Текст книги "Мегатех. Технологии и общество 2050 года в прогнозах ученых и писателей"

Сегодня на дорогах иногда уже можно встретить автомобили с автопилотом. Существуют два конкурирующих подхода: внедрение этих функций как вспомогательных для водителя-человека или же создание полностью беспилотного автомобиля. Последние, например, можно было бы использовать в качестве такси в центрах городов, а вызывать их можно было бы при помощи мобильного приложения. Кроме того, уже разрабатываются беспилотные грузовики.

Существует много исторических параллелей, связанных с появлением автомобиля: опасения по поводу безопасности, расплывчатость соответствующего законодательства, определение виновного при несчастных случаях, а также страх потерять работу из-за внедрения новой технологии. Автомобиль изменил существовавшую туристическую инфраструктуру, выстроенную вокруг лошадей с каретами и связанных с ними профессий. Но он также создал новые рабочие места для механиков, водителей и иных служащих в придорожных станциях технического обслуживания, ресторанах и мотелях. Он стимулировал торговлю в целом, значительно упростив путешествия. Переход к беспилотным автомобилям, которого так боятся водители грузовиков и таксисты, приведет к аналогичным смещениям на рынке труда, но также обеспечит важные преимущества в долгосрочной перспективе.

Моделирование показывает, что благодаря беспилотным такси количество транспортных средств в типичном городе уменьшится на 90 %. Большинству людей автомобиль окажется не нужен, и отводящиеся сейчас под парковку территории (до 20 % площади некоторых городов в США) можно будет использовать для строительства жилья или парков. Беспилотные автомобили могут быть электрическими, что уменьшит выбросы в атмосферу, приводящие к изменению климата. Снижая стоимость доставки, транспортные средства без водителя помогут значительно повысить спрос на местную продукцию. Снизится количество автокатастроф и погибших. Привычные нам автомобили изменили облик города XX века. История и современные тенденции позволяют предположить, что машины с автопилотом могли бы сделать подобное и в XXI веке.

В целом научной фантастике не удалось предвидеть эту перемену. Конечно, для целей повествования более предпочтительны автомобили, управляемые живыми людьми. Но в будущем, скорее всего, это будет исключением, а не правилом.

В последние годы наибольшего прогресса в космической технологии достигли не государственные космические агентства, а частные компании, например SpaceX, основанная Илоном Маском. Последняя стала пионером в использовании технологии многоразовых ракет, успешно сажая первые ступени своих ракет «Falcon 9» на наземные посадочные площадки и дрейфующие в океане беспилотные платформы. Это очень важно, поскольку первая ступень ракеты – это около 70 % ее стоимости, и обычно после запуска она тонет в море. Таким образом, восстановление и повторное использование этой системы может значительно снизить стоимость запусков и, следовательно, доступа в космос. (Конкурирующая компания Blue Origin, основанная хозяином Amazon Джеффом Безосом, также осуществила запуск и повторное использование небольших суборбитальных ракетных ступеней.) В настоящее время ракеты SpaceX отправляют на орбиту спутники и доставляют грузы на Международную космическую станцию. Однако Маск не скрывает свою долгосрочную цель: создать колонию на Марсе как страховку от катастрофы, грозящей человечеству на Земле.

В научной фантастике, посвященной колонизации Солнечной системы, подробно описываются сложность создания человеческой колонии на Марсе и вероятные политические конфликты, которые могут возникнуть как внутри поселения, так и между Землей и Марсом. Кое-где уже начались дискуссии о том, какие политические и правовые системы следует ввести на Марсе и в других колониях. Но история тоже может быть весьма информативной.

Очевидна аналогия с созданием британскими поселенцами колоний в Америке и их последующей борьбой за независимость. Стоит изучить и другие параллели. Например, в эпоху освоения Арктики и Антарктики частные экспедиции в целом оказывались успешнее, чем финансировавшиеся государством, и количество жертв в них было меньше. История золотой лихорадки может пролить свет на предполагаемые схемы добычи ископаемых на астероидах. Но, пожалуй, наиболее яркую аналогию можно увидеть в развитии авиации.

В начале XX века считалось невозможным создать летательный аппарат, который был бы тяжелее воздуха. Едва появились доказательства обратного, это объявили опасным. Затем, начиная с 1930-х годов, начала развиваться индустрия авиаперевозок, первоначально обслуживавшая только богатых людей. К концу же века перелеты стали широко доступными и теперь считаются вполне заурядным делом. Учитывая нынешние темпы прогресса, вполне можно предположить, что космическая индустрия в XXI веке может пойти аналогичным путем – от безумия к обыденности. И будущие поколения, оглянувшись на первые два десятилетия нынешнего века, увидят эпоху, когда после фальстарта космической гонки в период холодной войны космические полеты станут неотъемлемой частью повседневной жизни.

Семейство методов генетического модифицирования под названием CRISPR вызывает серьезное беспокойство как ученых, так и обычных людей. По сути CRISPR является генетическим эквивалентом функции замены текста в редакторе Microsoft Word: эта методика позволяет обнаруживать и модифицировать конкретные генетические последовательности с большей точностью, чем когда-либо ранее. Она имеет огромный терапевтический потенциал. Например, можно изменять эмбрионы с целью удаления генов, вызывающих наследственные заболевания, и люди, рожденные из таких эмбрионов, не передадут эти болезни своим потомкам. Но генетическая терапия так же легко может перерасти и в генетическое улучшение (зрения, интеллекта и т. д.), повышая перспективу рождения «дизайнерских младенцев». В настоящее время ведутся дискуссии о том, как законодательно лучше всего регулировать использование подобных технологий.

Авторы научной фантастики уже рассматривали возможности использования таких технологий. Если омолаживающие методики дадут возможность жить сотни лет, будут ли они доступны всем или только самым богатым? Следует ли позволять людям изменять свое тело, добавляя к нему крылья, жабры или плавники? Имеет ли смысл вместо терраформирования других планет (изменения их климатических условий, чтобы сделать их пригодными для жизни людей) модифицировать человека, чтобы он мог жить в самых разных условиях? Идея, что трансгуманизм может разделить человечество на несколько видов, давно уже является общим местом научной фантастики. Некоторые люди, возможно, согласятся пересадить свой мозг в тело робота, тогда как другие предпочтут изменить себя, приняв негуманоидную форму.

В ближайшее время следует ожидать дебатов по поводу доступа к генетической терапии. Они будут перекликаться с историческими доводами о расширении доступа к вакцинам и лечению ВИЧ/СПИДа. Аргументы о генетической модификации самого себя и о том, в какой степени люди имеют право самостоятельно решать вопросы, связанные с их собственным телом, могут рассматриваться в качестве продолжения текущих споров о реализации права на смерть как услуги, оказываемой врачом. В течение прошлого столетия права человека были расширены во многих областях и в следующем веке эта тема, скорее всего, станет предметом для серьезных баталий.

Это всего лишь четыре области, в которых современные тенденции, исторические примеры и фантастика предполагают наличие большого потенциала для прогресса в ближайшие несколько десятилетий и связанных с этим потрясений. В совокупности тут можно провести широкую аналогию с научно-технической революцией середины XVII века, периодом, когда новые инструменты и технологии (в частности, микроскоп и телескоп) были соединены с новыми научными и математическими методами. Натурфилософы (термин «ученый» появился только в XIX веке) понимали степень своей неосведомленности в ряде областей – от физики до биологии, – и результатом этого стал плодотворный период открытий и изобретений.

Нынешнее состояние науки и техники во многом напоминает тот период. Например, очевидно, что современное понимание принципов генетики или искусственного интеллекта находится на зачаточном уровне, и для их полноценного изучения требуются десятилетия упорной работы. Современные методы обработки информации, такие как большие данные и системы машинного обучения, подобно прогрессу в математической теории XVII века, помогают ученым в самых разных областях.

Огромный потенциал для взаимного обогащения существует и у ранее не связанных областей. Скажем, генетика превратила биологию и медицину в информационные науки. Растет объем двустороннего обмена данными между неврологией и наукой о строении мозга с одной стороны, и информатикой и наукой о построении искусственных нейронных сетей – с другой.

В чем-то скорость прогресса является просто беспрецедентной, а в иных аспектах она уже кажется привычной. Возникают новые области исследований и новые инструменты, с помощью которых они будут изучаться. В воображаемом будущем XXI века два писателя-фантаста – Ким Стенли Робинсон и Чарльз Стросс – даже дали этой развивающейся научно-технической революции название «аччелерандо».

Конечно, предсказать, каким именно окажется будущее, невозможно. Но если знать, на что обращать внимание, можно сделать вполне обоснованные предположения.

2. Физические основы будущей технологии

Фрэнк Вильчек

Достижения фундаментальной физики качественно изменили ее взаимоотношения с технологиями. Надежный фундамент позволяет четко видеть как ограничения, так и возможности. Перед нами открываются не только блестящие перспективы, но и опасности.

Фундаментальная физика одновременно сдерживает и развивает технологии. В принципе, это очевидная истина: большая часть технологий воплощена в жизнь в виде машин и структур, которые, будучи физическими объектами, подчиняются законам физики. Однако на протяжении большей части истории почти все области техники были довольно слабо связаны с фундаментальной наукой. Рассмотрим, например, некоторые наиболее яркие моменты использования технологий римлянами – их великолепные дороги, акведуки и Колизей. Согласно книге «De Architectura», написанной в I веке до н. э., технология, на которую опираются эти технические чудеса, основана на опыте, накапливавшемся в течение очень долгих лет. Последний и породил ряд эмпирических правил. Например, найдены подробные инструкции по выбору и подготовке строительных материалов, в некотором роде предвосхищающих современные композиты. При этом не нашлось ничего такого, что можно было бы признать систематизированной наукой – материаловедением. Точно так же центральный элемент римского строительства – арка – представлен в виде шаблона, а не как математически выверенное решение проблемы распределения нагрузки и напряжений. Причем этот шаблон, основанный на сегментах круга, не оптимален.

Сегодня связь между фундаментальной физикой и технологией гораздо более тесная. Примечательно, что современные микроэлектроника и телекоммуникация поддерживают обработку и передачу информации со скоростью, всего несколько десятилетий назад казавшейся совершенно фантастической. Эти технологии, предоставляющие массу интереснейших возможностей, были бы невозможны без глубокого, надежного понимания квантовой теории материи и света (включая радио-, микро– и остальные волны электромагнитного спектра). Без нее невозможны никакие новаторские разработки.

В этом кратком обзоре я намерен исследовать нынешнее состояние фундаментальной физики в той мере, в которой оно актуально для развития технологий, могущих возникнуть в течение последующих 50 лет. Я также рассмотрю будущие направления их развития и открывающиеся возможности.

Позвольте мне начать с главного утверждения, которое я буду потом и объяснять, и отстаивать.

Сегодня у нас уже есть точные и полные уравнения, способные лечь в основу ядерной физики, материаловедения, химии и любых важных направлений инженерного дела.

Таким образом, решив соответствующие уравнения, во всех этих областях мы могли бы заменить эксперименты расчетами. Это – качественно новая ситуация в истории человечества, возникшая в XX веке в первую очередь благодаря впечатляющим достижениям в области квантовой механики.

Чтобы получить более ясное представление об этом, следует вернуться в прошлое.

В начале XX века фундаментальная физика еще не могла учесть множество основополагающих и чрезвычайно важных свойств природы. Химики эмпирически пришли к периодической таблице элементов. Они также создали детализированную картину геометрии молекул – в частности, кольцевую структуру бензола и других органических веществ – и успешно использовали ее для разработки новых молекул и реакций. Но известные тогда законы физики не объясняли существование стабильных атомов, не говоря уж об их свойствах или формировании химических связей. Аналогичным образом с законами фундаментальной физики не связывались и основные свойства материалов, такие как электропроводность, прочность и цвет. Ничего не было известно о Солнце как об источнике энергии, а скорость охлаждения светила, рассчитанная лордом Кельвином, была слишком высокой, чтобы соответствовать эволюционной теории Чарлза Дарвина. Открытым оставался вопрос, могли ли основные явления жизни (метаболизм и размножение) и мысли (познание) возникнуть вследствие обычного поведения физической материи, или для этого потребовались дополнительные «жизненно важные» ингредиенты.

За несколько десятилетий все эти проблемы были убедительно решены, для чего понадобилась не прямая атака, а продуманное применение стратегии Исаака Ньютона, носящей название «анализ и синтез» – метода, на который сегодня часто навешивают полупрезрительный ярлык «редукционизм». Согласно этой стратегии, сначала мы добиваемся глубокого понимания свойств и взаимодействия основных элементов (анализ), а затем используем это понимание для математического вычисления свойств более сложных конструкций (синтез).

Оглядываясь назад, в качестве ключевых можно выделить два события на границе начала XX века. Первое – открытие Дж. Дж. Томсоном в 1897 году важного компонента материи – электрона. У него есть отличительные свойства, одинаковые для всех электронов в любом месте и в любое время. В этом отношении они являются архетипическими «элементарными частицами». Поскольку электроны идеально подчиняются простым уравнениям, они и сегодня рассматриваются как элементарные частицы. Их роль в химии и, конечно же, в электронике сложно переоценить.

Другим событием стало открытие Максом Планком в 1900 году неразложимой единицы или кванта действия – постоянной Планка h (технически действие = энергия × время). Ученый использовал эту постоянную в ходе сложной для понимания дискуссии о термодинамике излучения и оперировал ею исключительно в этом контексте. И лишь Альберт Эйнштейн в 1905 году интерпретировал постоянную Планка, чтобы показать: свет движется в виде потока неразрушимых частиц, которые мы сегодня называем фотонами. Фотон – вторая элементарная частица. Важным философским следствием идей Планка – Эйнштейна является облегчение понимания разницы между светом (состоящим из элементарных частиц) и другими видами материи (также состоящими из частиц). Эти идеи выдержали испытание временем. В дальнейшем под словом «материя» я буду подразумевать все ее виды, включая свет.

Следующим значительным шагом стало получение физически обоснованной модели атомов. Это произошло в 1911–1913 годах. Процесс включал в себя как экспериментальные, так и теоретические компоненты. В 1911 году Ханс Гейгер и Эрнест Марсден по предложению Эрнеста Резерфорда изучали отклонение быстро движущихся альфа-частиц золотой фольгой. Резерфорд изучал неожиданную способность золота вызывать значительные изменения траекторий частиц. Все указывало на то, что весь положительный электрический заряд и почти вся масса атома золота сосредоточены в крошечном ядре, занимающем примерно миллионную долю от миллиардной части объема атома. Резерфорд предположил, что электрические силы связывают электроны с ядром, образуя атом. Но эту правдоподобную картину нельзя было примирить с известными тогда законами физики. Не было известно ничего, что могло бы предотвратить падение электрона на ядро по спирали. В 1913 году Нильс Бор предположил возможность существования лишь очень ограниченного класса орбит, что вопиюще противоречило ньютоновской картине мира. Критерий Бора, определяющий эти орбиты, включал в описание электронов константу Планка, до тех пор применявшуюся только к фотонам.

Модель Бора была невероятно смелой и простой, а в применении к водороду настолько поразительно успешной, что Эйнштейн даже назвал ее «высшей формой музыкальности в сфере мысли». Тем не менее она не была сформулирована в виде уравнений, что позволило бы применить ее к другим задачам. Поскольку его гипотезы противоречили принципам макроскопической (ньютоновской) механики, было совершенно непонятно, как облечь теорию Бора в математически непротиворечивые и широко применимые уравнения.

Упорные усилия нескольких физиков позволили внести важный вклад в решение этой проблемы. Предельно упрощая картину для нужд настоящего обзора, я хотел бы ограничиться сообщением, что в 1925 году Вернер Гейзенберг получил логичные и непротиворечивые уравнения для электронов, описывающие их как частицы. В 1926 году Эрвин Шредингер получил логичные и непротиворечивые уравнения для электронов, описывающие их в виде волн. Поначалу связь между этими работами была неочевидной, но Поль Дирак – также в 1926 году – показал, что она имеет место, что их следствия математически эквивалентны и оба уравнения могли бы быть получены из общей отправной точки. Математика Дирака может включать и электроны, и фотоны. Его теория взаимодействия электронов и света – квантовая электродинамика (КЭД) – успешно охватывала столь широкий спектр явлений, что уже в 1929 году ученый утверждал:

– Таким образом, полностью известны основные физические законы, необходимые для создания математической теории большей части физики и всей химии. Трудность только в том, что точное применение этих законов приводит к уравнениям, которые слишком сложны, чтобы быть решаемыми.

Из этого утверждения вытекает и наше заявление.

В 1940-х годах эксперименты в атомной физике стали настолько точными, что для тщательной проверки теории потребовались новые, более строгие методы решения основных уравнений КЭД. И таковые, разработанные Джулианом Швингером, Ричардом Фейнманом, Синъитиро Томонагой и Фрименом Дайсоном, показали: КЭД описывает поведение электронов в широком диапазоне состояний (включая все те, которые имеют отношение к химии и инженерному делу) – и с точностью, большей, чем несколько частиц на миллиард.

С внешними частями атомов все стало понятно, но их ядра остались загадкой. В 1970-х годах возникла теория субъядерных сил так называемых сильного и слабого взаимодействия. Будучи тщательно проверенной в 1990-х, она завершила создание «эффективной теории» материи, которую мы используем сегодня. Теперь давайте перейдем от рассказа к описанию.

Не-физики часто с ошеломлением реагируют на то, как физики говорят о «простоте» своих фундаментальных теорий. Ведь на практике их понимает лишь очень небольшая часть человечества, и для этого требуются годы обучения и усердных размышлений. Тем не менее есть точное и принципиальное определение такой простоты.

Уравнения фундаментальной физики можно описать с помощью короткой программы. Следуя ее указаниям, компьютер будет в состоянии (при наличии достаточного времени) однозначно определить все последующие состояния описываемой ими системы.

Насколько я знаю, никто пока не написал такую программу, хотя это было бы интересным упражнением. Полагаю, на таком высокоуровневом компьютерном языке, как Mathematica, для этого потребуется не более нескольких сотен строк кода. (Пожалуйста, обратите внимание на то, что эффективное программирование, позволяющее быстро решать уравнения в интересных приложениях, является совсем другой и, вероятно, пока еще не решенной проблемой.)