Физика будущего

Гибкая электронная бумага

Цены на плоские телеэкраны, когда-то превышавшие 10 000 долларов, всего за десять лет упали более чем в 50 раз. В будущем плоские экраны на целую стену также быстро упадут в цене. Настенные экраны на основе органических светодиодов OLED станут гибкими и сверхтонкими. Органические светодиоды во всем похожи на обычные, но работают в них органические составы, которые можно изготовить в виде полимера, – соответственно, они будут гибкими. Каждый пиксел на гибком экране будет соединен с транзистором, который будет управлять цветом и интенсивностью световой точки.

Ученые из Центра разработки гибких дисплеев при Университете штата Аризона работают с компанией Hewlett-Packard и Армией США над усовершенствованием соответствующих технологий. После этого рыночные механизмы повлияют на то, чтобы цена на них упала и гибкие экраны стали доступны обычным потребителям. В конце концов этот процесс может привести к тому, что цена гибкого настенного экрана сравняется с ценой обычных обоев. Так что в будущем, оклеивая стены обоями, мы одновременно без дополнительных затрат будем получать и гибкие настенные экраны. Когда рисунок обоев на стенах надоест, его можно будет сменить одним нажатием кнопки. Отделать заново дом или квартиру будет проще простого.

Технология гибких экранов произведет революцию и в том, как мы взаимодействуем с нашими портативными компьютерами. Нам не потребуется таскать с собой тяжеленные лэптопы. Портативный компьютер, возможно, будет представлять собой просто лоскут экрана на органических светодиодах, который в любой момент можно будет сложить и спрятать в бумажник. В мобильном телефоне появится большой экран, который можно будет вытянуть наружу, как свиток, и пользоваться им, вместо того чтобы, напрягая глаза, печатать на крошечной клавиатуре.

Эта технология делает возможными и совершенно прозрачные компьютерные экраны. В недалеком будущем можно представить следующую сцену: человек смотрит в окно, затем взмахивает руками – и окно внезапно превращается в экран компьютера. Или на нем появляется изображение, любое, какое захочется. Скажем, вид за другим окном, находящимся за тысячи километров от этого.

Сегодня мы легко относимся к бумаге; можем записать что-то на листе и не задумываясь выкинуть его за ненадобностью. В будущем, возможно, появятся «одноразовые компьютеры», никак особенно не идентифицируемые. На таком компьютере тоже можно будет записать что-нибудь, а потом, когда надобность в нем отпадет, просто выбросить. Сегодня человек организует рабочий стол и мебель в кабинете вокруг компьютера; именно компьютер – средоточие всякого офиса. В будущем настольных компьютеров, вероятно, не будет, а файлы мы будем носить с собой – с места на место, из комнаты в комнату или из офиса домой. Исчезнут разрывы в информации и необходимость в постоянной синхронизации данных. Сегодня в любом аэропорту можно увидеть пассажиров с портативными компьютерами в руках. Оказавшись в гостинице, такой путешественник сразу же подключается к Интернету, а по возвращении домой ему приходится перегружать файлы в настольный компьютер. В будущем вам не потребуется таскать компьютер за собой; везде, где бы вы ни оказались, в любой момент – даже находясь в машине или поезде – вы сможете подключиться к Интернету при помощи стен, картин и мебели. (Первый пример подобного подхода – так называемые «облачные» вычисления, когда платить вам приходится не за компьютер, а за компьютерное время, подобно тому как платят за воду или электричество.)

Виртуальные миры

Цель повсеместного использования компьютеров – сделать их неотъемлемой частью этого мира, наполнить окружающую среду процессорами и умными вещами. У виртуальной реальности обратная цель – дать человеку возможность войти в мир компьютера. Первыми, еще в 1960-е гг., виртуальную реальность придумали военные для тренировки летчиков и солдат с использованием симуляторов. Пилоты, сидя перед экраном компьютера и орудуя джойстиком, могли осваивать приземление на палубу авианосца. В случае ядерной войны генералы и политические лидеры, находящиеся в разных местах, могли бы тайно встретиться в киберпространстве.

Сегодня, почти через полвека экспоненциального развития компьютерных технологий, человек может почти по-настоящему жить в виртуальном мире. Там можно управлять аватарой (движущимся изображением, представляющим вас в этом мире); можно встречаться с другими аватарами и исследовать воображаемые миры, можно даже влюбиться и жениться. Кроме того, можно покупать виртуальные вещи за виртуальные деньги, которые, вообще говоря, можно превратить в настоящие. На одном из самых популярных сайтов, Second Life, к 2009 г. зарегистрировалось 16 млн абонентов. В том же году несколько человек умудрились заработать на этом сайте более чем по 1 млн долларов. (Надо сказать, что полученный на этом сайте доход облагается в США налогами, поскольку правительство справедливо считает его вполне реальным.)

Виртуальная реальность – главный элемент и основа видеоигр. В будущем, с дальнейшим ростом компьютерных мощностей, вы сможете посещать нереальные миры при помощи интернет-очков или настенного экрана. Так, если вы захотите отправиться за покупками или посетить какое-то экзотическое место, вы сможете сначала проделать то же в виртуальной реальности, ощущая при этом эффект присутствия. Таким образом, вы сможете пройтись по Луне, отдохнуть на Марсе, прогуляться по магазинам на другом конце света, посетить любой музей и решить для себя, в какое из этих мест вы хотите попасть в реальности.

В будущем человек получит возможность в некоторой степени почувствовать киберпространство и потрогать находящиеся там предметы. Так называемая «тактильная технология» позволяет человеку ощутить присутствие сгенерированных компьютером объектов. Когда-то ее придумали ученые, которым приходилось работать с материалами высокой радиоактивности при помощи манипуляторов, и военные, которым нужно было, чтобы летчики во время тренировки на симуляторе ощущали сопротивление «штурвала».

Чтобы сымитировать чувство прикосновения, ученые создали устройство на пружинах и рычагах, которое должно было в ответ на давление пальцев создавать обратное давление, как при реальном прикосновении. К примеру, если человек проводит пальцами по виртуальному столу, это устройство может симулировать ощущения от соприкосновения с твердой деревянной поверхностью. Таким образом, вы получаете возможность чувствовать предметы, видимые в очках виртуальной реальности, ощущая собственное присутствие в виртуальном мире.

Для создания ощущения текстуры материала используется другое устройство, поверхность которого усеяна тысячами крошечных управляемых пальцами бугорков. Одновременно с движением пальцев компьютер подстраивает высоту бугорков под характеристики соответствующей поверхности; можно вызвать таким образом ощущение прикосновения к твердой поверхности, бархатистой ткани или грубой наждачной бумаге. В будущем эта технология получит развитие, и специальные перчатки смогут дать вам гораздо более тонкие ощущения и сымитировать прикосновение ко множеству разных поверхностей.

Вероятно, такая технология очень пригодится при обучении хирургов, потому что хирург во время сложной и тонкой операции должен ощущать пальцами сопротивление тканей; а в роли пациента при этом может выступать трехмерное голографическое изображение. Кроме того, это еще один шаг к созданию голодека из «Звездного пути», где человек мог бродить по виртуальному пространству и трогать виртуальные предметы. Передвигаясь по пустой комнате, вы можете видеть в очках или контактных линзах фантастические объекты; когда вы протягиваете к объекту руку, из пола поднимается тактильное устройство и симулирует для вас поверхность предмета.

Я получил возможность увидеть эти технологии своими глазами, когда при подготовке передачи канала Science посетил полигон CAVE (cave automatic virtual environment) в Университете Роуэна в Нью-Джерси. Я вошел в пустую комнату и оказался в окружении четырех стен, залитых светом проекторов. На стены проецировались трехмерные изображения, создающие иллюзию присутствия в ином мире. В одной из демонстрационных сцен меня окружили со всех сторон гигантские кровожадные динозавры. Двигая джойстиком, я мог прокатиться на спине ужасного Tyrannosaurus rex, а при желании даже залезть к нему в пасть. Затем я побывал на Абердинском испытательном полигоне в штате Мэриленд, где Армия США соорудила самую продвинутую на сегодняшний день версию голодека. На меня надели шлем и рюкзак с датчиками, которые непрерывно сообщали компьютеру точное положение моего тела. Я походил по всенаправленной бегущей дорожке – хитроумному устройству, позволяющему идти или бежать в любом направлении, оставаясь при этом на месте. Неожиданно я оказался на поле боя, вокруг засвистели пули вражеских снайперов. Я мог бежать в любую сторону, прятаться в любом переулке или тупике, нестись по любой улице – и трехмерные изображения на экранах менялись соответственно. Я мог даже лечь ничком на пол, экраны корректно реагировали и на это. Можно представить, что в будущем в голодеке можно будет испытать эффект полного погружения – сражаться с инопланетными космическими кораблями, убегать от голодных чудовищ или развлекаться на необитаемом острове, не покидая собственной уютной гостиной.

Здравоохранение в ближайшем будущем

Процедура визита к врачу совершенно изменится. Для рутинной проверки достаточно будет поговорить с «доктором» – роботизированной программой, которая появится по запросу на вашем настенном экране и которая сможет диагностировать 95 % обычных заболеваний. Может быть, ваш «доктор» и будет выглядеть как человек, но на самом деле это будет анимированное изображение, запрограммированное на рутинное обследование и стандартные несложные вопросы. Кроме того, в его распоряжении будет полная карта ваших генов. «Доктор» порекомендует вам курс лечения с учетом всех генетических факторов риска.

Чтобы диагностировать проблему, «доктор» попросит вас провести по телу несложным щупом или датчиком. В свое время зрители были поражены, увидев в оригинальном телесериале «Звездный путь» устройство под названием трикордер, которое могло мгновенно диагностировать любую болезнь и даже заглянуть внутрь тела. Однако для того, чтобы познакомиться с этим футуристическим устройством, не обязательно ждать XXIII в. Аппараты для магнитно-резонансной томографии, которые когда-то занимали целые комнаты и весили по несколько тонн, уже уменьшились до ящика размером в несколько десятков сантиметров, а когда-нибудь станут маленькими, как сотовый телефон. Проведя таким устройством по телу, можно будет увидеть внутренние органы. Затем компьютер обработает полученное трехмерное изображение и выдаст диагноз. Такой зонд сможет распознать огромное количество болезней, включая рак, задолго до того, как их проявления станут заметны. В нем будут присутствовать, в частности, ДНК-чипы – кремниевые пластинки с миллионами крохотных сенсоров, настроенных на узнавание фрагментов ДНК, характерных для конкретных болезней.

Не секрет, что многие люди ненавидят ходить к врачу. Однако в будущем за здоровьем человека будут незаметно и без всяких специальных процедур следить особые датчики; возможно, контрольные замеры будут проводиться по несколько раз в день, а вы не будете даже знать об этом. В ваш унитаз, зеркало в ванной, одежду будут встроены ДНК-чипы, которые сообщат, если в вашем организме появятся колонии хотя бы из нескольких сотен раковых клеток. В ванной комнате и в одежде будет помещаться больше всевозможных датчиков, чем сегодня можно найти в лаборатории современной больницы или университета. К примеру, достаточно будет подуть на зеркало, чтобы проверить наличие мутации в гене, отвечающем за производство белка p53, а этот белок отвечает за половину случаев всех самых распространенных видов рака. Это означает, что слово «опухоль» постепенно исчезнет из языка.

Сегодня, попав в серьезную автомобильную аварию на пустынной дороге, легко можно погибнуть от потери крови. В будущем ваша одежда и автомобиль при первых признаках травмы или плохого самочувствия водителя сами поднимут тревогу, автоматически вызовут скорую помощь, сообщат координаты места аварии и передадут врачам всю вашу медицинскую историю – и все это, пока вы остаетесь без сознания. В будущем вообще трудно будет умереть в одиночестве. Одежда при помощи встроенных в ткань чипов почувствует любые нарушения сердечного ритма, дыхания и даже мозговой деятельности. Одеваясь, человек будет выходить в Сеть.

Сегодня уже можно поместить в пилюлю размером со стандартную таблетку аспирина компьютерный чип, снабженный телекамерой и радиопередатчиком. После того как вы ее проглотите, «умная пилюля» заснимет ваш пищевод и кишечник, а затем передаст сигнал по радио на расположенный рядом приемник. (Знаменитый слоган Intel Inside обретает новое значение!) Таким образом врачи могут получать снимки кишечника пациента без всякой колоноскопии (а этот метод весьма неудобен, поскольку предусматривает введение в толстую кишку двухметровой трубки). Подобные микроскопические устройства постепенно снизят необходимость использовать нож хирурга.

Это лишь один пример того влияния, которое окажет компьютерная революция на здоровье человека и всю систему здравоохранения. В главах 3 и 4 мы поговорим о революции в медицине гораздо подробнее и обсудим также генную терапию, клонирование и увеличение продолжительности жизни.

Жизнь в сказке

Поскольку компьютерный интеллект, как мы уже говорили, сильно подешевеет и найдет широчайшее применение, некоторые футуристы считают, что будущее человечества будет похоже на сказку. Если человек обретет божественное могущество, то мир, в котором он живет, станет поистине сказочным. Интернет, к примеру, превратится в известное сказочное зеркальце. Достаточно будет обратиться к нему: «Свет мой, зеркальце, скажи…», – и в нем появится приветливое лицо, обеспечивающее нам доступ ко всей накопленной на планете мудрости. Мы будем встраивать процессоры в игрушки, делая их разумными, как Пиноккио – марионетка, мечтавшая стать настоящим мальчиком. Подобно Покахонтас, мы будем разговаривать с ветром и деревьями, и они будут отвечать нам. Мы привыкнем, что вещи разумны и что с ними можно общаться.

Компьютеры распознают многие гены, ответственные за старение, и мы, возможно, будем вечно молодыми, как Питер Пэн. Мы научимся замедлять, а может быть, и поворачивать вспять процесс старения. Расширенная реальность внушит нам иллюзию того, что каждый из нас, подобно Золушке, может поехать на фантастический бал в королевской карете и танцевать там с прекрасным принцем. (Но в полночь очки расширенной реальности выключатся, и мы вернемся в реальный мир.) Компьютеры раскроют тайны генов, контролирующих наше тело, и мы сможем перестраивать свое тело по желанию, заменять изношенные органы и менять внешность даже на генетическом уровне, как чудовище в сказке «Аленький цветочек».

Некоторые футуристы опасаются даже, что из-за всех этих чудес люди могут вернуться к средневековому мистицизму, когда все верили в невидимых духов, обитающих всюду вокруг нас.

Середина века (2030–2070 гг.)

Конец закона Мура

Зададимся, однако, вопросом: как долго еще продлится компьютерная революция? Если закон Мура продержится еще лет пятьдесят, то компьютеры, скорее всего, намного превзойдут по возможностям человеческий мозг. Но к середине века возникнет другая динамика. Как сказал Джордж Харрисон, «все проходит». Даже действие закона Мура должно прекратиться, а с ним – и впечатляющий рост компьютерных мощностей, питавший последние полвека рост мировой экономики.

Сегодня нам кажется естественным – и даже закономерным, – что возможности продуктов компьютерной отрасли растут практически на глазах. Именно поэтому мы каждый год покупаем новые модели, зная, что они почти в два раза мощнее прошлогодних. Но если закон Мура перестанет действовать и каждое следующее поколение компьютеров будет примерно таким же, как предыдущее, то зачем покупать новые компьютеры?

И вообще, процессоры сейчас внедряются в самые разные предметы и приборы, и у многих людей просто не будет необходимости в домашнем компьютере. Последствия для экономики в целом могут быть поистине катастрофическими. Перестанут работать целые отрасли, миллионы людей могут потерять работу, в экономике возникнет неуправляемый хаос.

В прошлом физики не раз указывали на неизбежный конец закона Мура, но промышленники традиционно отмахивались от наших предупреждений и говорили, что ученые, как мальчик из басни, все время кричат «Волк! Волк!». Крах закона Мура так часто предсказывали, говорили они, что мы уже ничему не верим.

Но теперь все иначе.

Два года назад я выступал перед сотрудниками Microsoft в штаб-квартире компании в Сиэтле, штат Вашингтон. Три тысячи лучших инженеров компании, собравшиеся в зале, ждали от меня откровений о будущем компьютеров и телекоммуникаций. В этой огромной аудитории я видел лица молодых инженеров-энтузиастов; именно эти люди создают программы, работающие потом в наших настольных и портативных компьютерах. В отношении закона Мура я сказал прямо: отрасли следует готовиться к этому краху. Лет десять назад мои слова, наверное, были бы встречены смехом и шутками. Но на этот раз я видел перед собой лишь серьезные лица и согласные кивки.

Крах закона Мура – вопрос глобального значения; на кон здесь ставятся триллионы долларов. Но как в точности закончится действие этого закона и что именно его заменит, определят законы природы. Получается, что очень скоро ответы на чисто физические вопросы потрясут основы экономической структуры капитализма.

Чтобы разобраться в этой ситуации, важно осознать, что всеми невероятными свершениями компьютерной революции мы обязаны нескольким физическим принципам. Во-первых, компьютеры считают с такой поразительной быстротой потому, что электрические сигналы движутся по проводам со скоростью, близкой к скорости света – абсолютному пределу для любой скорости во Вселенной. За секунду луч света способен семь раз обогнуть Землю или долететь до Луны. Кроме того, электроны несложно двигать, поскольку они не слишком прочно держатся в атоме (мы легко сдвигаем их с места, расчесывая волосы, проходя по ковру или стирая, – именно так накапливается статическое электричество). Сочетание не слишком прочных связей и молниеносной скорости позволяет нам стремительно посылать по проводам электрические сигналы, что, собственно, и породило электрическую революцию прошлого века.

Во-вторых, количество информации, которую можно передать при помощи лазерного луча, практически ничем не ограничено. Световые волны колеблются во много раз быстрее звуковых и могут нести на себе гораздо больше информации, чем звук. (Представьте, к примеру, длинную натянутую веревку, по которой с одного конца пускают волны. Чем быстрее двигается этот конец, тем больше сигналов умещается на веревке. Поэтому количество информации, которую можно передать при помощи волны, тем больше, чем быстрее она колеблется, т. е. чем больше ее частота.)

Свет – это волна, у которой на одну секунду приходится примерно 1014 циклов (1014 – это единица с четырнадцатью нулями). Для передачи одного бита информации (1 или 0) требуется много циклов. Это значит, что оптическое волокно может нести на одной частоте примерно 1011 бит информации. И это число можно еще увеличить, поместив в одно волокно несколько сигналов на разных частотах, а затем связав оптические волокна в единый кабель. Все это означает, что, увеличивая число каналов в кабеле, а затем и число кабелей, можно передавать информацию в почти неограниченных количествах.

В-третьих – и это самое главное, – основой компьютерной революции является миниатюризация транзисторов. Транзистор – это ключ, или управляющий элемент, контролирующий поток электричества. Если сравнить электрический контур с водопроводом, то транзистор – это кран, управляющий потоком воды. Точно так же как простым поворотом ручки крана можно перекрыть сильный поток воды, небольшой электрический ток на управляющем входе транзистора может управлять гораздо более сильным током основной цепи и таким образом усиливаться.

Сердце этой революции – компьютерный чип, электронная микросхема, где на кремниевой подложке размером с ноготь могут разместиться сотни миллионов транзисторов. Внутри любого современного компьютера есть микросхемы, транзисторы на которых можно разглядеть только в микроскоп. Эти невероятно крошечные транзисторы создаются примерно так же, как рисунки на футболках.

Чтобы напечатать рисунок на тысячах футболок, сначала необходимо создать шаблон с контуром этого рисунка. Затем этот шаблон накладывают на футболку и брызгают сверху краской в виде спрея. Краска попадает на ткань только в тех местах, где на шаблоне имеются прорези. Затем шаблон убирают, и на футболке остается идеальная копия рисунка.

Точно так же при производстве микросхем сначала изготавливается шаблон, содержащий сложные контуры миллионов транзисторов. Шаблон помещается на многослойную светочувствительную кремниевую пластину. Затем на шаблон и пластину направляют ультрафиолетовый луч; излучение проникает сквозь прорези в шаблоне и действует на кремниевую пластину.

После этого подложку опускают в кислоту, вытравливая контуры схем и создавая хитрый рисунок миллионов транзисторов. Поскольку пластина состоит из множества проводящих и полупроводящих слоев, кислота проникает на разную глубину и вытравливает в ней различные формы; таким образом можно создавать невероятно сложные электронные схемы.

Закон Мура так неустанно обеспечивал нам экспоненциальный рост мощности компьютеров, в частности, потому, что производители микросхем, отрабатывая технологию, постепенно уменьшали длину волны УФ-излучения, что позволяло им вытравливать на кремниевых пластинках все более и более крошечные транзисторы. Длину волны УФ-излучения можно довести до 10 нм (нанометр – это одна миллиардная часть метра), и самый маленький транзистор, который можно вытравить на подложке таким способом, будет около тридцати атомов в поперечнике.

Но этот процесс не может продолжаться до бесконечности. В какой-то момент мы столкнемся с тем, что вытравить таким способом транзистор размером с один атом физически невозможно. Можно даже прикинуть, когда приблизительно рухнет закон Мура: в тот момент, когда дальнейшая миниатюризация потребует делать транзисторы размером с отдельный атом.

Около 2020 г. или чуть позже закон Мура постепенно перестанет действовать; если не будет найдена новая технология, способная заменить нынешнюю и обеспечить дальнейший прогресс, Кремниевой долине грозит медленное превращение в очередной «ржавый пояс». Согласно законам природы со временем Кремниевая эра закончится и начнется Посткремниевая. Транзисторы станут такими маленькими, что на сцену выйдут квантовая теория или атомная физика – и электроны начнут уходить с проводников и просачиваться куда не положено. К примеру, представьте, что толщина тончайшего полупроводникового слоя в вашем компьютере достигнет пяти атомов. В этот момент, по законам природы в дело вступит квантовая теория. Принцип неопределенности Гейзенберга утверждает, что невозможно точно знать одновременно положение и скорость частицы. На первый взгляд такой принцип кажется непонятным, но на атомном уровне просто невозможно определить, где в точности находится электрон, а потому никак нельзя гарантировать, что он не выйдет за пределы ультратонкой проволоки или слоя; он непременно просочится оттуда наружу и вызовет короткое замыкание.

Мы обсудим все это более подробно в главе 4, когда речь пойдет о нанотехнологиях. Пока же предположим, что физики нашли подходящую замену кремнию, но мощность компьютеров в новых условиях растет значительно медленнее, чем раньше. Скорее всего, экспоненциальный рост продолжится, но время удвоения мощности составит не 18 месяцев, а по крайней мере несколько лет.