Допустим, у вас есть молекула аммиака. Она изображена на рис. В1, например слева. И есть еще одна такая же — справа. Но не совсем такая — это зеркальное отражение первой. И как ни старайся, первую во вторую не превратить — не вывернешь же ее наизнанку. А вот в квантовом мире такое возможно — из-за туннельного эффекта. Но — внимание — это не все! В результате получится вообще нечто неожиданное. Реальными будут не «левая» и «правая» молекулы аммиака, между которыми возможен переход, а их смеси. Первая смесь — половинка «левой» плюс половинка «правой» молекулы. Вторая — половинка «левой» минус половинка «правой». Чудно? Авторы, конечно, в своем «объяснении» многое упустили. Пропустили такие слова, как «суперпозиция волновых состояний», «разница между бозе- и ферми-статистиками» и многое другое. Но для этого надо учить «кванты».
Но это «чудно» имеет удивительное последствие. Если «левая» и «правая» молекулы ничем не отличались, и переход из одной формы в другую ничего не менял, ни к чему не приводил, то в случае наших смесей это не так. «Первая» смесь отлична от «второй». Они имеют разные внутренние энергии, и переход между ними осуществляется за счет поглощений (в одну сторону) или испускания (в другую сторону) кванта света. Вот этот квант, испускаемый молекулой, и есть то, из-за чего мазер (а также лазер) работает. Не будет преувеличением сказать, что мы видимтот факт, что состояния вовсе не одинаковы, а, напротив, различны, и значит, мы реальноимеем дело не с «правой» и «левой» молекулами — реальны наши квантовомеханические смеси.
Этот пример имеет далеко идущие последствия. Вот мы говорим, что атомы можно разместить так, можно иначе — на то и наши нанотехнологии, которые и осуществляют манипуляции с атомами. А на деле реальны не «так» и не «иначе», а их абстрактные математические комбинации. И у этих комбинаций, кроме того, и свойства другие.
Здесь можно возразить: ну хорошо, это в квантовом мире такие «фокусы», а в нашем все проще. Возражение отчасти верно, но лишь отчасти. Наша убежденность в том, что нанотехнологии позволят нам воспользоваться теми свойствами, которые присущи квантовому миру, и есть утверждение того, что эти свойства окажутся у нас здесь, так сказать, «под руками» и «перед глазами». И непонимание этого — само по себе огромный риск.
Лет двадцать назад одному из авторов этой книги довелось присутствовать на физическом семинаре, посвященном возможности холодного термояда — «поджечь» термоядерную реакцию без токамаков и других огромных, сложных и дорогостоящих установок. Докладчик уверенно рассказывал о том, что успех обеспечен: вот еще чуть-чуть, и он на своем рабочем столе, пусть не в центре Москвы, но в жилом, в общем-то, районе, этот термояд подожжет.
Первым ему был задан следующий вопрос: а если «бабахнет»? «Не должно», — ответил докладчик. Больше вопросов к докладчику не было — было ясно, что он и сам не верит в успех своего эксперимента. Итак, если мы верим в нанотехнологии, в их квантовые возможности, — а это так, — то возможность того, что «бабахнет», не должна сбрасываться со счетов. А наш пример лишь про один из множества квантовомеханических «фокусов» показывает нам, что наше рассуждение по привычке может оказаться — и наверняка окажется! — ошибочным.
Вот еще один пример ошибочного рассуждения, диктуемого нам нашим неквантовым опытом. Давайте подбросим две монетки. Какова вероятность, что выпадут два «орла»? Кто немного знаком с теорией вероятности и элементарной математикой, легко ответит: одна четверть, или 25 %. И в самом деле, давайте переберем возможности. Первая — наши два «орла». Вторая — две «решки». А еще третья и четвертая. Первая монета — «решкой», вторая — «орлом». И, наоборот: первая — «орлом», вторая — «решкой». Всего четыре равновероятные возможности. И только одна нас устраивает. Вот и получается одна четвертая.С монетками так и есть, можете проверить, немного поиграв в орлянку.
А теперь «следите за руками»! У электрона есть два состояния: спин вверх и спин вниз — своеобразные «орел» и «решка». Какова вероятность найти два электрона спином вверх (пусть электроны имеют разную энергию, чтобы не было проблем с ферми-статистикой)? Думаете одна четвертая? Ничуть не бывало. Одна треть. Считаем состояния. Два вверх. Два вниз. Один вверх, один вниз. Всего три состояния. Стоп, — скажете вы. Ну, один, два, а затем три — первый вниз, второй вверх, и четыре — первый вверх и второй вниз.
А вот и нет. Два электрона не бывают первым и вторым — они настолько одинаковы, что принципиальноне различимы. Один вверх (неважно какой), один вниз — и никак иначе! Физики эту вероятность померили, что называется, поиграли в орлянку. И подтвердили — одна треть!
В нашем мире любые два объекта — хоть братья близнецы — принципиально различимы. А в квантовом — наоборот: два электрона — это два электрона, а не первый и второй — пальцем в них ткнуть нельзя! Неразличимость одинаковых квантовых объектов (а это могут быть и нанокластеры) — удивительное отличие квантового мира от нашего. Что будет, если мы создадим точную атомарную копию какого-либо предмета — атом за атомом? Мы это еще не пробовали! А нанотехнологии нам такую возможность предоставят.
Еще раз повторимся: мы многого не знаем. Нет, мы знаем, как «удивительно» ведут себя молекулы, атомы и их составные части — элементарные частицы. Но мы до конца не знаем, как ведут себя их ансамбли при условии, что действие квантовых эффектов будет «продолжено» до надлежащих размеров. А то, что такое «продление» будет, сегодня уже можно не сомневаться. Помните про спины электронов? Вот с ними имеет место совершенно удивительный «фокус», уже частично «пролонгированный» в наш мир. На основе этого «фокуса» работают флешки — память, не требующая энергопотребления.
Электроны — фермионы, т. е. они подчинены так называемой ферми-статистике. Это означает, что два электрона в одно состояние запихнуть нельзя. Если «коробочка» занята, то будьте любезны — в другую. Помните, как в химии электроны химических элементов с ростом номера элемента заполняют электронные оболочки? Это оно и есть. Они не толпятся все на нижних орбитах — там занято и приходится забираться на следующие.
Впрочем, на каждой «орбите» все же не один электрон, а два, ведь есть еще спин, вверх и вниз. В каждой клеточке по два электрона, спины которых смотрят в разные стороны. И если мы у одного электрона перевернем спин, то у другого он тоже обязательно перевернется. На этом — или почти этом — принципе работают так называемые спин-спиновые взаимодействия, или спиновые волны. Это передача сигнала очень странным способом — без привычных нам сил. Кстати, на этом принципе работает и так называемый квантовый компьютер, которому посвящен отдельный раздел (см. п. 3.3 «Немного мертвый кот, или компьютер-демон»).
Исчерпываются ли «чудеса» и «фокусы» квантового мира тем, что мы рассказали? Конечно, нет! Например, мы можем с удивлением узнать, что, повернувшись на 360 градусов вокруг собственной оси, мы не очутимся в том же положении — оказывается, надо повернуться дважды! И многое-многое другое. Но обо всем этом — позже, конечно, лишь в том объеме, который нам необходим для разговора о рисках привнесения особенностей квантового мира в нашу жизнь.
Нано и новый технологический уклад
…Эта промышленная революция была вызвана изобретением паровой машины, различных прядильных машин, механического ткацкого станка и целого ряда других механических приспособлений. Эти машины… изменили весь существовавший до тех пор способ производства…
«СЕПУЛЬКИ — важный элемент цивилизации ардритов (см.) с планеты Энтеропия (см.). См. СЕПУЛЬКАРИИ».