Ссылки для упрощенного доступа

logo-print

Наука и техника наших дней


Работы Нобелевских лауреатов 2000-го года по физике и химии, марсианские планы НАСА, а также последние научные новости - вот темы нашей сегодняшней передачи.

Лилия Шукаева:

Джеку Килби было 22 года, когда появился первый компьютер по имени "ЭНИАК". Места он занимал столько же, сколько целый цех. Его 10 тысяч ламп потребляли 20 киловатт электроэнергии. Киловатты превращались в тепло, - к ЭНИАКу пришлось построить мощную холодильную установку, потреблявшую еще 30 киловатт. Получалось 50 киловатт - столько, сколько нужно небольшому заводу. Мало того, что из 10 тысяч ламп одна перегорала каждые 6 минут - лампы перегорали и в момент включения питания. Поэтому выгоднее было держать машину под напряжением круглые сутки.

Конечно, это было чудо: машина работала в 10 тысяч раз быстрее человека, вооруженного арифмометром. Но чудеса тускнеют быстро. От инженеров потребовали увеличить скорость и объем памяти компьютера в 10 раз. Фантасты уже представляли себе махину величиной в небоскреб, которую питает солидная гидростанция, а охлаждает водопад вроде Ниагары. Но инженеры знали: такая махина работать не сможет. Если у нее будет 100 тысяч ламп, то одна из них будет перегорать каждую минуту. На поиски перегоревшего элемента уйдет все время. Нужно было отказаться от ламп, и от столь же ненадежных электронно-лучевых трубок, служивших элементами памяти. Замену нашли: вместо трубок появились ферритовые сердечники, а вместо ламп - транзисторы. Машине требовался - уже не огромный зал, а небольшая комната. И не 50 киловатт, а 500 ватт - в 100 раз меньше энергии. Скорость машины выросла не в 10 раз, а в тысячу, объем памяти тоже. Джеку Килби - начинающему инженеру было тогда 26 лет.

Ферритовый сердечник - штука надежная, но дорогая, автоматизации его изготовление не поддается. Дороги детали, дорога и машина. А компьютеров требовалось все больше и больше, скорости от них ждали тоже большей, даже миллиона операций в секунду не хватало. И запоминающие устройства стали делать не на сердечниках, а на магнитных пленках. Изготовление этих устройств удалось автоматизировать, но монтаж транспортных схем, из которых делали процессоры и другие узлы компьютеров, оставался несовершенным, а сами компьютеры были все еще громоздкими. Они еще не умещались на столе, и о том, чтобы носить их с собой или начинять ими спутники, пока не было и речи.

И тут настал звездный час Джека Килби. Подобно многим электронщикам, он думал над тем, как заставить один физический элемент выполнять несколько задач. В конце концов, в одну миниатюрную пластинку кремния ему удалось включить несколько транзисторов и добиться того, чтобы они не соприкасались. Тонкую пластинку длиной в 5 миллиметров он покрыл маской-трафаретом с отверстиями, через отверстия ввел примесь одного типа, потом взял другую маску и через другие отверстия ввел примеси другого типа. Через третью маску он напылил на пластинку золото. Получилась пластинка с несколькими транзисторами, где области с нанесенным металлом служили выводами от электродов. Сквозь четвертую маску Килби нанес слой диэлектрика, сквозь пятую напылил угольный порошок. Полоски порошка соединили те электроды, между которыми по схеме должны были включаться резисторы. Еще одна маска, и почти вся поверхность покрыта изолирующим слоем. Через седьмую маску был напылен металл, через восьмую - диэлектрик, через девятую - опять металл, и так далее. Наконец, блок был готов и заключен в корпус. Теперь в нем находился не транзистор-одиночка, как было прежде, а интегральная схема, то есть, целый узел компьютера.

Сто транзисторов вместе с подсоединенными к ним деталями уместились на одном квадратном сантиметре. И все это можно было изготовить за один цикл, в одной установке, без участия человеческих рук. Транзисторы интегральной схемы могли переключаться за миллиардные доли секунды. Это означало, что компьютер на таких схемах способен был за секунду проделать полмиллиарда операций. Скорость возросла благодаря компактности, ведь электрический сигнал - не Бог весть какой спринтер - за одну миллиардную долю секунды он проходит всего сантиметров 30. Так что, чем меньше его путь, тем быстрее работает компьютер.

Со времен ЭНИАКа прошло всего 12 лет. Детали компьютера ничем больше не напоминали радиолампы. Это были кристаллики, заменявшие собой десятки ламп. Функцию прибора выполняла теперь не навесная схема, собрать которую было нелегко, а группа молекул. За 12 лет объем памяти компьютера вырос в тысячу, а быстродействие - в 10 тысяч раз. Потребление энергии уменьшилось в тысячу раз, а габариты - в сто раз. "И все это далеко не предел", - говорил своим коллегам 34-летний инженер Джек Килби, создавший в 1958-м году первую в мире интегральную схему.

То, что это не предел, знал и Роберт Нойс, сконструировавший интегральную схему почти одновременно с Килби, впоследствии - один из основателей всем теперь известной корпорации "Intel". Килби и Нойс долго оспаривали друг у друга первенство в изобретении интегральной схемы, и, как уверено большинство ученых, если бы Нойс дожил до сегодняшнего дня ( он умер 10 лет назад) они бы поделили пополам те 9 миллионов крон или 913 тысяч долларов, которые достались одному Джеку Килби - бывшему инженеру далласской фирмы "Техасские инструменты". Однако, Нобелевская премия присуждается только живым.

Но Килби получил только половину всей Нобелевской премии по физике 2000-го года. Другую половину - тоже 9 миллионов крон, поделили между собой академик Жорес Иванович Алферов - 70-летний директор Физико-технического института имени Абрама Иоффе в Санкт-Петербурге, вице-президент Российской Академии Наук, и 72-летний Герберт Кремер, профессор физики Калифорнийского института в Санта-Барбаре.

В те же годы, когда Килби и Нойс испытывали свои интегральные схемы, Алферов и Кремер независимо друг от друга работали над созданием гетероструктуры. В технической физике есть такое понятие: "гетеропереход". Так называют контакт между двумя разными по составу полупроводниками ( "гетерос" - в переводе с греческого "другой"). А гетероструктура - это комбинация нескольких гетеропереходов, которую применяют в светоизлучающих диодах, полупроводниковых лазерах и других приборах. Благодаря гетероструктурам эти лазеры, чья активная среда - кристалл величиной с булавочную головку, стали элементами разнообразных средств связи. Мы находим их в приборах, обеспечивающих связь со спутниками, и в волоконной оптике. Без них не работали бы сотовые телефоны и не звучали бы компакт-диски.

Когда были оглашены имена лауреатов, в ученом мире поднялась дискуссия: есть ли в их изобретениях элементы фундаментальной науки, или это - область чистой техники. Килби и Алферов доказывали, что их работа опиралась на фундаментальную науку, а Майкл Риордан, физик из Стэнфорда и Джон Лернед, астрофизик из Гавайского университета, утверждали обратное. Лернед даже заметил, что эра коммерции захлестнула Нобелевский комитет. "Истина, как обычно, посередине, - примиряюще сказал секретарь комитета Андерс Барани. - В этом году предпочтение отдали прикладной науке. Но что сделала эта наука? Не так уж мало. В сущности, она дала человечеству Интернет".

В Нобелевских премиях по химии доминирует тот же прикладной аспект. Премию разделили трое ученых: 64- летний Алан Хигер из Калифорнийского университета в Санта-Барбаре, 73-летний Алан Макдайермид из Университета Пенсильвании и 64-летний Хидеки Ширакава из университета Цукуба в Японии. Они создали пластик, который проводит электричество, как металл. Таким образом было положено начало электронике, основанной на углероде.

Всем известно, что пластики электричество не проводят. Недаром из них делают изоляцию для проводов. И мы, возможно, никогда бы не догадались, что бывает наоборот, если бы в лаборатории, где работал один из сегодняшних лауреатов, не совершили однажды ошибку. В начале 70-х годов молодой физико-химик Ширакава исследовал способы получения полиацетиленовой пленки. Как-то раз он попросил своего помощника добавить к реактивам определенное количество катализатора. Помощник не расслышал, какое количество требуется, и добавил катализатора в 1000 раз больше. Получилась необычная серебристая пленка, состоящая из различных форм полиацетилена.

В то же самое время Макдайермид и Хигер, который тогда работал тоже в Пенсильванском университете, изучали способы получения пленки из нитрида серы. Пленка, как и у Ширакавы получалась серебристая, словно сделанная из металла. На международном семинаре, который проходил в Токио, американцы рассказали о своей пленке. В перерыве к ним подошел Ширакава и показал свою пленку - плод ошибки помощника.

Макдайермид и Хигер пригласили Ширакаву в Филадельфию и вместе с ним ввели в его пленку йод, основной компонент из собственных опытов с нитридом серы. "Йод выдернул некоторое количество электронов из пластика, и оставшиеся там электроны были упакованы в атомах уже не так плотно", - рассказывает Макдайермид. Они могли двигаться от электрода к электроду. За несколько минут электропроводность пленки возросла в 10 миллионов раз. Участники химической конференции, состоявшейся в 1977-м году в Нью-Йорке, до сих пор помнят, с каким изумлением они взирали на электропроводящий пластик, который был тогда продемонстрирован.

Сам по себе полиацетилен не нашел практического применения, но он породил целое семейство полимеров, которые ведут себя как металлы и полупроводники. По своим свойствам эти полупроводники уступают кремнию или германию, и в компьютерах, например, им делать нечего. Зато у них есть другие преимущества: они легки, дешевы, податливы для обработки, легко принимают любую форму. Известная фирма "Agfa", например, добавляет к своей фотопленке невидимый слой проводника - полимера, который нейтрализует электрические заряды, грозящие разрушить пленку. А ученые из Кембриджского университета в Англии создали полимеры, которые испускают свет. Эти чудополимеры они собираются использовать для изготовления складных видео-дисплеев, которыми будут оснащены сотовые телефоны.

Александр Сиротин:

Национальное управление по аэронавтике и исследованию космического пространства - НАСА, опубликовало новую обширную программу исследования Марса, включающую в себя поиски воды и попытки обнаружения внеземной жизни. В ходе этой программы к красной планете будут запущены шесть автоматических космических аппаратов. Одни из них выйдут на околомарсианские орбиты, другие сядут на Марс, третьи изучат большие площади на поверхности этой планеты. Программа исследований завершится доставкой на Землю марсианских геологических образцов, возможно, еще до 2011-го года.

По словам директора марсианской программы Скотта Хаббарда, основным стержнем программы будут поиски ответа на вопрос: возникла ли жизнь на Марсе и есть ли эта жизнь там сейчас? А научный руководитель НАСА Эд Уэйлер заявил, что главной задачей беспилотных космических аппаратов, запускаемых к Марсу, станет подготовка пилотируемых экспедиций к красной планете. "Роботы проложат, в конечном счете, путь людям", - сказал он. Впрочем, конкретно экспедиции с участием астронавтов не планируются.

Три марсианские миссии - орбитальный марсианский аппарат в 2001-м году и две марсианские танкетки в 2003-м году - сотрудники НАСА собирались запустить уже раньше. Теперь к ним прибавился более сложный орбитальный корабль, который будет запущен в 2005-м году, а также передвижная научная лаборатория и особая поисковая миссия, запланированные на 2007-й год.

Директор марсианской программы Хаббард, выступая на пресс-конференции, сказал, что каждая последующая марсианская миссия будет и в научном, и в инженерном отношении сложнее предыдущей, и что в принципе доставка первых геологических образцов с Марса намечена на 2014-й и 2016-й годы, но при удачном ходе исследований такие образцы смогут быть доставлены на Землю уже к 2011-му году. Он добавил, что сначала усилия марсианских танкеток будут сосредоточены на поиске на поверхности Марса оптимальных мест для сбора геологических образцов. Напомним, что сотрудники НАСА первоначально планировали послать автоматический аппарат за марсианскими образцами уже в 2005-м году, но неудачные запуски 1999-го году заставили отодвинуть этот срок на несколько лет.

Задачи, возлагаемые на поисковую миссию 2007-го года, пока еще полностью не сформулированы. Они будут пополняться и уточняться по ходу исследований, и будут базироваться на предложениях, вносимых планетологами и астрономами. Среди первых предложений такого рода имеются экзотические планы исследования Марса, например, с помощью воздушных баллонов, плавающих в разреженной марсианской атмосфере.

Сотрудникам НАСА пришлось внести радикальные коррективы в свои планы изучения Марса после неудач прошлого года с двумя аппаратами с суммарной стоимостью около 300 миллионов долларов. Семимесячный анализ, проведенный независимыми экспертами, показал, что НАСА пыталось добиться слишком многого, располагая недостаточными ресурсами, и именно это и привело к неудаче. Так что программу изучения Марса пришлось значительно реорганизовать.

Сыграли роль также и новые открытия. Космический аппарат, находящийся сейчас на околомарсианской орбите, сделал в этом году снимки, показавшие, что на Марсе сравнительно недавно текли водяные потоки. Так что вполне логично предположить, что там и сейчас вполне могут быть подпочвенные водяные резервуары. Раньше же считалось, что вода имелась на Марсе лишь миллионы лет назад.

Евгений Муслин:

Научные новости.

Межправительственная группа климатологов, анализировавшая теорию глобального потепления в результате парникового эффекта в 1990-м и 1995-м годах, сделала сейчас новую оценку существующего положения и пришла к выводу, что потепление может быть еще более интенсивным, чем предполагалось ранее, если не предпринять жесткие меры по ограничению эмиссии парниковых газов.

Эти выводы приобретают особое значение в связи с планируемой международной конференцией в Гааге, которая должна будет отработать детали Киотского протокола, то есть, договора о сокращении выпуска в атмосферу углекислого и некоторых других газов, подписанного более чем 150 странами, но не ратифицированного пока ни одной промышленно развитой страной.

Новая оценка ожидаемых климатических изменений представляет собой доклад объемом более тысячи страниц, над которым Межправительственная группа климатологов работала в течение последних трех лет. Эта работа велась под эгидой Международной метеорологической организации и Программой ООН по защите окружающей среды.

Сотрудники группы пришли к выводу, что роль человека в ожидаемых климатических изменениях представляется в свете новых данных об отступлении ледников, таянии полярных шапок и потеплении ночей еще большей, чем это предполагалось раньше.

Одно из самых сенсационных заключений Межправительственной группы состоит в том, что верхний уровень потепления климата в последующие 100 лет может оказаться гораздо выше, чем это предполагалось, например, в 1995-м году. В самом худшем случае, как заявил доктор Кевин Тренберт из Национального центра атмосферных исследований в Боулдере, штат Колорадо, средняя глобальная температура может подняться на 6 градусов Цельсия по сравнению с 1990-м годом. Для сравнения ученый напомнил, что сейчас средняя глобальная температура лишь на 5 градусов выше температуры в конце прошлого ледникового периода.

Согласно анализу 1995-го года, Межправительственная группа предполагала, что подъем температур в самом худшем случае не превысит 3,5 градусов. Ухудшение прогноза, как это ни парадоксально, объясняется ожидаемой очисткой атмосферы в ближайшие десятилетия от крошечных сульфатных частиц, засоряющих воздух при нефильтруемом сжигании угля и нефти. Эти частицы, как известно, способствуют образованию смога и кислотных дождей.

В прошедшем ХХ веке эти частицы, преграждающие путь солнечным лучам, видимо, частично компенсировали парниковый эффект. Теперь из-за более тщательной очистки промышленных выхлопов эта компенсация значительно уменьшится.

В заключение члены Межправительственной группы, призывая к проведению дополнительных исследований, предупреждают о тяжелых последствиях возможных климатических изменений для всего человечества. В частности, они предупреждают, что даже при резком сокращении эмиссии парниковых газов произойдет значительное повышение уровня Мирового Океана, которое из-за теплового расширения воды будет продолжаться в течение нескольких сотен лет.

Инженеры автомобильной компании "Форд" сообщили на пресс-конференции о нескольких новых устройствах, повышающих безопасность вождения и улучшающих топливную экономичность автомобилей. В частности, были продемонстрированы миниатюрные видеокамеры величиной с карандаш, позволяющие водителю видеть, что происходит в любом направлении вокруг автомобиля, и надувные мешки для защиты пешеходов, смонтированные на буферах.

Вице-президент компании "Форд" по обеспечению безопасности и охраны окружающей среды - Хелен Петраускас, рассказала журналистам о работе над аппаратурой, позволяющей водителю постоянно следить за давлением воздуха и его температурой в шинах. Дело в том, что перегрев шин может привести к их разрыву и, соответственно, к тяжелой аварии.

Инженеры компании "Форд" продемонстрировали миниатюрную видеокамеру, снимающую внутренность пассажирского салона каждые 15 секунд. При аварии радиопередатчик мгновенно посылает последнее изображение перед столкновением и первый снимок после него в диспетчерский центр ближайшего отделения "Скорой Помощи". Получившие оба снимка диспетчеры могут сразу установить, были ли у водителя и пассажиров надеты привязные ремни, и не были ли пассажиры при аварии выброшены из машины. Эти сведения необходимы, чтобы решить, сколько медсестер и врачей нужно срочно послать к месту происшествия.

XS
SM
MD
LG