Книги, научные публикации Pages:     | 1 |   ...   | 5 | 6 | 7 | 8 | 9 |   ...   | 10 |

КОНЦЕПЦИИ СОВРЕМЕННОГО ЕСТЕСТВОЗНАНИЯ Издание девятое, исправленное и дополненное Рекомендовано Министерством образования Российской Федерации качестве для студентов высших учебных заведений ...

-- [ Страница 7 ] --

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 Ч ля знаю, другое Ч ля умею. Вот если ля знаю, то это фундаментальная наука, если ля умею Ч 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.

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 Предоставление необходимой информации Ч одна из важнейших со 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:

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

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

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

Х 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 Ч она может быть стабильной, не нуждаться в принципи Глава 8. 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 счеты. Если раньше подавляющее большинство людей занималось физи ческим трудом, то в 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 Первые машины, выполняющие арифметические операции, появились в XVII в.: в 1642 г. французский математик и физик Блез Паскаль (1623Ч 1662) изоб рел устройство для сложения чисел, а в 1673 г. немец кий ученый Вильгельм Лейбниц (1646Ч сконст руировал арифмометр, производящий четыре ариф метических действия. Изобретение арифмометра Ч важный шаг в развитии вычислительных средств.

Однако производимые с его помощью расчеты требо вали много времени.

Часть НАУЧНЫЕ ОСНОВЫ СОВРЕМЕННЫХ ЭНЕРГЕТИКИ И ЭКОЛОГИИ В первой половине XIX в. сделана первая попытка построить универсальное вычислительное устройство Ч 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 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 (1903Ч 1957). 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.,Ч ЭВМ первого поколения (40-е Ч начало 50-х годов XX в.) базировались на элек тронных лампах. С применением полупроводниковых Глава 8. аспекты технологий приборов второе поколение ЭВМ (середина 50-х Ч начало 60-х годов). В конце 60-х годов появилось третье поколение ЭВМ, основанное на интегральных микросхемах. В 70-е годы разработаны 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 Ч 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 Ч млн оп/с Ч 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), Коровин (р. 1945), Г.И. Савин (р. 1948) и др.

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

Компьютер, самый большой и самый мощный в мире.

Часть ЕСТЕСТВЕННО НАУЧНЫЕ ОСНОВЫ СОВРЕМЕННЫХ ТЕХНОЛОГИЙ, ЭНЕРГЕТИКИ И 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 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 Ч 400 млн долл. состоит из 5120 микропроцессоров, смон тированных в 320 больших шкафах Ч 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 трлн опера ций, то японский гигант достигает скорости свыше Глава 8. Естестественно-научные аспекты ТЕХНОЛОГИЙ 40 трлн оп/с. Кстати, в американском суперкомпьюте больше микропроцессоров Ч 8192, но их работа менее эффективна.

Один из американских специалистов заявил, что японская разработка суперкомпьютера Ч 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 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 между собой компьютеры в одном учебном классе либо в одном учебном учреждении, или в каком то административном районе локальную сеть.

Существует два типа компьютерных сетей. В од ном из них выделяется специальный компьютер (сер вер) для организации работы сети, а в другом Ч 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 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 любое 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 Ч 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 Интернета резко возросли после введения в 1982 г. протокола Ч 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 Ч 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 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 Ч элек тронный почтовый ящик, доступ к которому осуществ ляется по адресу абонента и его паролю.

Интернет обеспечивает доступ ко многим видам информации Ч не выходя дома можно получить Глава 8. 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 Ч промышленные роботы Ч снабжены про стейшими лорганами 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 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 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 линтеллектуальных 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.

Х 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 Ч бумага. Но вот наступил век электроники и принес в повседневную жизнь еще одну новинку Ч ЭВМ Ч 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 сональным компьютерам.

Представляют интерес некоторые цифры, харак теризующие объем информации, накапливаемой чело вечеством. Одна книга среднего формата содержит 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 = По оценке ЮНЕСКО, в мире ежегодно печатается около байт) нового текста (без уче та в том числе газет, издающих ся в разных странах. Ежегодно в мире выпускается примерно 5000 кинофильмов, а всего со времен бра тьев Люмьер, французских изобретателей, создавших в 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 Ч 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 Ч банков ское дело, системы резервирования и реализации авиа и железнодорожных билетов, метеослужба и компью терное производство видеофильмов Ч 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 Ч 340 Мбайт. Этот диск очень удобен для карманных компьютеров и цифро вых фотоаппаратов. На винчестер-малютку можно за писать несколько сотен цветных фотографий, а затем 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 Ч тот или иной накопитель информации, или память. Па мять ХЧ это то, что наделяет ЭВМ интеллектуальными признаками и что существенно отличает ее от других машин и механизмов.

Память человека и память ЭВМ. Память Ч 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,Ч 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 Ч наиболее уни версальным и гибким Ч 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 тельными и большей частью не объясненными пока свойствами. Цицерон считал, что для ясности памяти Глава 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 Ч 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 Ч одна из важней ших в запоминающих устройств большой емкости.

В запоминающих устройствах на подвижном маг нитном носителе, где основное Ч это накопление ин формации, фактором первостепенной важности являет Часть ЕСТЕСТВЕННО НАУЧНЫЕ ОСНОВЫ СОВРЕМЕННЫХ ТЕХНОЛОГИЙ, ЭНЕРГЕТИКИ И ЭКОЛОГИИ ся поверхностная информационная плотность записи, определяемая количеством информации, приходящей ся на 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 Ч 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 мкм поверхностная плотность записи ин формации равна 100 бит/мкм, 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 Ч 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, собньтх устройств, которые можно было бы отнести к промышленным, а не к лабораторным, до пор нет.

В чем же дело? тот же известный диссонанс идей ных концепций и элементной Транзистор, интег ральная схема, элементы, в свое время определявшие лицо вычислительной техники и параметры конкретных ЭВМ, но и идеоло гию научно-технического прогресса. Появился ла зер Ч 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 памятью ситуация, увы, иная.

Используемые в лабораторных разработках ее элемен ты Ч газовые лазеры, разнообразные оптические зат воры и другие ХЧ 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 памяти для промышленного производства еще не создана.

Правда, в последнее 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 оптические элементы заменяются пленочными. Например, тонкопленочные оптические затворы могут переключаться напряжением всего в несколько вольт, при этом время переключения ме нее 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 Ч возможностью эффективного самообучения в ходе решения наиболее сложных задач. По своей суги 28 С. X. Ч КСЕ нейрокомпьютер является имитацией нейронной сети мозга человека.

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

Он может находиться либо в возбужденном, либо в не возбужденном состоянии, которое 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 в большей или меньшей сте пени связан примерно с 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.

Х 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 на таком принципе квантовый компьютер поможет решить мно гие важные задачи, трудно решаемые с помощью тра 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 Ч от квантовых генера торов до микроэлектронных приборов. Видимо, пришел черед и вычислительной техники Ч компьютеры, по строенные на квантовых вычислительных элементах, откроют новые возможности для решения довольно сложных задач вычислительной математики.

Один из важных принципов квантовой механики Ч принцип суперпозиции: если квантовая система может существовать в двух состояниях, то она может нахо диться и в виде их суперпозиции. Математический принцип суперпозиции Ч 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 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 Ч на юг. полу ченные и 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 Ч 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 л1 на правление на север, а за О Ч на юг, то направление намагниченности можно рассматривать квантовый бит, или 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 мандой обработать оба возможных состояния. Два ку бита содержат уже четыре возможных состояния, три Ч восемь и т. д. Добавление в систему каждого нового кубита повышает число содержащихся в ней вариан тов состояний вдвое.

Рассмотренный простейший основанный на двух состояниях, называется спиновым 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 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 Ч больших чисел на про стые сомножители. Для примера достаточно сказать, что разложение числа, работа 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 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 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 был собран двухкубит ный квантовый компьютер, а в 1999 г.Ч трехкубитный.

В декабре 2001 г. продемонстрирован первый резуль тат работы 7-кубитного квантового компьютера. В ка честве использованы спины 5 ядер фтора и 2 ядер 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 молекул, каждая из которых может быть компьютером.

С помощью 7-кубитного квантового компьютера удалось найти простые сомножители числа 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 Ч это использование фотонов, т. е.

частиц (квантов) света с нулевым электрическим заря дом. Фотонный компьютер обладает рядом преиму ществ, 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 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 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 не выпускает инфра красное излучение с длиной волны мкм.

Можно создать и одномерный фотонный кристалл в виде моста Ч световой волновод, по которому инфор мация 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 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. аспекты технологий 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 устройства, в кото рых информация будет обрабатываться электронными логическими а храниться и передаваться в фотонных кристаллах.

Можно ли представить ком пьютер размером с молекулу? А ведь существует он со времени зарождения жизни на Земле. В каждую секун ду в организме делится множество кле ток, причем в головном мозге образуются именно ней роны, а в бицепсах Ч клетки мышечной ткани. Орга низм непрерывно развивается. И управляет этими процессами молекула ДНК Ч созданный природой жи вой компьютер. В нем заложена программа, в которой с помощью набора генов реализуется нужный организ му алгоритм, обусловливающий 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 массу ва риантов, выбрав оптимальный, он сможет. Конечно, сами молекулы ДНК сравнительно малы, а значит, в обычной пробирке Ч 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 Число вариантов в зависимости от городов растет стремительно Ч если для городов возможно всего лишь два маршрута, для трех Ч шесть, то для десяти Ч 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 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 одно важное направление связанное с использова нием вычислительных способностей нейронных сис тем. Человеческий мозг, содержит десятки миллиардов нейронов, связанных в единую Для сравнения отметим: число элементов современной кремниевой интегральной схемы с линиями шириной 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 Ч 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 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. Гибридная цепь Часть 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.

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

Подразумевается и обратная связь Ч 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 ли средства передвижения по земле, в воде и в воздухе Глава 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 Ч приближение глобальной экологической катас трофы, предотвращение которой требует региональных и глобальных мер защиты.

Создание искусственной мультимедийной среды с ее альтернативной реальностью Ч виртуальным ми ром Ч 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 Ч 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 мультиме дийные игры.

Сущность их заключается в создании для играю щего искусственного информационного простран ства Ч 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. и однообразные движения и ритмы усыпляют человека, позволяют лег ко воздействовать на него, 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 жизни людей с ее голодом, холодом, болезнями, войнами, стра 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 лубитым 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.

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

Х 8.5. Микро- и технологии Общие сведения. Характерная особенность совре менного естествознания Ч 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 Ч электроника. В сов ременном представлении электроника Ч 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 Ч мик роэлектроника Ч 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 м), т. е. зарождается наноэлектроника.

микроэлектронные приборы и уст ройства находят широкое применение во многих техни ческих средствах. Достижения в микроэлектронике способствовали созданию космических кораблей и равляемых ядерных реакторов. Современная аудио- и видеоаппаратура с достаточно высоким зву чания и изображения Ч 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 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 Ч 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 Беккерель обнаружил, что при освещении плохого проводника светом возникает электродвижущая сила Ч Так появилась вторая загадка. В 1906 г. немецкий физик Браун (1850Ч 1918) 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.Ч 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 г. американский физик Э. Холл 1938) обнаружил новое явление Ч возникновение Глава 8. аспекты технологий кого поля в пластине золота с током, помещен ной в магнитное поле,Ч 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 Ч четвер тая загадка плохих проводников.

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

Изучая кристаллического детектора, наш соотечественник, выдающийся радиоинженер О. Лосев (1903Ч 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 Ч полупроводник (кристалл цинкита). Однако, хотя открытие О. Лосева и вызвало большой интерес, оно не нашло промышленного вне дрения, так как 30 Ч 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 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 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, его сопротивление. С ростом тем пературы число возбужденных электронов увеличива ется, и как 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 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 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 вторые Ч акцепторными.

конце 30-х годов XX в. трое ученых-физиков Ч академик АН Украины Давыдов 1993), анг лийский Н. Мотт (1905Ч 1996) и немецкий В. Шоттки Ч Ч 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 и электроны в дырочном) играют определяющую роль.

В результате многочисленных экспериментов уда лось изготовить полупроводниковый включа ющий границу перехода между двумя типами проводи мости. 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 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 г. за разработку транзисторов американские физики Д. Бардин (1908- У. Браттейн (1902- 1987) У. Шокли (1910Ч 1989) получили Нобелевскую премию.

Истоки современной 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 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 а затем Ч дрейфовые и сплавные с диффузией.

Самая первая модификация транзистора Ч 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 Ч базы. Будучи своеобразной заслонкой, либо спо собствовала, либо препятствовала потоку 29 С. X. Ч КСЕ Часть ЕСТЕСТВЕННО НАУЧНЫЕ ОСНОВЫ СОВРЕМЕННЫХ ТЕХНОЛОГИЙ, ЭНЕРГЕТИКИ ЭКОЛОГИИ В г. американский инженер Г. Кремер изобрел и запатентовал транзистор, состоя щий из нескольких слоев полупроводникового соединения галлия с различными присадками.

Такой транзистор отличался от биполярного гораздо более высоким быстродействием. Позднее тот же автор предложил идею 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 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 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 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 Телеснина (1905Ч 1985). Эти первые работы послужили активным началом для многих направлений исследования физических свойств тонкопленочных ферромагнит ных материалов.

При создании современной электронной аппара туры различного назначения Ч от аудио- и видеоап паратуры до сложнейших компьютерных, космичес ких и других систем Ч 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 мкм и массой менее мг, контролировать биото ки в живых тканях и регистрировать сверхбольшие токи Ч 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 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 мяти составляло а в 2000 г.Ч 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.

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

Тенденция к интегральных схем Ч от больших (БИС) в 70-х годах до ультрабольших (УБИС) в 90-х годах XX в. и гигантских (ГИС) после 2000 г.Ч 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 основывалась на удалении лишнего материала из заготовки подобно тому, как скульптор удаляет куски мрамора, создавая задуман ный образ. На смену ей постепенно приходит 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 управляемой имплантации и т. п. Использо вание лучевых методов (электронно-лучевого, лучевого, рентгеновского) позволяет получать эле менты с размерами до 10 Ч 25 нм. Переход в нанометровый диапазон требует решения фундамен тальных вопросов, связанных с новыми физически ми принципами работы приборов и ограничениями, свойственными процессам. В 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 Ч 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. 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 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 мкм2, содержащий логических элементов, элементов памяти и способный работать на частоте Гц.

Рис. 8.3. Формирование Х 8.6. Лазерные технологии Особенности лазерного излучения и разновиднос ти лазеров. Лазер Ч это слово появилось в середине прошлого столетия. Сначала оно было известно только узкому кругу специалистов-физиков. Популярность его постепенно росла. А в время очень многие просто слышали о лазере, но и знают о его больших реализованных и возможностях. В то же время чаще всего неспециалистов лазер вряд ли вы зывает положительные эмоции. Лазер? Ничего интерес ного: трубка в корпусе, иногда даже непривлекатель ном, из которой выходит тоненький луч Ч 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 перспективному направ лению Ч нелинейной оптике, охватывающей исследо вания распространения мощных световых пучков в твердых телах, жидкостях и газах и их взаимодействия с Лазеры породили новые технологии с уникальными возможностями. Для многих лазер Ч 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 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 Ч около 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 ся в яркую радугу-спектр, а одноцветный, монохрома 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 Ч 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 Ч оптические диски вмещают громадное количество информации Ч сотни мегабайт.

В-третьих, лазер Ч самый мощный источник света.

В узком интервале спектра кратковременно достигается мощность излучения 1013 Вт с одно го квадратного сантиметра, в то время как мощность излучения Солнца с той же равна только 7 Х причем суммарно по всему спектру.

Названные удивительные свойства лазерного из лучения придали новое 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 Ч это целая техническая эпоха.

В 1960 г. Т. Мейман (США) создал первый лазер Ч 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 импульсных лазеров может достигать более 10 млн вспышек в секунду. Излучение таких лазеров воспринимается как непрерывное.

Вспышка импульсного лазера имеет огромную мощ ность Ч тысячи ватт. Излучение, сфокусированное в крошечное пятно, можно применять для многих 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 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, ла зерный луч мощностью 150 Ч 200 кВт. И это мощность не отдельной вспышки, а постоянного, устойчивого луча, сияющего, пока у лазера не кончится Не. только газовые, но и полупроводниковые лазе ры дают непрерывное излучение. Полупроводниковый лазер создал в 1962 г. ученый Р. Холл.

На нем основана оптическая запись, о которой знают многие 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 Ч 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 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 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 Ч 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 Ч 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 нести свой сигнал. По одному волокну Ч стеклянной нити чуть толще волоса Ч 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 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 лазерная химия, лазер ное воздействие на живую ткань, лазерная спектроско пия, лазерная связь и многие другие. Лазерный луч режет, сваривает, закаливает, сверлит, каче Часть IV. ЕСТЕСТВЕННОНАУЧНЫЕ ОСНОВЫ СОВРЕМЕННЫХ 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 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 Ч 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 Ч 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 Ч чело веческий мозг. Орудовать там скальпелем Ч все рав но что чинить часы топором. Современная техника предложила инструмент, сочетающий в себе очень многое, что необходимо хирургу,Ч световой луч.

быть прикосновения луча све 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 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 Ч 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 Ч 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 Ч 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 Ч 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 Ч 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 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 сотен микробов), затем голограмму эталона, потом Ч экран.

Будем менять диапозитивы: первый, второй, третий Ч 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 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 небольшому кусочку. Такое изображение, восстановлен ное по фрагменту, называется фантомным (от француз ского слова, означающего привидение, призрак).

Лазер Ч 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 которые в руках пытливых естествоиспытателей превратятся в новые дела.

Х 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 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 Ч в I в. н. э.Ч там же 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 гипотеза о полете человека на Луну с помощью крыльев.

В средние века в Китае создана первая пороховая ракета. В г, итальянец Муратори сделал описание ракеты и впервые ввел в употребление итальянское сло во ракета. В фундаментальном труде известного уче ного Даниила Бернулли (1700Ч 1782) Гидродинамика, написанном в 1738 г. в Петербурге, содержится теория реактивного движения для судов. Французский писатель Жюль Берн (1828Ч1905) в своем ком романе С Земли на Луну 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 Ч получил патент на реактивный самолет, а через четыре года русский инженер Н.И. Кибальчич Ч 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 В первой половине XX в. разработаны ракеты раз ных модификаций и произведен их запуск. Существен ный вклад в ракетно-космической техники внесли российские ученые Королев (1906/07 Ч 1974), В.П. Глушко (1908- Пилюгин (1908 Ч 1982), Раушенбах В.Ф. Уткин (1923 2000) и другие, а также немецкий ученый В. фон Браун (1912Ч1977), под чьим руководством разработаны в США ракеты-носители серии Сатурн.

Началом космической эры принято считать тября г., когда в СССР был выведен на орбиту пер вый в мире искусственный спутник Земли. Через не сколько лет, а именно 12 апреля г., наш соотече ственник космонавт Ю.А. Гагарин (1934Ч1968) впервые в истории человечества полет в космос на космическом корабле Восток. при мерно восемь лет произошло еще одно важное собы тие: американский пилотируемый корабль Аполлон Ч 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.

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 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 30 С. X. Ч КСЕ влекают значительную часть высококвалифицирован ных научно-технических работников от решения дру гих более важных задач. Все это дает основания по оценивать целесообразность космических ис следований. Известный немецкий физик Макс Борн (1882Ч 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 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 Ч совокупность методов и опе 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 Ч гормональные препараты и соединения, стимулирующие иммунитет.

Для 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 продукта Ч целлюлозы Ч и нейтрализацию образующейся глюко зы с введением солей. Полученный раствор глюкозы представляет собой питательный субстрат микроорга низмов Ч дрожжевых грибков. В результате их жизне деятельности образуется светло-коричневый поро шок Ч 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 т неочищенного мазута можно полу чить 10 т дрожжевой биомассы, содержащей 5 чисто го белка и 90 т дизельного топлива. Столько же дрожжей производится из 50 т сухой древесины или тыс. м природного газа. Для производства данного количества белка потребовалось бы стадо коров из 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 скот.

Одна тонна пищевых дрожжей позволяет получить около 800 кг свинины, 1,5 2,5 т птицы или 15 Ч 30 тыс.

яиц и сэкономить при этом до 5 т зерна.

30' Некоторые виды биотехнологий включают процес сы брожения. Спиртовое брожение было известно еще в каменном веке Ч в древнем Вавилоне варили около 20 сортов нива. Много столетий назад началось массо вое производство алкогольных напитков. Еще одно важное достижение в микробиологии Ч 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 область их применения в биотехнологии. Появилась возможность производить множество ферментов при сравнительно невысокой их себестоимости. Под воз действием искусственных 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. 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 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 орга низмов.

Генные технологии основаны 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 Ч видоизменить ДНК, закодировав ее для белка с задан ными свойствами. 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 а они, в свою очередь,Ч к синтезу, т. е. к конструированию новых, генетически модифицированных микроорганизмов.

К настоящему времени установлены 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.

Клонирование эукариотных (ядерных) генов в микробах и есть тот принципиальный метод, который привел к бурному развитию микробиологии. Фрагмен ты геномов животных и растений для их анализа кло нируют именно в микроорганизмах. Для этого в каче стве молекулярных векторов Ч переносчиков генов Ч используют искусственно созданные плазмиды, а так же множество других молекулярных образований для выделения и клонирования.

С помощью молекулярных проб (фрагментов ДНК с определенной последовательностью нуклеотидов) можно определять, скажем, заражена ли донорская кровь вирусом СПИДа. А генные технологии для иден тификации некоторых микробов позволяют следить за их распространением, например, внутри больницы или при эпидемиях.

Генные технологии производства вакцин развиваются в двух основных направлениях. Первое уже существующих вакцин и создание комбинированной вакцины, т. е. состоящей из нескольких вакцин. Второе направление Ч получение вакцин против болезней:

СПИДа, малярии, язвенной болезни желудка и др.

За последние годы генные технологии значитель но улучшили эффективность традиционных штаммов продуцентов. Например, у грибного штамма-продуцен та антибиотика цефалоспорина увеличили число генов, кодирующих активность которой задает скорость синтеза цефалоспорина. В итоге выработка антибиотика возросла на 15 Ч 40%.

Проводится целенаправленная работа по генетичес кой модификации свойств микробов, используемых в производстве хлеба, сыроварении, молочной промыш ленности, пивоварении и виноделии, чтобы увеличить устойчивость производственных штаммов, повысить их конкурентоспособность по отношению к вредным бак териям и улучшить качество продукта.

Генетически модифицированные микробы прино сят пользу в борьбе с вредными вирусами, микробами и насекомыми. Вот примеры. В результате модификации тех или иных растений можно повысить их устойчи вость к инфекционным болезням. Так, в Китае устойчи вые к вирусам табак, томаты и сладкий перец выращи вают уже на больших площадях. Известны трансгенные томаты, устойчивые к бактериальной инфекции, карто фель и кукуруза, устойчивые к грибкам.

В настоящее время трансгенные растения про мышленно выращиваются в США, Аргентине, Канаде, Австрии, Китае, Испании, Франции и других странах.

С каждым годом увеличиваются площади под трансген ными растениями (рис. 8.5, стр. 472). Особенно важно использовать трансгенные растения в странах Азии и Африки, где наиболее велики потери урожая от сорня ков, болезней и вредителей и в то же время больше всего не хватает продовольствия.

Не приведет ли широкое внедрение в практику генных технологий к появлению еще не известных эпидемиологам заболеваний и других нежелательных последствий? Практика показывает, что генные техно логии с начала их развития по сей день, т. е. в течение более 30 лет, не принесли ни одного отрицательного последствия. Более того, оказалось, что все рекомби нантные микроорганизмы, как правило, менее виру лентны, т. е. менее болезнетворны, чем их формы. Однако биологические феномены таковы, что о них никогда нельзя с уверенностью сказать: этого никогда не случится. Более правильно говорить так:

вероятность того, что это случится, очень мала. И тут, как безусловно положительное, важно отметить, что все виды работ с микроорганизмами строго тированы, и цель такой регламентации Ч уменьшить 39, Площади пол считая Китая) Среди выращиваемых трансгенных растений доля устойчивых к гербицидам составляет 71% устойчивых к вредителям Ч 22%, устойчивость к гербицидам и вредителям Ч 7% Основные культуры трансгенных растений (посевы в 1999 г.):

соя Ч 54%, кукуруза Ч хлопок Ч Ч 9%, картофель Рис. 8.5. растения сегодня вероятность распространения инфекционных агентов.

Трансгенные штаммы не должны содержать генов, которые после их переноса в другие бактерии могут дать опасный эффект.

Х 8.10. Проблема клонирования Родился ягненок, генетически неотличимый от особи, давшей соматическую клетку. Может быть, со матическая клетка человека способна породить новый полноценный организм? Клонирование человека Ч это Глава аспекты технологий шанс иметь детей для тех, кто страдает бесплодием;

это банки клеток и тканей, запасные органы взамен тех, что приходят в негодность;

наконец, это возможность передать потомству не половину своих генов, а весь геном Ч воспроизвести ребенка, будет копией одного из родителей. Вместе с тем остается вопрос о правовом и нравственном аспекте таких воз можностей. Подобными аргументами в 1997Ч 1998 гг.

были переполнены различные источники массовой ин формации во многих странах.

По принятому в науке определению, клонирова ние Ч это точное воспроизведение того или иного живого объекта в каком-то количестве копий. Воспро изведенные копии обладают идентичной наследствен ной информацией, т. е. имеют одинаковый набор генов.

В ряде случаев клонирование живого организма не вызывает особого удивления и относится к отработан ной процедуре, хотя и не такой уж простой. Генетики получают клоны, когда используемые ими объекты размножаются посредством партеногенеза Ч беспо лым путем, без предшествующего оплодотворения.

Естественно, те особи, которые развиваются из той или иной исходной половой клетки, будут в генетическом отношении одинаковыми и могут составить клон. В на шей стране работы по подобному клониро ванию выполняют на шелкопряде. клоны шелкопряда отличаются высокой продуктивностью по выработке шелка и славятся на весь мир.

Однако речь идет о другом клонировании Ч о по лучении точных копий, например, коровы с рекордным надоем молока или гениального человека. Вот при та ком клонировании и возникают весьма и весьма боль шие Еще в далекие 40-е годы XX в. российский эмбри олог Г.В. Лопашов разработал метод пересадки (транс плантации) ядер в яйцеклетку лягушки. В июне г.

он отправил в Журнал общей биологии статью, на писанную по материалам экспериментов. Одна ко, на его беду, в августе 1948 г. состоялась печально известная сессия ВАСХНИЛ, по воле партии утвердив шая беспредельное господство в биологии агронома Т.Д. Лысенко, создателя псевдонаучного учения, и на бор статьи Лопашова, принятой к печати, был рассы- т/и пан, поскольку она доказывала ведущую роль ядра и содержащихся в нем хромосом в индивидуальном раз витии организмов. Эту работу забыли, а в 50-е годы XX в. американские эмбриологи Бриггс и Кинг выпол нили сходные опыты, достался им, как это иногда случалось в истории российской науки.

В феврале г. сообщалось о том, что в лабора тории шотландского Яна Вильмута в Рослин ском институте (Эдинбург) разработан эффективный метод клонирования млекопитающих, и на его осно ве родилась овца Долли. доступным языком, овца Долли не имеет отца Ч ей дала начало клетка матери, содержащая двойной набор генов. Известно, соматические клетки взрослых организмов содержат полный набор генов, а половые клетки Ч только половину. При зачатии обе половины Ч отцовская и материнская Ч соединяются и рождается новый организм.

Как же производился опыт в лаборатории Яна Вильмута? Сначала выделялись ооциты, т. е. яйцеклет ки. Их извлекли из овцы породы Шотландская черно мордая, затем поместили в искусственную питатель ную среду с добавлением эмбриональной телячьей сыворотки при температуре 37 С и провели операцию энуклеации Ч удаления собственных ядер. Следующая операция заключалась в обеспечении яйцеклетки ге нетической информацией от организма, который над лежало клонировать. Для этого наиболее удобными оказались диплоидные клетки донора, т. е. клетки, не сущие полный генетический набор, которые были взя ты из молочной железы взрослой беременной овцы. Из 236 опытов успешным оказался лишь один Ч и роди лась овечка Долли, генетический материал взрослой овцы. После этого в различных средствах информации стала обсуждаться проблема клонирова ния человека.

Некоторые ученые считают, что практически не возможно возвратить изменившиеся ядра соматичес ких клеток в исходное состояние, и при этом обеспе чить нормальное развитие той яйцеклетки, в которую их трансплантировали, и на выходе дать точную копию донора. Но даже если все проблемы удастся решить и трудности преодолеть (хотя это маловероятно), кло нирование человека нельзя считать научно обоснован ным. Действительно, допустим, что трансплантирова ли развивающиеся с чужеродными донор скими ядрами нескольким тысячам приемных матерей.

нескольким тысячам: процент выхода низкий, а повысить его, скорее всего, не удастся. И все это для того, чтобы получить хотя бы одну единственную рож денную живую копию какого-то человека, пусть даже гения. А что будет с остальными зародышами? Ведь большая их часть погибнет в утробе матери или разо вьется в уродов. Представляете себе Ч тысячи искус ственно полученных уродов! Это было бы преступле нием, поэтому вполне естественно ожидать принятия закона, запрещающего такого рода исследования как в высшей степени безнравственные. Что касается мле копитающих, то рациональнее проводить исследования по выведению трансгенных пород животных, геноте рапии и т. п.

Контрольные вопросы Х Что такое технология?

Х В чем различие естественно-научных знаний и техноло гий?

Х Что представляют собой информационные технологии?

Х Для чего нужна унификация информационных техноло гий?

Х Какова история развития вычислительных средств?

Х Охарактеризуйте поколения электронных вычислитель ных машин и их функциональные возможности.

Х Назовите характеристики первых отечественных ЭВМ.

Х Назовите параметры самого мощного суперкомпьютера.

Х В чем заключается ограниченность возможностей персо нальных компьютеров ?

Х Каковы возможные пути повышения информационной плотности записи?

Х Как устроен Интернет и каковы его возможности?

Х Где применяются вычислительные средства ?

Х Приведите цифры, характеризующие объем накапливае мой человечеством информации.

Х Каковы сходства и различия между памятью человека и памятью ЭВМ?

Х Как можно повысить информационную плотность записи?

Часть ЕСТЕСТВЕННО НАУЧНЫЕ ОСНОВЫ СОВРЕМЕННЫХ ТЕХНОЛОГИЙ, ЭНЕРГЕТИКИ И Х Отчего зависит качество записи и воспроизведения звука и изображения?

Х Охарактеризуйте память.

Х Что такое нейронные сети?

Х чем заключается идея создания квантового компьютера ?

Х Каковы принципы работы и потенциальные возможности альтернативных компьютеров ?

Х При каких условиях мультимедийные системы способ ствуют развитию интеллекта?

Х Дайте краткую характеристику микроэлектронных и на технологий.

Х Назовите основные этапы развития твердотельной элект роники.

Х Охарактеризуйте способы повышения степени интегра ции.

Х Какой закономерности подчиняется темп роста числа элементов интегральных схем?

Х Какие операции составляют основу ?

Х Назовите основные особенности лазерного излучения.

Х В чем заключается специфика работы различных лазе ров?

Х Как осуществляется волоконно-оптическая связь?

Х Где применяются лазерные технологии ?

Х В чем сущность голографического изображения?

Х Что такое распознание образов?

Х кратко историю развития ракетно-кос мических технологий.

Х Назовите перспективные направления развития косми ческой индустрии.

Х На чем основаны биотехнологии ?

Х Поясните механизм превращения растительных отходов в ценные продукты.

Х В чем заключается метод иммобилизации ферментов ?

Х Из каких операций состоит генная технология ?

Х Приведите примеры, подтверждающие реальную пользу от генных технологий.

Х В чем заключается потенциальный риск при внедрении в практику генных технологий?

Х Что такое клонирование?

Х К каким последствиям может привести клонирование че ловека ?

Глава ЕСТЕСТВЕННО-НАУЧНЫЕ ПРОБЛЕМЫ СОВРЕМЕННОЙ ЭНЕРГЕТИКИ Х Энергия - источник благосостояния Слово лэнергия в переводе с греческого означает действие, деятельность. Согласно современным пред ставлениям, энергия Ч это общая количественная мера разных форм движения материи. Различают ме ханическую, тепловую, химическую, ядерную и другие виды энергии. Превращение одного вида энергии в другой подчиняется фундаментальному закону сохра нения, из которого следует невозможность создания вечного двигателя. В большинстве случаев полезная работа совершается только в результате тех или иных изменений состояния материальных систем (горения топлива, падения воды и т. п.). Работоспособность сис темы, т. е. способность ее совершать определенную ра боту при переходе из одного состояния в другое, опре деляется энергией. Благодаря потреблению энергии движется транспорт, улетают в космос ракеты, гото вится пища, обогреваются жилища, ули цы и т. д.

В природе существует множество форм ею обладают люди и животные, камни и растения, ископаемое топливо и деревья, реки и озера, Миро вой океан, атмосфера, земные недра, Солнце, атом ные ядра и т. п. (рис. 9.1, стр. 478). Несмотря па ог ромное разнообразие форм энергии, для ее произ водства используются в основном несколько источников: ископаемое топливо (нефть, природный Энергия движения электростатическая энергия 9.1. Различные формы энергии Глава 9. Естественно-научные проблемы современной энергетики энергия ветра и Солнца уголь гидроэнергия Рис. 9.2. энергии газ, уголь);

ядерное топливо;

возобновляемые источ ники: вода, ветер, Солнце (рис. 9.2).

Развитие экономики, уровень благосостояния лю дей находятся в прямой зависимости от количества потребляемой энергии, на которой основаны многие виды трудовой деятельности. Для добычи руды, вып лавки из нее металла, для строительства дома и т. д.Ч везде нужна энергия. потребности постоянно растут, потребителей энергии становится все больше Ч все это приводит к необходимости уве личения объемов производимой энергии.

Природные энергоресурсы при рациональном их потреблении и эффективной системе управления мо гут стать одним из основных источников развития эко номики и процветания. В качестве примера можно на звать нефть, добываемую в Арабских Эмиратах. Эту когда-то отсталую страну нефтяные энергоресурсы вывели на современный уровень развития. Здесь по строены большие города, по внешнему облику и инф раструктуре очень похожие на многие города такой развитой страны, как США. Проезжая, например, по городу Абу-Даби Ч столице Арабских Эмиратов, уто Часть пающсй в ковровой и многокрасочных трудно поверить, что этот город, как и многие другие города Эмиратов, вырос на пустынной земле, сквозь песчаную толщу которой с большим трудом пробива ется верблюжья колючка. Такие города Ч эдемские уголки Арабских Эмиратов Ч выросли очень быстро, за каких-то двадцать-тридцать лет. Было бы ошибочно думать, что только благодаря нефти Ч основному ис точнику энергии Ч можно преобразовать пустынную землю. Продуманное государственное управление вместе с хорошо отлаженной системой образования, включающей религиозное воспитание, играют при этом не менее важную роль в развитии Арабских Эмиратов.

Очевидно, невозобновляемые энергоресурсы: нефть, газ, уголь Ч небезграничны. В естественных условиях они формировались сотни миллионов лет, а будут ис черпаны в течение десятков Ч сотен лет при современ ных темпах их потребления. Поэтому наряду с рацио нальным использованием энергии необходимо искать ее новые виды источников и повышать эффективность преобразования и потребления энергии.

9.2. Преобразование энергии Способы преобразования энергии. Потребляемая энергия производится в результате преобразования других видов энергии. Различают три основных спосо ба ее преобразования. Первый из них заключается в получении тепла при сжигании топлива (ископаемого или растительного) и потреблении его для обогрева ния жилых домов, школ, промышленных зданий и т. п.

Второй способ Ч преобразование заключенной в топ ливе тепловой энергии в механическую работу, напри мер, сжигание продуктов нефти обеспечивает движе ние различных видов транспорта: автомобилей, трак торов, поездов, самолетов и т. д. Третий способ Ч преобразование тепла, выделяемого при сгорании топ лива или ядер, в электрическую энергию с пос ледующим ее потреблением для различных целей. Элек троэнергия производится и при преобразовании энер гии падающей воды, ветра и Солнца. Она играет роль своеобразного посредника между источниками Глава 9. проблемы современной энергетики 9.3. Использование основных источников гии и его потребителями (рис. 9.3). Как деятельность посредника на рынке ведет к повышению цен, так и потребление энергии в виде приводит росту ее цены из-за потерь при преобразовании. В то же время в ряде случаев невозможно эффективно ис пользовать энергию, не превратив ее в электрическую.

Так, до открытия электричества энергия падающей воды (гидроэнергия) приводила в движение прядильные ма шины, мельницы, лесопилки и т. д. После преобразова ния гидроэнергии в электрическую сфера ее приме нений значительно расширилась: стало возможным по требление се на значительных расстояниях от источника. Электрическая энергия как посредник иг рает важную роль и при преобразовании ядерной энер гии.

Ископаемые виды топлива в отличие от гидроисточ ников долгое время применялись лишь для отопления и освещения, а не для работы различных механизмов. Дрова и уголь, нередко и высушенный торф сжигались для обогревания жилых, общественных и промышленных зданий. Уголь, кроме того, применялся и применяется для выплавки металла. Угольное полученное путем перегонки угля, заливалось в лампы. Только после изобретения паровой машины в XVIII в. был по настоящему раскрыт потенциал угля как бесценного ископаемого топлива, ставшего источником не только тепла и света, но и работы различных механизмов и машин. Появились паровозы, пароходы с паровыми двигателями на угле. В начале XX в. уголь стали сжи гать в топках котлов электростанций для производства электроэнергии.

В настоящее время ископаемое топливо играет исключительно важную роль. Оно даст тепло и свет, является одним из основных источников электроэнер гии и механической энергии для обеспечения огром ного парка многочисленных машин и различных видов транспорта. Не следует забывать, что ископаемое орга ническое сырье в огромных количествах потребляется химической промышленностью для производства мно гих видов полезной и ценной продукции.

Химические процессы и преобразование энергии.

В недалеком прошлом во многих странах основным источником энергии был каменный уголь. Однако с течением времени добыча нефти возрастала, и к сере дине XX в. потребление нефти и угля сравнялось. Трех кратное увеличение населения в прошлом веке сопро вождалось приблизительно десятикратным увеличени ем потребления всех видов энергии.

Химические процессы Ч сжигание нефтепродук тов, природного газа и угля Ч обеспечивают производ ство значительного объема энергии во всем мире.

Световая и тепловая энергии преобразуются в элект рическую также путем химических превращений.

Химические технологии лежат в основе создания вы сококачественных теплоносителей и термостойких материалов для современных энергетических устано вок. Следовательно, прогресс в развитии энергетики во многом зависит от современной химии.

Первая энергетическая установка промышленного масштаба Ч паровая машина Ч была создана во вто рой половине XVIII в. английским изобретателем Джей Уаттом Тепловая энергия в ней пре вращалась в механическую работу. С паровой машиной долгое время конкурировало водяное колесо. Гораздо по зднее к середине XIX в.Ч была разработана гальва ническая батарея Ч первый источник электрического Глава 8. Естественно-научные проблемы современной знергетики тока. В поисках более эффективных источников тока для телеграфной связи немецкий электротехник и промыш ленник Вернер Сименс 1892) изобрел в 1866 г.

динамомашину Ч генератор тока, ставший отправной точкой для новых исследований и разработок многочис ленных источников электрического тока. Электроэнер гия в те времена производилась в небольших количе ствах и была слишком дорогой. Так, алюминий и маг ний, полученные электрохимическим путем в середине XIX в., стоили дороже золота и платины. С модерниза цией генератора электрического тока энергия постепен но дешевела, что способствовало бурному развитию химической промышленности.

При превращении электрической энергии в теп ловую была достигнута довольно высокая температу ра Ч около 3500 С, что ранее не удавалось получить никакими другими способами. Это позволило выпла вить в чистом виде многие металлы и синтезировать не существующие в природе соединения металлов с углеродом Ч карбиды. Кроме того, на химических за водах стали внедряться электролитические технологии в крупных промышленных масштабах. Применение электрического тока способствовало развитию разных отраслей химической промышленности, производящей многообразные синтетические неорганические матери алы.

В настоящее время химическая промышленность Ч одна из самых энергоемких отраслей. Количество энер гии, необходимое для промышленного производства различной продукции, зависит от ее вида, что наглядно представлено на рис. 9.4 (см. стр. 484), где даны энер гозатраты Q, выраженные в тоннах природной нефти на 1 т продукта. Например, для производства 1 т кар бида кальция или хлора требуется не менее 3500 кВт Х ч электроэнергии. Расход электроэнергии на производ ство алюминия и магния составляет на 1 т. В общих затратах на производство многих видов про мышленной продукции на долю электроэнергии при ходится 18 Ч 25%. Для карбида затраты на элек троэнергию составляют почти половину его себестои мости, для поливинилхлорида и полиэтилена 35 Ч 50%, для ацетальдегида 45 Ч 70%. С каждой тонной азотного удобрения в землю закапываются почти 000 кВт Х ч энергии.

При дальнейшем развитии химической промыш ленности и всех видов производства чрезвычайно важ на задача рационального потребления электроэнергии.

Х 9.3. Эффективность производства и потребления энергии Долгое время считалось, что сравнительно невы сокая эффективность преобразования тепловой энер гии в полезную работу обуславливается несовершен ством самого механизма преобразования. С развитием термодинамики стало ясно, что существует принципи альное ограничение полного преобразования всей теп ловой энергии в полезную работу. Такое ограничение следует из законов термодинамики и обуславливается необратимостью тепловых процессов.

К настоящему времени значительная часть всевозмож ных усовершенствований, направленных на повыше ние эффективности производства электроэнергии с ис пользованием пара, в основном уже осуществлена.

Если КПД первых паровых машин составлял 2 Ч 5%, то КПД современных энергетических систем Ч тепловых электростанций, работающих том или ином виде топ лива и вырабатывающих пар для последующего преоб разования его энергии посредством турбогенератора в электрическую,Ч составляет более 40%. Атомные элек тростанции также вырабатывают пар, подаваемый в турбогенераторы. Их КПД не превышает а это оз начает, что только 32% тепловой энергии, выделяющей ся при делении урана, преобразуется в электрическую.

Производство электрической энергии даже с при менением современных энергетических систем сопро вождается большими потерями тепла. Особенно вели ки потери тепла, когда электрическая энергия снова преобразуется в тепло либо другие виды энергии на месте потребления. Существенными потерями сопро вождается и передача электроэнергии, особенно на большие расстояния. В последние десятилетия ведутся работы по синтезу новых материалов проводников для передачи электроэнергии с потерями.

Уже синтезированы высокотемпературные сверхпро водящие материалы. Однако для передачи электро энергии нужны такие проводники, свойство которых проявлялось бы не при низких, а при обычных К большим потерям приводит и потребление элек троэнергии в химической промышленности. Например, энергетический КПД для процесса синтеза аммиака составляет 25 Ч 42%, для обычных способов получения винилхлорида Ч а для его синтеза из NO Ч всего лишь 5 В некоторых случаях высокотемператур ные химические процессы сопровождаются потерями энергии до 60 Ч 70%. Энергетические потери в хими ческом производстве обусловливаются чаще всего объективными причинами, связанными с уровнем раз вития не только химических технологий, но и есте ствознания в целом. Однако есть и субъективные при чины. Одна из них Ч сравнительно недавно разраба тывались методы превращения веществ с высоким процентом выхода конечной продукции без учета энер гетической эффективности технологических процессов.

Повышение энергетического КПД процессов и аппаратов Ч одна из важнейших задач совершенство вания химических технологий/Возможны разные спо собы ее решения: оптимизация химических реакций, уменьшение числа стадий технологического процесса, снижение температуры и давления реакционного про цесса, приближение химических процессов к биологи ческим и, наконец, разработка новых технологий. Про блема охватывает не только хими ческие процессы, но и весь технологический цикл производства конечного продукта, включающий весь ма важные стадии Ч добычу и первичную переработ ку природного сырья.

Новые методы, модифицированные установки и аппараты, новейшие технологии позволяют постепен но решать проблему энергосбережения. на всех действующих предприятиях всеми возможными мерами необходимо сокращать бесполезное рассеяние энергии. Такие меры это оптимизация производственных процессов, утилизация рассеянно го тепла, улучшение изоляции и герметичности, опти мизация процессов испарения и конденсации и т. д.

Сохранение энергетических ресурсов Ч неотъемлемая и важнейшая задача всех отраслей материального про изводства.

9.4. Тепловые электростанции В настоящее время существенная доля электроэнер гии производится на тепловых электростанциях, где при сжигании ископаемого топлива получаются тепло и пар, подаваемый на турбогенераторы, вырабатываю щие электроэнергию. В качестве топлива используются уголь, нефтепродукты (обычно мазуг) или природный газ, а на атомных электростанциях Ч ядерное горючее.

Принципы работы различных электростанций во многом совпадают, отличаясь лишь способом получе ния тепла от первичного источника органического либо ядерного топлива. При сжигании топлива или де лении атомных ядер выделяемое тепло используется для нагревания воды и получения пара (рис. 9.5). По лученный пар с высокими температурой и давлением подается на турбину, вращающую якорь генератора электрического тока. Отработанный пар с понижен ными температурой и давлением, покидая турбину, на правляется в конденсатор, через который пропуска Глава 9. проблемы современной энергетики Сжигание топлива или атомных 9.5. Схема тепловой электростанции ется охлаждающая для превращения пара в воду.

В процессе конденсации пара охлаждающая вода на гревается и сбрасывается в водоем, откуда она посту пала, либо пропускается через градирни для охлаж дения и повторного использования в конденсаторе.

Вода, образовавшаяся из сконденсированного пара, возвращается в котел, и тепловой цикл снова повто ряется.

КПД современной тепловой электростанции Ч около 40%. На электростанциях на органическом топ ливе охлаждающей воде передается около 75% тепло вых отходов, а остальное неиспользованное тепло от водится через дымовые трубы. Тепловые сбросы на атомных электростанциях передаются в основном воде, охлаждающей конденсаторы.

Громадное количество производимой электричес кой энергии неизбежно влечет за собой сброс чрез вычайно больших объемов тепловых отходов в ок ружающую реки, водоемы и атмосферу.

Сбрасываемое тепло приводит к тепловым загрязне ниям среды. Тепловое загрязнение (пре имущественно воды) сопровождает процесс охлажде открытого типа, при котором охлаждающая вода поступает из внешнего резервуара (бассейна реки, во доема) и затем в нагретом состоянии после использо Часть ЕСТЕСТВЕННО НАУЧНЫЕ ОСНОВЫ СОВРЕМЕННЫХ ТЕХНОЛОГИЙ, ЭНЕРГЕТИКИ II ЭКОЛОГИИ вания для конденсации пара возвращается в тот же ре зервуар, откуда она поступала. Охлаждение другого типа Ч с замкнутым циклом, когда тепло, получаемое охлаждающей водой, рассеивается в атмосфере при помощи градирен (башен, в которых вода охлаждается путем разбрызгивания и испарения)Ч приводит к тепловому загрязнению в основном атмосферы. Теп ловое загрязнение и воды, и атмосферы нарушает жизнедеятельность экосистем. Кроме того, тепловые электростанции Ч источник колоссального количества углекислого газа, диоксида серы и других газов, заг рязняющих атмосферу. Все это означает, что производ ство энергии на тепловых станциях Ч не самый луч ший и эффективный способ. В этой связи продолжает ся поиск более эффективных источников энергии.

Х 9.5. Повышение эффективности энергосистем Способы повышения эффективности производства энергии. Известно несколько способов повышения эффективности производства электроэнергии: созда ние тепловых электростанций с утилизацией тепловых отходов, применение комбинированного способа про изводства электроэнергии, создание магнитогидроди намических установок (МГД-генераторов), разработка энергосистем с прямым преобразованием энергии.

Pages:     | 1 |   ...   | 5 | 6 | 7 | 8 | 9 |   ...   | 10 |    Книги, научные публикации