Тайны природы. Синергетика: учение о взаимодействии

Схемы на рис. 17.16 дают представление о том, что уже такая простая операция как «и» требует довольно сложной системы труб. Труб же, необходимых для выполнения такими компьютерами более сложных вычислительных операций (например умножения или деления), запросто хватило бы на целый многоэтажный дом. Отсюда совершенно естественно возникает вопрос, адресованный физикам или инженерам-электрикам: нельзя ли создать схемы соединений, подобных описанным, но меньших размеров? А раз в таких схемах необходимо задействовать огромное количество элементов — что, как нетрудно видеть, подразумевает огромное количество отдельных операций, — следует в то же время стремиться и к тому, чтобы сократить длительность каждой операции. К счастью, физикам давно известны иные способы создания подобных схем, не нуждающиеся ни в воде, ни в трубах. В самом начале этой книги мы уже говорили об электронах — мельчайших частицах, движение которых создает в металлическом проводнике электрический ток. Электроны способны не только переносить электрический заряд, но и сохранять его, как это происходит, скажем, в батареях или конденсаторах.

Подобно тому, как вода под воздействием силы тяжести переливается из одного сосуда в другой, электроны могут перемещаться из одной емкости в другую под воздействием градиента потенциала. Эта аналогия между течением воды и электрическим током позволила инженерам осуществить все описанные схемы соединений с помощью электроники.

Совершенствуясь в искусстве создавать все более миниатюрные схемы, техника в последние годы творит подлинные чудеса. В шестидесятые годы компьютеры собирались из радиоламп, величиной и внешним видом напоминающих обычные лампы накаливания; каждая такая лампа исполняла одну-единственную переключательную функцию. Американский компьютер ЭНИАК, начиненный восемнадцатью тысячами радиоламп, весил восемнадцать тонн и обошелся приблизительно в восемь миллионов долларов. Сегодня десятки тысяч схемных элементов, заменивших прежние радиолампы, умещаются на тончайшей плате диаметром около сантиметра, причем стоимость всей платы не превышает пяти долларов. Воплощаются в жизнь все новые и новые идеи; быстродействие компьютеров постоянно растет: за секунду машина успевает совершить сотни миллионов операций.

Чистая логика: независимость от субстрата

Здесь и выходит на сцену синергетика. В нашей книге мы постоянно обращаемся к понятию «параметр порядка». Как показывают синергетические исследования, те же параметры порядка лежат и в основе логических процессов. Таким параметром порядка, характеризующим макроскопическое состояние системы, может быть — как в приведенных выше примерах — плотность электронов в различных элементах конструкции. Благодаря соединению подобных элементов в единую схему достигается уровень, на котором параметры порядка вступают во взаимодействие друг с другом, что приводит к возникновению новых параметров порядка. С синергетиче-ской точки зрения наиболее интересным здесь представляется то, что такие взаимодействия параметров порядка могут осуществляться множеством способов (зачастую самыми разными способами внутри одной системы), причем даже в тех случаях, когда упомянутое соединение элементов как таковое изначально в системе отсутствовало. Переключения в компьютерных элементах могут сегодня производиться с помощью лазера, что обещает в будущем быстродействие в пределах триллионных долей секунды, в то время как до недавних пор даже десятитысячные доли секунды представлялись едва вообразимыми. Кроме того, переключения могут осуществляться и посредством химических реакций, и это обстоятельство особенно важно, если учесть, что постоянно продолжается поиск новых, более миниатюрных, нежели существующие, элементов для компьютерных схем; такой способ переключения позволяет говорить о размерах, непосредственно сопоставимых с размерами молекул и даже атомов. Живая природа располагает подобными образцами наимельчайших из всех мыслимых элементов: речь идет о клеточных мембранах — в частности, о мембранах нервных клеток.

Эти мембраны состоят из удлиненных молекул, имеющих некое подобие головы и хвоста и сориентированных таким образом, что один конец молекулы всегда направлен к одному из окружающих ее амнионов, а другой — от него. При этом общая нелюбовь молекул мембраны к воде вынуждает их выстраиваться на манер солдат в строю (рис. 17.17). Такие мембраны можно изготовить и искусственно, причем толщина их будет равна длине молекулы.

^{Рис. 17.17. Примеры мембран. Вверху: мембрана из одного молекулярного слоя; внизу: двухслойная мембрана}

Под воздействием некоторых других молекул проницаемость мембраны может изменяться, благодаря чему сквозь нее могут проникать определенным образом электрически заряженные атомы либо молекулы (рис. 17.18). То есть, перед нами снова своего рода коммутирующие элементы, которые в состоянии выполнять логические функции.