Стена прогресса. В какие фундаментальные ограничения уперлась современная наука и чем это грозит

Конец миниатюризации? Транзисторы приближаются к размеру атомов

Около полувека индустрия микроэлектроники существовала по общепринятому правилу (хотя точнее сказать, тенденции) — закону Мура: количество транзисторов на микросхеме примерно удваивается каждые два года. Но сегодня этот принцип, кажется, начинает «ломаться».

Многие современные чипы используют технологические нормы 3—5 нанометров, а совсем скоро перейдут на 2 нанометра. Для лучшего понимания: диаметр атома кремния — около 0,2 нанометра. Можно сказать, что транзисторы уже состоят буквально из нескольких десятков атомов.

При этом задача уменьшения транзисторов становится сложнее и сложнее. Фактически мы уже почти подошли к этапу, когда «уплотняться» далее, по крайней мере нынешними способами, становится невозможно из-за квантовых эффектов. Электроны начинают «перепрыгивать» через тонкие перегородки толщиной всего в несколько атомов — речь про так называемый эффект квантового туннелирования.

Электроны просачиваются туда, где их быть не должно. Кроме того, усиливается проблема тепловыделения. Миллиарды транзисторов на площади в несколько квадратных сантиметров выделяют огромную мощность и, соответственно, тепло — его необходимо куда-то отводить. В теории из-за этого чип может путать команды — условно говоря, 0 превращать в 1.

Как бороться с положением? Вопрос на сегодня скорее открытый. Хотя исследователи предлагают пути решения, которые с большего делятся на две категории: замену материалов и/или изменение самой конструкции транзисторов. Если быть точнее, индустрия в том числе видит обходные пути в использовании так называемых трехмерных транзисторов (FinFET и GAAFET), а также в фотонных и квантовых вычислениях.

И тем не менее вывод очевиден: бесконечно уменьшать транзисторы вряд ли возможно.

Скорость света — абсолютный предел Вселенной?

Если отвечать на вопрос из подзаголовка прямо, в классическом понимании, то да. Согласно теории относительности Эйнштейна, скорость света в вакууме — 299 792 458 м/с, или более миллиарда километров в час, — на самом деле выступает абсолютным пределом для передачи любой информации или материи. Проще говоря, это максимальная скорость движения в космосе.

При этом необходимо понимать: свет — это электромагнитное излучение, которое проявляет как волновые, так и корпускулярные свойства. Видимый свет — только небольшая часть громадного электромагнитного спектра. При этом в веществе свет, как уточняется, распространяется медленнее, чем в вакууме — все дело во взаимодействии с атомами среды.

Что все это означает с более практической точки зрения? Любые межзвездные путешествия, даже если человечество в какой-то момент достигнет этого уровня, неизбежно столкнутся с проблемой времени.

Даже если мы соберемся колонизировать другие планеты, что уже само по себе под большим вопросом, единого «межзвездного интернета» в привычном смысле не будет. Для понимания: радиосигнал, посланный с Земли и распространяющийся со скоростью света, достигает Луны примерно за 1,3 секунды, до соседней планеты, Марса, он идет от 4 до 20 минут, а до звезды Проксимы Центавра — более четырех лет.

В теории как нечто, что способно обойти по скорости свет, рассматривают тахионы — гипотетические частицы. Но опять же, все попытки экспериментально обнаружить тахионы оказались безуспешными. Предположения вроде варп-двигателей также допускают перемещение быстрее света за счет искривления пространства-времени, но при этом требуют материи с отрицательной плотностью энергии. Такого объекта в пределах стандартной модели также не существует.

Наконец, часть физиков полагает: скорость света выполняет роль границы, оберегающей принцип причинности. Проще говоря, передача сигнала быстрее света потенциально могла бы отправлять информацию в прошлое, создавая этим парадоксы.

Квантовая неопределенность или предел точности измерений

Этот эффект называют одним из фундаментальных научных пределов, от которого зависит ряд более прикладных процессов в нашей жизни.

Если упростить: интуитивно может показаться, что если создать достаточно точный прибор, то получится измерить любой параметр природы с абсолютной или по крайней мере стремящейся к таковой точностью. Довольно долго именно так физики и считали. Но изучение квантовой механики определило: у точности измерений существует предел.

Причина, как утверждается, в том, что на квантовом уровне частицы ведут себя примерно как волны вероятности. Так, у электрона отсутствует строго определенная траектория, как у планеты, вращающейся вокруг Солнца. Вместо этого можно говорить лишь о вероятности обнаружить его в определенной точке.

Когда исследователи пытаются измерить положение частицы, они неизбежно вмешиваются в систему — скажем, освещая ее фотонами. Сам процесс измерения меняет состояние частицы. В результате абсолютная точность становится невозможной.

Почему это важно? Принцип неопределенности влияет на целый ряд технологий, от которых в свою очередь зависят другие. Например, самые точные на Земле атомные часы измеряют время по частоте переходов электронов в атомах, но даже такая система упирается в квантовые флуктуации. Магнитометры и гравитационные датчики также сталкиваются с квантовыми шумами, а упоминаемые выше квантовые компьютерные вычисления требуют особенных условий.

Резюмируя, можно сказать так: без квантовой неопределенности не существовало бы самой материи в привычном виде.

Редактирование генома — еще сложнее, чем кажется

Сразу отметим: саму по себе технологию, а точнее технологии (вариации стоит учитывать), редактирования генома «упершимися в стену» назвать вряд ли корректно. Но с рядом непредсказуемых сложностей столкнуться ученым все равно пришлось.

CRISPR — технология «генетических ножниц», которая позволяет точечно редактировать ДНК. Но вместе с тем геном — это не линейная программа, где каждый ген отвечает за один признак. Так, один ген может участвовать сразу в десятках процессов. То есть, изменив один участок ДНК, можно случайно повлиять на множество других функций организма.

В частности, к рискам относится так называемая система off-target («мимо цели») — система может ошибочно разрезать ДНК в похожем месте, что чревато мутациями или даже развитием рака. Кроме того, изменения в зародышевой линии передадутся будущим поколениям.

Решаемы эти и другие сложности? Во всяком случае, ученые работают над более совершенными методами редактирования. Среди них выделяется, к примеру, праймирование ДНК (prime editing) — решение, при котором «переписывание» генетического кода идет без разрыва обеих нитей ДНК. То есть более безопасно.

Есть о чем рассказать? Пишите в наш телеграм-бот. Это анонимно и быстро

Перепечатка текста и фотографий Onlíner без разрешения редакции запрещена. ga@onliner.by