Квантовая вселенная. Как устроено то, что мы не можем увидеть

Мы видим, что ток начинает течь только в том случае, если оба транзистора включены (то есть если приложить положительное напряжение к областям р-типа, Vb₁ и Vb₂), а именно это и приводит к появлению «вентиля и».

Другая логическая схема изображена на рис. 9.7. Здесь вода будет вытекать снизу, если открыт любой из клапанов, и не будет вытекать, если оба клапана закрыты. Это называется «вентилем или», и ее можно описать аналогично предыдущей: 1 или 1 = 1, 1 или 0 = 1, 0 или 1 = 1 и 0 или 0 = 0. Соответствующая схема транзистора тоже показана на рисунке. Ток пойдет во всех случаях, кроме того, когда оба транзистора выключены.

Рис. 9.7. «Вентиль или», созданный при помощи двух водяных труб и двух клапанов (слева) или пары транзисторов (справа)

Именно на таких логических схемах и основана сила цифровых электронных приборов. Эти скромные строительные кирпичики дают сочетания логических схем, которые можно использовать для создания сколь угодно сложных алгоритмов. Можно назначить список вводимых значений в некоторых логических цепях (набор нулей и единиц), прогнать эти значения через некую изощренную конфигурацию транзисторов и получить на выходе список других значений (другой набор нулей и единиц). Таким образом мы создаем цепи для совершения сложнейших математических расчетов или принятия решений, основанных на том, какие клавиши нажимаются на клавиатуре. Затем мы снабжаем этой информацией устройство, которое выводит соответствующие символы на экран, или запускаем сигнал тревоги, если кто-то вламывается в дом, или посылаем поток текстовых символов по оптоволоконному кабелю (при этом они представлены в виде бинарного кода) на другой конец мира, или… да что угодно, потому что практически любой электронный прибор в нашем распоряжении под завязку набит транзисторами.

Потенциал их безграничен, и мы уже вовсю используем транзисторы для изменения мира. Не будет преувеличением сказать, что транзистор – самое важное изобретение за последние 100 лет: современный мир построен на полупроводниковых технологиях и сформирован ими. С практической точки зрения эти технологии спасли миллионы жизней: в особенности стоит указать на применение вычислительных устройств в больницах, преимущества быстрых, надежных и распространенных по всему миру коммуникационных систем, использование компьютеров в научных исследованиях и для контролирования сложных промышленных производств.

Уильям Шокли, Джон Бардин и Уолтер Браттейн в 1956 году получили Нобелевскую премию по физике «За исследование полупроводников и открытие транзисторного эффекта». Возможно, никогда Нобелевская премия не присуждалась за работу, которая бы в такой степени непосредственно затрагивала жизни огромного числа людей.

10. Взаимодействие

В первых главах мы рассказывали о законах, по которым движутся мельчайшие частицы. Они перескакивают с места на место, без стеснения исследуя пространство и метафорически перенося с собой свои микроскопические циферблаты. Добавив множество циферблатов, соответствующих разнообразным способам, которыми они могут прибыть в некую определенную точку в пространстве, мы получаем единый общий циферблат, размер которого свидетельствует о вероятности найти частицу «там». Из диких, анархических проявлений квантовых скачков появляются более известные нам свойства повседневных предметов. В каком-то смысле каждый электрон, каждый протон и каждый нейтрон, присутствующие в вашем теле, постоянно исследуют всю Вселенную, и только когда вычислена общая сумма всех этих исследований, мы оказываемся в мире, где атомы нашего тела, к счастью, стремятся находиться в относительно стабильной форме – по крайней мере, на век или больше. Но мы до сих пор никоим образом не касались природы взаимодействий между частицами. Мы ухитрились довольно далеко продвинуться, не касаясь вопроса о том, на каком языке частицы разговаривают друг с другом. Во многом помогла идея потенциала. Но что такое потенциал? Если мир состоит исключительно из частиц, то, разумеется, мы можем совсем отказаться от смутного представления, что частицы двигаются «в потенциале», созданном другими частицами, и говорить уже о том, как именно движутся частицы и как взаимодействуют.

Современный подход к фундаментальной физике, известный как квантовая теория поля, действительно устраняет это понятие, добавляя к законам движения частиц новые законы, которые объясняют, как эти частицы взаимодействуют друг с другом. Эти законы оказываются более сложными, чем те, с которыми мы уже встречались, и одно из чудес современной науки в том, что, несмотря на всю сложность и запутанность мира природы, законов этих не так уж много. Альберт Эйнштейн писал: «Вечная тайна мира – в его понятности», а то, что «он понятен, это настоящее чудо».