Еще хорошо бы защитить это каким-нибудь патентом. Правда, против китайцев патенты не всегда действуют…

Полупроводниковые нанотехнологии: революция света

Почему «полупроводниковые»? Потому что в силу современного развития науки и техники легче всего делать наноструктуры именно из полупроводников. Полупроводники не лучше, чем другие материалы, просто для них существует развитая инфраструктура и придумано много разных машин, которые обеспечивают рост полупроводниковых структур. Например, смартфон — в нем куча таких структур- транзисторов. Из транзисторов состоят микросхемы, благодаря которым устройства типа смартфона или компьютера работают. В старые добрые времена вместо них были лампы-триоды.

Сверхяркие светодиоды с силой света 10-15 тысяч кандел

Полупроводниковые лазеры с рекордной мощностью и эффективностью

Почему «революция»? Мы с вами уже наблюдали похожую революцию. Она заключалась в следующем: до некоторого времени считалось, что для создания какого-либо устройства нужно произвести детали, а потом их собрать. Свойства прибора определялись размером и формой его деталей. Это касалось всего без исключения, пока не придумали полупроводниковые приборы, которые постепенно заменили, например, триоды на транзисторы. Разница заключается в том, что полупроводниковые приборы делаются не из деталей, их как будто намазывают слой за слоем, как бутерброд. Хлеб — это полупроводниковая пластина, дальше можно «намазывать» «масло», «сыр» — различные полупроводники… А детали в таких приборах по сути дела отсутствуют. Представьте себе, что мы делаем бутерброд, поочередно намазывая на хлеб сначала масло «Валио», потом масло «Тысяча озер», потом «Вологодское»… Только большому гурману под силу определить на вкус, из каких сортов масла состоит этот бутерброд. В полупроводниковых структурах, из которых делают транзисторы, слои различаются даже меньше, чем разные сорта масла на нашем бутерброде. Если посмотреть на такую структуру невооруженным глазом, мы ничего не поймем: то ли это один проводник, то ли его слои чуть-чуть отличаются. Эти слои образуют так называемые полупроводниковые гетероструктуры — структуры из полупроводников, различающихся т.н. «шириной запрещенной зоны». За гетероструктуры в 2000 году Жорес Алферов получил Нобелевскую премию. Он поделил ее с американским коллегой Джоном Килби, который еще в 50-х годах придумал, что одну полупроводниковую пластину можно использовать для изготовления сразу нескольких устройств. Как-то, когда его коллеги были в отпуске, он сделал целых два транзистора, несколько резисторов и конденсаторов на одном куске полупроводника. Таким образом, у него получилась первая в мире микросхема радиоприемника. Со временем плотность «упаковки» транзисторов становилась все больше, сейчас на одной полупроводниковой пластине их может быть десятки и сотни миллиардов. Именно благодаря этому мы можем очень быстро обрабатывать информацию на компьютерах, лазать по интернету или пользоваться высокоскоростной связью.

Сейчас происходит аналогичная революция, правда в области использования света. Например, все мы пользуемся лампами накаливания, хотя знаем, что они очень неэффективны, потому что светятся благодаря раскаленному кусочку металла. Соответственно, большая часть излучения этих лампочек находится в инфракрасной области, которую мы не воспринимаем зрением. Хотелось бы сделать освещение более эффективным.

Светодиоды — это новые источники света, которые делаются на основе полупроводниковых структур, излучающих свет. Они уже достигли уровня натриевых, самых эффективных среди ламп накаливания, и продолжают бурно развиваться. Например, из одинаковых на вид кристалликов полупроводника можно получать любой свет: красный, синий, зеленый, т.к. цвет свечения полупроводника определяется не температурой нагрева, а шириной запрещенной зоны в полупроводнике. Для каждого полупроводника ширина запрещенной зоны своя, поэтому можно подбирать цвет свечения по нашему желанию. Даже белый, который, как известно, является зрительным обманом. Чтобы его получить, на поверхность синего светодиода наносится желтый люминофор — вещество, которое поглощает свет одного цвета, а испускает свет другого цвета. В данном случае как правило используется церий — он поглощает синий свет, а испускает желтый. В зависимости от того, пожалели люминофор или щедро капнули, получается цвет теплый или холодный — желтоватый или синеватый.

Кроме того, что с помощью светодиодов можно получать свет разных цветов, они очень долго светят, примерно 100 тыс. часов. То есть около 11 лет, тогда как обычные лампочки перегорают за год. Соответственно, это может быть новой концепцией освещения: например, светильник покупается с полупроводниковой лампочкой-светодиодом, и вместе с ней и выбрасывается.

Светодиоды используются уже сейчас в специальных видах подсветки, например, для налобных фонарей шахтеров. По сравнению с обычной лампочкой, светодиоду необходимо гораздо меньше напряжения, примерно 3 вольта, а значит — нет опасности возникновения искры и взрыва метана в шахте. Как известно, основная проблема шахт — это освещение. Если шахтеры попадают в завал, то, как правило, выходят из него только за счет экономного использования своих фонарей, то есть зажигают их по очереди, если же все будут гореть одновременно, света хватит на 8 часов (это определяется емкостью аккумулятора). Кончился аккумулятор — скоро кончится жизнь. Если же от такого аккумулятора питать светодиод, он будет светить около 20 часов, а в экономном режиме — 2 недели. Кстати, в отличии от обычной лампочки светодиод очень сложно механически разрушить, поэтому наши шахтеры отдают предпочтение именно таким фонарям.

Система индикации температуры воды в бытовых смесителях «Световод», основанная на волноводном эффекте и использовании светодиодов

Спектры излучения различных светодиодов в средней инфракрасной области спектра

Кроме того, из светодиодов можно делать целые прожектора, например, для кораблей. Бывают случаи, когда во время шторма моряки выпадают за борт. Так как в воде очень холодно, человека нужно доставать быстро или совсем не доставать. Для этого необходимо какое-то устройство, которое светит в любую погоду, не подвергается атмосферным воздействиям, быстро включается и не ломается при ударе о палубу. Кроме того, у него должен быть мало расходящийся луч и сила света не меньше ста тысяч кандел, чтобы освещать поверхность моря на километр. Для сравнения — боевые прожектора, при помощи которых в Блокаду сбивали самолеты, имели силу света порядка миллиона кандел. Еще одним достоинством светодиодного прожектора является то, что во время работы он остается холодным, тогда как к боевому прожектору в 1 млн. кандел подойти опасно. Он очень сильно нагревается, и его нельзя трогать руками.

Фосгеном не пахнет?

Еще одно применение нанотехнологий. Дело в том, что большинство газов имеют весьма специфические линии поглощения в так называемой средней инфракрасной области. Мы видим только «видимый» свет, длина волны которого примерно от четырех десятых до восьми десятых микрона. В средней инфракрасной области длина волны составляет от двух до пяти микрон, причем у каждого газа есть линии поглощения в средней инфракрасной области, которые так же отличаются друг от друга, как отпечатки пальцев у людей. То есть, зная эти линии, можно точно сказать, содержится ли газ в воздухе или нет. Есть много газов, которые хотелось бы определять не по запаху. Простейший пример — склад химического оружия. «Старшина Пэтрэнко, сходи проверь, не пахнет ли там фосхэном!» Если Петренко пойдет и понюхает, то он не сможет доложить: «Да, пахнет». Только: «Нет, товарищ полковник, не бачу». Соответственно, лучше вместо старшины Петренко посылать кого-то неживого. Например, поставить пару: инфракрасный лазер/светодиод и фотоприемник, и смотреть, как у фотоприемника изменяется его ответный сигнал, то есть, поглощает ли какой-нибудь газ излучаемый свет. Именно благодаря этим усилиям в полупроводниковых нанотехнологиях, становятся возможными такие вот необычные применения. С ними можно столкнуться не только на складах военного оружия — в каждой квартире необходим пожарный датчик на основе детектора углекислого газа.

А вот другой интересный пример — наши питерские гаишники смекнули, что и у спирта есть специфические линии поглощения в средней инфракрасной области, поэтому они заказали на одном предприятии некую приставку к гаишному лазерному радару (т.н. «лидару»), которая измеряет отражение не от переднего бампера или лобового стекла автомобиля, а от заднего стекла. Таким образом, свет лазера будет проходить через салон автомобиля. Ну а там уже не проблема определить, поглотился свет при помощи спирта или нет. Если поглотился — есть повод поговорить с водителем.

Еще одно необычное применение. Дело в том, что есть такое «магическое» определение «оптический пинцет». Это не тот пинцет, которым можно погнуть оптическую ось. Скорее это касается закона преломления: свет, проходя через какую-либо поверхность, например через стекло, преломляется. Если кто видел рыбку в воде, и ему хотелось ткнуть ее чем-то острым, то, как правило, это не получалось, потому что рыбка была видна в одном месте, а плавала в другом. Таким образом, свет, падая на воду под одним углом, проходит сквозь нее под другим. Если я буду смотреть из воды наружу, то выяснится, что при некотором угле обзора свет не будет выходить из воды совсем. Например, когда я ныряю, то вижу из-под воды отражение от ее поверхности. Точно так же свет, введенный в какое-то вещество, например, в так называемое «оптическое волокно» входит и распространяется, не выходя наружу.

Пояснение принципа действия оптического пинцета

Можно сделать наоборот. Предположим, маленький кусочек вещества находится в луче света. Попробуем перетащить его в другое место, «схватив» этим лучом. Это было бы очень удобно для биологов, ведь если взять клетку обычным пинцетом, то она после этого будет не совсем живым организмом. А ведь хочется покопаться еще и внутри клетки, ДНК потрогать… Для этого, конечно, нужны не обычные пинцеты, а что-нибудь более деликатное. Допустим, мы посветили на клетку и как бы «схватили» ее светом — это и называется оптический пинцет.

Пусть появилась какая-то сила, которая пытается наше вещество — например, клетку — из нашего луча света «выудить». Предположим, что она его уже почти «выудила», но свет при этом стал преломляться. При этом частицы света — фотоны — изменяют направление своего движения из-за преломления света. И в силу закона сохранения импульса возникает сила, которая пытается «запихать» наше вещество обратно в свет. Именно поэтому такое устройство, как оптический пинцет, и может работать.

Соответственно, такое применение света тоже существует. Оно очень важно именно для исследования живых систем. И это нужно не только в лабораториях где изучают живые клетки. Дело в том, что сейчас совершенно серьезно обсуждается возможность размещения «лаборатории» на чипе. То есть берем что-то размером с кредитную карточку, кладем на нее свой палец, маленькая иголочка его укалывает и берет одну сотую мл крови. Кровь при помощи устройств типа оптических пинцетов растаскивается по микролабораториям, находящимся на этой «карточке». В одном месте меряется уровень сахара, в другом уровень гемоглобина, в третьем что-то еще. Таким образом, без визита к доктору, можно поставить первоначальный диагноз. Потом эта карточка по Wi-Fi связывается с вашим домашним компьютером, а тот уже передает доктору через интернет информацию о состоянии вашего здоровья. Доктор, не выходя из кабинета, сообщает вам диагноз и назначает лечение. Естественно, рыночные перспективы этого проекта огромные. И средств в него вливается очень много.

Солнечная фотоэлектрическая установка (СФЭУ) мощностью 1 кВт на основе 18 концентраторных фотоэлектрических модулей (КФЭМ) общей площадью 4,5 м2, установленных на системе слежения за Солнцем

Не предел мечтаний

Ну, и последнее. Мне кажется, что нынешние видеопроекторы скоро совсем перестанут использоваться. Конечно, по сравнению с телевизором они являются громадным шагом вперед: можно делать изображение почти любого размера и задешево. Но это далеко не предел мечтаний. Дело в том, что в проекторе стоит галогенная лапочка, которая весьма неэффективна, потому что излучает очень много тепла. Во время работы проектора всегда слышно жужжание, это шумит вентилятор, который является самым главным устройством. Ведь если сломается любая деталь проектора, ее можно будет починить, а если сломается вентилятор, то очень быстро произойдет перегрев и сгорят все детали. Получается, что вентилятор нужен только из-за неэффективной лампочки.

Давайте сделаем источник света более эффективным, поставим вместо лампы три лазера: красный, синий, зеленый. По аналогии с телевизором. Благодаря своим небольшим размерам и высокой эффективности они смогут применяться даже в мобильных устройствах, типа смартфонов. На данный момент основной проблемой смартфонов являются маленькие кнопки и маленький экран. Однако все может измениться, если использовать лазерную проекцию. Уже появились проекционные клавиатуры: когда один лазер проецирует на стол или любую другую поверхность изображение клавиатуры, а другой считывает отражение ваших ногтей. Соответственно, можно печатать почти как по-настоящему. Именно эти технологии станут основой для создания новых мобильных устройств, которые появятся в ближайшие год-два. И они, конечно, изменят облик наших гаджетов.

Оптическая схема фрагмента концентраторного модуля: две линзы Френеля; два каскадных фотопреобразователя, расположенных в фокусе линз; защитный (байпасный) диод; основание из листовой меди, используемое в качестве теплоотвода

Есть еще множество новых применений света, о которых я не смог сейчас рассказать. Но не могу напоследок не упомянуть хотя бы вскользь одно «новое» применение света, которое можно назвать «хорошо забытым старым».

Все более важной, даже одной из основных проблем человечества становится недостаток энергии. Между тем, почти вся энергия, которой мы пользуемся, получается за счет света Солнца. Причем не только энергия, запасенная в углеводородах миллионы лет назад, но и так называемые «возобновляемые источники»: очевидно ведь, что без солнечного света не будет испаряться вода с поверхности океанов, перестанут образовываться облака, идти дожди и перестанут течь реки, что сделает невозможной работу гидроэлектростанций. Поэтому разумно было бы использовать солнечный свет для получения электроэнергии напрямую, «без посредника».

Для этого придуманы так называемые «солнечные фотоэлементы» — полупроводниковые преобразователи солнечного света в электричество. Современные эффективные фотоэлементы являются, пожалуй, одними из самых сложных и высокотехнологичных полупроводниковых наноструктур. Но дело того стоит — еще в советские времена было подсчитано, что все потребности СССР в электроэнергии могли быть удовлетворены за счет солнечной электростанции площадью 70×70 км где-нибудь в Средней Азии. Тогда реализация такого проекта не была экономически оправдана — и уровень технологии был недостаточен, и углеводороды были дешевле. А вот сейчас — совсем другое дело.

Когда верстался номер. 3 декабря было официально объявлено решение группы ОНЭКСИМ и «РОСНАНО» инвестировать около 1 млрд рублей в строительство завода по выпуску светодиодных кристаллов в Петербурге. Запуск завода планируется на середину 2010 года. Завод станет частью компании «Оптоган», которая займется выпуском светотехники нового поколения. Владельцы «Оптогана» — группа ОНЭКСИМ (50% + 1 акция), ФГУП «Уральский оптико-механический завод им. Яламова» (33% — 1 акция) и «РОСНАНО» (17%). По плану в 2013 году «РОСНАНО» выйдет из состава учредителей. К тому моменту годовая выручка предприятия должна достигнуть 6 млрд рублей. Генеральным директором ЗАО «Оптоган» назначен Максим Одноблюдов. В 2004 году он вместе с Владиславом Бугровым (оба — в прошлом сотрудники Физико-технического института им. А. Ф. Иоффе) основал немецко-финскую компанию Optogan, которую недавно приобрела группа ОНЭКСИМ. Физтеховцами (также с помощью бывших коллег, основавших высокотехнологичные компании за рубежом) планируется в скором времени привлечь финансирование для строительства в Санкт-Петербурге завода по производству солнечных фотоэлектрических установок.

Григорий Соколовский — кандидат физико-математических наук, старший научный сотрудник Физико-технического института им. А. Ф. Иоффе

Лекция Григория Соколовского прочитана в клубе «Сочи» в рамках проекта «Прочтения» «Лекторий-профилакторий»

Григорий Соколовский

Вот-вот в Европе запустят Большой адронный коллайдер, который, еще не начав работать, уже успел наделать много шума. Сложно представить, что же произойдет, когда ученые приступят к обработке первых результатов работы агрегата, — предполагается, что за ними откроются новые горизонты в познании всего нашего Мира. Если, правда, весь мир не пропадет с нажатием кнопки «пуск»

Большой адронный коллайдер (Large Hadron Collider) — это грандиозное сооружение, созданное для исследования элементарных частиц.

Коллайдер представляет собой тоннель в виде кольца, аналогичный городскому метро, напичканный уникальной аппаратурой. Кольцо его (около 27 км в длину и 8,5 км в диаметре) находится на границе Франции и Швейцарии.

На ускорителе работают около 5000 человек персонала и десятки исследовательских институтов, которые входят в коллаборацию с ЦЕРНом (Европейским центром ядерных исследований). Это крупнейший международный проект, ключевые участники которого — страны Евросоюза, а наблюдатели — США, Канада, Россия, Япония и Китай.

Как он работает

В тоннеле коллайдера расположена труба с очень чистым вакуумом (добиться его — уже непростая задача). По всей длине коллайдера расставлены сверхпроводящие магниты: магнитное поле должно будет «заворачивать» ускоряемые протоны по кругу. Их в трубе огромное количество — приблизительно три тысячи сгустков, каждый из которых представляет собой «иголку» из трех миллиардов протонов толщиной в долю микрона и длиной в долю миллиметра. Все это будет гоняться по трубе со скоростью, равной 99,999999% скорости света.

В четырех точках тоннеля (там, где установлены детекторы) встречные пучки протонов будут выводить «лоб в лоб». Сгусток энергии, который при этом возникнет, возмущает физический вакуум, в результате чего возникают и разлетаются взрывным образом во все стороны тысячи частиц. Каждый детектор будет настроен на свой диапазон, свои энергии, свои частицы, которые в нем и будут регистрироваться.

Информация будет обрабатываться тысячами компьютеров и записываться для ЦЕРНа и еще 12 международных центров (среди них, правда, нет ни одного российского). Записываться при этом будет только то, что представляет интерес, а если бы регистрировалось все, то информация заняла бы миллиарды гигабайт, а СD потребовалось бы столько, что можно было бы их потом выложить штабелем и достать до Луны.

Зачем нужен коллайдер

Основная задача — обнаружение бозона Хиггса. Также при столкновении протонов с энергиями, достижимыми на этом коллайдере, ученые надеются восстановить физические условия, которые существовали в первые секунды рождения нашей Вселенной после Большого Взрыва. Главные открытия планируется сделать в течение первых пяти лет работы.

Что может произойти при столкновении двух протонов

Во-первых, существует вероятность образования так называемых первичных, или микроскопических, черных дыр.

Если столкнуть два протона, то они сожмутся до гигантских плотностей, при этом теоретически возможно возникновение черной дыры, которая начнет сперва потихоньку, а потом все быстрей и быстрей засасывать в себя материю. Чем больше она поглощает, тем больше ей хочется. Поглощение будет происходить взрывообразным образом, только вовнутрь: то есть мы взорвемся внутрь черной дыры. Однако для образования черной дыры необходимо, чтобы энергия при столкновении не разлетелась, а, напротив, сфокусировалась, а вероятность такой фокусировки для образования черной дыры — это ноль, запятая и сотни нулей.

Во-вторых, может образоваться кварк-глюонная плазма. Протон состоит из кварков, которые удерживаются глюонами (частички, аналогичные квантам света, только в сильных взаимодействиях, так называемый ядерный свет). Когда протоны столкнутся при больших энергиях, из всего этого образуется каша, которая на физическом языке называется кварк-глюонной плазмой.

До сих пор получить кварк-глюонную плазму в экспериментальных установках не удавалось, поэтому физики-теоретики не знают, как она себя поведет. Одна из теорий катастроф на этом коллайдере как раз и заключается в том, что при столкновении протонов обязательно на очень-очень маленький момент кварк-глюонная плазма возникнет. И если станет устойчивой, то точно так же, как черная дыра, может перевести всю окружающую материю в свою собственную форму.

Почему ничего не взорвется

Существует поток частиц, которые постоянно облучают нашу Землю, — так называемое космическое излучение, или космические лучи. В них присутствуют частицы с энергиями гораздо большими (в миллионы раз), чем те, что будут достигнуты в этом коллайдере. Они сталкиваются с Землей, сталкиваются с атмосферой, пронизывают нас, и при этом их энергии намного-намного больше. За 4,6 миллиарда лет существования Земли такого события не произошло ни разу. То есть вероятность такого события чрезвычайно мала.

Опасность механического разрушения трубы

При механическом разрушении трубы, при расфокусировке пучка частицы будут представлять довольно серьезную радиационную опасность. Но пострадать могут только рабочие-инженеры, которые в тот момент будет находиться в тоннеле. Остальные вне опасности, так как коллайдер находится довольно глубоко под землей. И потом, вероятность такого развития событий также очень мала.

Коллайдер повторит то,
что происходит на Земле уже 4,6 миллиарда лет

Только более подробно и детально. Частицы здесь будут сталкиваться в заданное время, в заданной точке пространства, и это пространство будет окружено детекторами. Столкновение космического излучения с Землей происходит где-то в верхних слоях атмосферы и с очень маленькой интенсивностью. То есть мы не можем этого сейчас зафиксировать, чтобы устранить это недоразумение, и потому построен коллайдер.

А если бозон не найдут?

Есть небольшая вероятность, что бозон Хиггса не откроют. Это будет означать, что современная теория неверна. Для физиков это стало бы более серьезной катастрофой, чем возникновение черной дыры. Но скорее всего, бозон все-таки найдется.

Что, кроме подтверждения теории, дадут открытия
коллайдера

Одно из ключевых открытий XX века в том, что наша Вселенная на 70% состоит из вещества, которое до сих пор нам неизвестно. Поэтому при помощи коллайдера надеются открыть еще так называемые суперсимметричные частицы, именно они являются наиболее вероятными кандидатами на темную материю Вселенной.

О прикладном значении ускорителей

Коллайдеры — слишком дорогие установки, чтобы использовать их в прикладных целях, и они используются только для экспериментов. Но другие ускорители частиц имеют и прикладное значение. Задействованы они в различных научно-прикладных областях, в частности в дефектоскопии, структурном анализе твердого тела и др. Любопытные эксперименты проводятся в медицине. Ускорители могут уничтожать раковые клетки, локально облучая человека потоками частиц. Также с помощью ускорителей создают радиоактивные метки: радиактивный йод и цезий, которые при введении человеку красят больные ткани, что позволяет проводить абсолютно безболезненную, очень точную диагностику, а уровень радиации при таком методе — ничтожен.

Почему о коллайдере
так много говорят

Физики-то о нем говорят давно, а вот журналисты заговорили сейчас, видимо, по воле умных пиарщиков из ЦЕРНа, запустивших несколько шикарных уток про черные дыры, которые могут пожрать Францию и Швейцарию. Коллайдер скоро заработает, и ему нужна реклама, а ученым нужны деньги на новые исследования. Уже есть проект строительства линейного коллайдера длиной в 31 км.

Записал Никита Вознесенский

Определения

Адрон. Класс частиц, которые участвуют в сильных
(ядерных) взаимодействиях. Протон — это адрон

Черная дыра. Любое тело, обладающее массой, искривляет пространство. Чем больше массы будет сосредоточено в фиксированном объеме, тем сильнее будет искривление. Черная дыра — это гипотетический объект, в котором пространство искривлено настолько, что попасть туда можно, а выйти уже никак. Пропадет любая информация, любые частицы, любой свет. Поэтому этот объект все поглощает и ничего не излучает, и его называют черной дырой

Искривление пространства. Если человек идет и вдруг видит, что мир вокруг него поворачивается, это значит, что он пьян и не может идти прямо. А если он трезв и идет прямо, значит, он движется по кривому пространству. Еще в двадцатых годах прошлого столетия доказали, что вокруг Солнца - массивного гравитационного тела — пространство искривлено. Эксперимент провели так: один и тот же участок неба сфотографировали сначала ночью, а потом днем, во время солнечного затмения. Фотографии наложили друг на друга и увидели, что те звезды, которые были близки к Солнцу, стали от него чуть дальше, это произошло из-за того, что вблизи поверхности Солнца свет распространялся по кривому пространству

Бозон Хиггса. На сегодняшний день существует теория — и она проверена огромным количеством опытов — теория строения вещества, кварк-лептонная структура материи. Теория всем хороша, в ней все уже почти проверено, кроме одного фундаментального кирпичика, который называется бозон Хиггса. Эта частица ответственна за обретение массы таких элементарных частиц, как кварки и электроны. Бозон Хиггса и должен будет зарегистрировать коллайдер

Кварк-глюонная плазма. В школе проходят, что вещество имеет три состояния (умные люди иногда называют четыре): твердая фаза, жидкая, газообразная и — плазма. Пятое состояние вещества мы получим, если возьмем всю нашу материю и сожмем ее: если сжать газ, то он превратится в воду, если воду — она превратится в твердое вещество, если сожмем и твердое тело тоже, оно в конце концов превратится в кварк-глюонную плазму)

Александр Иванчик

Федор и его искусственный интеллект

Через пятьдесят лет мы будем любить роботов и даже сочетаться с ними браком. Таким видит будущее человечества британский исследователь в области искусственного интеллекта Дэвид Леви. Его книга «Любовь и секс с роботами: эволюция взаимоотношений человека и робота» (Love and Sex with Robots: The Evolution of Human-Robot Relationships) вышла на английском языке этой зимой и до сих пор не переведена на русский. Но это не беда — у нас есть и свои специалисты, которые могут объяснить, чего ждать от искусственного интеллекта.

Этой весной Федор Царев, магистрант Санкт-Петербургского государственного университета ИТМО, вместе с командой вуза выиграл чемпионат мира по программированию. При помощи трех калькуляторов и одного компьютера ребята оставили позади даже знаменитый Массачусетский технологический институт.

Федя учит компьютер самостоятельно создавать оптимальные алгоритмы решения разных задач. Сложный итоговый результат должен под надзором системы получаться практически «из ничего», подобно тому как в результате эволюции из простейших организмов возникают развитые формы жизни. Если это удастся реализовать, то искусственный интеллект по своим способностям к обучению очень сильно приблизится к естественному. Впрочем, он уверен, что у человека пока нет причин бояться машины:

«На самом деле искусственный интеллект уже существует. Есть, например, в Лондоне так называемое „легкое метро“, поездами которого управляют не машинисты, а центральная компьютерная система. Правда, за ней все равно следят люди. Такие же системы функционируют в Париже, Вашингтоне, Токио… В США и Израиле ведутся разработки интеллекта для беспилотного летательного аппарата.

Даже помощник в Microsoft Word, которого все очень не любят, и системы подсказок в Интернете, когда в зависимости от предпочтений пользователя определенным образом группируются и показываются результаты, — все это построено на технологиях искусственного интеллекта.

Никто не замечает его работы, и это во многом правильно. Основная цель искусственного интеллекта состоит в том, чтобы человек меньше терял сил на выполнение промежуточных задач. Люди, что они вообще должны делать? Создавать что-то новое, чтобы был прогресс.

Но в то же время есть бытовые проблемы, пробки на дорогах… Количество информации постоянно растет. В процессе научной работы приходится читать все больше и больше статей. Вот если бы они были автоматически проанализированы и если бы из них было выделено главное. Время ограничено, и зачем тратить его на то, что уже сделано?

Видимо, в будущем у каждого человека должен быть персональный компьютерный помощник, который бы анализировал привычки человека, его образ жизни и давал рекомендации различного рода: от медицинских указаний до советов, где что купить и куда вечером пойти. Он будет самообучаться и строить модель поведения человека, которому помогает.

Главное, чтобы человек не ленился, постоянно получая советы от искусственного интеллекта. Обычно человек и без компьютера ленится. А иногда надо просто жить некоторое время с мыслью: „Что, если всего этого бы не было?“ Как-то готовить себя. Вот есть сейчас, грубо говоря, калькулятор, но я же не всегда считаю на калькуляторе. Упражняюсь.

Однако если дело выходит за рамки узкой и заранее известной области вроде управления самолетом или игры в шахматы, то тут даже самый ленивый человек имеет преимущество перед компьютером. Пока что сделать универсальный искусственный интеллект, который мог бы „разобраться“ в любой жизненной ситуации, очень трудно. Перспектива создания себе подобного пока еще не видна.

Во-первых, сколько там нейронов головной мозг содержит? Много. На порядок больше, чем есть транзисторов в современных процессорах. А во-вторых, компьютеры это только компьютеры — последовательно выполняют операции. Человек, он может параллельно мыслить о нескольких вещах. Поэтому, возможно, с квантовым компьютером связана перспектива — он ведь работает как множество вычислительных систем одновременно. Но это пока теоретическая штука.

Да и вообще, люди не очень понимают, как процесс мышления устроен, вот и компьютер этому научить не получается. У человека процесс мышления не состоит из вычислений все-таки. Человек может, например, просто посмотреть и угадать решение, а компьютер никогда не угадает.

Есть какая-то принципиальная разница. Что такое душа, никто не знает, но говорят, что у человека есть, а у компьютера нет. Вот если удастся создать математическую модель души, то все может быть…»

Фотография Артемия Иванюшина

Алексей Белозеров