Научимся ли мы телепортироваться?
Митио Каку — Физика невозможного
Введение
Книга «Физика невозможного» впервые издана на русском языке в 2010 г. и с тех пор выдержала пять переизданий. Автор, известный физик, футуролог, популяризатор науки Митио Каку, основываясь на прочном фундаменте классической физики и информации о новейших достижениях современной науки, рассказывает о технологиях, которые могут быть созданы в обозримом будущем.
Путешествия во времени и полеты в другие галактики, создание плаща-невидимки и телепортация, думающие роботы и чтение мыслей на расстоянии — это звучит фантастически, но, по мнению автора, может быть реализовано на практике и логично вписывается в контекст развития физической науки.
Эта книга охватывает множество областей науки. Важно, что автор писал ее не в тиши кабинета, а встречался и консультировался с выдающимися учеными и исследователями. Среди них нобелевские лауреаты, физики, биологи, астрономы, астронавты.
Эта книга помогает увидеть, в каком необычном мире мы живем, и понять, что будущее уже рядом.
Возможно ли невозможное?
Мы привыкли думать, что путешествия во времени, световые мечи, параллельные вселенные, чтение мыслей на расстоянии, невидимость, телепортация и телекинез являются уделом писателей-фантастов. Мы считаем, что это невозможно. Но в XIX веке даже ученые не верили в возможность создания ракеты и атомной бомбы, в реальность космических полетов и существование черных дыр, считали шарлатанством радио и рентген. Сегодня это стало реальностью. Мир вокруг изменился удивительным образом и продолжает меняться каждый день. Возможно, считая что-то невозможным, мы заблуждаемся.
|
|
|
Автор книги делит невозможное на три категории:
• То, что сегодня невозможно, но не нарушает фундаментальных основ физики и, следовательно, может быть реализовано в течение ближайших десятилетий или столетия.
• То, что может стать возможным для цивилизации более высокого уровня развития и может быть реализовано в течение следующих тысячелетий.
• То, что противоречит законам физики и может быть создано, только если эти законы изменятся.
Технологии, которые могут появиться в обозримом будущем
В начале XX века стало ясно, что теория Ньютона не может объяснить всю картину мира. Ей на смену пришли специальная теория относительности Эйнштейна и квантовая механика, и картина мира изменилась. В отличие от теории Ньютона время в этой системе может меняться в зависимости от скорости движения. Энергия эквивалентна материи. Процессы в мире частиц и атомов не имеют физических причин и подвержены случайности и вероятности. Открытия и технологии, о которых пойдет речь дальше, были созданы на этом фундаменте.
|
|
|
Можно ли стать невидимым?
Невидимость — это давняя мечта человечества и один из любимых мотивов в литературе и кинематографе. Героев-невидимок можно найти в книгах Платона и Жюля Верна, Ильфа и Петрова, Джоан Роулинг и Толкина.
Еще несколько лет назад ученые считали, что невидимость невозможна, так как противоречит законам оптики. Свет представляет собой электромагнитные волны. Твердые объекты поглощают и отражают свет, так как атомы в них находятся на очень маленьком расстоянии и не пропускают световые волны, в отличие от прозрачных жидкостей и газов, где расстояние между атомами больше.
Свойство невидимости возникает на уровне строения атомной решетки, поэтому чтобы сделать человеческое тело невидимым, нужно поменять его строение на уровне атомов. Для этого его пришлось бы превратить в жидкость, нагреть до температуры кипения, а затем резко охладить. Это невозможно. Значит, решение в том, чтобы покрыть тело оболочкой, которая сделает его невидимым. Такую оболочку можно изготовить из метаматериалов, над созданием которых ученые работают в течение последнего десятилетия.
|
|
|
Метаматериалы обладают особыми оптическими свойствами и в отличие от всего, что есть в природе, могут управлять показателем преломления света. Другими словами, они способны делать то, что раньше было невозможно, — изменять маршрут световых волн таким образом, чтобы они обтекали объект и снова собирались в пучок.
В 2006 г. британским ученым, работающим над созданием метаматериалов, удалось с помощью лазера на короткое время сделать объект невидимым для микроволнового излучения. В 2007 г. ученые смогли создать метаматериал, работающий в видимом диапазоне света. Им удалось решить сложную задачу, так как волны видимого света очень короткие — их длина составляет от 700 до 400 нанометров, а волны света могут огибать только объект, который меньше, чем длина волны.
Возможно, в течение нескольких десятилетий ученым удастся создать цилиндр из метаматериалов, так как это самая простая форма. Следующий этап — решение более сложной задачи — создание метаматериалов, которые будут облегать тело.
Как создать меч джедая?
Видимый свет, который нас окружает, состоит из волн с разными частотами и фазами, другими словами, он некогерентен и быстро рассеивается.
До середины XX века даже видные ученые были убеждены, что создать гораздо более мощный по силе воздействия пучок когерентного света в принципе невозможно.
|
|
|
Нобелевский лауреат Чарльз Таунс бился над задачей создания первого пучка когерентного света в атмосфере полного скепсиса. В него никто не верил, ему советовали перестать тратить деньги на бессмысленные испытания и заняться чем-то стоящим. Несколько раз он был на пороге отчаяния, но не оставил своих попыток, и в 1953 г. был получен первый поток когерентного излучения микроволн — мазер (по первым буквам — microwave amplification through stimulated emission of radiation, что значит «усиление микроволн через стимуляцию излучения»). Вскоре подобных результатов удалось добиться при работе с видимым светом — так появился лазер. Сегодня лазер используется почти во всех сферах науки и техники.
Если лазер получил такое широкое распространение во всех сферах жизни, а лазерное оружие широко используется в научной фантастике, почему его до сих пор не существует? И можно ли сконструировать любимое оружие поклонников «Звездных войн» — световой меч?
К сожалению, создать меч джедая из «Звездных войн» невозможно. Это противоречит законам физики: во-первых, свет нельзя сделать твердым, во-вторых, световой луч не может обрываться в пространстве, как показывают в кино. Но можно создать похожий на него световой плазменный меч.
Создание лучевого оружия в перспективе возможно, если удастся разработать портативные источники энергии высокой мощности. Пока их не существует. Решения стоит ждать из области нанотехнологий, которые позволят создать миниатюрные батареи с огромной энергоемкостью. Возможно, это произойдет в течение ближайших ста лет.
Научимся ли мы телепортироваться?
Телепортация, столь популярная в научной фантастике, сегодня уже стала реальностью, но в крошечном масштабе — на атомарном уровне. Речь идет о квантовой телепортации. Телепортация крупных объектов, например, человеческого тела, стерла бы все пространственные границы. Но возможно ли это?
Идея квантовой телепортации основана на открытии Эйнштейна о том, что частицы управляются законами вероятности. В 1935 г. он совместно с коллегами Борисом Подольским и Натаном Розеном сформулировал ЭПР-парадокс (по названиям первых букв фамилий ученых): квантовая теория либо ошибочна, либо она делает возможными невозможные вещи. Например, если две частицы находятся в состоянии запутанности (или взаимозависимости), то даже если они разделены в пространстве огромными расстояниями, все изменения, случившиеся с одной из частиц, немедленно отразятся на другой.
Эйнштейн считал квантовую запутанность необъяснимой и называл ее «кошмарным дальнодействием». Квантовая запутанность очень сложна для понимания. Еще один парадокс в том, что ее скорость превышает скорость света, что противоречит теории самого Эйнштейна. Кроме того, с одной стороны, Вселенную пересекают триллионы невидимых связей, каждая из которых несет сообщение между удаленными атомами, с другой — запутать два атома очень непросто. Например, группе ученых из Института квантовой физики в Мэриленде пришлось предпринять для этого 45 млн попыток.
Процесс квантовой телепортации представляет собой не процесс перемещения частицы в пространстве, а процесс передачи данных и требует присутствия трех частиц. При передаче информации от одной частицы к другой посредством третьей частица, от которой передана информация, уничтожается. В том числе и по этой причине пока сложно представить, как в таком случае можно телепортировать человека.
Ученым удалось осуществить телепортацию фотонов, а также атомов бериллия и атомов кальция. В перспективе ученые планируют телепортировать молекулу ДНК и вирус, что гораздо сложнее телепортации атомов.
Станет ли возможной телепортация человека? Однозначного ответа на этот вопрос пока нет. Основная сложность в том, что в человеческом теле миллиарды молекул, взаимосвязанных определенным образом. При этом в процессе телепортации человека надо будет сначала полностью «разобрать» на уровне атомов и молекул, а затем «собрать» заново, восстановив все связи. Поскольку пока удалось добиться успеха только на уровне атомов, успех на уровне макрообъектов прогнозировать сложно. Вероятно, это может произойти в течение нескольких столетий, при условии, что телепортация человека вообще возможна.
Квантовая телепортация может быть использована при создании нового поколения мощных квантовых компьютеров, которые в обозримом будущем могут придти на смену существующим цифровым. Так как атом может находиться в бесконечном количестве состояний, он может одновременно участвовать в бесконечном количестве вычислительных операций. Ученые считают, что по мощи квантовые компьютеры смогут соперничать с человеческим мозгом.
Телепатия и телекинез
Путь к телепатии и телекинезу лежит через понимание процессов, которые происходят внутри нашего мозга.
Еще в XIX веке ученые предположили, что наш мозг — это передатчик слабых электромагнитных сигналов и их можно зарегистрировать с помощью электродов, находящихся на поверхности головы. Это предположение оказалось верным и со временем привело к созданию электроэнцефалографа, а позднее — магнитно-резонансного томографического сканирования мозга.
Сегодня с помощью МРТ можно определить участок мозга, в котором происходит процесс мышления. Ученые надеются со временем научиться определять общее направление мыслей, но пока это недостижимо, так как даже простейшая мысль вызывает активность миллионов нейронов, а аппарат МРТ видит все это как маленькую точку на экране.
Основная сложность заключается в том, что наш мозг — это нейронная сеть, где мысли распространены по всему объему, в отличие от компьютера, где вычисления локализованы и подчиняются конкретным правилам. Во время процесса мышления последовательно включаются разные участки мозга.
Ученые видят несколько путей решения задачи чтения мыслей. Например, создание карты мозга. Но поскольку в мозге больше 100 млрд нейронов, это крайне амбициозный проект. Еще один вариант — создание словаря мыслей, который соотносил бы определенные понятия с активностью определенных групп нейронов.
Возможен ли телекинез? Все более глубокое понимание принципов работы мозга дает основания предполагать, что телекинез с использованием радио- или компьютерного усилителя — это вполне реально. В настоящее время удалось добиться того, что человек, управляя определенным образом активностью мозга, может, например, управлять компьютером, переключать ТВ-каналы, сжимать и разжимать ладонь искусственной руки. Эта технология способна существенно облегчить жизнь людям с различными заболеваниями и ограниченными возможностями. В перспективе с ее помощью можно будет создать управляемый экзоскелет.
Возможно ли будет двигать с помощью этой технологии предметы? Телекинез противоречит основным законам физики. Но задача перемещения предметов на расстоянии может быть решена, если будет открыта сверхпроводимость при комнатной температуре, которая сделает возможной магнитную левитацию. Тогда с помощью усилителя, сверхпроводников и электромагнитов человек сможет управлять предметами на расстоянии силой мысли. Это может случиться уже в XXI веке.
Когда наступит эра роботов?
Известный футуролог и технический директор Google Рэймонд Курцвейл считает, что к 2027 г. персональные роботы будут так же распространены, как стиральные машины и кофеварки.
Говоря о роботах, мы не можем обойти проблему создания искусственного интеллекта. Способны ли машины думать как люди? Ответ на этот вопрос делит ученых на два лагеря. Одни считают, что это возможно. Другие полагают, что мозг — слишком сложный инструмент, который эволюция создавала миллиарды лет, и любые попытки «скопировать» его обречены на провал.
Роботы лучше, чем люди, выполняют сложнейшие вычислительные операции, но, как оказалось, этот вид деятельности задействует лишь крохотную долю нашего разума. Во всем остальном мы превосходим машины. Ежеминутно мы принимаем решения, что кажется нам вполне обыденным, но как раз в этом роботы не могут соперничать с нами. В отличие от нас роботы не обладают эмоциями и здравым смыслом и не могут мыслить подобным образом. Например, если нам что-то нравится или не нравится, это значит, что мозг произвел колоссальную по объему вычислительную работу и выделил главные для нас в текущий момент свойства предмета, отсеяв второстепенные. Пока трудно представить себе процессор, который мог бы соперничать с мозгом в быстродействии. Возможно, эта задача будет решена с созданием квантовых компьютеров.
Кроме того, машины не могут распознавать трехмерные объекты и с трудом ориентируются в пространстве.
Столкнувшись с этими проблемами, ученые пошли в двух направлениях.
• Подход «сверху вниз» предполагает создание свода всех правил здравого смысла и распознавания образов. Сложность в том, что у здравого смысла слишком много законов и пока никому не удалось их описать.
• Подход «снизу вверх» предполагает создание роботов, способных к обучению. Но и здесь ученые столкнулись с тем, что в «мозге» робота десятки и сотни нейронов, а в мозге человека их около 100 млрд, поэтому роботы до сих пор сильно проигрывают детям в способностях к обучению.
Возможно, в будущем удастся объединить эти подходы. Роботы будут совершенствоваться, и в перспективе смогут заменить нас в профессиях, связанных с работой с числами и с однообразными действиями. Но даже в будущем они не смогут соперничать с людьми в том, что связано с творчеством, креативностью, созданием нового, предпринимательской деятельностью.
Дата добавления: 2018-08-06; просмотров: 176; Мы поможем в написании вашей работы! |
Мы поможем в написании ваших работ!