Электрический мир

Если верить легендам, Архимед был особенно горд открытием закона рычага, дававшего возможность малыми силами совершать большую работу. Но, если разобраться, без источника энергии и это изобретение давало не так уж много. Водяные двигатели, использовавшие энергию падающей воды, резко подняли энерговооруженность людей. Мощные и компактные универсальные паровые двигатели и турбины, двигатели внутреннего сгорания «впрягли» в повозку технического прогресса миллионы «лошадей». Но только с изобретением электрического двигателя и генератора электрического тока энергетика обрела наконец свойства и характеристики, обеспечивающие реальную власть человека над Землей. Электрификация стала не только символом, но и важнейшим направлением научно-технического прогресса.

Электричество — единственный вид энергии, который люди научились производить в огромных количествах, концентрировать, передавать на большие расстояния, распределять между крупными и мелкими потребителями, легко преобразовывать в другие формы энергии. Оно — универсальный энергоноситель, позволяющий включить в структуру топливно-энергетического хозяйства, составляющего основы экономики, практически любой источник энергии, лишь бы это было рентабельным, экономически выгодным.

Выделяя в истории техники и общества отдельные периоды, историки всех времен любили оперировать понятием «век». Может быть, этому положили начало предания о якобы бывшем некогда золотом веке в истории человечества. Может быть, пальма первенства принадлежит археологам, первыми определившим целую эпоху как век. Это они выделили в древнейшей истории человечества каменный век, а затем — медный, бронзовый и железный, на самом деле измерявшиеся тысячелетиями. В XIX веке, когда впервые было по-настоящему понято определяющее значение энергии, заговорили о веке пара. А с последней четверти XIX столетия получило широкое хождение понятие «электрический век». Если следовать этой логике, он продолжается и сегодня. Можно сделать только одну, правда существенную, поправку и говорить уже не о веке, хоть и превышающем столетие, но все же имеющем временные границы, начало и конец, а о «электрическом мире», начало которому положили первые практические применения научных знаний о магнитных полях и электрических токах.

Магнетизм и электричество как природные явления были известны человеку с древних времен. Первая научная теория магнетизма принадлежит Уильяму Гилберту. Около 1660 года Отто Герике построил машину для получения статического электричества, что дало возможность уже проводить эксперименты. В 1745 году Питер ван Мушенбрук изобрел лейденскую банку. Но начало широким экспериментам с постоянным электрическим током положило изобретение Алессандро Вольта, создавшего в 1800 году, по словам другого ученого той эпохи Доменика Араго, «самый замечательный прибор, когда-либо изобретенный людьми, не исключая телескопа и паровой машины». Речь идет о знаменитом вольтовом столбе, долгое время бывшем единственно пригодным для практического применения источником тока. Двадцать лет спустя Ганс Эрстед обнаруживает действие электрического тока на магнитную стрелку, а еще десятью годами позже Майкл Фарадей формулирует закон электромагнитной индукции. 1834 год вошел в историю как год создания первого пригодного для практики электрического двигателя, изобретенного Борисом Якоби. Его коллега по Петербургской академии наук Эмиль Ленц вывел один из фундаментальных законов электромеханики — принцип обратимости генераторного и двигательного режима электрических машин. Целая плеяда ученых и инженеров реализует этот закон в технических конструкциях. Развитие электротехники идет так быстро, что уже в 1867 году один из ее основоположников Вернер Сименс имел основания заявить: «Современной технике предоставляются теперь все возможности, чтобы доступными и дешевыми средствами выработать ток неограниченной силы и получать его всюду, где имеется в распоряжении механическая сила. Этот факт во многих областях будет иметь существенное значение».

Первый Международный электротехнический конгресс в Париже (1881 г.) уже продемонстрировал большое влияние новой отрасли науки и техники на промышленность. «…В действительности это колоссальная революция, — писал Ф. Энгельс Э. Бернштейну в 1883 году. — Паровая машина научила нас превращать тепло в механическое движение, но использование электричества откроет нам путь к тому, чтобы превращать все виды энергии — теплоту, механическое движение, электричество, магнетизм, свет — одну в другую и обратно и применять их в промышленности. Круг завершен».

Так началась электротехническая революция. Вряд ли имеет смысл подробно описывать ее дальнейшее развитие. Электричество стало буквально вездесущим. В быту, в промышленности, на транспорте, в системах обработки и передачи информации, в автоматике. Обратим особое внимание читателя только на одну из новейших областей науки и техники — электрофизико-химические методы обработки материалов. Здесь электричество не только выполняет ставшую для него традиционной роль энергоносителя, но и само непосредственно участвует в технологическом процессе формообразования деталей.

Неудивительно, что производство электроэнергии во всех промышленно развитых странах мира опережает по темпам и рост национального дохода, и общее энергопотребление. Например, в СССР потребление энергии возрастает примерно на 12 процентов в год, в Японии — на 15 процентов. При этом доля первичных энергоресурсов, используемых на выработку электричества, начиная с 1950 года увеличилась с 14 до 50 процентов.

Основной поставщик электроэнергии — мощные и сверхмощные генераторы, вращаемые паровыми и гидравлическими турбинами. Они вырабатывают самое дешевое электричество в огромных количествах. Крупнейший в мире двухполюсный турбогенератор имеет мощность 1200 мегаватт. Одна машина вырабатывает электричества столько же, сколько вырабатывали 2/3 всех электростанций, строительство которых предусматривалось Государственным планом электрификации России в течение пятнадцати лет. Эта рекордная машина, успешно работающая на Костромской ГРЭС, — шедевр сложнейшей работы ученых, конструкторов, производственников.

Но рост мощности генераторов тока влечет за собой увеличение выделения тепла, а это — потери энергии. Проблема охлаждения обмоток генераторов стала препятствием на пути увеличения их эффективности. И как всегда, когда оказываются бессильными опыт и здравый смысл, на помощь приходит научное знание. Необычный для электротехники результат дает применение эффекта сверхпроводимости, еще совсем недавно считавшегося весьма экзотическим явлением, не имеющим особого практического значения.

Применение сверхпроводящих обмоток в электрических машинах позволяет в 2–3 раза уменьшить массу агрегата при коэффициенте полезного действия до 95,5 процента. Первые в истории промышленные криогенные генераторы — машины Будущего — уже построены в Ленинграде.

Но у сверхпроводимости, достигавшейся только при температуре жидкого гелия, есть смертельный враг — тепло. Поэтому проводники из сплава ниобия и титана в медной матрице помещаются в криостат, ведь поток тепла всего лишь в один ватт (столько тепла излучает лампочка карманного фонарика) способен испарить около 1,5 литра жидкого гелия в час. Криостат — своеобразный холодильник, вращающийся с частотой 3 тысячи оборотов в минуту, в который подается жидкий гелий и удаляется гелиевый газ, — конструкция не из простеньких. Поэтому понятно, с каким энтузиазмом встретили энергетики известие об открытии эффекта сверхпроводимости при значительно более высокой температуре. Высокотемпературная проводимость изучается сегодня в лабораториях всех экономически развитых стран мира. Рассказ об увлекательнейших и удивительнейших перспективах, открывшихся в 1987 году перед электротехникой, заслуживает отдельной книги. Уже в ближайшие годы в энергетике будет совершен новый революционный рывок вперед по дороге НТР.

Читатель, конечно, заметил, что создание даже весьма экономичных и небольших по размерам сверхмощных электрогенераторов со сверхпроводящими обмотками никак не отменяет проблему первичных источников энергии. Любой генератор надо вращать — силой ли пара, силой ли воды. Первичные энергоресурсы, как и другое сырье, человек черпает из природы. На производство электроэнергии расходуется около четверти добываемого в мире органического топлива. А запасы нефти, каменного угля и природного газа далеко не безграничны. Исчерпать их — значит оставить человечество без электричества, без энергии, сделать его бессильным — как на заре истории — против природы. Но об этом, конечно, не может быть и речи.

Одолев стихийные силы природы, человек стал мечтать о большем — безграничной власти над Землей. Но для этого нужен и неисчерпаемый источник энергии, электричества. Наращивать энерговооруженность путем добычи и сжигания все большего количества основных первичных энергоносителей — органических природных топлив и урана — бесконечно нельзя. Поэтому перспективы власти человеческого общества над природой связаны с поисками новых энергоносителей, добыча и переработка которых экономически выгодны и не ограничены экономическими проблемами.

В истории энергетики уже известны своеобразные топливно-энергетические революции. В XIX веке ведущую роль в энергетике играл каменный уголь. Примерно в середине XX века на смену ему пришли нефть и ее производные, добыча и переработка которых обходились гораздо дешевле. И вот теперь на очереди новый энергоноситель. Каким он будет? Пока ученые, инженеры и экономисты ищут. Достойных претендентов не так много. Некоторые считают, что будущее могущество человечества должно основываться на атомной энергетике— не современной, использующей обогащенный уран, а термоядерной. Заметим, что у этой идеи есть не только сторонники, но и многочисленные противники, доводы которых против ядерной энергетики слишком серьезны для того, чтобы от них можно было так просто отмахнуться. Да и чисто технических проблем еще чрезвычайно много: экономически выгодное промышленное освоение термоядерных реакций — дело не самого близкого будущего, хотя физики предполагают создать первый опытный термоядерный реактор еще до конца нашего тысячелетия.

Прямое преобразование солнечной энергии в электричество с помощью полупроводниковой техники, такое, как на космических кораблях, в промышленных масштабах не сулит особых экономических выгод. Недостаточны и другие альтернативные источники энергии — приливные электростанции, ветряные двигатели, термоэлектрические преобразователи. Но есть у ученых идея, реализация которой позволит решить энергетическую проблему наилучшим образом. Это использование в качестве первичного энергоносителя самого распространенного во Вселенной элемента — водорода, занимающего, как известно, первое место в периодической системе элементов.

Собственно говоря, сжигая каменный уголь, природный газ и нефть, мы уже используем теплотворную способность водорода. Ведь он поставляет основную часть тепла, получаемого в топках котлов электростанций. Достаточно сказать, что чистый водород дает в 3 раза больше тепла, чем бензин, в состав которого он входит, а о других углеводородных органических топливах и говорить не приходится. Но одно дело — водород в составе угля и нефти, и совсем другое — чистый водород, при сжигании которого в цилиндрах двигателей внутреннего сгорания в выхлопные трубы поступает… чистая вода. Вся беда в том, что чистый водород сегодня дорог, и получать его в количествах, необходимых для замены других природных первичных энергоносителей, пока что практически нецелесообразно. Но, как мы уже говорили, у ученых есть идея…

На очереди решение одной из великих тайн природы— познание механизма фотосинтеза. Ожидания, связанные с этим, превосходят надежды энергетиков на промышленное использование термоядерных реакций. Фотосинтез — необходимое условие, исходный рубеж жизни на нашей планете, потому что только он обеспечивает использование части потока солнечной энергии живым веществом Земли — сначала растениями, затем всеми другими видами живых организмов. В процессе фотосинтеза, пока что неизвестным нам образом, солнечный свет расщепляет воду на кислород и водород. Кислород выделяется в атмосферу, давая жизнь флоре, а водород (тоже пока неизвестно как) связывается с углеродом в органических химических соединениях— углеводах, строительных материалах растений. Так природа «консервирует» солнечную энергию, запасы которой, накапливавшиеся миллионы лет, мы теперь расходуем с такой поспешностью и неразумием.

Теперь представим себе машину, воспроизводящую механизм фотосинтеза. Для того чтобы разорвать химические связи водорода с кислородом в воде, сегодня нужно затратить колоссальную энергию. Пиролиз (разложение воды теплом, огнем) или электролиз (разложение воды с помощью электричества) в больших масштабах экономически невыгодны. А в процессе фотосинтеза эта задача решается практически без затрат энергии— с помощью солнечного света! Самое же главное — в машине удастся получить и кислород, и водород. Откроется путь превращения солнечной энергии в химическую, а превращать химическую энергию в электрическую мы уже умеем, и очень неплохо.

Человечество ждет фантастическая по своим возможностям водородная экономика. Еще Д. И. Менделеев говорил, что сжигать нефть в топках — все равно, что топить котлы ассигнациями. Энергия водорода легко транспортируема, легко преобразуется в электрическую энергию. Дешевый водород станет прекрасным топливом. Разлагая воду на кислород и водород и сжигая затем водород, мы опять получим ту же самую воду и при этом прекратим загрязнение воздуха десятками вредных газообразных веществ, неизбежно попадающих в атмосферу при сжигании органического топлива.

И это еще не все. Получаемый в больших количествах водород избавит металлургию от доменного процесса. Металлы будут восстанавливаться из руд без плавки: водород отберет у окислов кислород. Можно привести много других доводов в пользу водородной энергетики. Ее преимущества перед развернутым строительством АЭС очевидны. И хотя задача получения дешевого водорода в больших масштабах еще не решена, ученые надеются на успех. Водородно-электрический мир — таким будет следующий век энергетики.

 

Наследники бога Гефеста

Гефест был хром и безобразен, но жил, как и подобает богу, на горе Олимп. Неизвестно, правда, где располагалась его мастерская, ведь Гефест был еще кузнецом, великим Мастером, владевшим ковкой металлов — искусством таинственным и прекрасным. Творения Гефеста воспеты древними греками в мифах. А Гомер в «Илиаде» рассказал о том, что Гефест первым додумался до идеи, одолевающей с тех пор десятки поколений мечтателей и фантастов, не исключая фантазеров эпохи научно-технической революции. Вот что донесли до нашего времени строки древнегреческого эпоса. Когда дочь Нерея Фетида пришла в гости к богу-кузнецу, он

«Золотые девы» Гефеста в нынешнем техническом просторечии — автоматы-андроиды, роботы с довольно высоким уровнем машинного интеллекта и хорошо развитой системой исполнительных механизмов. По крайней мере, до сих пор никому еще не удалось создать столь же удачную конструкцию. Поскольку более древних упоминаний об автоматах, выполняющих функции человека, до нас не дошло, мы можем с достаточным основанием утверждать, что именно Гефест — родоначальник автоматики, и потому специалисты, создающие, изготавливающие и использующие человекоподобные автоматы — его наследники.

А если говорить серьезно, мечта об устройствах, способных действовать самостоятельно, без вмешательства человека, и приносить ему пользу, наверное, не моложе самого человечества. Первыми автоматическими устройствами были, конечно, не мифические золотые девы, а, скорее всего, ловушки для зверей, луки-самострелы, работавшие в полуавтоматическом режиме.

Около 2500 лет назад в Древнем Египте были созданы автоматы, о которых и сегодня спорят историки. До сих пор не установлено точно — использовались ли они практически или же так и остались в макетном исполнении, в виде игрушек-моделей. Одно из таких автоматических устройств открывало врата храма после того, как на жертвеннике разгорался огонь. По тем временам это должно было производить ошеломляющее впечатление: верующие, конечно, и не подозревали о том, что жрецы вмонтировали в жертвенник паровой котел. Пар, пройдя по трубам, перемещал противовес или рычаг, открывавший двери храма.

Согласно источникам, некоторые из изобретений египетских жрецов дошли до механиков эллинистической эпохи, живших в III веке до нашей эры — II веке нашей эры. Впрочем, первый из эллинов, удививший современников хитроумными устройствами с автоматикой, изобрел ее сам. Ктесибий из Александрии был сыном цирюльника. Чтобы помочь отцу, он приспособил к зеркалам противовесы, помогавшие удерживать их на уровне лица клиента, какого бы роста он ни был. Потом идея гиревого механизма была использована Ктесибием в целом ряде развлекательных автоматов.

Занятные автоматы с гидравлическими устройствами описаны в книге Герона Александрийского «Театр автоматов». Наверное, не все эти механизмы придумал сам Герон, но некоторые из его собственных изобретений были популярны и в средние века.

Сложные механизмы пользовались тогда большой популярностью. Даже бароны и герцоги не гнушались работать у токарных станков, изготавливая часовые механизмы. Довольно сложные передаточные механизмы промышленных водяных мельниц и часов, представляющих собой весьма замысловатые конструкции, дали толчок развитию кинематики, а затем и механических автоматических устройств. Вот что писал об одном из часовых механизмов, созданных известным мастером Турриано — часовщиком и механиком королей Карла V и Филиппа I, его друг Амброзио Морале: «Здесь имелось «Примум мобиле» с его противоположным движением, восемь сфер с их колебаниями, движение семи планет со всем их разнообразием, солнечные часы, лунные часы, появление знака Зверя и многих других больших звезд, кроме того, многие другие вещи, которые я забыл». В этих часах было более 1800 зубчатых колес. «Примум мобиле» — это видимое движение звезд. Воспроизвести его в механизме — очень сложная задача.

Средневековые механизмы были прекрасной школой механики, но практическое значение их было невелико. Люди продолжали мечтать о большем. Может быть, поэтому уже в начале XIX века все так охотно поверили в сенсацию — автомат умеет играть в шахматы. Рассказывают, что даже Наполеон не погнушался сыграть партию, но, увидев, что проигрывает, смешал фигуры. Победить автомат и впрямь было мудрено. Мошенник Кемпелен, создавший это устройство, нанимал выдающихся игроков в шахматы и прятал их среди колес и рычагов, закрывая зеркалами. Этот секрет используется в цирке до сих пор.

Первые автоматы были механическими. Регуляторы, предохранители, автоблокираторы сыграли большую роль в развитии машин и машиностроения конца XVIII–XIX веков. Начиная со второй половины XIX века в устройствах автоматики стали использовать достижения электротехники — электромагнитные реле, электрическую связь, электрические исполнительные механизмы. Так появилось второе поколение промышленных систем автоматики — электромеханические автоматические системы управления. В 40-е годы XX века были даже созданы электромеханические вычислительные машины. Правда, век их был недолог. На смену им очень быстро пришли электронные вычислительные машины первого поколения, построенные на электронных лампах, изобретенных в начале XX столетия. Затем автоматические устройства стали играть все более заметную роль в промышленном производстве, на транспорте, в системах связи. К этому времени получила развитие и наука об автоматическом управлении и регулировании. Однако ни электромеханические системы, ни автоматы, построенные на электронных вакуумных приборах, не могли стать базой для реализации идей бога Гефеста. Им можно было передать только простейшие функции человека, да и то не полностью.

В 1946 году американские физики Дж. Бардин, У. Шокли и У. Браттейн изобрели транзистор — первый твердотельный полупроводниковый прибор. Дело пошло не сразу, но когда пошло — оказалось, что новые компактные устройства гораздо эффективнее электронных вакуумных приборов. Они совершили революцию в технических средствах автоматизации. Стало ясно, что новые автоматы должны быть сильны не столько «руками»— исполнительными устройствами, сколько «мозгами»— устройствами, обеспечивающими нужную очередность действий, соразмерность движений, точность позиций и передвижения рабочих органов.

Современная автоматика — такое же привычное и необходимое условие работы промышленности, связи, транспорта и энергетики, как электричество. Роботы — грузчики, маляры, сварщики — этим уже никого не удивишь. На часовых заводах автоматические сборщики-манипуляторы резко подняли качество продукции, повысили производительность труда. Роботы проникают в каюты затопленных судов, исследуют поверхность планет Солнечной системы, действуют в радиоактивных зонах АЭС. А в научно-исследовательских институтах и конструкторских бюро вовсю идет работа над роботами новых поколений. Ученые надеются уже в ближайшие годы научить не только экспериментальные, но и серийные автоматы «слышать» голос и исполнять поданные человеком звуковые команды, различать цвет и форму предметов, принимать самостоятельные решения в условиях неопределенности.

Инженеры трудятся над проектами цехов и заводов, работающих в автоматическом режиме, без участия человека. Они конструируют автоматы для работы в шахтах, в космосе и на дне океанов, пользуясь системами автоматизированного проектирования — САПР. Робототехника давно стала привычным предметом, рядовой учебной дисциплиной не только в институтах, но и в профессионально-технических училищах. Наверное, если бы случилось невозможное и из обращения разом были изъяты все автоматические устройства, человечество оказалось бы и по уровню культуры и по уровню власти над Землей если не в средних веках, то, по меньшей мере, где-то в XVIII веке. Но, пожалуй, самая увлекательная из задач, над которыми ломают сегодня головы наследники Гефеста, — это задача создания искусственного интеллекта.

Впервые слова «искусственный интеллект» прозвучали как технический термин в 1956 году. С тех пор, по мнению академика Г. С. Поспелова, проблема искусственного интеллекта превратилась в центральную задачу всей информационно-компьютерной технологии.

В чем суть проблемы? В 50—60-е годы полагали, что главное — научить ЭВМ выполнению таких экзотических заданий, как сочинение музыки, игра в шахматы и т. п. Но уже в 70-е годы стало ясно, что такие задачи не требуют ничего, кроме хорошо подготовленной программы, и деятельность такого рода не так уж разумна. Да и нельзя, действуя по рецепту, создать нечто выдающееся, выходящее за заданные рамки. И тогда, поняв это, специалисты в области искусственного интеллекта стали создавать такие компьютеры, которые смогли бы не только работать по установленным правилам, но и создавать новые программы применительно к изменившейся ситуации, а затем переключаться на выполнение этих программ по мере надобности. По сути дела, проблема искусственного интеллекта была поставлена совсем по-другому. Решение ее стало еще более трудным. Но первые успехи в этом деле уже есть, и наследники Гефеста с оптимизмом смотрят в будущее.

В декабре 1985 года была принята Комплексная программа научно-технического прогресса стран — членов СЭВ. Одно из заданий этой программы предусматривает создание ЭВМ нового поколения, способной выполнять более 10 миллиардов операций в секунду. В этой ЭВМ уже будут использованы принципы искусственного интеллекта.

Хотелось бы завершить этот раздел на мажорной ноте, но… Любая серьезная техническая проблема ставит перед современным исследователем не только технические вопросы. Успехи в разработке средств автоматизации— важное, но не единственное условие передачи автоматам функций человека. Чрезмерное увлечение одной только технико-технологической стороной дела как раз и ведет в последующем к конфликтам между человеком и техникой. Поэтому, говоря о победном шествии автоматов, о том, как в истории науки и техники создавались предпосылки как будто бы уже наступающего века компьютеров, нужно сказать о затруднениях на этом пути, до сих пор не преодоленных.

Следует ли передавать машинам решение всех задач получения, обработки и передачи информации и тем более принятия решений в соответствии с этой информацией, или же здесь должен быть поставлен какой-то разумный предел, установлено какое-то разграничение функций между электроникой и человеком? В какой мере можно довериться машинам, положиться на их безопасность и надежность? Должны ли мы стремиться к полной и всеобщей машинизации, компьютеризации и автоматизации труда, быта и творчества?

Есть проблемы и попроще, по крайней мере на первый взгляд. Как приспособить новую технику к ограниченным физическим, физиологическим, психическим возможностям человека? Совершенно ясно, что ошибки оператора сложной технической системы гораздо опаснее, чем ошибки специалиста, управляющего работой одной небольшой машины. Но разве вероятность ошибки изменяется при переходе от одной установки к другой, разве она может быть сведена к нулю? Как обеспечить безопасность и надежность современных технических систем, если они представляют собой не просто технические устройства, а по существу человеко-машинные системы?

Подобные вопросы не могут быть решены одними только инженерами. Ответ на них возможен при условии привлечения всех знаний о человеке, при совместной работе специалистов в области технических, естественных и общественных наук. И хотя ни на один из этих вопросов еще нет однозначного, а тем более исчерпывающего ответа, научно-технический прогресс развертывается неудержимо и стремительно, ведя человечество все дальше по пути автоматизации.

 

Ровесница и надежда XX века

Электроника родилась в самом начале XX века и потому заслуженно считается его ровесницей. В 1901 году знаменитый американский изобретатель Томас Алва Эдисон приметил новый, не наблюдавшийся ранее феномен — поток электронов, возникающий между двумя электродами в вакууме при нагревании одного из них. Сам он этот эффект на практике не применил. Но уже в 1905 году Джон Флеминг использовал открытое Эдисоном явление и научился управлять им. Между двумя электродами, катодом и анодом, он поставил сетку — третий электрод, на который можно было подавать потенциал, ускоряющий или запрещающий проход электронов. Так появился первый электронно-вакуумный прибор— стеклянный баллон на цоколе, внешне очень похожий на осветительную лампу и потому названный электронной лампой.

Принцип управления электронным потоком оказался очень плодотворным. Инженеры создавали одну многоэлектродную лампу за другой. На практике особенно ценной оказалась пригодность новых приборов для работы в диапазоне радиочастот. Радиолампы стали основным конструктивным элементом передатчиков и приемников радиоволн. Но и в других отраслях электротехники, в области коммутации и передачи слабых токов, электронные реле, выпрямители, усилители сигналов позволили совершить быстрый рывок и за короткий срок резко повысить технические характеристики телеграфных и телефонных систем. Потом появились другие электронно-вакуумные приборы, обеспечившие технический прогресс акустики и радиолокации, измерительной техники, телеуправления и систем автоматики… Словом, начался век электроники — обширного комплекса технических наук и отраслей техники и промышленного производства.

Как ни короток жизненный путь технических средств нового класса, общие закономерности развития техники проявились и в нем. Очень скоро на смену первым образцам электронных устройств пришли более совершенные. Большие электронные лампы уступили место сначала компактным, затем — миниатюрным, пальчиковым. В середине века физики показали, что нужного эффекта можно достичь и без помощи вакуума, используя твердотельные диоды и транзисторы. Переход электроники на твердотельные полупроводниковые схемы хотя и дался нелегко, зато резко повысил ее возможности. Твердотельная электроника тоже эволюционировала по знакомой схеме — в ней происходила смена поколений. Появились интегральные схемы, объединившие на одном кристалле полупроводника сразу несколько полупроводниковых элементов. Плотность «упаковки» быстро росла. БИС — большие интегральные схемы, затем СБИС — сверхбольшие интегральные схемы оказались несоизмеримо более эффективными, более надежными, дешевыми, компактными. Хотя для их производства пришлось создать новую отрасль промышленности с очень сложной технологией, они, в конечном счете, оказались дешевле прежних радиоламп.

Происходивший буквально на глазах процесс технического прогресса электроники так напоминал эволюционные процессы в растительном и животном мире, что появились даже теории, переносившие в технику идеи Дарвина. Например, в теории надежности описываются системы уравнений, отражающие процессы «размножения» и «гибели» элементов в больших технических системах. Понятие «жизненный цикл технического устройства» даже стало термином. Ну а выражения «ЭВМ играет в шахматы», «ЭВМ сочиняет музыку» стали уже привычными не только для специалистов, хорошо помнящих об условности такого рода фраз. Академик И. П. Павлов в свое время наказывал сотрудников за выражения, очеловечивающие животных, приписывающие им, хотя и в образной форме, то, что доступно только человеческому мозгу. Но кто накажет журналиста и специалиста, всерьез пишущих о машинном интеллекте без всяких оговорок? Конечно, каждый раз все в деталях не объяснишь. Надо только очень хорошо знать: модель интеллекта — еще не Разум, аналогия — еще не тождество, внешнее подобие — не общность сущностей.

Но вернемся к электронике.

В чем колоссальное, подлинно всемирно-историческое значение электроники? Что дает право называть ее не только ровесницей, но и надеждой XX века?

Электронные устройства совершили переворот в автоматизации и сделали возможной индустрию информации. Если до середины XX столетия люди нацеливали свою деятельность на добычу, переработку, преобразование, хранение, транспортировку и потребление вещества и энергии, то теперь они смогли организовать технологические процессы применительно к информации.

Один из «отцов кибернетики» Норберт Винер сказал: «Информация — это информация, а не вещество и не энергия». И действительно, информацию в руки не возьмешь, разве что в форме какого-либо ее носителя — книги, перфоленты, магнитной пленки. Но информацию можно получить, зафиксировать, преобразовать, переработать, сохранить, передать, выдать, использовать — внешне все обстоит так, как и с другими ресурсами, которыми располагает человек. Анализу и объяснению этих процессов посвящен особый комплекс наук — информационно-кибернетический цикл технических дисциплин. Информатика как раздел научного знания развивается по тем же законам, что и остальные фундаментальные и прикладные знания. А уж о технической стороне дела и рассказывать не приходится: информационно-кибернетические отрасли промышленности, экономики сегодня известны всем. Информационно-кибернетическая революция стала очевидной для человечества тогда, когда было осознано значение вычислительной техники. Но на самом деле суть этого явления гораздо шире, чем применение техники для вычислений. Электроника — техническая основа революции в кибернетике и информатике — стала мощнейшим оружием человечества.

Да, сама по себе информация не обогревает жилище, не генерирует электричество, не штампует кузова легковых автомобилей. Но без нее невозможен ни один из этих процессов, тем более невозможно их улучшение, повышение эффективности, уменьшение отрицательных последствий для природы. Электроника сама по себе тоже не производит информацию и тем более не использует ее в интересах человечества, а значит, и в интересах природы. Она, как говорят философы, — не субъект, а объект и может выступать только как средство для достижения цели. Но ведь и средство — вещь чрезвычайно важная, даже необходимая для целенаправленной деятельности, на которую способен только человек.

Потребности формируют цель, цель побуждает к поиску и созданию средств ее достижения. Чем необычнее новая цель, тем труднее приспособить к ее достижению уже имеющийся арсенал средств. Так и в современной электронике — как ни велики ее современные возможности, требуется создание еще более эффективных технических средств информатики. Можно ли надеяться на то, что такие средства будут созданы электронщиками— учеными, инженерами, производственниками? Тенденции развития электроники позволяют говорить не только о надеждах на будущее, но и об уверенности в нем.

Хорошо известно, что будущее начинается сегодня. Если не все, то очень многие события и явления будущего, как правило, имеют уже вполне реальные корни в настоящем. Имеет их и электроника. Уже сегодня созданы микросхемы, способные буквально перевернуть технику обработки информации. Посудите сами: на пластинке кремния размером 8,9X16,6 миллиметра размещается «бутерброд» из 20 слоев полупроводника, металла и его окислов. Эта конструкция содержит сорок миллионов (!) элементов-деталей и способна запоминать 1190 страниц машинописного текста — в 16 раз больше, чем серийные микросхемы выпуска 1987 года. Но, возможно, еще важнее то, что любой фрагмент информации, записанной в схеме, может бить найден и получен за 87 миллиардных долей секунды. Японские инженеры предполагают начать серийный выпуск таких схем уже в 1992 году.

О надеждах, связываемых с техническим прогрессом в электронике, можно было бы написать не одну книгу. И все они рассказали бы о том стремительном взлете научно-технического прогресса, который сулит нам ее применение в XXI веке.

 

Зеленое утро планеты

Научно-технический прогресс умножает власть над Землей, и спорить с этим бессмысленно. Но магнитофоны, ЭВМ, интегрированные комплексы машин сами по себе людей не накормят.

Английский священник и экономист Мальтус жил на рубеже XVIII и XIX веков. В 1798 году он опубликовал книгу «Опыт о законе народонаселения», положившую начало лженаучному учению о закономерностях воспроизводства человечества.

В природе все устроено так, утверждал Мальтус, что число рождающихся особей каждого вида всегда превышает допустимое с точки зрения имеющихся запасов пищи. Точно так же получается и с людьми: население планеты растет по биологическим законам и удваивается каждые двадцать пять лет, то есть люди размножаются в геометрической прогрессии. Количество же продуктов питания растет только в арифметической прогрессии, и потому еды на всех все равно не хватит. Значит, делал вывод «человеколюбивый» слуга господа, повальные болезни и войны — не зло, а благо для человечества. Впрочем, добавлял к этому Мальтус, несмотря и на это «естественное» регулирование численности людей, Землю все равно ожидает «абсолютное перенаселение».

Прогнозы Мальтуса показались кое-кому весьма убедительными. Возникло целое течение — мальтузианство. Классические мальтузианцы утверждали, что усилия по умножению производства средств существования бессмысленны и тщетны, потому что это приведет только к увеличению числа потребителей продуктов питания. И хотя «законы», выведенные Мальтусом, не оправдались даже приблизительно, до сих пор его последователи видят единственную возможность выхода из глобальных кризисов в резком сокращении рождаемости и выступают против индустриализации и научно-технического прогресса сельскохозяйственного производства развивающихся стран, в которых проживает более половины населения Земли и быстрее всего растет его численность.

Сегодня, два века спустя после «открытия» Мальтуса, можно легко проверить, прав он или нет. По Мальтусу, население Земли должно было вырасти с 900 миллионов в 1798 году до 115 миллиардов в 1976 году. На самом деле за это время оно достигло 4 миллиардов человек. В историческом же масштабе изменение численности населения планеты происходило следующим образом. Ученые считают, что с восьмого тысячелетия до нашей эры до 1650 года нашей эры население удваивалось каждые полторы тысячи лет. Следующее удвоение состоялось за 200 лет. С одного миллиарда человек в 1830 году до двух миллиардов человечество выросло за 100 лет. Четыре миллиарда население Земли составило 45 лет спустя. В 1987 году, как известно, в Югославии родился пятимиллиардный житель Земли. Демографы отмечают устойчивую, хотя и неравномерную для разных стран и частей света, тенденцию дальнейшего роста численности населения. Есть основания полагать, что к 2000 году на Земле будет жить 6 миллиардов. Однако в дальнейшем тенденция должна измениться, и численность землян стабилизируется, как полагают ученые, где-то во второй половине XXI века на уровне 12–15 миллиардов человек.

Так обстоит дело с численностью людей — потребителей природных ресурсов. А сбылся ли другой прогноз Мальтуса, основанный на якобы доказанном им «законе» убывания плодородия почв?

Мальтус просчитался и здесь. В промышленно развитых странах и в мире в целом производство пищи растет быстрее, чем численность населения. Если население планеты с 1950 года по 1975 год выросло на 62 процента, то производство зерна за тот же период увеличилось на 102 процента, то есть прирост на душу населения составил 24 процента. Особенно показательны данные по промышленно развитым странам, располагающим значительным научно-техническим потенциалом. Например, в США, где население росло особенно быстро за счет массовой эмиграции из стран Европы, с 1840 года по 1940 год оно стало больше в 8 раз. Но за это же столетие производство пшеницы здесь выросло в 10 раз, риса — в 18 раз, а хлопка — почти в 10 раз.

В чем же ошибался Мальтус? Прежде всего в том, что свел развитие народонаселения к одним только биологическим законам. Численность населения планеты на самом деле изменяется под решающим воздействием социальной организации общества, зависящей от способа производства, а не от природы.

Мальтус и мальтузианцы неправильно оценили и роль научно-технического прогресса, который, по их мнению, способствует только росту числа потребителей и не в состоянии обеспечить достаточный прирост производства средств существования людей. Как показала история, развитие научных знаний и технический прогресс осуществляются в темпах вполне достаточных для удовлетворения растущих потребностей человечества в продуктах питания. Наука и техника выступают здесь не как враги, а как друзья человечества, как необходимое ему для существования и развития средство. Это видно особенно отчетливо, если обратиться к последним событиям в мировом сельском хозяйстве.

Речь идет о резком повышении урожайности всех основных сельскохозяйственных культур, увеличении производства зерна и других продуктов питания, которое даже назвали «зеленой революцией». Действительно, в этой области во второй половине XX века человечеству удалось достичь впечатляющих успехов, позволяющих оптимистически глядеть в будущее. В 70-е годы XX века человечество расходовало около 4 миллиардов тонн растительной массы и примерно 75 миллионов тонн продуктов моря — рыбы, морских растений, креветок и т. д.

За счет чего совершена «зеленая революция»? Как показал опыт, внесение одного центнера основных удобрений (фосфора, азота и калия) на гектар земли дает прибавку урожая зерна на 4,2 центнера, сахарной свеклы на 29,1 центнера и картофеля на 26,5 центнера. Внедрение последних достижений сельскохозяйственной науки, успехи селекционеров, вооруженных знанием генетики и биологии, высев лучших семян современных сортов и гибридов сельскохозяйственных культур повышают урожаи в 2–3 раза по сравнению с теми, что считались хорошими 30–40 лет назад. К этому, конечно, надо добавить широкое развитие ирригации, ликвидирующей многовековую зависимость человека от погодных условий и связанных с ними недородов, развитие сельскохозяйственной науки, способной теперь выдавать исчерпывающие рекомендации и позволяющей буквально программировать будущие урожаи. Огромный рывок совершила сельскохозяйственная техника. Своевременная, в лучшие агротехнические сроки обработка почвы и растений, уничтожение вредителей и сорняков, уборка и переработка урожая без потерь приносят колоссальные прибавки в производстве пищи. Ликвидировав болезни растений, можно увеличить производство продуктов питания еще в два раза, ведь вредители сельскохозяйственных культур ежегодно уничтожают пищу 400 миллионов человек.

Широкое и разумное использование мобилизованных продовольственных ресурсов морей и океанов, еще далеко не полностью реализованных ресурсов суши, «зеленая революция», современная наука и техника в состоянии обеспечить благоденствие всего человечества и сегодня и в будущем. Проблема не в том, что земля якобы не может прокормить всех. Дело в структуре потребления, в социальной справедливости, в целях и средствах развития сельского хозяйства.

Ясно и другое — залог успеха «зеленой революции» не только в биологической науке и химии. Новейшая техника обработки земли и ухода за посевами делает человека практически не зависящим от погоды и страшной угрозы засухи, ранних заморозков, поздней весны. Значит, и здесь техника станет могучим средством достижения власти над землей. Надеясь на технику, мы, конечно, понимаем, что речь идет не о том, чтобы умножить число уже работающих на полях комбайнов и тракторов, — такое решение заведет человечество в дебри экологического кризиса. Ведь чем больше машин, тем больше нужно произвести металла, угля, руды и т. д. Нет, задача должна решаться за счет коренного изменения качества сельскохозяйственного машиностроения. Минимум металла, максимум производительности, как можно меньше отрицательных воздействий на почву и окружающую среду, как можно больше пользы для земли и урожая — такова проблема, и нет сомнения в том, что хоть она и сложна, но обязательно будет решена.

Надеются специалисты и на дальнейшее повышение урожаев. Подсчеты ученых показали, что в принципе возможно получить с каждого гектара пашни 120 центнеров зерновых, 2 тысячи центнеров сахарной свеклы или 1 тысячу центнеров картофеля. Это позволит с лихвой обеспечить медицинские нормы потребления продуктов питания населением Земли.

 

Дорога в НТР

Человечество накопило немалый опыт революций в науке и технике. Революции промышленная и электротехническая, электронная и информационная, «новейшая революция в естествознании» и даже «зеленая революция»… Но начиная с середины XX века сведения об этих многочисленных и разнообразных переворотах в мире науки и техники меркнут в свете развертывающейся во всем мире научно-технической революции, охватывающей практически все области науки и техники.

…Не так давно я умудрился заблудиться в небольшом подмосковном лесу, вернее, в лесочках да перелесках, и тогда пошел напропалую на шум пролегавшего, как хорошо было слышно, неподалеку шоссе. Автомашины, казалось, мчались совсем рядом, но пройти пришлось порядочно, и когда я вышел на крутой косогор — зеленый откос автострады, он уже был освещен косыми лучами заходящего солнца. Широченное стального цвета дорожное полотно, прямое как натянутая лента, вырывалось из-под высокого железнодорожного моста и резко перечеркивало привычный сельский ландшафт — невысокие холмы, рощицы по-осеннему рыжих берез, долину небольшой синей речушки…

Но главное, что бросалось в глаза, — два разноцветных, даже пестрых, мчащихся друг другу навстречу потока огромных автомашин, гигантский, почти фантастический конвейер «мазов», «камазов», «зилов» — с прицепами и без них, с брезентовыми фургонами и яркими контейнерами на открытых площадках, сложные стальные конструкции, голубые и белые цистерны — чего только не было на этой ясно высвеченной солнцем подмосковной дороге! Она как бы демонстрировала возможности современной промышленности. Мимо мчались целые квадраты стен с окнами, поблескивавшими уже вставленными стеклами, ярко-желтые гусеничные краны летели мимо на низких платформах, устало положив огромные стальные руки на кабины тягачей. А вот промчался большущий самосвал — уж не с игрушками ли? Нет, эти метровые кубы, вспыхивающие фиолетовыми, золотыми и алыми искрами, — прессованный металлолом для мартенов. Следом — машины с аккуратными белыми ящиками, снабженными заметными издали предупредительными надписями; не кантовать! Приборы, должно быть… На ребристых красных, синих, бежевых контейнерах — названия фирм со всех концов света. Вереница огромных трейлеров — грузовиков-фургонов с надписью на бортах «Совавтотранс» пронеслась и исчезла, подобно облакам за иллюминатором авиалайнера…

Иногда вписывался в поток зеленый «Жигуленок», а то «Москвич» или «Нива» цвета слоновой кости, и снова— с равными промежутками — на большой скорости мчались мимо разнообразнейшие грузы, уже, должно быть, ожидаемые на складах торговых баз, у ворот контейнерных площадок речных и морских портов или железнодорожных станций.

Всему этому предстояло одно общее дело — служить человеку. И я подумал: какое огромное количество энергии, труда, новых знаний, физических и умственных усилий заключено в мчащихся мимо грузах! Чем не символ дороги в будущее? Да, она начинается не только на полях и заводах, в озаренных оранжевым светом теплицах и мартеновских цехах или на сияющих стерильной чистотой участках сборки микросхем. Тихие лаборатории, кабинеты ученых, где иной раз не то что дисплея, даже микрокалькулятора не увидишь за их полной ненадобностью. Или огромные, подобные промышленным предприятиям ускорители элементарных частиц, работающие по командам современнейших ЭВМ, — все это начало начал научно-технического прогресса.

Так что же это такое — НТР?

Отвечая на этот вопрос, специалисты исписали множество бумаги. Кто-то утверждал, что НТР прежде всего революция в энергетике и суть ее — в широком применении атомных реакторов для получения пара и с его помощью — электричества. Другие настаивали на информационно-кибернетическом характере революции, происходящей в лабораториях и на заводах. Все «секреты» НТР — в широком применении новейших быстродействующих ЭВМ с огромной «памятью», утверждали они.

Высказывалась и такая точка зрения: одна из важнейших, если не самая важная, особенностей НТР — применение новых конструкционных материалов. В подтверждение приводились серьезные доводы. Попробуем рассказать о некоторых из них, тем более что проблема массовых конструкционных материалов имеет прямое отношение к тому, какие именно руды будут добываться и расходоваться человеком в особенно больших количествах в ближайшем будущем.

С начала железного века до наших дней железо устойчиво занимало место основного материала, из которого изготавливались машины и другие конструкции. Но затем в области производства конструкционных материалов наметился крутой поворот в сторону массового применения более легких металлов и сплавов из них. Особенно важное значение в технике наших дней приобрели алюминий, титан и магний. Без них, считают специалисты, промышленный потенциал человечества снизился бы в несколько раз.

История применения алюминия в технике похожа на детектив. Впервые чистый алюминий получили в 1825 году, но и в 1854–1855 годах он считался драгоценным материалом. Его годовое производство в мире не превышало 25 килограммов, и стоил он 45 рублей золотом за килограмм. За следующее столетие, когда в ход пошел новый способ получения алюминия электролизом из криолитно-глиноземного расплава, этот металл опередил по объему выпуска все металлы, кроме железа!

Ценнейшие технические свойства и технологические качества, а главное то, что алюминия на Земле вдвое больше, чем железа, и в 2500 раз больше, чем меди, делают его главным металлом эпохи НТР. Применение алюминиевых сплавов в конструкции грузовых вагонов снижает их массу почти на 40 процентов и увеличивает грузоподъемность на 8–9 процентов. В пассажирском вагоностроении применение одной тонны алюминиевых конструкций вместо стальных дает экономию 700—1200 рублей и снижает трудозатраты на 500 человеко-часов.

До 25 процентов потребляемого алюминия используется сегодня в электротехнике и энергетике. Очень перспективно применение его в гелиоколлекторах — устройствах, концентрирующих солнечную энергию для использования ее в теплоснабжении. Подлинную революцию в технике газовой индустрии обещают алюминиевые трубопроводы для перекачки сжиженного газа. Ждут не дождутся сплавов алюминия заводы, выпускающие машины для Агропрома.

Во второй половине XX века успех алюминия разделяет еще один перспективный конструкционный материал — титан. Этот металл прочнее, легче и жаропрочнее, чем железо. Он кислотоупорен, высокопластичен. Уникальный набор важнейших характеристик объясняет триумфальное выдвижение титана на одну из ведущих позиций в машиностроении. В химической, авиационной и аэрокосмической промышленности, в судостроении и многих других отраслях техники титану уже трудно найти замену. В энергомашиностроении замена стали на титан позволила, например, создать невиданные по мощности паровые турбины.

Самые легкие конструкции из металла выполняются сегодня из сплавов магния с литием. В современных летательных аппаратах доля этих сплавов часто доходит до 30 процентов общей массы. Особенно полезно для повышения качества техники применение магниевых сплавов в радиолокации, акустике, цветном телевидении. Все шире применяют магний и его сплавы в производстве товаров широкого потребления.

Прекрасное будущее конструкторы пророчат принципиально новым конструкционным материалам — неметаллам, получившим название композитов. Типичный композит— стеклопластик. Новейшие композиты сочетают высокую прочность, легкость, жаропрочность. Пластик в них армируется борными, углеродными и другими волокнами.

Описать или хотя бы только перечислить все преимущества новых конструкционных материалов, отличающие их от традиционных, невозможно. Понятно и то, что подобного рода информацию можно подобрать практически по любому перспективному направлению НТР. Если же подумать над всем этим многообразием сведений и мнений о главном в НТР, сам собой напрашивается вывод, что главное — не один какой-то процесс, не одна из сторон научно-технического прогресса, а все они вместе, в едином комплексе, в одной системе.

На самом деле так оно и есть. С одной только поправкой: если речь идет о системе, то, очевидно, у всех составляющих ее элементов должно быть нечто общее? Иначе системы не получится. Такая общая для всех направлений НТР база действительно существует. Это — автоматизация. Но почему, спросит читатель, именно автоматизация не просто одна из черт или сторон НТР, а ее генеральный путь?

И микроэлектроника, и атомная энергетика, и химизация, и прочие направления НТР стали возможны лишь потому, что совершился переход промышленной техники от механизации к автоматизации. Автоматика как бы объединяет, интегрирует в себе достижения множества отраслей науки и техники, и она же преобразует сами эти отрасли на новой основе, совершает в них переворот, научно-техническую революцию. Но, нанизывая события в науке и технике на общую нить НТР, можно упустить из вида, что они, при всей их важности, сами по себе еще недостаточны для объяснения происходящего. Если НТР — революционный переворот во всей системе производства, ее не понять, не учтя в ней роль человека.

Революционизируя производство, научно-технический прогресс вплотную затрагивает главную производительную силу — человека, создающего новые материальные и духовные ценности. «Эта активная, действенная роль человека нередко остается, к сожалению, за пределами внимания социально-экономической литературы, толкующей либо о безличных процессах в мире науки и техники, либо об испытывающих их влияние человеке и обществе. Если же говорить о западной литературе, то в ней подобная пассивно-страдательная роль человека возводится чуть ли не в основной теоретический принцип истолкования современного общества и путей его развития в связи с научно-техническим прогрессом», — писал известный советский философ Г. Н. Волков. Эти слова во многом справедливы и сегодня, когда незаслуженно недооценивавшийся ранее человеческий фактор получил всеобщее признание.

Внимательный читатель может сказать: раз все это так, прав ли был автор, когда изобразил в качестве символа дороги в НТР шоссе, на котором не встретил ни единого человека?! И если у вас возник такой вопрос, автору остается только одно — признать свою неправоту. Главное в НТР, конечно же, не машины, не техника и даже не достижения некой безликой науки вообще. Если автоматизация в эпоху НТР стала важнейшим средством осуществления власти над Землей, то вызванные этим изменения в роли и месте людей на производстве, в жизни общества, в отношениях с природой и техникой и есть самое главное из происходящего в эту эпоху на пути в Будущее. Бесцельное, непродуманное продвижение вперед по дороге в НТР само по себе еще не благо. Оно — при определенных условиях — может оказаться даже губительным для человека.