Пределы возможностей аппаратных средств

Генадийс Москвинс
Глава 10. Пределы роста


* Структура вакуума
* Будет ли физика снова дополнена?
* Пределы возможностей аппаратных средств
* Энтропия: предел использования энергии
* Пределы ресурсов
* Мальтус
* Остановит ли нас кто-нибудь?
* Рост в пределах границ
* Взгляд на пределы


Шахматная доска - мир, фигуры - явления вселенной, правила игры - все это то, что мы называем "законами природы" (Т.Х. Хаксли)
 

     За последний век люди создали самолеты, космические корабли, ядерный источник энергии и компьютеры. В следующем веке будут разработаны ассемблеры, репликаторы, автоматический инжиниринг, дешевые космические корабли, машины ремонта клеток и многое другое. Эти серии прорывов могут наводить на мысль, что технологическая гонка будет продвигаться вперед безгранично. С этой точки зрения мы будем прорываться сквозь все постижимые и непостижимые препятствия, вылетая в бесконечное неизвестное. Но такой взгляд на развитие кажется ошибочным.

     Законы природы и условия этого мира ограничат наши возможности. Без границ будущее было бы неизвестной, бесконечной и бесформенной категорией, делая посмешище из наших усилий конкретно думать и четко планировать. С ограничениями будущее тоже все еще остаётся бешеной неопределенностью, но она, всё-таки, вписывается в определенные границы. Из естественных ограничений мы узнаем что-то о проблемах и открывающихся возможностях, с которыми мы столкнемся. Пределы определяют границы возможного, подсказывая нам, какие ресурсы мы можем использовать, как быстро наши космические корабли могут летать и что наши наномашины будут способны, а что не будут способны делать.

      Обсуждение пределов рискованно: мы можем быть более уверены, что нечто более возможно, чем то, что в принципе невозможно. Инженеры могут достигать успеха с помощью приближений и особых условий. А при наличии инструментов, материалов и времени они могут продемонстрировать возможности непосредственно. Даже создавая испытательную конструкцию с целью исследования, они могут оставаться в рамках возможного и в то же время быть достаточно далеко от его границ. Ученые, наоборот, не могут доказать общую теорию невозможного, поэтому каждое общее заявление о невозможности - само по себе есть нечто вроде общей теории.

       Никакой конкретный эксперимент (где-то, когда-то) не может доказать, что нечто невозможно (везде и навсегда). Невозможно  провести бесконечное количество конкретных экспериментов. Все же, общие законы науки описывают конкретные границы возможного. Хотя ученые не могут доказать общий закон, они разработали наиболее правдоподобную для нашего понимания картину того, как функционирует Вселенная. И даже если экзотические эксперименты и элегантные математические пассажи снова изменят нашу концепцию физических законов, немногие пределы для конструкторов от этого содрогнутся и рухнут.

       Относительность не влияла на конструкцию автомобилей. Простое существование конечных пределов не значит, что они уже вот-вот начнут нас душить, однако многие уже пришли к мысли, что пределы скоро положат конец росту. Это соображение упрощает их представление о картине будущего, отвергая новые разработки, которые принесет прогресс.

      Другие же вполне хорошо относятся к более расплывчатой идее безграничного роста - идее, которая затуманивает их картину будущего говоря, что оно будет совершенно непостижимым. Люди, которые путают науку с технологией, имеют склонность путаться и насчет пределов познания. Им кажется, что новое знание всегда означает новое ноу-хау. А новое фундаментальное знание и ноу-хау - это не одно и то же.

       Некоторые даже воображают, что всезнание позволит нам делать все, что мы захотим. Прогресс в технологии действительно приносит новые ноу-хау, открывая новые возможности. Но продвижения в фундаментальной науке просто перерисовывает нашу карту окончательных пределов. Это часто показывает нам что-то такое новое, что раньше представлялось невозможным. Например, открытия Эйнштейна показали, что ничто не может догнать луч света.


Структура вакуума


       Действительно ли скорость света - это реальный предел? Люди когда-то говорили о "звуковом барьере", и некоторые верили, что он не даст самолету перейти скорость звука. Затем на базе Эдвардс в 1947 году, Чак Ииджер рассек октябрьское небо звуком перехода звукового барьера. Сегодня некоторые люди говорят о "световом барьере" и спрашивают, может ли он также отступить. К сожалению для писателей  в области научной фантастики, эта параллель поверхностна. Никто никогда не утверждал, что скорость звука - это реальный физический барьер. Метеоры и пули превышали его каждый день и даже щелкающий хлыст переходил "звуковой барьер".

       Но никто не видел ничего, что двигалось бы быстрее света. Удаленные места, видимые с помощью радиотелескопов, иногда кажутся движущимися быстрее, но простые трюки перспективы легко объясняются, как это может быть. Гипотетические частицы, называемые "тахионами" двигались бы быстрее света, если бы они существовали, но их пока так и не нашли, а сегодняшняя теория их никак не предсказывает.

       Экспериментаторы разогнали протоны со скоростью более 99,9995 процентов скорости света и получили результаты, которые идеально соответствовали предсказаниям Эйнштейна. Когда их ускоряют все быстрее, скорость частицы очень медленно приближается к скорости света, в то время как ее энергия (масса) растет безгранично. На Земле человек может идти пешком или плыть только на определенные расстояния, но никакой таинственный край или барьер вдруг не остановит его путешествия. Просто потому, что Земля - круглая. Ограничение скорости в пространстве предполагает не больший "световой барьер", чем предел расстояния на Земле предполагает стенку.

      Само пространство - вакуум, который содержит энергию и материю, имеет свойства. Одно из них - это его геометрия, которая может быть описана, если рассматривать время как особое измерение. Эта геометрия заставляет скорость света отступать перед ускоряющимся космическим кораблем во многом подобно тому, как горизонт отступает перед движущимся по морю кораблем: скорость света, подобно горизонту всегда равноудалена во всех направлениях. Но аналогия здесь заканчивается - это подобие никак не поясняет кривизну пространства. Достаточно запомнить, что предельная скорость - это не что-то такое грубое и что можно преодолеть, как "световой барьер". Объекты всегда могут двигаться быстро, но не быстрее света.

       Люди давно мечтали о контроле над гравитацией. В издании 1962 года книги "Очертания будущего" Артур Кларк писал, что "Из всех сил гравитация - самая загадочная и самая неумолимая", и дальше продолжал, предлагая мысль, что мы однажды разработаем подходящие устройства для управления гравитацией. Однако действительно ли гравитация такая таинственная? В общей теории относительности Эйнштейн описывал гравитацию как кривизну в пространственно-временной структуре вакуума. Математическое описание этого явдения учеными проделано элегантно и точно, что позволяет  делать предсказания, которые подтаердились всеми экспериментами, с тех пор предпринятыми. Гравитация не более и не менее неумолима, чем остальные силы. Никто не может заставить валун потерять свою гравитацию, но также никто не может заставить электрон потерять свой электрический заряд или электрический ток, свое магнитное поле.

      Мы управляем электрическими и магнитными полями, передвигая частицы, которые их создают. Мы можем управлять гравитационными полями аналогичным образом, передвигая обычные массы. Представляется, что мы не можем изучить секрет управления гравитацией потому, что мы уже это сделали. Ребенок с маленьким магнитиком может поднять гвоздь, используя магнитное поле, чтобы преодолеть гравитационное притяжение Земли. Но, к сожалению для страстного желания инженеров работающих с гравитацией, использование гравитации для  поднятия простого гвоздя требует наличия огромной массы.

      Если прямо у вас над головой будет находиться Венера - это почти сделает то, что нужно, пока она не упадет на вас. Инженеры возбуждают электромагнитные волны, передвигая электрические заряды туда-сюда в антенне. Можно возбудить гравитационные волны, перемещая камень в воздухе. Но опять же, гравитационный эффект будет слабым. Хотя в радиостанции мощностью в один киловатт нет ничего необычного, перемещения и закручивания всей массы солнечной системы вместе взятой не может выделить так много энергии, как один киловатт гравитационных волн.

      Мы понимаем гравитацию достаточно хорошо. В этом просто нет большой пользы для построения машин массой намного меньше, чем Луна. Но устройства с использованием большой массы, будут работать. Гидроэлектростанция - часть гравитационной машины (другая часть - Земля), которая извлекает энергию из падающей массы. Машины, используя черные дыры, будут способны извлекать энергию из падающей массы более чем с 50-процентной эффективностью, основываясь на формуле Е = mc2. Выливание одного ведра воды в черную дыру было бы адекватно количеству энергии, выделяемой при переливании нескольких триллионов ведер воды через генератор дамбы гидроэлектростанции в километр высотой.

      Поскольку законы гравитации описывают, как искривляется вакуум, они также применимы к научно-фантастическому "искривлению пространства". По-видимому, туннели из одной точки пространства в другую были бы нестабильны, даже если они могли бы быть прежде созданы. Это не позволяет будущим космическим кораблям достигать отдаленных точек быстрее, чем свет, используя самый короткий путь пространства, и это ограничение в перемещении в свою очередь устанавливает предел росту. По-видимому, закон Эйнштейна дает аккуратное описание общей геометрии вакуума. Если так, то пределы, которые получаются в результате, неизбежны: вы можете избавиться почти от всего, но не от самого вакуума. Другие законы и пределы выглядят неизбежными по аналогичным причинам.

       В действительности физики все больше приходят к тому, чтобы описывать все физические законы в терминах структуры вакуума. Гравитационные волны - определенный тип колебаний вакуума, черные дыры - определенный тип завихрения. Аналогично, радиоволны - другой вид колебаний вакуума, а элементарные частицы - еще один, очень отличающийся вид завихрения (которые в некоторых теориях напоминает крошечные вибрирующие струны). С этой точки зрения существует только одно вещество во вселенной - вакуум, но оно принимает множество форм, включая те структуры, которые мы называем "твердой материей". Этот взгляд наводит на мысль о неизбежных свойствах естественного закона. Если единое вещество, которое заполняет Вселенную - это и есть Вселенная, то его свойства ограничивают то, что мы можем делать.

      Однако странность современной физики ведет к тому, что большинство людей ей не верят. Революции, которые произвели квантовая механика и относительность, породили разговоры о "принципе относительности", "волновой природе материи", "материи, которая суть энергия" и "искривленном пространстве-времени". Атмосфера парадокса окружает эти идеи и, таким образом, самого физика. Понятно, что новые технологии должны выглядеть для нашего понимания странно, но почему древние и неизменные законы природы до сих пор оказываются загадочными и шокирующими?

      Наш мозг и языки развились так, чтобы иметь дело с вещами, намного превосходящими по размерам атомы, движущимися с крошечной долей скорости света. Они достигли в этом достаточно хороших успехов. Даже при том, что для того, чтобы научиться описывать движение падающего камня, заняло у людей столетия. Но мы распространили наше знание далеко за пределы дремучего мира ощущений. Мы обнаружили вещи (материальные волны, искривленное пространство), которые кажутся причудливыми, и некоторые просто находятся вне нашей способности их представить. Но "причудливый" не значит таинственный или непредсказуемый.

      Математика и эксперименты тем не менее работают, позволяя ученым разнообразить и отбирать теории, производя в них эволюцию так, что они подходили даже под странную реальность. Человеческий разум оказался замечательно гибким, но было не особо удивительно обнаружить, что мы не можем всегда представить себе невидимое. Часть причины того, что физика кажется такой странной состоит в том, что люди страстно жаждут странностей и имеют склонность распространять мифы, которые описывают вещи как необыкновенные.

      Некоторые люди поддерживают идеи, которые скрывают мир в скрытых слоях знания и наполняют его таинством вида "уровень Б". Естественно, они поддерживают и распространяют мифы, которые представляют материю нематериальной, а квантовую механику представляют как раздел психологии. Относительность, как уже сказано, обнаруживает, что материя (та обычная "добрая, старая материя", которую люди думают, что её правильно понимают) - это на самом деле энергия (эта тонкая таинственная субстанция, которая заставляет события происходить). Это дает основу для распространения тумана на тему "тайны Вселенной". Могло быть более понятным сказать, что относительность обнаруживает, что энергия - одна из форм материи, во всех ее формах, что энергия имеет массу.

     Действительно, световые паруса (солнечный ветер)работают на этом принципе, благодаря воздействию массы на поверхность "паруса". Свет может распространяться даже упакованным в частицы. Рассмотрим также принцип неопределенности Гейзенберга и связанный с ним факт того, что "наблюдатель всегда воздействует на наблюдаемое." Принцип неопределенности присущ математике, описывающей обычную материю (придавая атомам им присущий размер), но связанный "эффект наблюдателя" представлен в некоторых популярных книгах как магическое влияние сознания на окружающий мир.

       В действительности, суть идеи более прозаическая. Представьте себе, что вы смотрите на пылинку в солнечном свете: когда вы наблюдаете отраженный свет, вы обязательно воздействуете на него - ваш глаз его поглощает. Аналогично, свет (со своей массой) воздействует на пятнышко пыли: он отталкивается от пылинки, прикладывая силу. Результат очевиден - это не воздействие вашего разума на пыль, а воздействие света на пыль. Хотя квантовое измерение имеет особенности намного более тонкие, чем эта, ни одна из них не включает разум, выходящий наружу, чтобы изменить реальность.

       Наконец, рассмотрим "парадокс близнецов". Относительность предсказывает, что если один из пары близнецов летит к другой звезде и возвращается со скоростью, близкой к скорости света, то близнец, который летит, будет младше, чем оставшийся дома брат. Действительно, измерения с точными часами демонстрируют эффект замедления времени при очень быстром движении. Но это - не парадокс, это просто факт природы.


Будет ли физика снова дополнена?


       В 1894 году знаменитый физик Альберт А. Михельсон заявлял: "Наиболее важные фундаментальные законы и факты физической науки открыты, и они сейчас так твердо установленны, что возможность их когда-нибудь заменить на что-то новое вследствие новых открытий крайне отдалена. Наши будущие открытия нужно искать в шестом знаке после запятой". Но уже через год в 1895 году Рентген открыл рентгеновские лучи. В 1896 году, Беккерель открыл радиоактивность. В 1897 - Томсон открыл электрон. В 1905-м - Эйнштейн сформулировал специальную теорию относительности (и таким образом объяснил собственные наблюдения Михельсона в 1887 году относительно скорости света). В 1905-м Эйнштейн также представил фотонную теорию света. В 1911-м Резерфорд открыл ядро атома. В 1915-м Эйнштейн сформулировал общую теорию относительности. В 1924-30, де Брогли, Гейзенберг, Бор, Паули и Дирак разработали основы квантовой механики. В 1929 году Хаббл объявил о доказательстве расширения Вселенной.

       Михельсон умер в 1931. Он совершил незабываемую ошибку. Ученые до сих пор ссылаются на его заявление о том, что нам не следует (никогда?) провозглашать какое бы то ни было достоверное понимание естественного закона или пределов возможного. В конце концов, Михельсон насколько был уверен   настолько же оказался не прав. Не должны ли мы опасаться повторить его ошибку?

       Великая революция в физике привела некоторых ученых к заключению, что наука будет продолжать бесконечно приносить нам сюрпризы, важные для инженеров. Но есть ли вероятность встретиться с такими серьезными сдвигами снова? Возможно нет. Содержание квантовой механики было удивительным, однако до ее появления физика была очевидно и серьезно неполна. До квантовой механики вы могли бы подойти к любому ученому, злобно улыбаясь, стукнуть по столу и спросить: "Что удерживает эти штуки вместе? Почему это - коричневое и твердое, в то время как воздух - прозрачный и газообразный?" Ваша жертва могла бы сказать что-то туманное об атомах и их порядке, но когда вы будете настаивать на разъяснении, вы бы в лучшем случае получили в ответ что-то вроде "Кто знает? Физика пока не может объяснить материю!"

       Ретроспективный взгляд делать легко, однако в мире, состоящим из материи, населенном материальными людьми, использующими материальные инструменты, это невежество о природе материи было брешью в человеческом знании, на которое Михельсону, возможно, следовало бы обратить внимание. Это была брешь не в "шестом знаке после запятой", а в самой целой части числа. Также стоит посмотреть, до какой степени Михельсон был прав. Законы, о которых он говорил, включали законы Ньютона о гравитации и движении, и законы Максвелла об электромагнетизме. И, действительно, при обычных условиях в конструировании эти законы были изменены только "в шестом знаке после запятой."

      Законы гравитации и движения Эйнштейна соответствуют законам Ньютона весьма близко, за исключением предельных условий гравитации и скорости. Законы квантовой электродинамики Феймана, Швингера и Томонаги близко соответствуют законам Максвелла, за исключением несоответствий при экстремальных значениях размера и энергии.

       Дальнейшие революции, вне сомнения, притаились где-то на крайних значениях этих теорий. Но эти края кажутся далекими от мира живых существ и машин, которые мы строим. Революции относительности и квантовой механики изменили наше знание о материи и энергии, но сами материя и энергия остались неизменными - они реальны и им нет никакого дела до наших теорий. Физики сейчас используют единый набор законов, чтобы описать, как ядра атомов и электроны взаимодействуют в атомах, молекулах, молекулярных машинах, живых существах, планетах и звездах. Эти законы пока не окончательно всеобщие, поиск универсальной теории всех физических явлений продолжается. Но, как утверждает физик Стивен Хокинг, "На настоящий момент мы обладаем набором частных законов, которые управляют поведением Вселенной при всех, кроме наиболее экстремальных условий." И по инженерным стандартам, эти условия просто необычайно экстремальны.

     Физики постоянно объявляют новые частицы, наблюдаемые в осколках из столкновений частиц с крайне высокой энергией, но вы не можете купить одну из этих частиц в коробочке. И это важно понимать, потому что если частица не может быть сохранена, то она не может служить компонентом стабильной машины. Коробочки и их содержимое состоят из электронов и ядер. Ядра, в свою очередь, состоят из протонов и нейтронов. Атомы водорода имеют в своих ядрах только один протон, атомы свинца имеют восемьдесят два протона и более сотни нейтронов. Изолированные нейтроны распадаются за несколько минут. Некоторые другие стабильные частицы известны: фотоны - частицы света, полезны и могут быть на некоторое время "пойманы", нейтрино - почти неопределяемые и "пойманы" быть не могут. Эти частицы (кроме фотона) имеют соответствующие античастицы. Все остальные известные частицы распадаются за несколько миллионных секунды или быстрее. Таким образом единственные известные строительные блоки для аппаратных средств - это электроны и ядра (или их частицы, для некоторых особых приложений).

     Эти строительные блоки обычно комбинируются и образуют атомы и молекулы. Однако, вопреки мощи современной физики, наше знание все еще содержит очевидные пробелы. Неустойчивое основание теории элементарных частиц оставляет некоторые пределы неопределенными. Мы можем обнаружить новые стабильные частицы, которые "можно поместить в коробочку", такие как магнитные монополи или свободные кварки. Если это так, они несомненно найдут себе применение. Мы можем даже найти новые поля дальнего действия или форму радиации, хотя это кажется все более маловероятным. Наконец, некоторые новые способы сталкивания частиц могут улучшить нашу способность превращать известные частицы в другие известные частицы.

      Но, в целом, сложные аппаратные средства будут требовать сложных, устойчивых структур из частиц вне среды колапсирующей звезды -  структуры из атомов, которые хорошо описываются релятивистской квантовой механикой. Границы физики передвинулись. На теоретическом уровне физики ищут универсальное описание взаимодействий всех возможных частиц, даже частиц с наименьшим сроком жизни. На экспериментальном уровне они изучают структуры осколков атомов, создаваемых столкновениями с высокими энергиями в ускорителях частиц.

      Никакие новые устойчивые и полезные частицы не выходят из таких столкновений, они возникают как остатки прошлых космических потрясений. Поэтому атомы остаются единственными строительными блоками устойчивых аппаратных средств. И конструирование будет оставаться игрой, в которую играют с помощью уже известных фигур по уже известным правилам. Новые частицы добавили бы новые фигуры, но не отменили бы старых правил.


                Границы возможностей аппаратных средств


       Действительно ли молекулярные машины - конец на пути миниатюризации? Идея, что молекулярные машины могли бы стать шагом на пути еще более маленьких "ядерных машин" кажется достаточно естественной. Один молодой человек (студент последнего курса по экономике в Колумбийском университете) слышал о молекулярной технологии и ее способности манипулировать атомами и сразу заключил, что молекулярная технология могла бы делать все что угодно, даже разлагать ядерные бомбы на безопасные свинцовые кирпичики на расстоянии. Молекулярная технология не может делать ничего подобного. Превращение плутония в свинец (будь то на расстоянии или нет) находится вне возможностей молекулярной технологии по той же причине, что и превращение свинца в золото лежит вне возможностей алхимии.

      Молекулярные силы имеют мало влияния на ядра атомов. Атомы содержат в себе более 99,9 процентов атомной массы и занимают около 1/1.000.000.000.000.000 его объема. В сравнении с ядром, остальная часть атома (электронное облако) меньше, чем пушинка. Пытаться изменить ядро, тыкая в него молекулой - это даже более бесполезно, чем пытаться расплющить стальной шарик от подшипника, тыкая в него шаром воздушной сахарной ваты. Молекулярная технология может сортировать и переупорядочивать атомы, но она не может достичь ядра, чтобы изменить тип атома.

       Наномашины не могут быть полезны в построении машин размером ядра, даже если они могли бы существовать. Очевидно они не могут, по крайней мере при условиях, которые мы можем создать в лаборатории. Машины должны иметь некоторое число частей в близком контакте, но плотно упакованные ядра яростно отталкивают друг друга. Когда расщеплялись ядра при взрыве Хиросимы, большая часть энергии высвободилась из-за свирепого электростатического отталкивания только что расщепленных половинок.

      Хорошо известная трудность слияния ядер происходит из той же самой проблемы отталкивания ядер. В добавок к расщеплению или слиянию, ядра можно заставить испускать или поглощать различные типы излучения. В одном из методов их заставляют двигаться по спирали так, чтобы получать полезную информацию, позволяя докторам делать медицинские изображения, основанные на ядерном магнитном резонансе. Но все эти явления опираются только на свойства хорошо разделенных ядер. Изолированное ядро слишком просто, чтобы действовать как машина или электронная схема. Ядра можно заставить сблизиться, но только при громадном давлении, которое обнаруживается внутри коллапсирующих звезд. Занятия конструированием в таких условиях представляло бы существенные трудности, даже если коллапсирующая звезда была бы у нас в руках. Это возвращает нас к основному вопросу: что мы можем сделать, нужным образом упорядочивая атомы? Некоторые пределы уже кажутся понятными.

      Самый прочный возможный материал будет иметь грубо в десять раз больше прочность, чем сегодняшний самый прочный стальной провод. (Самый прочный материал для изготовления кабелей, по-видимому - карбин, форма углерода, имеющая атомы, упорядоченные в прямые цепочки.) Представляется, что тепловые вибрации при обычных давлениях будут разрывать самые прочные твердые материалы при температурах около четырех тысяч градусов Цельсия (примерно на полторы тысячи градусов прохладнее, чем на поверхности Солнца).

      Эти грубые свойства материи - прочность и жароустойчивость не могут быть существенно улучшены посредством сложного, умно устроенного упорядочивания атомов. Кажется вероятным, что наилучшие структуры будут достаточно простые и правильные. Другие довольно простые цели включают передачу тепла, изоляцию от тепла, передачу электрического тока, электрическую изоляцию, передачу света, отражение света и поглощение света. Для некоторых целей, погоня за совершенством приведет к простым структурам. Для других она приведет к конструкционным проблемам, которые нет никакой надежды разрешить. Разработка наилучшего возможного переключающего компонента для компьютера может оказаться достаточно простой.

       Разработка наилучшего возможного компьютера будет намного более сложной. В действительности, то, что мы рассматриваем как "наилучшее возможное" будет зависеть от многих факторов, включая стоимость материи, энергии и времени - и от того, что мы собираемся вычислять. В любом конструкторском проекте, то, что мы называем "лучшим" зависит от бесконечно многих факторов, включая плохо определяемые и постоянно меняющиеся человеческие потребности. Что более важно, даже когда "лучшее" определено, стоимость поиска последнего прироста в улучшении, которое отделяет наилучшее от просто отличного может не стоить своей цены.

       Однако мы можем игнорировать все такие вопросы, как сложность и стоимость разработки, когда рассматриваем, действительно ли существуют пределы. Чтобы определить предел, нужно выбрать направление, шкалу качества. Если двигаться по какому-то направлению, в сторону, определенную как "лучше", то обязательно будет что-то "наилучшее". Структура упорядочивания атомов определяет свойства аппаратных средств, а согласно квантовой механике, множество возможных способов упорядочивания конечно - более, чем астрономически огромно, но не бесконечно.

       Математически рассуждая, следует, что при ясной цели, некоторое одно из этих способов упорядочивания должно быть наилучшим, или близким к нему. Как в шахматах, ограниченное число фигур и ходов ограничивает способы упорядочивания и, значит, возможности. Однако и в шахматах, и в конструировании, множество возможного в этих пределах неисчерпаемо. Знать лишь фундаментальные законы материи не достаточно, чтобы сказать точно, где лежат все пределы. Мы, кроме того, должны встретиться со сложностями конструирования. Наше знание о некоторых ограничениях остается в больших пределах: "Мы знаем только то, что предел лежит между этой точкой (несколько шагов вперед) и той (пятнышко где-то у линии горизонта)".

       Ассемблеры откроют путь к пределам, где бы они ни были, а системы автоматического инжиниринга ускорят прогресс на пути к этому. Абсолютное совершенство часто оказывает неуловимым, но бегущие наверх часто оказываются рядом. По мере того, как мы будем продвигаться к действительным пределам, наши способности будут во все больших областях технологии прекращать расти. Продвижения в этих областях остановятся не просто на десятилетие или век, но насовсем. Некоторые могут игнорировать слово "насовсем", думая "Никаких улучшений за тысячу лет? За миллион лет? Это должно быть переоценкой." Однако там, где мы достигнем настоящих физических пределов, мы дальше не пойдем. Правила игры встроены в структуру вакуума, в структуру вселенной. Никакое переупорядочивание атомов, никакое сталкивание частиц, никакое законодательство или пение научных хоралов не сдвинут естественные законы ни на йоту.

       Мы можем неправильно оценивать пределы сегодня, но где бы пределы ни были, там они и останутся. Этот взгляд на естественные законы показывает пределы качеству вещей. Но мы также сталкиваемся с пределами количеству, устанавливаемому не только естественными законами, но тем, как материя и энергия упорядочена во вселенной, как нам удается ее обнаруживать. Автор книги "Пределы возростания", также как и многие другие, пытался описать эти пределы, не исследуя прежде пределы технологии. Это дало результаты, вводящие в заблуждение.


                Энтропия: предел использованию энергии


      Не так давно многие авторы описывали накопление отработанного тепла и хаос как то, к чему ведет человеческая деятельность. В книге "Годы бедности - политика в век скудных ресурсов", Ричард Барнет пишет, что в этом есть ирония, что повторное открытие границ совпадает с двумя самыми дерзкими технологическими подвигами в человеческой истории. Один из них - генетическая инженерия,неожиданный проблеск способности изменять форму самого вещества жизни. Другой - выход в космос. Эти прорывы подтолкнули фантазии на тему возможностей, но они не сломали экологическую смирительную рубашку, известную как второй закон термодинамики: большее потребление энергии производит большее количество тепла, которое никогда не исчезает, а должно считаться необратимыми затратами энергии.

       Так как накопление тепла может вызвать экологическую катастрофу, эти издержки ограничивают продвижение человека в космосе, равно как и на земле. Джереми Ривкин (с Тедом Ховардом) написали целую книгу по организациям термодинамики и будущего человечества, озаглавленную "Энтропия: новый взгляд на мир". Энтропия - стандартная научная мера расхода тепла и беспорядка. Везде, где деятельность потребляет полезную энергию, она производит энтропию. Энтропия мира, следовательно, увеличивается постоянно и необратимо. В конце концов рассеяние полезной энергии разрушит основу жизни. Как сказал Ривкин, эта идея может казаться слишком угнетающей, чтобы о ней думать, но он доказывает, что мы должны встретить лицом к лицу ужасные факты относительно энтропии, человечества и Земли.

        Но так ли ужасны эти факты? Барнет пишет, что аккумулирующееся тепло - необратимый расход энергии, ограничивающий человеческое действие. Ривкин утверждает, что "загрязнение - это суммарный итог всей доступной энергии в мире, которая превращена в недоступную энергию." Эта недоступная энергия - главным образом низкотемпературный расход тепла, что-то вроде того, который заставляет нагреваться телевизор. Но действительно ли тепло аккумулируется, как этого боится Барнет? Если так, тогда Земля должна становиться все более горячей, минута за минутой, год за годом. Мы сейчас должны были бы изжариться, если бы наши предки не были заморожены.

        Однако каким-то образом материки умудряются сохраняться холодными ночью и еще более холодными в течение зимы. Во время ледникового периода, охладилась вся Земля. Ривкин делает другой ход. Он заявляет, что "фиксированный запас земной материи, который составляет земную кору, постоянно рассеивается. Горы разрушаются и верхний слой почвы выдувается с каждой проходящей секундой." Но под "выдуванием" Ривкин не имеет в виду выдувание в космос или выдувание в небытие. Он просто имеет в виду, что атомы гор смешиваются вместе с другими. Однако этот процесс, он доказывает, означает нашу обреченность. Смешивающиеся атомы делают их "недоступной материей", как следствие "четвертого закона термодинамики", предложенным экономистом Николасом Джорджску-Роугеном: "В закрытой системе материальная энтропия должна в конце концов достичь максимума", или, что то же самое: "недоступная материя не может быть утилизирована".

        Ривкин провозглашает, что Земля - закрытая система, обменивающаяся энергией, но не материей с ее окружением, и следовательно "здесь, на Земле, материальная энтропия постоянно увеличивается и должна в конце концов достичь максимума", заставляя земную жизнь захиреть и погибнуть. Действительно страшная ситуация - Земля дегенерировала в течение миллиардов лет. Конечно же, конец должен быть близко! Но может ли это действительно быть правдой? По мере того, как жизнь развивалась, она вносила больше порядка на Землю, а не меньше. Формирование залежей руды делало то же самое. Идея, что Земля дегенерировала, кажется в лучшем случае странной (но тогда Ривкин думает, что эволюция исчезла). Кроме того поскольку материя и энергия по сути одно и то же, как может реально действующий закон выделить что-то, называемое "материальной энтропией" на первое место?

       Ривкин предлагает распространение духов из бутылки в воздух в комнате как пример "рассеивающейся материи", возрастания материальной энтропии, того, что материя становится "недоступной". Распространение соли в воде в бутылке будет служить таким же хорошим примером. Далее рассмотрите испытание "четвертого закона термодинамики" в эксперименте с соленой водой в бутылке. Представьте бутылку, имеющую дно с перегородкой, разделяющей его на две чашечки. В одной находится соль, в другой - вода. Горлышко бутылки заткнуто пробкой: она закрывает систему и делает так называемый четвертый закон термодинамики применимым. Содержимое бутылки находится в организованном состоянии: их материальная энтропия не находится, пока, в максимуме. Теперь возьмите бутылку и потрясите ее. Слейте воду в соседнее отделение, покрутите ее, растворите соль - энтропия увеличилась жутко! В такой закрытой системе "четвертый закон термодинамики" говорит, что это увеличение материальной энтропии должно быть перманентным.

       Все страхи Ривкина относительно устойчивого, неизбежного увеличения энтропии Земли основываются на этом принципе. Посмотреть, есть ли какое-нибудь основание для нового взгляда на мир Ривкина, возьмем бутылку и наклоним ее, перелив соленую воду в одно из отделений на дне. Это не должно иметь никакого значения, так как система остается закрытой. Теперь установим бутылку вертикально, располагая соленую воду на солнечном свете, а пустую сторону - в тени. Свет входит внутрь и тепло вытекает, но система остается такой же закрытой, как сама Земля. Но посмотрите - лучи солнца испаряют воду, которая конденсируется на теневой стороне! Свежая вода медленно заполняет пустое отделение, оставляя за собой соль.

       Сам Ривкин утверждает, что "в науке только одно не подходящее под закон исключение достаточно, чтобы доказать ложность закона" Этот мысленный эксперимент, который подражает тому, как образовались естественные залежи соли на Земле, доказывает ложность закона, на котором он основал всю свою книгу. Это же делают растения. Солнечный свет приносит энергию из космоса. Тепло, излучаемое обратно в пространство, уносит энтропию (которой существует только один вид). Следовательно, энтропия может уменьшаться в замкнутой системе и цветы могут цвести на Земле век за веком. Ривкин прав, говоря что "возможно обратить энтропийный процесс в отдельно взятом месте и времени, но только использовав энергию в этом процессе и, таким образом, увеличивая общую энтропию окружающей среды."

        Но и Ривкин, и Барнет делают ту же самую ошибку: когда они пишут об окружающей среде, они подразумевают Землю - но закон применяется к окружающей среде как целому, а это целое - это Вселенная. В результате Ривкин и Барнет игнорируют и свет Солнца и холодную сторону ночного неба. По Ривкину, его идея разрушает понятие истории как прогресса, преступая пределы современного мировоззрения. Он требует жертвы, утверждая, что "ни одна нация третьего мира не должна питать надежд, что она когда-нибудь сможет достичь материального изобилия, которое существует в Америке." Он боится паники и кровопролития. Ривкин заканчивает, информируя нас, что "закон энтропии отвечает на центральный вопрос, с которым сталкивалась каждая культура на протяжении истории: как должен себя вести в мире человек?"

        Его ответ? "Последний моральный императив, следовательно, расходовать как можно меньше энергии. "Это бы по-видимому значило, что мы должны сберегать как можно больше энергии, пытаясь исключить ее излишний расход. Но что есть величайший близкий к нам расточитель энергии? Ну, конечно же Солнце - оно расточает энергию в триллионы раз быстрее, чем это делают люди. Следовательно, если принимать его серьезно, по-видимому, главный моральный императив Ривкина призывает: "Уберите Солнце!"

         Это глупое следствие должно было бы опровергнуть Ривкина. Он и многие другие сохраняют взгляды, которые попахивают докоперниковским невежеством: они предполагают, что Земля - это весь мир, и что то, что делают люди - обязательно космической важности. Конечно существует настоящий закон энтропии: второй закон термодинамики. В отличие от поддельного "четвертого закона", он описан в учебниках и используется инженерами. Он действительно будет ограничивать то, что мы будем делать. Человеческая деятельность выделяет тепло, и ограниченная способность Земли излучать тепло будет устанавливать жесткую границу количеству промышленной активности, основанной на Земле.

         Подобным образом, мы будем, подобно плоскостям крыла самолета, излучать отработанное тепло из наших звездных кораблей. В конце концов (но это произойдет в конце огромного промежутка времени) закон энтропии вызовет гибель Вселенной, как мы ее знаем, ограничивая продолжительность жизни и саму жизнь. Почему я так набросился на суть энтропии Ривкина? Просто потому, что сегодняшние информационные системы представляют мертворожденные идеи, как если бы они были живыми. Поощряя эти фальшивые надежды, ложные страхи и ошибочные действия, эти идеи могут растратить попусту усилия людей, которые активно озабочены долгосрочными мировыми проблемами.

        Среди тех, кто восхваляется на обложке книги Ривкина ("вдохновенная работа", "блестящая работа", "переворачивающая мир", "нужно выучить наизусть") - профессор Принстона, ведущий ток-шоу, и два сенатора США. Семинар в MIT ("Земля, какой ей быть - мировоззрение для устойчивого будущего") отвел важное место книге Ривкина. Все устроители семинара были из нетехнических отделений. Меньшая часть сенаторов в нашем технологическом обществе не образованы в технологии, также как и профессора и ведущие ток-шоу.

       Сам Джоржеску-Роуген, изобретатель "четвертого закона термодинамики" имеет широкие заслуги - как ученый по общественным наукам. Энтропийная угроза - пример явного абсурда, однако ее изобретатели и люди, ее распространяющие, не изгоняются со смехом с общественной трибуны. Вообразите тысячу, миллион подобных искажений - которые тонкие, некоторые бесстыдные, но все искажающие понимание мира обществом. Теперь представьте группу демократических наций, страдающих от заражения такими мифами, пытаясь иметь дело с эрой ускоряющейся технологической революции.

        Мы имеем реальную проблему в том, чтобы сделать наше выживание более вероятным. Нам нужны лучшие способы, чтобы пропалывать сорняки своих мифов, чтобы дать место здоровому пониманию роста. В главе 13 и 14 будет изложено о двух предложениях, как это мы могли бы сделать.

Пределы ресурсов

       Естественные законы ограничивают качество технологии, но в пределах этих границ мы будем использовать воспроизводящиеся ассемблеры, чтобы делать более совершенные космические корабли. С помощью них мы откроем космос в ширину и глубину. Сегодня Земля начала казаться маленькой, порождая опасения, что мы можем истощить ее ресурсы. Однако энергия, которую мы использовали, равняется меньше, чем 1/10 000 солнечной энергии, падающей на Землю. Мы беспокоимся не об обеспечении энергией как таковой, а о поставке газа и нефти подходящего качества. Наши шахты просто изрыли поверхность земного шара. Мы заботимся не о самом количестве ресурсов, а о их пригодности и стоимости. Когда мы разработаем не создающие загрязнения наномашины для сбора солнечной энергии и ресурсов, Земля станет способной поддерживать цивилизацию, намного большую и более богатую, чем когда-либо кто-либо видел до этого, однако причиняя меньше вреда, чем мы делаем сегодня.

        Потенциал ресурсов Земли, который мы сейчас используем, кажется сравнительно незначительным. Однако Земля - не более чем маленькое пятнышко. Осколки астероидов, оставшиеся со времен образования планет, обеспечат достаточно материалов, чтобы воспроизвести тысячу раз площадь земной поверхности. Солнце заливает Солнечную систему в миллиард раз большей энергией, чем доходит до Земли.

       Ресурсы солнечной системы действительно обширны по сравнению с ресурсами Земли, кажущимися незначительными. Однако солнечная система -не более, чем маленькое пятнышко. Звезды, которых бездна на ночном небе, - это солнца, и человеческий глаз может видеть только ближайшие. Наша галактика содержит сотни миллиардов солнц, и многие, вне сомнения, изливают свой свет на мертвые планеты и астероиды, ожидающие прикосновения жизни. В свою очередь, ресурсы Галактики безграничны по сравнению с ресурсами даже нашей солнечной системы. Однако наша Галактика тоже не более, чем пятнышко. Свет, возраст которого старше, чем человеческий род, показывает Галактики вне нашей. Видимая Вселенная содержит сотни миллиардов Галактик, и каждая - рой из миллиардов Солнц.

       Ресурсы видимой Вселенной делают даже нашу Галактику кажущейся незначительной в сравнении. На этом мы достигаем границ знания, если не ресурсов. Солнечная система кажется ответом достаточным для земных пределов - и если остальная часть Вселенной останется невостребованной другими, то наши шансы на экспансию готовы перепугать разум несколько раз подряд. Значит ли это, что воспроизводящиеся ассемблеры и дешевые космические корабли положат конец нашему беспокойству о ресурсах? В каком-то смысле открытие космоса взорвет наши пределы росту, так как мы не знаем конца вселенной. Тем не менее Мальтус был по сути прав.