WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Pages:     | 1 |   ...   | 5 | 6 || 8 | 9 |   ...   | 10 |

«КОНЦЕПЦИИ СОВРЕМЕННОГО ЕСТЕСТВОЗНАНИЯ Издание девятое, исправленное и дополненное Рекомендовано Министерством образования ...»

-- [ Страница 7 ] --

Рецепторы — макромолекулы, инициирующие био логические процессы. При активации соответствующи ми гормонами они распознают и связывают биологи чески активные молекулы, вступившие в каталитичес- 4Уи 26* Часть 111. ЕСТЕСТВЕННО НАУЧНЫЕ КОНЦЕПЦИИ РАЗВИТИЯ кое и регулирующее взаимодействие. Существуют два типа агентов, взаимодействующих с рецепторами: аго нисты и антагонисты. Агонисты вызывают биологичес кую реакцию, а антагонисты ее блокируют. Некоторые агенты могут связываться одновременно с разными рецепторами и, следовательно, участвовать в различ ных биологических процессах. Например, гистамин, связываясь с HI-рецептором, инициирует аллергичес кие реакции и, активизируя Н2-рецептор, способству ет выделению желудочного сока. Избыток желудочно го сока раздражает стенки желудка и приводит к язве.

Лекарственный препарат циметидин — специфичес кий антагонист Н2-рецептора, подавляющий выделе ние желудочного сока. Норадреналин — химический агент нервной системы. Он контролирует выделение ад реналина и связывается с четырьмя видами рецепто ров, ответственных за различные биологические процес сы. Соединения-антагонисты эффективны при лечении сердечно-сосудистых заболеваний, рака, расстройства центральной нервной и эндокринной систем.

В 30-х годах XX в. установлено, что некоторые орга нические соединения оказывают канцерогенное дей ствие на подопытных животных. Сегодня полагают, что ряд природных и синтетических соединений, содержа щихся в окружающей среде, могут способствовать воз никновению раковых заболеваний. Различные хими ческие канцерогены образуют ковалентные связи с клеточными макромолекулами (белками, РНК, ДНК), что и приводит к раковым заболеваниям. При этом про исходит злокачественное перерождение клеток, кото рое связано с изменением структуры ДНК. Открыто более сотни генов, мутации которых способствуют пре вращению нормальной клетки в опухолевую — это он когены и гены-супрессоры опухолей. К настоящему времени химики-органики умеют определять последо вательность нуклеотидов в нормальном гене и онкоге не, а также последовательность аминокислот в белках, кодируемых такими генами, что является весьма важ ным шагом при разработке терапевтических средств лечения.

Сначала раковые заболевания пытались лечить яда ми, синтезируемыми из природных веществ. В послед нее время много новых и клинически эффективных 404 препаратов выделено из микроорганизмов. Некоторые Глава 7. Биосферный уровень организации материи из них взаимодействуют с ДНК пораженных клеток, внедряясь в спиральные нити ДНК. Широко применя емые противораковые средства, известные под назва нием антиметаболитов, по своей структуре напоминают природные соединения, нарушающие обмен веществ.

Многие воспалительные болезни вызываются рас стройством иммунной системы. Иммунная система про тиводействует заболеванию организма и вторжению в него посторонних веществ. К настоящему времени ус тановлены ферменты и другие белки, фиксирующие чужеродные тела и координирующие ответную реакцию организма. Клетки плазмы, продуцируемые белыми кровяными тельцами, выделяют в кровь антитела, кото рые нейтрализуют чужеродные вещества, способные вызывать заболевание. Хотя химическая природа моле кул антител известна, но предстоит еще разработать эффективные средства лечения прогрессирующей бо лезни — синдрома приобретенного иммунодефицита (СПИДа).

Иммунная система служит для биосинтеза антител (антигенов) — защитных белков для нейтрализации чу жеродных молекул. Определенная последовательность аминокислот белковой цепи задает избирательность ферментов. Формирование активных центров фермен тов и их структура во многом определяются действием вводимого антитела. Более 100 каталитических антител успешно применяются для ферментативных реакций.

Специалисты считают, что каталитические антитела принадлежат к биокатализаторам нового поколения.

Серьезную опасность для здоровья человека пред ставляют радионуклиды и тяжелые металлы. Они со держатся в отходах предприятий, выбросах в атмос феру и выхлопах автомобилей, загрязняют почву и воду, накапливаются в живых клетках растений и животных, а оттуда с продуктами питания попадают в организм человека (рис. 7.17). С потоком крови они переносятся по всему организму, оказывая на него вредное воздей ствие. Так, тяжелые металлы замедляют рост и умствен ное развитие детей, вызывают болезни нервной систе мы, почек и печени. Радионуклиды вызывают повреж дения в наследственном веществе, снижение иммунитета, онкологические заболевания.

После аварии на Чернобыльской АЭС активизи- да ровался поиск препаратов, очищающих организм че- 1U Часть 111. ЕСТЕСТВЕННО-НАУЧНЫЕ КОНЦЕПЦИИ РАЗВИТИЯ Жидкие выбросы Выбросы в атмосферу Рис. 7.1.7 Распространение радионуклидов ловека от радиоактивных атомов. Была поставлена за дача разработать препараты, способные образовывать прочные соединения с радиоактивными изотопами, которые потом легко выводятся из организма. Один из таких препаратов, как следует из источника периоди ческой печати, был найден в альгинатах — продуктах переработки бурых морских водорослей, которые очи щают воду океана от тяжелых металлов, лишних солей и радиоактивных изотопов. Синтезированный в нашей стране препарат альгисорб способен очищать организм человека от радиоактивных изотопов, не нарушая об мена веществ, не вызывая аллергических реакций и не влияя на наследственность.

7.11. Продление жизни организма Общие сведения. Старение любого организма вос принимается чаще всего как естественный и неизбеж ный процесс. Не составляет исключения и организм человека, средняя продолжительность жизни которого зависит от многих факторов и составляет 55 — 85 лет, а в развитых странах в среднем около 70. Однако это далеко не предел — человек может жить 100 и более лет, и такие случаи не редкость, например, для людей, живущих в селениях горного Кавказа. Это означает, что 406 потенциальные возможности долголетней жизни пока Глава 7. биосферный уровень организации материи не исчерпаны. Проблема продления жизни организма актуальна и по сей день, и ее решением занимаются геронтологи, медики, биохимики, психологи и другие ученые многих стран.

Энтропийный характер старения. С давних вре мен ученые пытаются раскрыть механизм старения и найти способы его предотвращения. Однако до сих пор многое остается загадкой, хотя кое-что удалось выяс нить совсем недавно.

Сегодня известно, что процесс старения обуслав ливается нарушением ферментативных реакций, вы зываемым различными отклонениями в гормональной системе организма. Современные медицинские сред ства позволяют корректировать работу гормональной системы и, казалось бы, успешно решать проблему про дления жизни. Однако эта проблема оказалась не та кой уж простой.

Первые систематические опыты по выявлению влияния различных факторов на продолжительность жизни проводились на подопытных дрозофилах и дафниях. Установлено, что при ограничении содержа ния питательных калорий в качественной и разнообраз ной пище продолжительность их жизни увеличивается в 3 — 3,5 раза. При точной дозировке белков в пище, со ставляющей около 14%, удваивается средняя продол жительность жизни крыс. Продлению жизни способ ствуют аминокислоты (цистин), некоторые витамины, анаболические стероиды, необходимые для синтеза белков в организме, и т. п.

Целенаправленные опыты применения разнооб разных биохимических препаратов помогают выявить физико-химическую и биологическую природу меха низма старения организма, синтезировать препараты, селективно влияющие на организм, т. е. продлевающие жизнь отдельным органам: печени, сердцу, мозгу и т. п.

Важнейшим результатом подобных опытов будет син тез универсального препарата против старения.

Иногда встречаются весьма необычные люди. Они могут долгое время находиться без сна, не подвергаться действию опасных вирусов и т. п. Однако нет человека, неподвластного старению. Всем известно, что все жи вое стареет и в конце концов умирает, т. е. переходит в другую форму материи. Стареют, ветшают и приходят 4U/ I Часть 111. ЕСТЕСТВЕННОНАУЧНЫЕ КОНЦЕПЦИИ РАЗВИТИЯ в непригодность даже объекты неживой природы: зда ния, мосты, машины и т. п. Может показаться удивитель ным — металл тоже стареет. Все это наводит на мысль:

старение — это неизбежный, необратимый процесс, общий для живой и неживой природы.

В соответствии со вторым началом термодинамики любой реальный процесс необратим и сопровождается возрастанием энтропии. Энтропия — это мера хаоса, беспорядка. Значит, любой реальный естественный про цесс, в том числе и старение, приводит к возрастанию хаоса. В результате старения нарушается упорядоченная взаимосогласованная работа составных элементов жи вой системы. Именно в этом смысле можно говорить об энтропийном характере старения живых организмов.

Разрушение происходит само собой, а процессы развития и созидания требуют затрат энергии. Для создания и развития любой упорядоченной структуры необходим приток энергии. Живые организмы отно сятся к открытым термодинамическим системам: рас тения поглощают солнечную энергию, в результате чего образуются органические вещества, при потреб лении которых животные обеспечивают себя энерги ей. При этом живые организмы находятся в термоди намическом равновесии с окружающей средой, явля ясь тем самым своеобразным источником рассеяния энергии. На определенной стадии развития поглощен ная открытой системой энергия приводит к ее самоус ложнению, а в ряде случаев и к совершенствованию.

Образуя все более сложную структуру и накапли вая информацию, живые системы стремятся предот вратить необратимое рассеяние энергии и тем самым противостоять возрастанию энтропии не только в ок ружающей их среде, но и во всей Вселенной, т. е. про тивостоять старению. Такое противостояние мож но представить как единство и борьбу противополож ностей, т. е. как проявление диалектического закона природы, предписанного генетической программой, неоднократно воспроизводимой живым организмом, и передаваемой следующим поколениям.

Механизм старения и продолжительность жизни.

В утверждении «все живое подвержено старению» содержится некоторая неточность. Что же происходит, когда живая клетка или бактерия в процессе размно жения делится пополам? Живая клетка при этом не Глава 7. Биосферный уровень организации материи стареет и не погибает, а дает начало другим клеткам, которые в свою очередь снова делятся и т. д., т. е. она остается фактически бессмертной. Вопрос о старении одноклеточных организмов и непрерывно делящихся клетках, например половых или опухолевых, до сих пор остается открытым. В конце XIX в. немецкий зоолог Август Вейсман (1834—1914) предложил идею о бес смертии бактерий. Одни ученые согласны с ней и се годня, а другие подвергают ее сомнению.

В многоклеточных организмах значительная часть клеток не может постоянно делиться — они выполня ют другие функции: питание, движение, управление различными процессами и т. п. Противоречие между функциональным назначением и бессмертием клеток природа разрешила путем разделения их на два типа:

соматические и половые. Соматические клетки под держивают жизнедеятельность организма, а половые делятся, обеспечивая продолжение рода. Соматические клетки стареют и умирают, половые же в некотором смысле вечны. Существование огромных и сложных многоклеточных организмов, содержащих множество соматических клеток, направлено на поддержание жизни половых клеток.

Каков же механизм старения соматических клеток?

Установлено, что каждая из них способна делиться не более 50 раз. Постепенное старение всего организма обусловлено тем, что его соматические клетки исчер пывают отпущенное на их долю число делений, после чего они стареют и гибнут. Возможны случаи, когда соматические клетки, нарушая такое правило, делятся непрерывно, воспроизводя свои копии. Однако подоб ное деление ни к чему хорошему не приводит — ведь именно так появляется в организме опухоль, часто приводящая к гибели всего организма.

Еще в начале XX в. физиологи обратили внима ние на то, что крупные млекопитающие живут доль ше, чем мелкие. Например, мышь живет 3,5 года, со бака — 20 лет, слон — 70. Такая зависимость объясня лась разной интенсивностью обмена веществ. Средняя суммарная затрата энергии на единицу массы тела у разных млекопитающих в течение жизни примерно одинакова — 200 ккал/г. Каждый вид способен по треблять лишь определенное количество энергии и, исчерпав ее, погибает.

Часть III. ЕСТЕСТВЕННО НАУЧНЫЕ КОНЦЕПЦИИ РАЗВИТИЯ Интенсивность обмена веществ и общее потреб ление кислорода зависят от многих факторов. Чем интенсивнее обмен веществ, тем менее продолжитель на жизнь. Малая масса тела и интенсивный обмен ве ществ обусловливают небольшую продолжительность жизни. Однако из этого простого правила существует немало исключений. В частности, суммарные затраты энергии, приходящиеся на единицу массы тела челове ка, очень велики, а продолжительность его жизни в че тыре раза больше, чем при соответствующем таким зат ратам обмене веществ. Как выяснилось сравнительно недавно, причина заключается в парциальном давлении кислорода, определяющем продолжительность жизни.

Известно, что ощутимое изменение концентрации кис лорода в воздухе, составляющей около 21%, приводит к гибели живых организмов. Известно: нехватка кислоро да также губительна для всего живого. Особенно опасен его избыток. Так, чистый кислород убивает лабораторных животных в течение нескольких дней, а при давлении 2 — 5 атм такой срок сокращается до часов и минут.

Сама по себе молекула кислорода и продукт ее полного восстановление — вода — нетоксичны. Однако восстановление кислорода сопровождается образовани ем повреждающих клетки продуктов: супероксидного анион-радикала, пероксида водорода и гидроксидного радикала, которые называются активными формами кислорода. Около 5 % потребляемого организмом кис лорода преобразуется в такие формы. Ферменты сни жают их вредное действие на клетки. Основную роль при этом играет фермент супероксиддисмутаза, превра щающий супероксидные анион-радикалы в более безо бидный пероксид водорода и в молекулярный кислород.

Пероксид водорода разрушается другими ферментами — каталазой и пероксидазами.

Известна и положительная роль активных форм кислорода — они способны защищать организм от микробов и даже от некоторых опухолей. Но все же их повышенное содержание приводит к разрушению кле ток. Результаты исследований последнего времени показали, что скорость образования активных форм кислорода замедляется диоксидом углерода, содержа щемся в крови. Это означает, что для жизнедеятельно сти организма необходим и такой газ, предотвращаю 410 щий разрушение клеток.

Глава 7. Биосферный уровень организации материи Выяснение механизма обезвреживания активных форм кислорода способствовало пониманию некоторых проблем радиобиологии, онкологии, иммунологии и т. д.

Родилась свободнорадикальная теория старения, в со ответствии с которой возрастные изменения в клетках обусловливаются накоплением в них повреждений, вызываемых свободными радикалами — молекулами с неспаренными электронами, обладающих повышенной химической активностью. Свободные радикалы могут образовываться в клетках под действием радиации, некоторых химических реакций и перепадов темпера туры. Но все же главный источник свободных радика лов — восстановление молекул кислорода.

Накопление возрастных изменений в клетках зави сит от соотношения двух процессов: образования сво бодных радикалов и их обезвреживания с помощью су пероксиддисмутазы — «ферментаантистарения». Коли чество свободных радикалов в клетке, вероятно, возрастает с повышением уровня потребления кисло рода, или интенсивности обмена веществ. Предполага ется, что продолжительность жизни организма живот ных и человека зависит от отношения активности супе роксиддисмутазы к интенсивности обмена веществ.

Высокая активность «фермента антистарения» защища ет человека и некоторых животных с интенсивным об меном веществ от преждевременного старения.

Поиск средств против старения. Новое представ ление о механизме старения позволяет объяснить неко торые факты, хорошо известные геронтологам — уче ным, изучающим проблемы старения живых организ мов. Например, почему животные, которых кормили малокалорийной, но сбалансированной пищей, живут дольше, чем те, что питались вдоволь? Ответ простой — потому что ограниченное питание уменьшает интен сивность обмена веществ и соответственно замедляет накопление повреждений в клетках. Меньшей интен сивностью обмена веществ можно объяснить феномен долголетия людей, живущих в горных районах.

Разный срок отпущен клеткам внутри одного орга низма человека: чем больше в клетках антиоксидантов, тем меньше степень их повреждения активными фор мами кислорода, тем дольше они живут. Поэтому неко торые клетки крови живут несколько часов, а другие несколько лет. Наблюдения показали, что изменения в Часть III. ЕСТЕСТВЕННО-НАУЧНЫЕ КОНЦЕПЦИИ РАЗВИТИЯ организме при естественном старении и действии радиации похожи. Оказалось, что при радиоактивном облучении происходит разложение воды с образовани ем активных форм кислорода, повреждающих клетки.

Результаты исследований позволили выработать стратегию поиска средств против старения. Так, удалось увеличить в полтора раза жизнь лабораторных живот ных, вводя в их рацион сильные антиоксиданты. Введе ние антиоксидантов типа супероксиддисмутазы защища ет организм от токсичного действия активных форм кис лорода и способствует увеличению продолжительности его жизни. Это вселяет надежду: антиоксиданты можно использовать как эффективное средство против старе ния человека. Установлено, что среди множества антиок сидантов, содержащихся в продуктах питания, особенно важны витамины А, С, Е и микроэлемент селен.

Процесс старения запрограммирован генетически, поэтому проблема продления жизни организма должна решаться современными средствами молекулярной биологии и генных технологий. Предполагается, что в старении повинны полифункциональные соединения в виде продуктов обмена веществ, например яблочной, янтарной и фумаровой кислоты, а также радикалов.

Между двумя молекулами этих веществ возникают мо стиковые связи, что приводит к накоплению дефектных белков и функциональному нарушению работы клеток и в результате — к старению организма. В соматичес ких клетках ферменты репарации (ремонта) ДНК испы тывают отклонения от нормального функционирования гораздо чаще, чем в половых клетках, поэтому старению прежде всего подвергаются нейроны, клетки печени, сердечной мышцы и т. п.

Чем больше отклонений в работе клеток и вызыва ющих их факторов, тем быстрее проходит процесс старения. Известно, что свободные радикалы приводят к существенным отклонениям в работе ферментов репараций. Поэтому разработка ингибиторов свобод ных радикалов — одно из важнейших направлений в решении проблемы продления жизни организма. Но все же наиболее эффективный способ предотвраще ния старения заключается в исправлении программы, заложенной в геноме организма.

-.•о Возрастное старение организма обусловливается 41L ухудшением работоспособности составляющих его кле Глава 7. биосферный уровень организации материи ток. Почему с возрастом активность клеток падает? Ис следования показали, что с каждым клеточным делени ем уменьшаются теломеры — особые хромосомные структуры, расположенные на концах клеточных хро мосом. Такое уменьшение теломер приводит к старению клеток. Проведенный эксперимент по искусственному удлинению теломер в клетках in vitro дали удивитель ный результат: клетки обрели способность многократно делиться, полностью сохраняя свои нормальные свой ства. Очень важно, что клетки, обретя потенциальное бессмертие, не стали раковыми и не вызывают опухо лей. В последние годы обнаружен клеточный фермент — теломераза, способствующий наращиванию концов хромосом —теломер, которые неизбежно укорачивают ся при рождении клеточных поколений. Предполагает ся, что в организме человека теломеры хромосом могут удлиняться без участия теломеразы.

По оценкам специалистов, в настоящее время на земном шаре живут примерно 100 000 человек в возра сте свыше ста лет. Проводятся целенаправленные эк сперименты, обсуждаются различные мнения и гипо тезы — все это дает возможность с оптимизмом утвер ждать: если не нынешнее, то грядущее поколение воспользуется плодами кропотливых и сложнейших эк спериментов, которые позволят продлить жизнь чело веку до 100, 200 и более лет.

7.12. Формирование ноосферы Появление научной мысли в биосфере в перспек тиве неизбежно полностью ее видоизменит. В сочета нии с трудовой деятельностью человека мысль ста новится неведомой до этого геологической силой, спо собной преобразовать вместе с биосферой весь поверхностный слой Земли. Носитель земного разу ма — человек — с нарастающим темпом воздействует на биосферу, активно захватывая все занимаемое ею пространство, меняя облик земной поверхности. По убеждению академика В.И. Вернадского, преобразо вание биосферы грядет неизбежно и необратимо. Та кая точка зрения была высказана им в начале 30-х годов XX в. и со скептицизмом воспринята научным со обществом тех лет. Ученый назвал трансформирован Часть III. ЕСТЕСТВЕННОНАУЧНЫЕ КОНЦЕПЦИИ РАЗВИТИЯ ную биосферу ноосферой. Под ноосферой он понимал не выделенный над биосферой «мыслящий пласт», а качественно новое се состояние. Известны и более ранние переходы биосферы в подобные состояния, сопровождавшиеся почти полной ее перестройкой.

Но современный переход представляет собой нечто особенное, ни с чем не сравнимое.

Свой анализ процесса трансформации биосферы в ноосферу В.И. Вернадский закончил следующими обобщениями:

• Ход научного творчества является той силой, при помощи которой человек меняет биосферу. Изме нение биосферы после появления в ней человека — неизбежное явление, сопутствующее росту науч ной мысли.

• Изменение биосферы не зависит от человеческой воли, оно стихийно, как природный естественный процесс.

• Научная работа человечества есть природный про цесс, сопровождаемый переходом биосферы в но вое, более упорядоченное состояние — ноосферу.

• Такой переход выражает собой «закон природы».

Поэтому появление в биосфере рода Homo (чело века) есть начало новой эры в истории планеты.

• Человек может рассматриваться как определенная функция биосферы, в определенном ее простран стве-времени. Во всех своих проявлениях человек составляет определенную закономерную часть биосферы.

• Взрыв научной мысли в XX столетии подготовлен всем прошлым биосферы и имеет глубочайшие корни в ее строении. Он не может остановиться и пойти назад. Биосфера же неизбежно, рано или поздно, перейдет в ноосферу. И в истории народов, населяющих планету, произойдут нужные для это го события, а не события, этому противоречащие.

Что можно сказать по поводу перехода биосферы в ноосферу с точки зрения современной концепции развития? Во-первых, процесс трансформации биосфе ры — это объективная реальность. Мы все, живущие на Земле, являемся свидетелями и в определенной мере 414 участниками этого переходного процесса, даже если Глава 7. Биосферный уровень организации материи не отдаем себе отчета в характере происходящего.

Процесс преобразования биосферы начался не вчера и завершится не завтра. По человеческому масштабу времени трансформация растянута на несколько по колений, но в геологическом измерении она мгновен на и ее следует рассматривать как скачок в разви тии биосферы. Во-вторых, в основе современных представлений об этом процессе лежит предложен ная В.И. Вернадским концепция формирования но осферы.

Контрольные вопросы • С возникновением каких основополагающих жизненных систем произошел переход неживой материи к живой ?

• Какие функции выполняют молекулы ДНК ?

• Каковы структура и состав молекул ДНК?

• Как образуется генетический код? Каковы его основные свойства?

• Каковы структура и функции белков ?

• Почему клетку считают живым организмом?

• Из чего состоят клетки?

• Чем отличается растительная клетка от клетки животных?

• На какие группы делятся все организмы в зависимости от типа клеток?

• При каких условиях зарождалась жизнь на Земле?

• Какова роль углеродных соединений при образовании живых систем?

• В чем заключается химическая эволюция ?

• Какова роль фотосинтеза в зарождении многоклеточных организмов ?

• Охарактеризуйте кратко предпосылки для развития эво люционной идеи.

• В чем заключается сущность эволюционной идеи Дарвина ?

• В чем заключалась основная идея Менделя о наследствен ности?

• Назовите основные факторы эволюции живых организ мов ?

• Какова взаимосвязь целенаправленных действий и есте ственного отбора?

• Что такое тонкая подстройка Вселенной и в чем заключа ется антротшый принцип?

• Дайте краткую характеристику эволюции жизни в раз ные геологические эры. 4lu Часть 111. ЕСТЕСТВЕННО-НАУЧНЫЕ КОНЦЕПЦИИ РАЗВИТИЯ Охарактеризуйте основные разновидности растений и животных.

Каковы особенности растительного и животного мира?

Назовите основные типы адаптации живых организмов, В чем заключаются физиологические особенности чело века?

Каковы основные свойства мозга человека?

Существуют ли возрастные ограничения в развитии чело века?

В чем сущность социологической идеи Гегеля?

Чем обусловливается эстетическое восприятие человека?

Охарактеризуйте кратко проблему роста населения и обеспечения продовольствием.

Назовите основные способы увеличения продовольствен ных ресурсов?

Как можно улучшить плодородие почвы?

Что такое фиксация азота?

Какова роль белков в питании ?

Охарактеризуйте роль фотосинтеза в жизнеобеспечении человека.

Какова специфика современных средств сохранения здо ровья?

Чем обусловливается процесс старения организма?

Как зависит продолжительность жизни от интенсивности обмена веществ ?

В чем заключаются основные современные способы про дления жизни организма?

Что такое ноосфера и как она формируется?

Часть IV ЕСТЕСТВЕННО-НАУЧНЫЕ ОСНОВЫ СОВРЕМЕННЫХ ТЕХНОЛОГИЙ, ЗНЕРГЕТИКИ И ЭКОЛОГИИ Блажен человек, который снискал мудрость, и человек, который приобрел разум Библия (Книга притчей Соломоновых, гл. 3, ст. 13, 14) Глава ECTECTECTBEHHО НАУЧНЫЕ АСПЕКТЫ ТЕХНОЛОГИЙ • 8.1. Развитие средств информационных технологий Технологии и естествознание. Технология — сово купность методов обработки, изготовления, изменения состояния, свойств, формы сырья или полуфабрикатов, осуществляемых в процессе производства продукции.

Слово «технология» означает, кроме того, научную дисциплину, изучающую физические, химические, механические и другие закономерности различных производственных процессов. В последнее время это слово стало ключевым. Часто говорят о технологиях информационных, микроэлектронных, химических, генных, биотехнологиях и др. Ощущается некое «заси лье технологий».

Следует различать естественно-научные знания, которые что-то объясняют, и знания, которые воору жают стратегией и тактикой действий: одно дело — «я знаю», другое — «я умею». Вот если «я знаю», то это фундаментальная наука, если «я умею» — это уже технология, некая совокупность действий, процессов и процедура управления ими, а также регламент, на правленный на достижение заранее предопределенно го результата.

Рождение той или иной технологии свидетельству ет о высоком уровне зрелости соответствующей ей от расли естествознания, когда она начинает развивать ся быстро и оказывается полезной обществу, становит ся прикладной. В современном обществе развиваются многие виды технологий, среди которых большое вни мание уделяется информационным.

27* Унификация информационных технологий. Удов летворение все возрастающих потребностей общества при неуклонном росте народонаселения земного шара требует резкого повышения эффективности всех сфер деятельности человека, непременньм условием кото рого выступает адекватное повышение эффективнос ти информационного обеспечения. Под информацион ным обеспечением понимается предоставление необ ходимой информации с соблюдением требований ее своевременности и актуальности. Предоставление необходимой информации — одна из важнейших со ставляющих информатизации общества. Концепция информатизации включает прежде всего создание унифицированной в широком спектре приложений и полностью структурированной информационной тех нологии, включающей процессы сбора, накопления, хранения, поиска, переработки и выдачи всей инфор мации, необходимой для информационного обеспече ния деятельности.

Для расширения спектра приложений информаци онных технологий необходимо унифицировать:

• представление об информации, т. е. ее классифи кация и описание параметров основных видов, вы деленных в классификационной структуре;

• структура и общее содержание информационного потока, т. е. процессов генерирования, фиксации и циркуляции информации;

• перечень и содержание процедур обработки ин формации во все время и на всех этапах информа ционного обеспечения деятельности;

• перечень и содержание методов решения задач и обработки информации.

Возможности унификации информационных тех нологий открывают широкие перспективы развития как самих технологий, так и информатики в целом. На основе естественно-научных знаний уже в настоящее время можно создать и реализовать информационные технологии, унифицированные до такой степени, что, с одной стороны, информация может использоваться в различных сферах деятельности без дополнитель ной трансформации и адаптации, а с другой — она может быть стабильной, не нуждаться в принципи Глава 8. Естестественно-научные аспекты технологий альном совершенствовании достаточно продолжитель ное время.

При любом подходе к постановке целей и задач информационных технологий вычислительные сред ства в разнообразных формах, начиная от мини-ЭВМ, персональных компьютеров и кончая супер-ЭВМ и сложнейшими вычислительными системами и комплек сами, играют первостепенную, основную роль в инфор мационном обеспечении и развитии общества. Инфор мационные технологии прямо или косвенно касаются каждого из нас. Информация стала постоянным спут ником человека. Она помогает нам не только ориенти роваться в окружающей среде, но и активно воздей ствовать на нее, выбирая наиболее рациональные и оптимальные способы и применяя современные вычис лительные средства.

История развития вычислительных средств. Для облегчения физического труда еще с древних времен изобретаются разнообразные приспособления, меха низмы и машины. Однако лишь немногие из них по могали человеку выполнять работу, похожую на ум ственную, хотя потребность в ней возникла давно.

Вначале в течение длительного времени использова лись примитивные средства счета: счетные палоч ки, камешки и т.д., а затем— счеты. Если раньше подавляющее большинство людей занималось физи ческим трудом, то в XX в. во многих развитых странах стал преобладать умственный труд и, следовательно, возросла потребность в машинах, облегчающих такой труд. Сегодня очевидно: без машин, способных рас ширить умственные возможности человека, трудно представить современные цивилизованные условия жизни.

Первые машины, выполняющие арифметические операции, появились в XVII в.: в 1642 г. французский математик и физик Блез Паскаль (1623— 1662) изоб рел устройство для сложения чисел, а в 1673 г. немец кий ученый Вильгельм Лейбниц (1646— 1716) сконст руировал арифмометр, производящий четыре ариф метических действия. Изобретение арифмометра — важный шаг в развитии вычислительных средств.

Однако производимые с его помощью расчеты требо вали много времени.

Часть IV. ECTВЕTBENHH НАУЧНЫЕ ОСНОВЫ СОВРЕМЕННЫХ МИОЛОГИИ, ЭНЕРГЕТИКИ И ЭКОЛОГИИ В первой половине XIX в. сделана первая попытка построить универсальное вычислительное устройство — аналитическую машину, выполнявшую вычисления са мостоятельно, без участия человека, т. е. машину, кото рая работала бы по заданной программе и накапливала информацию. Однако технологические возможности того времени не позволили реализовать идею создания по добной машины. Только спустя почти столетие, в 1943 г., когда появились электромеханические реле, удалось сконструировать первую аналитическую машину.

Новая модификация вычислительных машин на базе электронных ламп работала в тысячу раз быст рее. В основу разработки следующей модификации ана литических машин легли общие принципы функцио нирования универсальных вычислительных средств, предложенные в 1945 г. американским математиком и физиком Джоном Нейманом (1903— 1957). Одна из та ких модификаций создана в 1949 г. С того времени вы числительные машины стали гораздо совершеннее, но большинство из них построено на тех же общих прин ципах функционирования: для универсальности и эф фективности работы вычислительная машина должна содержать арифметико-логическое устройство, выпол няющее арифметические и логические операции, уст ройство управления для организации процесса испол нения программ, запоминающее устройство (или па мять для хранения программ и данных), внешние устройства для ввода-вывода информации. В совре менных вычислительных машинах, называемых ком пьютерами, арифметико-логическое устройство и ус тройство управления, как правило, объединены в цен тральный процессор. Для повышения быстродействия компьютера обработка информации производится од новременно на нескольких процессорах. Компьютер обрабатывает информацию только в цифровой форме.

Вся другая информация (звуки, изображения, показа ния приборов и т. д.), вводимая в компьютер, преобра зуется в цифровую форму.

В развитии вычислительных средств различают несколько поколений, непосредственно связанных с открытиями в физике XX в.,— ЭВМ первого поколения (40-е — начало 50-х годов XX в.) базировались на элек тронных лампах. С применением полупроводниковых Глава 8. Естестественно-научные аспекты технологий приборов связывают второе поколение ЭВМ (середина 50-х — начало 60-х годов). В конце 60-х годов появилось третье поколение ЭВМ, основанное на интегральных микросхемах. В 70-е годы разработаны ЭВМ четверто го поколения, с элементной базой на больших интеграль ных схемах. В последнее время для создания ЭВМ сле дующих поколений модернизируется их элементная база, разрабатываются принципиально новые средства накопления, хранения и обработки информации.

ЭВМ 40-х и 50-х годов XX в. представляли собой крупногабаритные и дорогостоящие устройства, поэто му они были доступны только лишь крупным учрежде ниям и компаниям. По мере развития технологий ЭВМ становились компактнее и дешевле. Современные пер сональные компьютеры стоят от нескольких сотен до 10 тыс. долл. По сравнению с большими ЭВМ и мини ЭВМ персональные компьютеры весьма удобны для многих сфер деятельности.

Суперкомпьютеры. Высокопроизводительные вы числительные системы, суперЭВМ принято считать форпостом компьютерной техники. Они в значитель ной степени определяют экономическую независи мость и национальную безопасность государства. Раз витие отечественной высокопроизводительной техники начиналось с разработки в 1953 г. самой быстродей ствующей в Европе ЭВМ. Ее производительность 8000 — 10 000 операций в секунду (оп/с). Эта машина создана под руководством нашего соотечественника, академика АН СССР С.А. Лебедева (1902- 1974). Производитель ность более совершенной модификации такой машины составляла 1 млн оп/с. Более высокой производитель ностью — 125 млн оп/с — обладал отечественный мно гопроцессорный вычислительный комплекс «Эльбрус-2», созданный в 1985 г. В разработку отечественных вычис лительных и управляющих систем, а также в развитие теории оптимизации автоматических систем управле ния сложными объектами существенный вклад внесли российские ученые СВ. Емельянов (1929), B.C. Бурцев (1927), С.К. Коровин (р. 1945), Г.И. Савин (р. 1948) и др.

Мощные компьютеры разрабатываются и по сей день. Так, в сорока километрах к югу от Токио возведе но здание ангарного типа. Довольно большое, двухэтаж ное — 65 х 50 м и 17 м в высоту. Что там находится?

Компьютер, самый большой и самый мощный в мире.

Часть IV. ЕСТЕСТВЕННО НАУЧНЫЕ ОСНОВЫ СОВРЕМЕННЫХ ТЕХНОЛОГИЙ, ЭНЕРГЕТИКИ И З Ш Р Щ Н Казалось, давно прошли те времена, когда ЭВМ занимала большой зал. Мы привыкли к мощным на стольным компьютерам. Однако в мае 2002 г. вступил в строй огромный суперкомпьютер, названный «Симу лятор Земли». Его строительство длилось пять лет. Су перкомпьютер принадлежит Иокогамскому институту наук о Земле, но им будуг совместно пользоваться три крупных научных центра страны: Центр морских наук и технологий, Институт атомной энергии и Националь ное агентство космических исследований. Он позволя ет моделировать климатические процессы в масшта бах всей планеты, с большой точностью предсказывать погоду, включая тайфуны и цунами. Этот гигант может моделировать и сейсмические явления, предсказывать землетрясения. Внутри суперкомпьютера создана «вир туальная Земля». Около 85% его мощности предусмот рено именно для таких глобальных задач.

Кроме того, часть компьютерного времени отво дится на криптографические работы (видимо, шифро вание своих и расшифровка чужих перехваченных сек ретных посланий), ядерные исследования и биологи ческие расчеты, связанные с прочтением геномов.

Японский суперкомпьютер стоимостью 350 — 400 млн долл. состоит из 5120 микропроцессоров, смон тированных в 320 больших шкафах — в каждом шка фу по 16 процессоров, работающих параллельно. Еще в 150 шкафах расположены дисковые накопители ин формации, и 65 шкафов заполнены соединительными узлами. Почти весь первый этаж занят системой кон диционирования, создающий в помещениях постоян ную прохладу. Там же расположены блоки питания, способные" поддерживать работу компьютера даже при аварии общей сети. Галогенные лампы для осве щения смонтированы на крыше, и свет от них посту пает в машинный зал по стеклянным световодам.

Обычные лампы накаливания, размещенные на потол ке, слишком сильно нагревали бы воздух, а холодные люминисцентные лампы дневного света создают элек тромагнитные помехи.

Если самый мощный из существовавших до сих пор компьютеров ASCI White американской фирмы IBM выполняет в секунду «всего» 12,3 трлн опера 424 ций, то японский гигант достигает скорости свыше Глава 8. Естестественно-научные аспекты ТЕХНОЛОГИЙ 40 трлн оп/с. Кстати, в американском суперкомпьюте ре, больше микропроцессоров — 8192, но их работа менее эффективна.

Один из американских специалистов заявил, что японская разработка суперкомпьютера — такой же тревожный сигнал для США, как запуск советского спутника в 1957 г. До сих пор в ежегодно публикуе мом списке 500 самых мощных компьютеров мира США занимали первые шесть мест. Однако произво дительность японского суперкомпьютера превышает суммарную производительность всех лучших шести американских.

Интернет. Возможности персонального компьюте ра существенно расширяются с применением компью терных сетей. Компьютерная сеть представляет собой набор соединенных между собой компьютеров с пе риферийными и коммуникационными устройствами.

Подавляющее большинство компьютеров образует ту или иную сеть. Опыт эксплуатации сетей показывает, что преобладающая часть объема пересылаемой по сети информации замыкается в пределах одного офиса. Со единенные между собой компьютеры в одном учебном классе либо в одном учебном учреждении, или в каком то административном районе образуют локальную сеть.

Существует два типа компьютерных сетей. В од ном из них выделяется специальный компьютер (сер вер) для организации работы сети, а в другом — нет.

Сервер осуществляет централизованное управление компьютерной сетью. В сети без сервера каждый под ключенный к сети пользователь имеет доступ к ресур сам (дисковое пространство, принтер), предоставлен ным другими пользователями.

Для подключения к удаленным компьютерным сетям либо отдельным компьютерам используются телефонные линии. Передача информации производит ся с помощью устройства, которое преобразует циф ровую информацию, хранимую в компьютере, в ана логовую (в виде модулированных электрических сиг налов), передаваемую по телефонной линии, и одновременно производит обратное преобразование сигнала на входе принимающего компьютера. Такое устройство называется модем (от первых слогов слов:.„_ «модулятор» и «демодулятор»), 4LU Часть IV. ЕСТЕСТВЕННО - НАУЧНЫЕ ОСНОВЫ СОВРЕМЕННЫХ ТЕХНОЛОГИЙ, ЭНЕРГЕТИКИ И ЭКОЛОГИИ Локальные сети образуют узлы. Сеть, состоящая из равноправных и независимых узлов, объединенных между собой каналами связи, носит название Интер нет. Узлом Интернета может быть не только локальная сеть, но и любое вычислительное устройство, в том числе и персональный компьютер, подключенный к сети и имеющий свой индивидуальный адрес. Узел оснащен коммуникационным устройством для переключения каналов связи. Для связи используются обычные и оп товолоконные кабели, радиоканалы и каналы спутнико вой связи. Интернет образует своеобразную паутину, в которой связь между двумя любыми узлами обеспечи вается либо по прямому каналу, либо через ряд проме жуточных каналов. Узлы обмениваются между собой информацией. Любая информация разбивается на па кеты и отправляется по доступным каналам связи.

Интернет — глобальная компьютерная сеть, ох ватывающая весь мир и образующая систему, которая обеспечивает связь информационных сетей, принад лежащих различным пользователям во всем мире.

История развития Интернета начинается с 1961 г., когда в США была создана экспериментальная сеть для оперативной передачи информации. Масштабы вне дрения Интернета резко возросли после введения в 1982 г. протокола — совокупности принципов, правил и форматов данных, регламентирующих взаимодей ствие субъектов сети. В середине 90-х годов XX в. осо бую популярность и новую волну притока в Интернет принес новый сервис — World Wide Web (WWW, все мирная паутина). Именно этот способ организации информации в Интернете сделал его понятным и до ступным широкому кругу пользователей. Так, в 1995 г.

число пользователей удваивалось каждые 50 дней."

К концу 90-х годов XX в. их общее число составляло более 15 млн примерно в 150 странах мира.

Широко распространенным сервисом Интернета является электронная почта. Для обмена письмами по электронной почте каждому абоненту на одном из се тевых компьютеров выделяется область памяти — элек тронный почтовый ящик, доступ к которому осуществ ляется по адресу абонента и его паролю.

_Пр Интернет обеспечивает доступ ко многим видам 4си информации — не выходя и.з дома можно получить Глава 8. Естестественно-научные аспекты технологий сведения о последних событиях в мире, публикуемых в научных журналах материалах, посмотреть ту или иную телепередачу, понравившийся фильм и вести переписку с абонентом, находящимся в любой точке земного шара. В этом смысле возможности Интерне та кажутся неограниченными. Однако следует по мнить, что некоторые виды предоставляемой почти бесплатно информации не всегда являются достовер ными и полезными, а в ряде случаев носят деструк тивный, безнравственный характер, направленный на деградацию личности. Тем не менее не следует огор чаться: огонь может быть огромной разрушающей силой, но в руках разумного человека он приносит только неоценимую пользу. Конечно же, при разум ном, взвешенном подходе в выборе необходимой ин формации Интернет способствует всестороннему развитию личности.

Применение вычислительных средств. Возмож ность сочетания различных видов компьютеров с уже существующими и вновь создаваемыми машинами и их системами освобождает человека от монотонного, однообразного, утомительного физического труда, а иногда и от работы во вредных и опасных условиях.

Можно назвать множество примеров применения современных вычислительных средств.

Самое широкое распространение получили мик ропроцессорные системы для станков с программным управлением. Более сложные микропроцессорные си стемы — промышленные роботы — снабжены про стейшими «органами чувств», способными своевре менно реагировать на изменение ситуации. Приме нение роботов позволяет полностью автоматизировать работу производственных участков, цехов и целых заводов. Однако всегда останутся области деятельно сти, где компьютер не может полностью заменить че ловека. Это прежде всего области, связанные с не формальным творческим подходом к делу. Но компь ютер может облегчить творческий труд. Для этого создаются автоматизированные рабочие места (АРМ). Например, программное обеспечение АРМ директора предприятия содержит автоматизирован ную систему управления (АСУ), которая быстро вы дает на экран дисплея или на бумагу оперативную | Часть IV. ЕСТЕСТВЕННО-НДУЧНЫЕ ОСНОВЫ СОВРЕМЕННЫХ ТЕХНОЛОГИЙ, ЭНЕРГЕТИКИ И ЭКОЛОГИИ сводку о положении дел на предприятии (наличие ре сурсов, ход выполнения плана, сведения о работни ках предприятия и т. п.), помогает в выборе смежни ков, а также экономической стратегии и тактики. Со здаются АСУ, предназначенные для обеспечения оптимального взаимодействия уже не отдельных стан ков и автоматических линий, а цехов, производствен ных объединений в масштабах целой отрасли.

Область применения компьютера расширяется в результате не только увеличения числа механизмов, ма шин и других устройств, к которым он подключается, но и роста его «интеллектуальных» способностей. Так, информационно-поисковые системы и базы данных пе рерастают в базы знаний, развитию которых способ ствует Интернет. В базах знаний хранятся не только данные, но и правила вывода новых утверждений из уже имеющихся. А это означает, что она способна по рождать новые знания.

• 8.2. Современные средства накопления информации Общие сведения. Появление наскальных рисунков и надписей свидетельствует о стремлении человека еще в древние времена сохранить свои наблюдения, пере дать их потомкам. Позднее стали писать на глиняных пластинах, свитках папируса, а примерно два тысяче летия назад появился и поныне самый распространен ный носитель информации — бумага. Но вот наступил век электроники и принес в повседневную жизнь еще одну новинку — ЭВМ — своеобразный кладезь премуд рости человека. Бумага, верой и правдой служившая человеку долгое время, начинает постепенно сдавать некоторые области своей абсолютной монополии. Сей час важнейшее место в развитии цивилизации отво дится электронной вычислительной технике, в первую очередь, получившим широкое распространение пер сональным компьютерам.

Представляют интерес некоторые цифры, харак теризующие объем информации, накапливаемой чело вечеством. Одна книга среднего формата содержит 428 около 1 млн байт информации. Крупнейшая в мире библиотека Конгресса США хранит примерно 20 млн книг и 3,5 млн единиц звукозаписи, что вместе состав ляет приблизительно 2 петабайта ( 1 Пбайт = 10 байт).

По оценке ЮНЕСКО, в мире ежегодно печатается около 100'Гбайт (100- 1012 байт) нового текста (без уче та переизданий)^ в том числе 10 тыс. газет, издающих ся в разных странах. Ежегодно в мире выпускается примерно 5000 кинофильмов, а всего со времен бра тьев Люмьер, французских изобретателей, создавших в 1895 г. первый киноаппарат, в виде кинофильмов вы пущено около 1 Пбайта информации. Профессионалы и любители делают ежегодно 50 млрд фотоснимков, что составляет примерно 0,5 Пбайта. На телевизионные передачи приходится 100 Пбайт. Информация, пере даваемая по телефону во всем мире, оценивается в несколько тысяч петабайт. Приведенные цифры впечат ляют — человечество оказалось в колоссальном инфор мационном океане. Чтобы свободно плавать в таком безбрежном океане, создаются локальные и глобальные сети, объединяющие множество персональных компь ютеров.

По объему накапливаемой информации и скорос ти ее обработки возможности персональных компью теров все же ограничены: на современном персональ ном компьютере можно хранить всего лишь десятки гигабайт информации. Во многих отраслях — банков ское дело, системы резервирования и реализации авиа и железнодорожных билетов, метеослужба и компью терное производство видеофильмов — требуется обра батывать сравнительно большие объемы информации с высокой скоростью и, следовательно, нужны боль шие компьютеры и суперкомпьютеры.

В последнее время наряду с суперкомпьютерами разрабатываются сравнительно небольшие компьюте ры с миниатюрными накопителями информации. Са мый маленький в мире накопитель информации в виде жесткого диска памяти производит американская фир ма IBM. По размерам он сравним с отечественной пятирублевой монетой, однако объем его памяти дос таточно большой — 340 Мбайт. Этот миниатюрный диск очень удобен для карманных компьютеров и цифро вых фотоаппаратов. На винчестер-малютку можно за- _,._ писать несколько сотен цветных фотографий, а затем 4t.il Часть IV. ЕСТЕСТВЕННО-НАУЧНЫЕ ОСНОВЫ СОВРЕМЕННЫХ ТЕХНОЛОГИЙ, ЭНЕРГЕТИКИ И ЭКОЛОГИИ распечатать на принтере или перевести в память боль шего компьютера.

Все виды ЭВМ, в том числе большие и малые ком пьютеры, содержат запоминающее устройство — тот или иной накопитель информации, или память. Па мять •— это то, что наделяет ЭВМ интеллектуальными признаками и что существенно отличает ее от других машин и механизмов.

Память человека и память ЭВМ. Память — несом ненно, один из важнейших атрибутов человека. Разви тый, утонченный и вместе с тем изощренный аппарат памяти, пожалуй, это основное, что выделяет человека среди других представителей живого мира. Не только запоминание окружающего (это неосознанно делают и животные), но и воспоминание, логическое осмысле ние, многократное обращение сознания к хранилищу памяти и извлечение из него всего того, что нужно в данный момент,— на это способен лишь человек, на деленный разумом.

Совокупная память всех людей, коллективная па мять человечества, материализованная в многочислен ных книгах, картинах, нотах, фотографиях, чертежах, кинофильмах, архивных документах и во многом-мно гом другом, вне всякого сомнения образует один из основных краеугольных камней фундамента человечес кой цивилизации. За последние десятилетия разнооб разные технические средства накопления и хранения информации пополнились еще одним — наиболее уни версальным и гибким — памятью ЭВМ, которой во все большей степени отводится постоянно возрастающая роль в совершенствовании ЭВМ и, следовательно, в развитии общества в целом.

Сегодня ЭВМ стала главным инструментом, с по мощью которого осуществляется управление информа ционными потоками. Так в общих чертах выглядит современная картина. О памяти ЭВМ известно гораз до больше, чем о памяти человека, его сознательной и бессознательной деятельности. Надпись «Познай са мого себя», начертанная у входа в дельфийский храм Аполлона, актуальна и по сей день. Память человека обладает индивидуальными, многогранными, удиви _„ п тельными и большей частью не объясненными пока 4ии свойствами. Цицерон считал, что «для ясности памяти Глава 8. Естестественно-научные аспекты технологий важнее всего распорядок;

поэтому тем, кто развивает свои способности в этом направлении, следует держать в уме картину каких-нибудь мест и по этим местам рас полагать воображаемые образы запоминаемых пред метов». Примерно по такому принципу построена и память ЭВМ. Из приведенных образных сравнений понятно, что память ЭВМ по многим параметрам от стает от мозга человека. И мы непременно «должны учиться у природы и следовать ее законам», как утвер ждал Н. Бор.

И творческая, и подсознательная деятельность, и другие ее виды, часто объединяемые одним словом «чувство», применительно к памяти ЭВМ можно отне сти к искусственному интеллекту, привлекающему внимание многих исследователей.

Высокая плотность записи, большая емкость памя ти, высокое быстродействие, способность восприятия и аналоговой, и цифровой информации, возможность оперативного доступа к данным, сочетание адресного и ассоциативного поиска, объединение последователь ного и параллельного принципов ввода-вывода инфор мации, отсутствие механически перемещающихся уз лов, высокая долговечность и надежность хранения — вот те основные качества, которыми хотелось бы наде лить разрабатываемые долговременные запоминающие устройства.

Технологические возможности реализации высо кой информационной плотности. Запоминающие уст ройства большинства моделей ЭВМ основаны на маг нитной записи. Прогнозы специалистов показывают, что в ближайшем будущем устройства магнитной за писи останутся доминирующими на мировом рынке информационной техники.

С развитием средств вычислительной техники растет и будет расти спрос на запоминающие устрой ства небольших размеров, способные хранить большой объем информации. В этой связи проблема повышения информационной плотности записи — одна из важней ших в совершенствовании запоминающих устройств большой емкости.

В запоминающих устройствах на подвижном маг нитном носителе, где основное — это накопление ин формации, фактором первостепенной важности являет Ч а с т ь IV. ЕСТЕСТВЕННО НАУЧНЫЕ ОСНОВЫ СОВРЕМЕННЫХ ТЕХНОЛОГИЙ, ЭНЕРГЕТИКИ И ЭКОЛОГИИ ся поверхностная информационная плотность записи, определяемая количеством информации, приходящей ся на единицу площади поверхности рабочего слоя носителя записи. Поверхностная информационная плот ность записи зависит от плотности записи вдоль одной дорожки (продольной плотности) и числа самих доро жек на единицу ддины в поперечном относительно дви жения носителя направлении (поперечной плотности).

Из теоретических расчетов следует, что продольная плотность записи информации на магнитном носителе может достигать 20 000 бит/мм. Если в настоящее вре мя в лучших производимых магнитных накопителях про дольная плотность — около 5000 бит/мм, то становится понятным, какие возможности еще не реализованы.

Магнитная запись с перпендикулярным намагни чиванием, когда перемагничивание рабочего слоя осу ществляется в его перпендикулярной плоскости, обес печивает существенное повышение информационной плотности записи. Так, в лабораторных образцах нако пителей уже достигнута продольная плотность, состав ляющая более 10 000 бит/мм. Для этого применяется записывающий элемент толщиной 0,1 мкм. При его ширине 0,1 мкм поверхностная плотность записи ин формации равна 100 бит/мкм 2, что примерно на два порядка больше предельно возможной плотности в оптических накопителях. Воспроизведение информа ции, записанной с такой высокой плотностью, произ водится с помощью высокочувствительных магниторе зистивных преобразователей.

Голографическая память. Быстродействие памяти зависит от длительности процессов записи, поиска и воспроизведения информации. Увеличение емкости памяти требует и роста скорости обмена информаци ей. Существенно повысить быстродействие в результа те модернизации дисковых накопителей информации — задача довольно трудная. Нужна другая идейная кон цепция. Оказывается, такая концепция известна и уже привела к некоторым результатам. Речь идет о гологра фической памяти. Она основана на применении ла зерного излучения и позволяет реализовать многие свойства, присущие памяти человека.

Однако прошли десятки лет с начала разработки 432 голографической памяти, а реальных, конкурентоспо собньтх устройств, которые можно было бы отнести к промышленным, а не к лабораторным, до сих пор нет.

В чем же дело? Все тот же известный диссонанс идей ных концепций и элементной базы. Транзистор, интег ральная схема, микропроцессор— элементы, в свое время определявшие лицо вычислительной техники и не только параметры конкретных ЭВМ, но и идеоло гию научно-технического прогресса. Появился ла зер — и возникли новые отрасли естествознания: кван товая радиофизика, топография, нелинейная оптика.

Хотя идейные основы таких отраслей предложены го раздо раньше, но только лазер дал им жизнь. С приме нением полупроводниковых лазеров созданы оптичес кие дисковые накопители.

С голографическои памятью ситуация, увы, иная.

Используемые в лабораторных разработках ее элемен ты — газовые лазеры, разнообразные оптические зат воры и другие •— пока еще несовершенны: как прави ло, они громоздки, недолговечны, сложны в изготовле нии и эксплуатации, в них используются разнородные материалы. Приходится констатировать, что элемент ная база голографическои памяти для промышленного производства еще не создана.

Правда, в последнее десятилетие в развитии ряда направлений оптоэлектроники достигнуты опреде ленные успехи, которые косвенно, а иногда и прямо способствуют решению рассмотренной проблемы.

Созданы полупроводниковые лазеры с высокой сте пенью когерентности излучения, позволяющие запи сывать качественные голограммы. Развивается ин тегральная оптика, в рамках которой традиционные объемные оптические элементы заменяются тонко пленочными. Например, тонкопленочные оптические затворы могут переключаться напряжением всего в несколько вольт, при этом время переключения ме нее 1 не.

Нейронные сети. С начала 80-х годов XX в. про гресс в развитии вычислительной техники многие свя зывают с созданием искусственных нейронных сетей.

Успехи в разработке и использовании нейрокомпью теров определяются их принципиально новым свой ством — возможностью эффективного самообучения в ходе решения наиболее сложных задач. По своей суги 28 С. X. Карпенков — КСЕ нейрокомпьютер является имитацией нейронной сети мозга человека.

Используя терминологию вычислительной техники, можно сказать, что нейрон является бинарной ячейкой.

Он может находиться либо в возбужденном, либо в не возбужденном состоянии, которое изменяется в резуль тате взаимодействия с другими нейронами. В нейронной сети полезная информация запоминается не отдельны ми нейронами, а группами нейронов, их взаимным со стоянием. Каждый нейрон в большей или меньшей сте пени связан примерно с 104 нейронами. Принимая вне шнюю информацию и обмениваясь внутри головного мозга, каждый отдельный нейрон имеет возможность последовательно приближаться к принятию в сложной внешней обстановке решения и переходу в нужный момент в нужное (возбужденное либо невозбужденное) состояние. Чем больше объем нейронной сети, тем более сложную задачу можно решить с ее помощью.

К настоящему времени производится моделирова ние нейронных сетей. Магнитооптические управляемые устройства уже сегодня позволяют сформировать вы сококачественный массив информации, скорость обра ботки которого по алгоритму нейронной сети существен но превосходит возможности человеческого мозга.

• 8.3. Альтернативные компьютеры Квантовые компьютеры. В модернизации элемент ной базы компьютеров, основанной на традиционном электронном принципе, есть фундаментальное ограни чение, связанное с тем, что из отдельного атома невоз можно создать проводник, по которому протекал бы электрический ток, как в элементах обычных электрон ных приборов. Поэтому нужны принципиально новые идеи, которые позволят в дальнейшем развивать ком пьютерную технику. К настоящему времени предложе но несколько подобных идей и одной из них, основан ной на квантовом принципе, уделяется большое вни мание. Предполагается, что созданный на таком принципе квантовый компьютер поможет решить мно гие важные задачи, трудно решаемые с помощью тра хит ДИЦИОННЫХ компьютеров.

Квантовая механика, описывающая, казалось бы, далекий от нас микромир, все активнее вторгается в практические сферы человеческой деятельности. По является все больше приборов, основанных на кванто во-механических принципах — от квантовых генера торов до микроэлектронных приборов. Видимо, пришел черед и вычислительной техники — компьютеры, по строенные на квантовых вычислительных элементах, откроют новые возможности для решения довольно сложных задач вычислительной математики.

Один из важных принципов квантовой механики — принцип суперпозиции: если квантовая система может существовать в двух состояниях, то она может нахо диться и в виде их суперпозиции. Математический принцип суперпозиции — это следствие линейности уравнения Шредингера, основного уравнения кванто вой механики.

Попытаемся наглядно представить простейшую квантовую систему, на основании которой можно со здать квантовый компьютер. Проведем несложный мысленный эксперимент. Возьмем, например, стрелку компаса и начнем разрезать ее пополам. Каждая из половинок будет обладать тем же свойством, что и неразрезанная стрелка, а именно, один конец их будет указывать на север, а другой — на юг. Разрезая полу ченные половинки вновь и вновь, можно дойти до стрелки, состоящей из одной частицы. Куда она на правлена? Казалось бы, нужно взять микроскоп с высоким разрешением и посмотреть. Но для этого надо направить на систему какое-либо излучение (в случае оптического микроскопа — световое), т. е. заставить ее взаимодействовать с внешними частицами (фотонами).

Таким образом можно изменить состояние квантовой системы, или, иначе, когерентность, просто наблюдая за ней. Соответственно и информация будет относить ся не к исходной, а к новой. Если принять за «1» на правление на север, а за «О» — на юг, то направление намагниченности можно рассматривать как квантовый бит, или кубит, содержащий в себе с равной вероятно стью оба состояния. Квантовая система с двумя состо яниями, способная нести один бит информации, носит название кубит. Работая с кубитом, можно одной ко- 28' мандой обработать оба возможных состояния. Два ку бита содержат уже четыре возможных состояния, три — восемь и т. д. Добавление в систему каждого нового кубита повышает число содержащихся в ней вариан тов состояний вдвое.

Рассмотренный простейший кубит, основанный на двух состояниях, называется спиновым кубитом. Прин ципиально возможны и другие квантовые системы, которые отличаются поляризацией (например, фотоны) или фазой (сверхпроводники). Квантовой системой может быть не только отдельная частица, но и различ ные макроскопические системы в виде сверхпровод ников, сверхтекучих жидкостей, бозе-газа.

Квантовая логика для работы с кубитами остава лась для ученых-кибернетиков чем-то умозрительным вплоть до 1994 г., когда американский ученый Питер Шор предложил квантовый алгоритм решения очень важной задачи — разложения больших чисел на про стые сомножители. Для примера достаточно сказать, что разложение 155-значного числа, работа над кото рым велась одновременно на нескольких компьютерах, в 1999 г. заняла 7 месяцев. Если бы удалось построить хотя бы 50-кубитный квантовый компьютер, эта задача была бы решена за доли секунды.

Основные проблемы в создании квантового ком пьютера вытекают из его природы: для решения ка кой-либо задачи нужно сначала заложить в компьютер исходные данные и программу, а потом считать полу ченный результат. Однако любое вмешательство в зам кнутую квантовую систему приводит к нарушению ее когерентности. Это означает, что в момент измерения кубит принимает какое-либо одно из возможных зна чений, утрачивая другое.

Тем не менее к настоящему времени получены некоторые практические результаты. Наиболее значи мых из них добилась группа ученых из исследователь ского центра Almaden компании IBM. Сначала выби рались молекулы, способные реализовать нужную ло гическую функцию. Водяной раствор таких молекул помещался в сильное магнитное поле, а кубитами слу жили направления намагниченности (спины) атомных ядер. Чтобы не нарушить когерентность системы, на чальный набор спинов задавался радиочастотными импульсами, а полученные результаты считывались при помощи ядерного магнитного резонанса (ЯМР).

Этот метод, основанный на избирательном поглощении веществом электромагнитного излучения, использует ся уже довольно давно в разных областях естественно научных исследований. Медики, например, с помощью ЯМР получают хорошие изображения внутренних ор ганов человека с разрешением вплоть до долей милли метра, причем из-за довольно низкой энергии излуче ния их вредное воздействие на организм сводится к минимуму.

В 1998 г. в центре Almaden был собран двухкубит ный квантовый компьютер, а в 1999 г.— трехкубитный.

В декабре 2001 г. продемонстрирован первый резуль тат работы 7-кубитного квантового компьютера. В ка честве дубитов использованы спины 5 ядер фтора и 2 ядер углерода-13. Остальные атомы и молекулы по добраны таким образом, чтобы образовать нужное вза имодействие между электронами разных элементов и обеспечить стабильность всей системы. В одной неболь шой пробирке содержится миллиард миллиардов (10!8) молекул, каждая из которых может быть компьютером.

С помощью 7-кубитного квантового компьютера удалось найти простые сомножители числа 15. Как ни странно, оказалось, что это 5 и 3. Те, кто считает, что большого ума для этого не нужно, совершенно правы:

потребовалась всего лишь одна молекула.

Фотонный компьютер. Одна из наиболее перспек тивных альтернатив процессорам и компьютерам на электронной основе — это использование фотонов, т. е.

частиц (квантов) света с нулевым электрическим заря дом. Фотонный компьютер обладает рядом преиму ществ, связанных с особенностями распространения света. Световые лучи устойчивы к посторонним элек тромагнитным шумам. Их передача может осуществ ляться на гораздо более высоких частотах. К тому же они могут находиться сколь угодно близко друг к другу и даже пересекаться, не теряя при этом информации, что позволяет одновременно вести передачу и обработ ку потоков информации.

Столько преимуществ, но почему же пока не уда лось создать столь привлекательный фотонный компь ютер? Дело в том, что еще нужно разработать оптичес Часть IV. ЕСТЕСТВЕННО -НАУЧНЫЕ ОСНОВЫ СОВРЕМЕННЫХ ТЕХНОЛОГИЙ, ЭНЕРГЕТИКИ И ЭКОЛОГИИ кие аналоги электрических проводников и логических элементов. Уже сравнительно давно луч света переда ется по оптическому волокну или световоду, но до сих пор нельзя вместить десятки, сотни километров опти ческого волокна в сравнительно небольшом объеме.

Плотность упаковки электрических элементов гораздо выше. В качестве логических схем могут выступать линзы, зеркала и лазеры, но их размеры опять же исключают возможность создания конкурирующих производительных процессоров.

Оптические импульсы, несущие информацию, можно передавать по оптическим волноводам опто электронной платы. Такой способ позволяет передавать информацию гораздо быстрее, чем по электронным соединениям традиционных микросхем, и гораздо луч ше использовать вычислительную мощность, самых быстрых микропроцессоров.

Практической основой, на которой в будущем, по видимому, будут реализованы все компоненты фотон ного компьютера, могут стать так называемые фотон ные кристаллы, способные пропускать или задерживать свет только с определенной длиной волны. Один из образцов фотонного кристалла иллюстрирует рис. 8.1.

Он состоит из набора чередующихся кремниевых по лос, образующих многоуровневую структуру в виде своеобразной решетки, способной улавливать свет.

Световой луч с определенной длиной волны, попав внутрь такой решетки, не покидает ее. При этом длина волны зависит от размеров кремниевых полос и их вза имного расположения. Так, решетка, состоящая из крем ниевых полос шириной 1,2 мкм, не выпускает инфра красное излучение с длиной волны 10 мкм.

Можно создать и одномерный фотонный кристалл в виде моста — световой волновод, по которому инфор мация передается фотонами. В нем, благодаря равным промежуткам между отверстиями, образуется периоди ческая структура, в которой не может распространять ся свет с определенной длиной волны. Оставленный более длинный промежуток в середине волновода слу жит ловушкой для фотонов. Этот промежуток называет ся резонансной полосой. Таким образом, одномерный фотонный кристалл позволяет выделить из пучка свето вых лучей с разными длинами волн какой-либо один.

Глава 8. Естестественно-научные аспекты технологий Рис. 8.1. Фотонный кристалл С помощью двухмерного фотонного кристалла можно повернуть луч света на 90°. Набор одно-, двух и трехмерных фотонных кристаллов, позволяющий улавливать и направлять световые потоки, может со ставить основу фотонных логических схем и ячеек памяти.

Фотонный волновод изгибает световой луч на го раздо более коротком расстоянии, чем обычное опто волокно. Следовательно, появляется возможность со здания миниатюрных оптических компонентов фотон ного компьютера.

Из фотонных кристаллов можно изготовлять све товоды произвольной формы, модули памяти и логи ческие элементы. Разработанные в последние годы образцы фотонных кристаллов имеют микронные раз меры, что представляет практический интерес для те лекоммуникаций, связи и хранения информации. По видимому, сначала появятся не полностью фотонные компьютеры, а комбинированные устройства, в кото рых информация будет обрабатываться электронными логическими схемами, а храниться и передаваться в фотонных кристаллах.

Биокомпьютеры. Можно ли представить себе ком пьютер размером с молекулу? А ведь существует он со времени зарождения жизни на Земле. В каждую секун ду в человеческом организме делится множество кле ток, причем в головном мозге образуются именно ней роны, а в бицепсах — клетки мышечной ткани. Орга низм непрерывно развивается. И управляет этими процессами молекула ДНК — созданный природой жи вой компьютер. В нем заложена программа, в которой с помощью набора генов реализуется нужный организ му алгоритм, обусловливающий специфику и особен ности развития каждого организма.

Так, если существует живой универсальный меха низм, отсекающий миллиарды неправильных решений и оставляющий одно правильное, то нельзя ли им вос пользоваться для решения абстрактных задач? Понят но, что построенный по такому принципу компьютер вряд ли сможет заниматься какими-либо сложными вычислениями, но вот мгновенно перебрать массу ва риантов, выбрав оптимальный, он сможет. Конечно, сами молекулы ДНК сравнительно малы, а значит, в обычной пробирке — их триллионы, и необходимо за программировать каждую из них своим набором дан ных, чтобы выбрать оптимальное решение. В качестве примера можно привести классическую «задачу ком мивояжера», которая заключается в том, чтобы выбрать между несколькими городами маршрут с наименьшей длиной пути. Число вариантов в зависимости от числа городов растет стремительно — если для двух городов возможно всего лишь два маршрута, для трех — шесть, то для десяти — уже более трех миллионов.

Сейчас, конечно, существуют вычислительные методы, позволяющие определить оптимальные марш руты движения транспорта. Однако подобная задача для крупных авиакомпаний, самолеты которой совер шают полеты в сотни городов мира, довольно сложна даже для современной вычислительной техники.

Сегодня уже доказана теоретическая возможность построения ДНК-компьютеров, проведены и первые успешные эксперименты. Так, в 1999 г. решена «зада ча коммивояжера» для семи городов (несколько сотен вариантов), правда, с относительно большой ошибкой.

Спустя несколько лет удалось создать ДНК-компьютер, способный отвечать только на вопрос «да» или «нет», и доля правильных решений составила 99,8%.

В последнее время открылось еще одно важное направление исследований, связанное с использова нием вычислительных способностей нейронных сис тем. Человеческий мозг, например, содержит десятки миллиардов нейронов, связанных в единую сеть. Для сравнения отметим: число элементов современной кремниевой интегральной схемы с линиями шириной 0,5 мкм эквивалентно лишь нескольким десяткам ней ронов. Таким образом, современная электроника по своим функциональным возможностям отстает от че ловеческого мозга почти на 10 порядков. В этой связи понятно, какие потенциальные возможности предсто ит еще реализовать.

Одна из основных целей биокомпьютерных иссле дований — это создание живых организмов, генетичес ки программируемых для решения прикладных задач.

Первым успехом на этом пути завершился экспери мент, проведенный в Институте Макса Планка в Гер мании. Он доказывает реальную возможность постро ения гибридных нейронно-кремниевых цепей (рис. 8.2).

Нейроны удерживаются на поверхности кремниевой микросхемы полиимидными опорами. Клетки культи вируются до тех пор, пока из них не образуется свя занная нейронная сеть. Под каждой клеткой находит ся транзистор, который может се стимулировать по средством передаваемого сигнала. Этот же сигнал передается по нейронам другим клеткам, которые, в Рис. 8,2. Гибридная нейронно кремниевая цепь Часть IV. ЕСТЕСТВЕННО НАУЧНЫЕ ОСНОВЫ СОВРЕМЕННЫХ ТЕХНОЛОГИЙ, ЭНЕРГЕТИКИ И ЭКОЛОГИИ свою очередь, изменяют состояние находящихся под ними транзисторов. Таким образом, сигнал от одного транзистора к другому передается не напрямую, а по нейронной сети. Для построения такой сети использо вались нервные клетки и нейроны улитки в сочетании с традиционными кремниевыми транзисторами.

Предполагается, что в будущем колонии живых клеток найдут применение для программирования вполне определенных изменений в их среде и отра ботки соответствующих функций и действий. Напри мер, находясь в организме человека, они смогут опре делить наличие яда и автоматически начать выработку противоядия. Клетки организма в комбинации с ком пьютерными микросхемами могут использоваться в качестве внешних сенсоров.

Вне всякого сомнения, рассмотренные идеи созда ния альтернативных компьютеров весьма интересны, и только дальнейшие экспериментальные исследова ния покажут, какие из них найдут реальное практичес кое воплощение.

• 8.4. Мультимедийные системы и виртуальный мир Мультимедиа — это объединение нескольких кана лов передачи информации от машины к человеку: звук, изображение, реже — движение реальных предметов.

Подразумевается и обратная связь — действия челове ка должны напрямую и существенно влиять на ход со бытий в системе. Разработчики современных мультиме дийных систем стремятся к возможно более точному мо делированию реальности, созданию виртуального мира, в котором человек мог бы совершать то, что недоступно ему в реальной жизни, и в котором он занимал бы ве дущее место. Для этого прилагаются всевозможные уси лия. Так, создан специальный шлем, позволяющий улуч шить стереофоническое восприятие звука и изображе ния.

А теперь попытаемся разобраться в диалектике двуединого начала мультимедийной системы. Но преж де вспомним, чем люди занимались долгие тысячеле тия по изгнании их за грехи из рая. Они создавали все _ необходимое для защиты от холода и жары, изобрета 44с ли средства передвижения по земле, в воде и в воздухе Глава 8. Ествстественио-научные аспекты технологий и т. п. В результате вокруг человека формировалась искусственная среда, отделяющая его от реальной природы. Люди стали пренебрегать естественной сре дой обитания, активно вторгаясь в нее и засоряя ее бытовыми и промышленными отходами. Плата за все это — приближение глобальной экологической катас трофы, предотвращение которой требует региональных и глобальных мер экологической защиты.

Создание искусственной мультимедийной среды с ее альтернативной реальностью — виртуальным ми ром — влечет за собой подобные следствия. Основная функция искусственной среды, как изначально предпо лагалось, заключается в повышении эффективности ав томатического управления машинами. Усложнялась конструкция машин, и вместе с тем становились все сложнее устройства управления. В настоящее время создаются устройства управления микроклиматом жи лища, различными видами транспорта и технологичес кими процессами. Программирование их работы тре бует знания не только возможностей технических средств управления, их структуры и специфики, но и свойств рецепторного и рефлекторного аппаратов че ловека, а также психологии восприятия визуальных и акустических образов. Конечно, развитие работ в таком направлении вполне органично вписывается в более общую проблему совершенствования мультимедийных систем — именно в этом их положительное качество.

Стремительный рост информационного потока активизирует защитную реакцию человека, и неосоз нанно начинает появляться желание избавиться от внешнего информационного воздействия. Люди наше го поколения, как никогда ранее, почувствовали уста лость от различного рода политической информации и прежде всего от явных идеологических спекуляций, что обусловливает одну из причин чрезвычайно боль шой популярности современной аудио- и видеотехни ки, позволяющей в определенной степени изолиро ваться от внешнего информационного потока. Не нужно забывать, что многие видео- и аудиосюжеты выбираются из общего идеологического «корыта», за полняемого чаще всего зарубежными «доброжелате лями», преследующими вполне определенные поли тические цели. При этом наиболее удобны мультиме дийные игры.

Сущность их заключается в создании для играю щего искусственного информационного простран ства — от несложных операций укладки кубиков или сбора яиц в лукошко до почти натуральных вылетов на боевых машинах, когда пробуждается присущее каж дому человеку естественное желание обогнать, пора зить, победить и т. п. Монотонные и однообразные движения и ритмы усыпляют человека, позволяют лег ко воздействовать на него, гипнотизировать, парали зовать его волю и подспудно вдалбливать в его созна ние любую (в том числе вредную и опасную!) инфор мацию. Что-то подобное происходит на некоторых кино- и телепредставлениях, дискотеках и концертах с чрезмерно шумной, одурманивающей музыкой.

Отгораживаясь таким образом от реальной жизни людей с ее голодом, холодом, болезнями, войнами, стра Дги-гаями и оказавшись в виртуальном пространстве, где нажатием кнопки можно взорвать инопланетный космический корабль, сжечь город, наслать повальные болезни, насладиться интимом с «любимым человеком», наконец, быть «убитым» самому игроку в этих вирту альных видео-аудиотактических мирах, человек теря ет ощущение реальности жизни. Он начинает пренеб регать реальными информационными потоками, жить своими интересами в выдуманном мире, где ему хоро шо и удобно только одному. Такой человек вряд ли сможет восхищаться ранним восходом солнца с его золотистыми, скользящими по земле лучами. Для него окажутся ненужными ни классическая музыка, ни классические произведения искусства и литературы, на которых воспитывались многие поколения людей с высокими нравственными качествами.

В той или иной мере всем понятна опасность и страшная губительная сила ядерного, химического и бак териологического оружия, поражающего тело, но оста ется пока незамеченным другое оружие также массово го поражения, которое поражает душу человека, делая его одиноким и беззащитным в придуманном им вирту альном мире.

Следует ли ограничивать новые возможности муль тимедийных систем? Конечно, нет. Известно, что нож в руках хирурга —добро, а в руках бандита — зло. Полез но помнить, что мультимедийные системы только при разумном их использовании могут' непременно способ ствовать развитию личности и общества. Наиболее по лезное использование мультимедийных систем будет не игровым и развлекательным, а научным и учебным, способствующим упрощению и облегчению сложного процесса познания окружающего мира.

• 8.5. Микро- и нанозлектронная технологии Общие сведения. Характерная особенность совре менного естествознания — рождение новых, быстро развивающихся наук на базе фундаментальных знаний.

К одной из них относится сформировавшаяся в недрах физики микроэлектроника, перерастающая в последнее время в наноэлектронику. У микроэлектроники и нано электроники один общий корень — электроника. В сов ременном представлении электроника — наука о взаи модействии электронов с электромагнитными полями и о методах создания электронных приборов и устройств (вакуумных, газоразрядных, полупроводниковых), ис пользуемых для передачи, обработки и хранения инфор мации. Возникла она в начале XX в. На ее основе были созданы электровакуумные приборы, в том числе и электронные лампы (диод, триод и т. д.). В 50-х годах XX в.

родилась твердотельная электроника, прежде всего по лупроводниковая, а в следующем десятилетии — мик роэлектроника — наиболее перспективное направление электроники, связанное с созданием приборов и уст ройств в миниатюрном исполнении с использованием групповой (интегральной) технологии.

Основу элементной базы микроэлектроники состав ляют интегральные схемы, выполняющие заданные фун кции блоков и узлов электронной аппаратуры, в которых объединено большое число миниатюрных, связанных между собой элементов. По мере развития микроэлект роники уменьшаются размеры содержащихся в интег ральной схеме элементов, повышается степень интегра ции. В последнее время разрабатываются интегральные схемы, размеры элементов которых определяются нано метрами (10~9 м), т. е. зарождается наноэлектроника.

Разнообразные микроэлектронные приборы и уст ройства находят широкое применение во многих техни ческих средствах. Достижения в микроэлектронике способствовали созданию космических кораблей и уп- 44d равляемых ядерных реакторов. Современная аудио- и видеоаппаратура с достаточно высоким качеством зву чания и изображения — это тоже продукция микроэлек троники. На промышленной микроэлектронике базиру ется автоматизированное производство изделий, узлов, механизмов и машин. Элементная база многочисленных и разнообразных ЭВМ, включающих и персональные компьютеры, также основана на микроэлектронике.

Едва ли можно встретить такого человека, который не был бы прямо или косвенно связан с микроэлект ронной аппаратурой, прежде всего как пользователь.

Вполне очевидно, что от степени внедрения микроэлек тронных средств зависит не только качество произво димой продукции, но и темпы развития той или иной промышленной отрасли и государства в целом.

Развитие твердотельной электроники. История развития твердотельной электроники начиналась с возникших и долгое время необъяснимых физических загадок, так называемых «плохих» проводников. Еще в XIX в. выдающийся физик М. Фарадей столкнулся с первой загадкой — с повышением температуры элек тропроводность исследуемого образца возрастала по экспоненциальному закону, что противоречило извес тному в то время представлению: электрическое сопро тивление многих проводников линейно увеличивается с ростом температуры. Спустя некоторое время фран цузский физик А.С. Беккерель обнаружил, что при освещении «плохого» проводника светом возникает электродвижущая сила — фото-ЭДС. Так появилась вторая загадка. В 1906 г. немецкий физик К.Ф. Браун (1850— 1918) сделал важное открытие: переменный ток, пропущенный через контакт свинца и пирита, не под чиняется закону Ома;

более того, свойства контакта определяются величиной и знаком приложенного на пряжения. Это была третья физическая загадка.

В дальнейшем к плохим «проводникам» были отнесе ны сульфиды и оксиды металлов, кремний, оксид меди и т. п.— вещества, получившие название полупроводников.

Выпрямление электрического тока с помощью полупро водников и их фотопроводимость нашли практическое применение: были созданы соответственно твердотельный выпрямитель электрического тока и фотоэлемент.

В /1/1С 1879 г. а м е р и к а н с к и й ф и з и к Э. Холл (1855— 1938) обнаружил новое явление — возникновение электричес ЧЧU Глава 8. Естестественно-научные аспекты технологий кого поля в тонкой пластине золота с током, помещен ной в магнитное поле,— названное эффектом Холла.

Такой эффект наблюдается и в полупроводниках. Пред полагалось, что направление электрического поля оп ределяют электроны и какие-то неизвестные, положи тельно заряженные частицы. Эффект Холла — четвер тая загадка «плохих» проводников.

Известная к тому времени теория электромагнит ного поля Максвелла не смогла объяснить ни одну из четырех загадок. Пока физики искали отгадки, полупро водники находили применение. Так, контакты из про лупроводниковых материалов и металла использовались в первых приемниках радиоволн. Кристаллические полупроводниковые детекторы позволяли выпрямлять радиочастотные сигналы, по усиливать их не удавалось.

Изучая свойства кристаллического детектора, наш соотечественник, выдающийся радиоинженер О. Лосев (1903— 1942) обнаружил на вольт-амперной характери стике кристалла участок с отрицательным дифферен циальным сопротивлением, на основе чего он создал в 1922 г. генерирующий детектор. Это был первый детек тор, способный генерировать и усиливать электромаг нитные колебания. В нем использовалась контактная пара: металлическое острие — полупроводник (кристалл цинкита). Однако, хотя открытие О. Лосева и вызвало большой интерес, оно не нашло промышленного вне дрения, так как 30 — 40-е годы XX в. были порой расцве та электровакуумных ламп, нашедших широкое приме нение в различных устройствах радиосвязи. Ненадеж ные в то время полупроводниковые приборы не могли конкурировать с ними.

Тем не менее исследование свойств полупровод ников продолжалось. Предпринимались поиски при родных и синтезированных полупроводников. Иссле дования существенно активизировались после созда ния зонной теории полупроводников, в соответствии с которой в твердом теле энергетическое состояние элек тронов характеризуется зонами. В верхней зоне нахо дятся свободные заряды, она названа зоной проводимо сти. Нижняя зона, в которой заряды связаны, получила название валентной зоны. Между ними расположена запрещенная зона. Если ее ширина велика, то в твердом теле электропроводность отсутствует, и оно относится к диэлектрикам. Если же она невелика, то электроны могут возбуждаться различными способами и перехо дить из валентной зоны в более выеокоэнергетичес кую. Например, при нагревании твердого тела проис ходит тепловое возбуждение электронов, повышается их энергия, и они переходят в зону проводимости;

при этом повышается электропроводность твердого тела, и значит, уменьшается его сопротивление. С ростом тем пературы число возбужденных электронов увеличива ется, и как следствие, сопротивление полупроводника падает. Возможен и другой механизм возбуждения элек тронов и перевод их из валентной зоны в зону проводи мости, при котором они становятся свободными под действием света. Таким образом, зонная теория объяс нила две первые загадки: почему сопротивление полу проводников падает при нагревании и при освещении.

Из анализа электропроводности полупроводников следовало, что на освободившихся от электронов мес тах в процессе их перехода в зону проводимости обра зуются вакансии или дырки, эквивалентные носителям положительного заряда, обладающим подвижностью, эффективной массой и способностью давать вклад в электрический ток с направлением, противоположным току электронов. Выяснилось, что существуют полупро водники с электронным типом проводимости (п-тип), для которых эффект Холла отрицателен, и полупровод ники с положительным эффектом Холла, имеющие ды рочный тип проводимости (р-тип). Первые названы донорными, вторые — акцепторными.

В конце 30-х годов XX в. трое ученых-физиков — академик АН Украины А.С. Давыдов (1912— 1993), анг лийский Н. Мотт (1905— 1996) и немецкий В. Шоттки (1886 — 1976) — независимо друг от друга предложили теорию контактных явлений, согласно которой в полу проводниках на границе дырочного и электронного типов полупроводников возникает эффективный элек тронно-дырочный барьер, препятствующий свободно му передвижению электронов и дырок. Через такую границу ток проходит только в одном направлении, а ее электрическое сопротивление зависит от величины и на правления приложенного напряжения. Если электри ческое поле приложено в прямом направлении, высота барьера уменьшается, и наоборот;

при этом неосновные носители тока (дырки в электронном полупроводнике и электроны в дырочном) играют определяющую роль.

В результате многочисленных экспериментов уда лось изготовить полупроводниковый образец, включа ющий границу перехода между двумя типами проводи мости. Так впервые был создан р-л-переход, сыгравший важнейшую роль в развитии полупроводниковой элек троники, и к сороковым годам прошлого века удалось разгадать все четыре загадки «плохих» проводников.

Первым твердотельным прибором для усиления электрического тока, способным работать в устройствах вместо незаменимой в те времена электронной лампы, стал точечный транзистор, в котором два точечных кон такта расположены в непосредственной близости друг от друга на верхней поверхности небольшой пластинки кремния л-типа. В конце 1947 г. был испытан первый транзистор. Он позволял усиливать сигнал вплоть до верхней границы звуковых частот более чем в сто раз.

В 1956 г. за разработку транзисторов американские физики Д. Бардин (1908- 1991), У. Браттейн (1902- 1987) и У. Шокли (1910— 1989) получили Нобелевскую премию.

Истоки современной микроэлектроиной технологии.

Совершенствование различных полупроводниковых при боров способствовало развитию микроэлектронных тех нологий, позволивших создать не только превосходные по качеству и надежности транзисторы, но и интегральные схемы, а затем большие и сверхбольшие интегральные схемы, на базе которых производится разнообразная элек тронная техника, включая современную аудио- и видео аппаратуру, быстродействующие ЭВМ и т. п.

Первое промышленное производство полупроводни ковых приборов освоено в середине 50-х годов XX в.

после разработки технологии зонной очистки для равно мерного распределения примесей в кристаллах. В 1955 г.

созданы транзисторы со сплавными и р-п-переходами, а затем — дрейфовые и сплавные с диффузией.

Самая первая модификация транзистора — бипо лярный транзистор. Он имел форму цилиндра с тремя выводами, соответственно, от эмиттера (т. е. части тран зистора, из которой поступает ток), коллектора (пункта назначения электронов) и от регулирующей части — базы. Будучи своеобразной «заслонкой», база либо спо собствовала, либо препятствовала потоку электронов, 29 С. X. Карпенков — КСЕ Ч а с т ь IV. ЕСТЕСТВЕННО НАУЧНЫЕ ОСНОВЫ СОВРЕМЕННЫХ ТЕХНОЛОГИЙ, ЭНЕРГЕТИКИ I! ЭКОЛОГИИ В 1957 г. американский инженер Г. Кремер изобрел и запатентовал гстероструктурный транзистор, состоя щий из нескольких слоев полупроводникового матери ала— соединения галлия с различными присадками.

Такой транзистор отличался от биполярного гораздо более высоким быстродействием. Позднее тот же автор предложил идею гетероструктурного лазера. Одновре менно и независимо от Г. Кремера подобную идею запа тентовали российские ученые Ж. Алферов и Р. Казари нов из Физико-технического института им. А.Ф. Иоффе.

В 1970 г. в этом же институте был создан гетерострук турный лазер, способный (в отличие от его аналогов) непрерывно работать при комнатной температуре.

В 1958 г. американский инженер Д. Килби пред ложил конструкцию микросхемы, в которой весь на бор электронных элементов из слоев различных ма териалов располагался на одной пластине из герма ния. Эта конструкция оказалась основополагающей для изготовления интегральных схем с многослой ной структурой, включающей множество транзис торов и других элементов на одной пластине, изго тавливаемых с применением тонкопленочной груп повой технологии. Интегральные схемы составляют техническую базу информационных технологий. За их разработку ученые Ж. Алферов, Г. Кремер и Д. Килби удостоены Нобелевской премии по физи ке 2000 г.

По мере освоения тонкопленочной технологии осаждались тонкие пленки не только полупровод никовых, но и других материалов: диэлектриков, магнетиков и т. д. Особенно широко развернулась тонкопленочная индустрия тонких ферромагнитных пленок, позволившая создать многие высокочув ствительные преобразователи и приборы. В нашей стране напыление тонких магнитных пленок и их эк спериментальное исследование впервые производи лись в начале 60-х годов XX в. на физическом факуль тете МГУ им. М.В. Ломоносова в лаборатории изве стного магнитолога Р.В. Телеснина (1905— 1985). Эти первые работы послужили активным началом для многих перспективных направлений исследования физических свойств тонкопленочных ферромагнит ных материалов.

При создании современной электронной аппара туры различного назначения — от аудио- и видеоап паратуры до сложнейших компьютерных, космичес ких и других систем — возникают непростые задачи измерений и контроля. Для их решения российские ученые С.Х. Карпенков и Н.И. Яковлев предложили магниторезистивные методы измерений, на основании которых созданы принципиально новые высокочувстви тельные преобразователи и приборы, позволяющие из мерять магнитные параметры образцов толщиной до 0,01 мкм и массой менее 0,01 мг, контролировать биото ки в живых тканях и регистрировать сверхбольшие токи — до 300 000 А. За эту работу С.Х. Карпенков и Н.И. Яковлев удостоены Государственной премии Рос сийской федерации в области науки и техники 1998 г.

Дальнейшая модернизация различных микроэлек тронных средств связана с освоением и внедрением нанотехнологий.

Развитие нанотехнологий. В результате совершен ствования тонкопленочной технологии в течение пос ледних десятилетий удавалось размещать все большее число элементов на меньшей площади кристалла-под ложки интегральной схемы, т. е. постоянно повышать степень интеграции. Еще в I960 г., вскоре после изоб ретения микросхемы, американский инженер Гордон Мур предсказал темп роста числа компонентов интег ральной схемы, сформулировав закономерность: чис ло элементов интегральной схемы будет удваивать ся каждые 1,5 года. Специалисты часто называют эту закономерность законом Мура. В течение последних сорока лет прогнозы Мура оправдывались. Например, в 1970 г. число компонентов в микросхеме модуля па 3 мяти составляло 10, а в 2000 г.— 10. Действительно, темпы роста степени интеграции впечатляют.

Известны три пути повышения степени интег рации. Первый из них связан с уменьшением то пологического размера и соответственно повыше нием плотности упаковки элементов на кристалле.

Совершенствование технологических процессов, особенно литографии, позволяло ежегодно умень шать размер элемента примерно на 11%. В настоя щее время достигнут топологический размер 0,3 — 0,5 мкм, а в ряде экспериментальных работ исполь 29* зуется топографический рисунок с еще меньшими размерами элементов. Дальнейшее уменьшение то пологических размеров требует разработки новых технологических приемов. Увеличение площади без дефектного кристалла — второй путь повышения сте пени интеграции. Однако получение таких кристал лов больших размеров — весьма сложная технологи ческая задача: наличие дефектов резко снижает процент выхода годных и увеличивает стоимость ин тегральной схемы. Третий путь заключается в опти мальной компоновке элементов.

Тенденция к усложнению интегральных схем — от больших (БИС) в 70-х годах до ультрабольших (УБИС) в 90-х годах XX в. и гигантских (ГИС) после 2000 г.— выражается прежде всего в увеличении числа транзисторов на кристалле.

При разработке транзисторов открывались новые направления в полупроводниковой электронике. Одно из них связано с разработкой полевого транзистора, выполняющего функцию резистора, управляемого на пряжением. Типичный полевой транзистор имеет структуру металл-оксид-полупроводник и носит назва ние МОП-транзистор. Предполагается, что модифи цированная технология МОП-транзисторных схем будет применяться для создания гигантских интег ральных схем.

Переход к сравнительно малым размерам элемен тов требует принципиально нового подхода. С уменьше нием размеров элементов приходится отказаться от традиционных технологических операций. Так как дли на волны света препятствует миниатюризации, фотоли тография заменяется электронной, ионной и рентгено вской литографией. На смену диффузионных процес сов приходят ионная и электронно-стимулированная имплантация. Термическое испарение и отжиг матери ала вытесняются ионно-лучевой, ионно-плазменной, электронно-лучевой обработкой. Появилась возмож ность локального воздействия на поверхность полупро водникового кристалла.

До недавнего времени технология основывалась на удалении лишнего материала из заготовки подобно тому, как скульптор удаляет куски мрамора, создавая задуман 452 ный образ. На смену ей постепенно приходит молеку лярно-инженерная технология, позволяющая создавать электронные схемы из отдельных атомов по аналогии с тем, как дом складывают из кирпичиков. Уже сейчас такая технология применяется в производстве прибо ров на молекулярных пленках, в молекулярно-лучевой эпитаксии, ионно-зондовой, электронно-стимулиро ванной управляемой имплантации и т. п. Использо вание лучевых методов (электронно-лучевого, иоино лучевого, рентгеновского) позволяет получать эле менты с размерами до 10 — 25 нм. Переход в нанометровый диапазон требует решения фундамен тальных вопросов, связанных с новыми физически ми принципами работы приборов и ограничениями, свойственными пленарным процессам. В результате взаимодействия ускоренных пучков ионов с веще ством можно направленно изменять их физико-хи мические свойства, что позволяет получать тонкопле ночные элементы с заданными локальными характе ристиками. Сфокусированные ионные потоки — это уникальный инструмент для прецизионной обработ ки различных материалов.

Технологический процесс создания современно го нанотранзистора весьма сложен: он начинается с операции осаждения тонкопленочных слоев кремния на изоляторе (КНИ), кремния и диоксида кремния (рис. 8.3, а) и заканчивается формированием много слойной структуры (рис. 8.3, е).

В настоящее время в качестве основного матери ала полупроводниковых приборов используется кремний. С развитием нанотехнологии будут приме няться и другие материалы: арсенид галлия, фосфид индия, кадмий-ртуть-теллур и т. п. Изменится и ар хитектура полупроводниковых приборов. Все процес сы, определяющие работу интегральной схемы, про исходят, в основном, в тонкой приповерхностной области толщиной до одного атомного слоя, образую щего одномерную архитектуру. Минимальными час тицами, способными управлять электроном, являют ся атомы. Уже предложены элементы памяти на от дельных атомах, на которых можно создать суперкомпьютер площадью 200 мкм, содержащий 7 10 логических элементов, 10 элементов памяти и способный работать на частоте 1012 Гц.

Рис. 8.3. Формирование нанотранзистора • 8.6. Лазерные технологии Особенности лазерного излучения и разновиднос ти лазеров. Лазер — это слово появилось в середине прошлого столетия. Сначала оно было известно только узкому кругу специалистов-физиков. Популярность его постепенно росла. А в последнее время очень многие не просто слышали о лазере, но и знают о его больших реализованных и потенциальных возможностях. В то же время чаще всего у неспециалистов лазер вряд ли вы зывает положительные эмоции. Лазер? Ничего интерес ного: трубка в корпусе, иногда даже непривлекатель ном, из которой выходит тоненький луч — зеленый, синий, чаще красный. Есть ли о чем здесь говорить?

Оказывается, есть. И специалистам, и всем, кто далек от понимания физических явлений, связанных с лазе ром. Для специалистов, в первую очередь физиков, ла зер дал жизнь весьма перспективному научному направ лению — нелинейной оптике, охватывающей исследо вания распространения мощных световых пучков в твердых телах, жидкостях и газах и их взаимодействия с веществом. Лазеры породили новые технологии с уникальными возможностями. Для многих лазер — ис точник необыкновенного света, который может выле чить надвигающуюся слепоту и на лету поразить дви жущуюся цель, мгновенно просверлить отверстие в самой твердой детали, сделанной, например, из алмаза и т. д.

В чем же необыкновенные свойства лазерного излучения, лазерного луча? Во-первых, лазерный луч распространяется, почти не расширяясь. Напомним:

для того, чтобы луч прожектора не расходился, исполь зуют большое вогнутое зеркало и систему линз, соби рающих свет от источника в пучок. Это помогает, но мало: уже на расстоянии около километра от прожек тора луч становится раза в два шире. Лазеру же соби рающие зеркала и линзы чаще всего не нужны. Он и без них сам по себе излучает почти параллельный пучок света. Слово «почти» означает, что пучок лазер ного света не совсем параллельный: существует угол расхождения, но он сравнительно мал — около 10~5 рад, и тем не менее на больших расстояниях он ощутим: на Луне такой пучок, направленный с Земли, дает пятно диаметром примерно 3 км.

Во-вторых, свет лазера обладает исключительной монохроматичностью, т. е. он имеет только одну длину волны, один цвет. В отличие от обычных источников света, атомы которых излучают свет независимо друг от друга, в лазерах атомы излучают свет согласованно.

Преломляясь в призме, луч белого света превращает- _С| ся в яркую радугу-спектр, а одноцветный, монохрома- 4ии тичный свет проходит через нее не разлагаясь. Линза тоже преломляет лучи, собирая их в фокусе. Но белый свет она фокусирует в радужное пятнышко, а лазер ный луч — в крошечную точку, диаметр которой может составлять сотые и даже тысячные доли миллиметра.

Благодаря такому свойству лазерного луча стала воз можной оптическая запись информации с высокой плотностью — крохотные оптические диски вмещают громадное количество информации — сотни мегабайт.

В-третьих, лазер — самый мощный источник света.

В узком интервале спектра кратковременно (10~пс) достигается мощность излучения 1012— 1013 Вт с одно го квадратного сантиметра, в то время как мощность излучения Солнца с той же плодцади равна только 7 • НРВт, причем суммарно по всему спектру.

Названные удивительные свойства лазерного из лучения придали свету новое лицо. Еще на заре разви тия лазерной техники французский физик Луи де Бройль сказал: «Лазеру уготовано большое будущее.

Трудно предугадать, где и как он будет применяться, но я думаю, что лазер — это целая техническая эпоха».

В 1960 г. Т. Мейман (США) создал первый лазер — рубиновый, работающий в импульсном режиме. В нем не вся энергия света лампы накачки преобразуется в лазерную вспышку. Большая ее часть уходит на беспо лезный и даже просто вредный нагрев стержня и зер кального кожуха. Мощные импульсные лазеры охлаж даются потоком воздуха, воды, а иногда и жидким азо том. Частота генерации импульсных лазеров может достигать более 10 млн вспышек в секунду. Излучение таких лазеров воспринимается как непрерывное.

Вспышка импульсного лазера имеет огромную мощ ность — тысячи ватт. Излучение, сфокусированное в крошечное пятно, можно применять для многих целей,, о некоторых из них рассказано ниже. Но все-таки это короткий световой импульс. Конечно, им можно пробить отверстие, сварить две металлические проволоки и сде лать много других полезных дел. Но для многих задач гораздо удобнее было бы иметь непрерывное лазерное излучение, скажем, для сварки или резки. Существует и такое излучение, его обеспечивают газовые лазеры.

-_ Газовый лазер был создан почти одновременно с руби Л дии новым, в том же 1960 г. Он работал на смеси гелия и неона. Современные газовые лазеры работают на мно гих газах и парах. Все они дают непрерывное излуче ние в очень широком диапазоне длин волн: от ультра фиолетового до инфракрасного света.

Но на этих достижениях ученые не остановились.

Был создан газодинамический лазер, похожий на реак тивный двигатель, В его камере сгорания сжигается оксид углерода (угарный газ) с добавкой топлива (ке росина, бензина, спирта). Получившаяся при этом смесь газов состоит из диоксида углерода, азота и па ров воды. Проносясь между зеркалами, молекулы газа излучают энергию в виде световых квантов, рождая ла зерный луч мощностью 150 — 200 кВт. И это мощность не отдельной вспышки, а постоянного, устойчивого луча, сияющего, пока у лазера не кончится горючее.

Не. только газовые, но и полупроводниковые лазе ры дают непрерывное излучение. Полупроводниковый лазер создал в 1962 г. американский ученый Р. Холл.

На нем основана оптическая запись, о которой знают многие пользователи персональных компьютеров, дер жавшие в руках лазерный диск, привлекательный не только своим внешним видом, но и своей информаци онной емкостью: на диске диаметром 12 см можно записать сотни тысяч страниц текста.

Среди полупроводниковых лазеров лучшим по праву считается лазер на основе арсенида галлия — соединения редкого элемента галлия с мышьяком. Его излучение не отличается большой мощностью. В нас тоящее время ведутся работы по созданию полупро водникового лазера, способного генерировать непре рывное излучение большой мощности.

Лазеры могут функционировать как на твердых телах, так и на газах. А можно ли построить лазер на жидкости? Оказалось, можно. Жидкости объединяют в себе достоинства и твердых и газообразных веществ:

плотность их всего в несколько раз ниже плотности твердых тел (а не в сотни тысяч раз, как плотность газов). Значит, жидкостный лазер легко сделать таким же мощным, как лазер твердотельный. Оптическая од нородность жидкостей не уступает однородности га зов, а значит, позволяет использовать большие ее объе мы. К тому же жидкость можно прокачивать через ра- Часть IV. ЕСТЕСТВЕННОНАУЧНЫЕ ОСНОВЫ СОВРЕМЕННЫХ ТЕХНОЛОГИЙ, ЭНЕРГЕТИКИ И ЭКОЛОГИИ бочий объем, непрерывно поддерживая ее низкую тем пературу и высокую активность ее атомов.

Наиболее широкое распространение получили ла зеры на красителях. Называются они так потому, что их рабочей жидкостью являются растворы анилиновых красителей в воде, спирте, кислоте и других раствори телях. Жидкостные лазеры могут излучать импульсы света различной длины волны (от ультрафиолетового до инфракрасного света) и мощностью от сотен кило ватт до нескольких мегаватт в зависимости от вида красителя.

Разрабатываются химические лазеры, в которых атомы переходят в возбужденное состояние при дей ствии энергии накачки химических реакций. Большое внимание уделяется разработке мощных химических лазеров, преобразующих энергию химической реакции в когерентное излучение, и атомному лазеру, излуча ющему не свет, а пучок атомов.

Волоконно-оптическая связь. При использовании лазерного луча возникла проблема его передачи. Роди лась интересная идея: а если луч пустить по гибкой трубке с зеркальными стенками? Ее можно изогнуть как угодно, а луч света будет отражаться от стенок и идти вперед. Его можно пустить и по сплошному стек лянному стержню — толщиной в несколько тысячных миллиметра стеклянному волокну. Стеклянные волок на можно собирать в жгуты разной толщины, как мед ные проволоки в кабеле. Тонкие стеклянные нити до вольно гибки: волоконный световод можно изгибать, за вязывать узлом и вообще обращаться с ним, как с обычным электрическим проводом.

В настоящее время успешно развивается волокон ная оптика — раздел оптики, изучающий процессы прохождения света и изображения по световодам и волноводам оптического диапазона. Передавать по ним можно не только отдельные лучи, но и целые картины.

Гибкие волоконные световоды позволяют тщательно осматривать внутренние детали машин и механизмов, не разбирая их. По одному и тому же световоду можно направить излучение второго лазера (с другой длиной волны), третьего, четвертого. Каждый из них может _ c n нести свой сигнал. По одному волокну — стеклянной 4иО нити чуть толще волоса — можно одновременно пере давать 32 000 телефонных разговоров или 60 цветных телевизионных программ! Сейчас уже созданы свето воды, способные работать в тех же условиях, что и обычные провода. Они выдерживают большие колеба ния температуры, обледенение, порывы ветра. Их мож но прокладывать в земле и натягивать на столбах.

Огромная пропускная способность световодов позво ляет создать сеть кабельного телевидения, работающе го без помех и искажений.

И вот что интересно: природа умудрилась создать даже такое сложное устройство, как волоконный све товод, да еще настроенный на определенную длину волны. Хозяин этого устройства— белый медведь.

Американским ученым удалось установить, что каждая шерстинка его шкуры работает как оптическое волок но. Солнечный свет нагревает шерсть, а тепловые лучи идут по шерстинкам к коже, согревая зверя.

Волоконно-оптические кабели настолько удачно сочетаются с лазерным лучом, что их сразу же решили приспособить к передаче мощных пучков света, вроде тех, что используются в промышленности. Это было нелегко, но в конце концов был создан световод, по которому можно «перекачивать» энергию от мощного импульсного или непрерывного лазера.

Развитие лазерных технологий. Лазерные техноло гии по многообразию применений едва ли уступают микроэлектронной технологии охватившей в той или иной степени все основные сферы человеческой дея тельности. Уникальная способность лазеров концентри ровать световую энергию в пространстве, во времени и в спектральном интервале может быть использована двояко: во-первых, при нерезонансном взаимодействии мощных световых потоков с веществом в непрерывном и импульсном режимах, а во-вторых, при селективном воздействии на атомы, ионы и молекулы, вызывающем процессы фотодиссоциации, фотоионизации, фотохими ческой реакции. В этой связи возникли весьма перспек тивные, быстро развивающиеся, многоликие лазерные технологии, такие, как лазерная обработка материалов, лазерный термоядерный синтез, лазерная химия, лазер ное воздействие на живую ткань, лазерная спектроско пия, лазерная связь и многие другие. Лазерный луч режет, сваривает, закаливает, сверлит, проверяет каче Часть IV. ЕСТЕСТВЕННОНАУЧНЫЕ ОСНОВЫ СОВРЕМЕННЫХ ТЕХНОЛОГИЙ, ЭНЕРГЕТИКИ И ЭКОЛОГИИ ство обработки деталей и производит множество других не менее важных операций. Обо всем этом рассказать невозможно, но кое о чем попытаемся.

Газовый лазер мощностью до 5 кВт, дающий инф ракрасный луч, позволяет сваривать отдельные детали толщиной до 2 см. Шов при этом получается раза в четыре тоньше, чем при обычной электросварке, а электроэнергии тратится в три раза меньше! Лазер позволяет легко автоматизировать сварку, сваривать металлы, которые обычным способом соединить нельзя.

Лучом лазера можно резать листовую сталь толщиной до 40 мм. Причем не просто резать, но и вырезать из стального листа детали самой причудливой формы. Для этого лазер делается подвижным. Его движением уп равляет компьютер. При этом экономится до 15% ма териала.

Лазерный луч может не только разрушать, но и упрочнять детали, закаливая их поверхности. Стальная деталь при этом одевается закаленной «скорлупой», твердой и устойчивой к трению, хотя и довольно хруп кой. Если такой будет вся деталь, то от удара она может расколоться, как стеклянная. Но в том-то и дело, что ее сердцевина остается упругой и вязкой: лазерная вспышка не успевает ее прогреть. Деталь, обработан ная лазером, устойчива и к ударам, и к трению, как знаменитый булат — гордость русских оружейников.

Лазер помогает сажать самолеты. Идеально пря мые, яркие лучи разноцветных лазеров образуют в воздушном пространстве аэродрома разметку, по ко торой самолет может точно выйти на посадку.

Лазер способен не только облегчить труд здоро вых людей, он может и лечить больных. Лазер — хи рург и терапевт. Хирурги давно мечтали об инстру менте, которым можно делать бескровные разрезы.

Хорошо бы также, чтобы он был «понежнее». Ведь сегодня хирурги производят операции на сетчатке глаза и вторгаются в святая святых организма — чело веческий мозг. Орудовать там скальпелем — все рав но что чинить часы топором. Современная техника предложила инструмент, сочетающий в себе очень многое, что необходимо хирургу,— световой луч.

том о ж с т /10П ^ быть нежнее прикосновения луча све luU та? Лазерным лучом можно сделать разрез шириной в тысячную долю миллиметра. В зависимости от энергии, которую он несет, и времени воздействия он может «заварить» кровеносный сосуд (медики говорят «коа гулировать» его) или, наоборот, пробить в нем отвер стие. Даже цвет луча оказался важен в хирургии. Кровь красная потому, что пропускает красные лучи, погло щая лучи всех других цветов. Поэтому рубиновый или гелий-неоновый лазер для «заваривания» сосудов не годится. А если использовать зеленый или синий лучи света, которые хорошо поглощаются кровью, можно добиться мгновенного образования сгустка крови, за купоривающего перерезанный сосуд. Такой свет дает аргоновый лазер. Бывают случаи, когда нужно разру шить поврежденную ткань, не затрагивая близлежа щих сосудов. Тогда применяют гелий-неоновый или криптоновый лазер;

луч красного цвета пройдет сквозь кровеносные сосуды, «не заметив их», не принося им вреда, прямо в нужное место с поврежденной тканью.

Особенно удобен оказался лазер в офтальмоло гии — области медицины, ведающей зрением. Лазер ный луч можно ввести в глаз прямо через зрачок. С его помощью можно отрезать ненужный сосуд, заварить тот, который протекает, и ликвидировать кровоизлия ние. Сегодня, после многолетней практики лечения с помощью лазерного луча, можно твердо сказать, что лазерная хирургия глаза — на правильном пути.

Лазерные лучи широко используются для оформ ления эстрадных концертов и театральных постановок (ил. 8.1).

Голография и распознание образов. Однажды в музей небольшого города привезли коллекцию старин ных драгоценностей. В витринах, освещенных яркими лампами, стояли маленькие застекленные шкатулки, а в них драгоценными камнями и эмалями сверкали старинные ордена и броши, тускло отсвечивали золо тые кольца и браслеты работы древних мастеров, зо лотые самородки причудливой формы. Маленькая ком ната скромного провинциального музея превратилась в сказочную пещеру, заваленную несметными сокро вищами. Выставка была подготовлена Алмазным фон дом. Посетители рассматривали драгоценности, восхи щались мастерством ювелиров, дивились величине камней и их игре. Но вот настал вечер, посетители разошлись, и музей закрылся. Тогда заволновались сотрудники, дежурившие в зале: рабочий день закон чился, почему же никто не приходит убирать драгоцен ности в сейф?! Стоимость не поддается оценке, а на окнах нет даже решеток, мало ли что! И тут в зал во шел электрик и повернул выключатель... Погасли лам пы, и сразу пропали сияющие бриллианты, драгоцен ные эмали и золото. В витринах лежали листы стекла, мутного и как будто грязноватого. На выставке были не настоящие драгоценности, а фотопластинки с их изображениями! Но изображения эти не обычные, как на фотографиях, а объемные. Их можно рассмотреть с разных сторон и простым глазом, и в лупу. Их можно фотографировать. Вот только потрогать и унести их с собой нельзя. Способ записи такого объемного изобра жения носит название голография, а сами изображе ния и пластинки с их записью называются голограм мами. В переводе с греческого «голография» означает «полная запись»: изображение на пластинку дает ил люзию настоящего предмета.

Если для получения голограммы взять параллель ный пучок света, а для ее восстановления — расходя щийся, то полученное изображение будет увеличен ным. И тем сильнее, чем больше расходится луч. Осве тив голограмму светом не той же длины волны, а в 2, 3, 7 раз более длинной, мы опять-таки получим изобра жение, увеличенное во столько раз, во сколько одна световая волна длиннее другой! Таким способом мож но построить голографический микроскоп, к тому же дающий объемное изображение.

Получать изображение можно, разумеется, не толь ко с объемных предметов, но и с плоских — букв, цифр, рисунков, фотографий. Это не означает, правда, что обычная плоская фотография после голографирования приобретет объемность. Нет, это делается для того, чтобы можно было автоматизировать и другой, тоже важный процесс — распознавание образов. Распознать нужный образ среди других, значит сравнить все их с эталоном, выбрать один единственный, идентичный ему. Задача эта порой бывает очень сложна, требует опытного глаза и длительного навыка. Проверьте, на пример, сколько времени у вас уйдет, чтобы в толпе фигурок на рисунке опознать две одинаковые. Призна ков, по которым они сравниваются, всего пять-шесть.

А если их будет тридцать-сорок? Задача становится неизмеримо сложнее, и кажется, что она не может быть решена при помощи машины. Но оказалось, что и в этом нелегком деле может помочь лазер.

Поставим на пути лазерного луча проверяемый кадр с запечатленными на нем образами (например, микрофотографию с изображением двух —трех сотен микробов), затем голограмму эталона, потом — экран.

Будем менять диапозитивы: первый, второй, третий — экран остается темным. Но вдруг на нем справа сверху появилось яркое пятно. Это означает, что в правом верхнем углу кадра находится искомый образ! Если он в кадре не один, то и точек на экране будет несколько.

Проверяемый кадр может быть не только диапозити вом. Поиск образов можно вести и на рисунке, и на экране телевизора, в поле зрения микроскопа и даже просто в пространстве, освещенном лазерным светом.

Вместо экрана ставится светочувствительный датчик, который срабатывает при появлении светового пятна и отмечает найденное изображение. На поиск при по мощи голографии затрачивают в десятки тысяч раз меньше времени, чем при поиске вручную. Таким спо собом можно вести поиск любых образов при любом их числе, и даже не по целому образу, а по его фрагменту, небольшому кусочку. Такое изображение, восстановлен ное по фрагменту, называется фантомным (от француз ского слова, означающего «привидение», «призрак»).

Лазер — это не только объемная фотография и библиотека в кармане, не только новые сверхточные методы измерения и новая технология. Лазер спосо бен давать многое, что стало уже привычным. От него можно ожидать и много сюрпризов, которые в руках пытливых естествоиспытателей превратятся в новые полезные дела.

• 8.7. Ракетно-космические технологии Закон всемирного тяготения, фундаментальные за коны классической механики, синтез новых материалов и многие другие естественно-научные достижения ле жат в основе ракетно-космических технологий, охва тывающих комплекс проблем, связанных с разработкой ракетной техники, осуществлением космических поле тов, проведением различных экспериментов в космосе, созданием космических информационных систем, аст рономическими исследованиями в космосе и т. п.

Начиная с прошлого столетия разработке ракетно космических технологий уделяется большое внимание.

Такие технологии касаются многих сфер деятельности человека, затрагивают интересы многих людей и в последнее время переходят на стадию международно го сотрудничества.

История развития ракетно-космических техноло гий начинается с известных с глубокой древности ле генд о полетах человека на небо, Луну и Солнце, кото рые слагались в Индии, Китае, Мексике, Египте и других странах. В IV в. до н. э. в Древней Греции Архи тас Тирентский предложил идею создания деревянно го «голубя», приводимого в движение истекающей из него паровой реактивной струей. Позднее — в I в. н. э.— там же Герон Александрийский в своем труде «Пнев матика» описал реактивный паровой двигатель. В со чинении Лукиана Самосатского «Истинная история» (I в. н. э., Греция) предложена весьма необычная идея полета на Луну, Солнце и звезды морского корабля с экипажем, унесенного на небо бурей. А в другом его произведении «Икароменипп» изложена гипотеза о полете человека на Луну с помощью крыльев.

В средние века в Китае создана первая пороховая ракета. В 1379 г, итальянец Муратори сделал описание ракеты и впервые ввел в употребление итальянское сло во «ракета». В фундаментальном труде известного уче ного Даниила Бернулли (1700— 1782) «Гидродинамика», написанном в 1738 г. в Петербурге, содержится теория реактивного движения для судов. Французский писатель Жюль Берн (1828—1905) в своем научно-фантастичес ком романе «С Земли на Луну» (1865) с большим художе ственным мастерством описывает полет в пушечном ядре.

В конце XIX в. фантастические идеи постепенно переходят в разряд проектов и теорий. Так, в 1867 г.

наш соотечественник изобретатель Н.А. Телешов (1826 — 1895) получил патент на реактивный самолет, а через четыре года русский инженер Н.И. Кибальчич (1853 — 1881) создал проект пилотируемого порохового ракетного летательного аппарата. В развитии ракетно космической техники важную роль сыграли фундамен тальные труды российских ученых Н.Е. Жуковского (1847- 1921), К.Э. Циолковского (1857- 1935) и И.В. Ме щерского (1859-1935).

В первой половине XX в. разработаны ракеты раз ных модификаций и произведен их запуск. Существен ный вклад в разработку ракетно-космической техники внесли российские ученые СП. Королев (1906/07 — 1974), В.П. Глушко (1908- 1989), Н.А. Пилюгин (1908 — 1982), Б.В. Раушенбах (1915-2001), В.Ф. Уткин (1923 2000) и другие, а также немецкий ученый В. фон Браун (1912—1977), под чьим руководством разработаны в США ракеты-носители серии «Сатурн».

Началом космической эры принято считать 4 ок тября 1957 г., когда в СССР был выведен на орбиту пер вый в мире искусственный спутник Земли. Через не сколько лет, а именно 12 апреля 1961 г., наш соотече ственник космонавт Ю.А. Гагарин (1934—1968) впервые в истории человечества совершил полет в космос на космическом корабле «Восток». Спустя при мерно восемь лет произошло еще одно важное собы тие: американский пилотируемый корабль «Аполлон — 11» осуществил первую посадку на Луну, и 20 июля 1969 г. космонавт Н. Армстронг (р. 1930) впервые сту пил на Луну. Вместе с космонавтом Э. Олдрином (р. 1930) он пробыл на Луне 21 ч. 36 мин.

Одно из направлений развития ракетно-космичес ких технологий заключается в создании многоразово го космического корабля без ускоряющих двигателей, потребляющих много топлива. Поднимаясь па высоту более 100 км, такой космический корабль-самолет бу дет доставлять космонавтов и полезный груз на орби тальную станцию, и, возможно, будет использоваться для перевозки пассажиров на большие расстояния, со кратив в несколько раз время полета. Запуск совре менных космических аппаратов осуществляется с по мощью мощных ракет-носителей, сжигающих огром ное количество топлива при высоких давлении и температуре. При этом нарушается тепловой баланс окружающей среды и образуются оксиды азота, вно сящие вклад в кислотные осадки.

Космические исследования требуют чрезвычайно больших материальных и финансовых затрат. Они от- 4ии 30 С. X. Карпенков — КСЕ влекают значительную часть высококвалифицирован ных научно-технических работников от решения дру гих более важных задач. Все это дает основания по разному оценивать целесообразность космических ис следований. Известный немецкий физик Макс Борн (1882— 1970), лауреат Нобелевской премии, еще в се редине прошлого столетия высказал мнение: «Косми ческие путешествия представляют собой триумф ин теллекта, но и одновременно и трагическую ошибку здравого смысла». Подобного мнения придерживают ся и другие известные ученые, и особенно те, кто не получает в полной мере заработанные деньги из бюд жета, ведь космические исследования финансируются тоже из бюджетных средств. Такая точка зрения отра жает общественное мнение, и с ним следует считаться при планировании космических исследований и ори ентировать их для решения прикладных задач, прино сящих пользу человечеству.

На сегодня в космосе побывало около 400 космо навтов, на орбиту выведено множество искусственных спутников Земли, автоматических межпланетных стан ций для исследования Луны, Марса, Венеры и Солнца.

В последнее время создана международная косми ческая станция, на борту которой продолжают рабо тать космонавты США, России и других стран. Это означает, что решение космических проблем выходит за рамки одного государства.

С помощью космических информационных систем решаются весьма важные задачи межрегиональной и международной связи, спутниковой метеорологии, кос мического землеведения, разведки полезных ископае мых, спутниковой навигации, технологии производства материалов в космосе и др.

8.8. Современные биотехнологии Биотехнологии — совокупность методов и опе раций,основаных на использовании живых организ мов и биологических процессов в промышленном про изводстве. На их базе освоено массовое производство искусственных белков, питательных и многих других веществ. Успешно развивается микробиологический синтез ферментов, витаминов, аминокислот, антибио тиков и т. п. С применением генных технологий и ес тественных биоорганических материалов синтезируют ся биологически активные вещества — гормональные препараты и соединения, стимулирующие иммунитет.

Для увеличения производства продуктов питания нужны искусственные вещества, содержащие белки, необходимые для жизнедеятельности живых организ мов. Благодаря важнейшим достижениям биотехно логии в настоящее время производится множество искусственных питательных веществ, по многим свойствам превосходящих продукты естественного происхождения.

Современная биотехнология позволяет превратить отходы древесины, соломы и другое растительное сырье в ценные питательные белки. Она включает процесс гидролизации промежуточного продукта — целлюлозы — и нейтрализацию образующейся глюко зы с введением солей. Полученный раствор глюкозы представляет собой питательный субстрат микроорга низмов — дрожжевых грибков. В результате их жизне деятельности образуется светло-коричневый поро шок — высококачественный пищевой продукт, содер жащий около 50% белка-сырца и различные витамины.

Питательной средой для дрожжевых грибков могут служить и такие содержащие сахар растворы, как паточная барда и сульфитный щелок, образующийся при производстве целлюлозы.

Некоторые виды грибков превращают нефть, ма зут и природный газ в пищевую биомассу, богатую бел ками. Так, из 100 т неочищенного мазута можно полу чить 10 т дрожжевой биомассы, содержащей 5 т чисто го белка и 90 т дизельного топлива. Столько же дрожжей производится из 50 т сухой древесины или 30 тыс. м природного газа. Для производства данного количества белка потребовалось бы стадо коров из 10 000 голов, а для их содержания нужны огромные площади пахот ных земель. Промышленное производство белков пол ностью автоматизировано, и дрожжевые культуры ра стут в тысячи раз быстрее, чем крупный рогатый скот.

Одна тонна пищевых дрожжей позволяет получить около 800 кг свинины, 1,5 — 2,5 т птицы или 15 — 30 тыс. _„ яиц и сэкономить при этом до 5 т зерна. ти/ 30' Некоторые виды биотехнологий включают процес сы брожения. Спиртовое брожение было известно еще в каменном веке — в древнем Вавилоне варили около 20 сортов нива. Много столетий назад началось массо вое производство алкогольных напитков. Еще одно важное достижение в микробиологии — разработка в 1947 г. пенициллина. Двумя годами позже на основе глутаминовой кислоты путем биосинтеза впервые по лучены аминокислоты. К настоящему времени налаже но производство антибиотиков, витаминно-белковых добавок к продуктам питания, стимуляторов роста, бак териологических удобрений, средств защиты растений и др.

С использованием рекомбинантных ДНК удалось синтезировать ферменты и тем самым расширить область их применения в биотехнологии. Появилась возможность производить множество ферментов при сравнительно невысокой их себестоимости. Под воз действием искусственных ферментов кукурузный крахмал превращается в глюкозу, которая затем пре образуется в фруктозу. Налажено массовое производ ство кукурузной патоки с высоким содержанием фрук тозы. Процесс ферментации применяется в производ стве этилового спирта. Кукурузный и пшеничный крах мал и сахар вполне пригодны для ферментации. Они легко превращаются в глюкозу. Известны микроорга низмы, перерабатывающие глюкозу во многие полез ные химические продукты (рис. 8.4). Однако чаще та кое растительное сырье потребляется в качестве пище вых продуктов. Для ферментации можно использовать биомассу в виде отходов сельского и лесного хозяйств.

Однако она содержит лигнин, препятствующий биока талитическому расщеплению и ферментации целлюлоз ных компонентов. Поэтому природную биомассу необ ходимо предварительно очистить от лигнина.

Дальнейшее развитие биотехнологий связано с модификацией генетического аппарата живых орга низмов.

Генные технологии основаны на методах молеку лярной биологии и генетики, связанных с целенаправ ленным конструированием новых, не существующих в природе сочетаний генов. Генные технологии зарожда лись в начале 70-х годов XX в. как методы рекомбинант ных ДНК, названные генной инженерией. Основная операция генной технологии заключается в извлечении из клеток организма гена, кодирующего нужный про дукт, или группы генов и соединение их с молекулами ДНК, способными размножаться в клетках другого орга низма. На начальной стадии развития генных техноло гий получен ряд биологически активных соединений -— инсулин, интерферон и другие вещества. Современные генные технологии объединяют химию нуклеиновых кислот и белков, микробиологию, генетику, биохимию и открывают новые пути решения многих проблем био технологии, медицины и сельского хозяйства.

Основная цель генных технологий — видоизменить ДНК, закодировав ее для производства белка с задан ными свойствами. Современные экспериментальные методы позволяют анализировать и идентифицировать фрагменты ДНК генетически видоизмененной клетки, в которые введена нужная ДНК. Над биологическими объектами осуществляются целенаправленные хими ческие операции, что и составляет основу генных тех нологий.

Генные технологии привели к разработке совре менных методов анализа генов и геномов, а они, в свою очередь,— к синтезу, т. е. к конструированию новых, генетически модифицированных микроорганизмов.

К настоящему времени установлены нуклеотидные последовательности разных микроорганизмов, включая промышленные штаммы, и те, которые нужны для исследования принципов организации геномов и для понимания механизмов эволюции микробов. Промыш ленные микробиологи, в свою очередь, убеждены, что знание нуклеотидных последовательностей геномов промышленных штаммов позволит «программировать» их на большой доход.

Pages:     | 1 |   ...   | 5 | 6 || 8 | 9 |   ...   | 10 |



© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.