На дворе скоро 2015 год, но машины все еще не летают, а по улицам не разгуливают роботы. Почему развитие технологий пошло не так, как предсказывали в фантастических произведениях?    

«Там, куда мы направляемся, дороги не нужны», — восторженно заявляет доктор Эммет Браун, активирует «конденсатор потока», разгоняется до 88 миль в час и совершает скачок из 1985 в 2015 год. Но вместо летающих автомобилей, объемных голограмм и левитирующих скейтбордов видит те же самые дороги, которые все еще нужны, и намертво прикованное к поверхности человечество, по-прежнему ползающее на дне воздушного океана.

Во-первых, воздушные винты, которыми мы просто «цепляемся» за воздух. Во-вторых, реактивная тяга, основной принцип которой состоит в том, что мы выбрасываем топливо с большой скоростью наружу, чтобы двигаться в противоположную сторону.

Остановимся подробнее на втором. Когда вы стреляете из пушки, в момент выстрела возникает отдача, которая сдвигает орудие назад. Это происходит из-за закона сохранения импульса, потому что снаряд, грубо говоря, «отталкивается» от пушки, чтобы приобрести нужную скорость. Теперь представим, что у нас есть возможность перезаряжать пушку очень быстро и делать по одному выстрелу в секунду. Если пушка не закреплена, то она начнет катиться назад, в противоположную полету снаряда сторону. С точки зрения физики мы выбрасываем часть массы из системы «пушка ‒ снаряд». По такому принципу работает реактивное движение, только «стрельба» производится не снарядами, а молекулами веществ — смесью газов и паров топлива.

Ладно, когда мы находимся в атмосфере, можно выбрасывать смесь топлива с воздухом. Вообще говоря, мы можем брать так много воздуха, что в результирующей смеси доля топлива будет составлять всего 1 ‒ 2 %, но вот тут появляется новая сложность: тяга тем больше, чем больше масса и скорость выброса. Если мы будем выбрасывать очень много (по массе) топлива, то оно быстро кончится. А чтобы выбрасывать топливо очень быстро (по скорости), мы должны быстро всасывать в систему воздух (которого, напомню, может быть почти в 100 раз больше, чем топлива).

Самолеты летают горизонтально на скоростях порядка 1000 км/ч. Их турбореактивные установки могут затягивать на такой скорости десятки килограммов воздуха в секунду. Не говоря уже о том, что тяга тратится на движение вперед, а не на поддержание высоты самолета (последнее достигается с помощью подъемной силы крыла). Подъемная сила, в свою очередь, тем больше, чем выше скорость движения.

И это совершенно не годится для автомобилей. Большую часть времени автомобили движутся относительно медленно, ведь мы почти всегда перемещаемся в городах, где есть пробки, светофоры, много поворотов и близкие друг к другу пункты назначения. Допустим, переход на летающие машины позволит нам избавиться от пробок (ну, везде, кроме Москвы) и светофоров. Допустим, мы сможем повысить среднюю скорость движения транспортного потока в городе до 150 ‒ 200 км/ч. Все еще слишком мало по сравнению с 900 км/ч у самолета, которому к тому же нужна длинная полоса для разгона и посадки, а уж ее организовать в городе просто невозможно.

Использование же реактивной тяги, направленной вниз, без применения крыльев еще более трудоемкое дело: сила самой тяги должна быть гораздо больше, чем при движении вперед, воздуха мы сможем забирать гораздо меньше и должны в итоге выбрасывать очень много топлива.

Ладно, но как же винты? Вертолеты отлично живут без реактивных двигателей. Есть даже относительно бюджетные модели легких одно- и двухместных воздушных транспортных средств — в чем же проблема?

Проблем несколько. Во-первых, эффективность воздушного винта еще ниже, чем турбины: вертолеты потребляют куда больше (на единицу полезной массы) топлива, и по своей средней полетной дальности самолетам они уступают. Во-вторых, они чудовищно шумные. Уровень шума вертолета примерно равен уровню шума автомобильного сигнала (десятки децибел).

В-третьих, подъемная сила винта зависит от размера лопастей и скорости вращения. Мы не можем делать лопасти слишком широкими, потому что тогда между ними почти не останется воздуха, за который можно цепляться. Мы не можем слишком сильно увеличивать скорость винта, потому что, начиная с определенных значений частоты вращения, возникает так называемый «эффект запирания»: подъемная сила перестает увеличиваться, потому что при движении лопастей со скоростью, близкой к скорости звука, в силу вступают совершенно другие эффекты, определяющие поведение воздушных потоков.

По сути, нам остается только увеличивать диаметр винта. А тогда все наши потенциальные автомобили резко начинают занимать намного больше места — как в воздухе, так и при посадке. Не самый технологичный способ развития.

А как же квадрокоптеры? Развитие «игрушечной» авиации в последние годы идет стремительными темпами — почему же просто нельзя собирать квадрокоптеры побольше, если создавать маленькие стало настолько проще и дешевле? Увы, поднимать в воздух маленькие объекты чисто физически проще, чем большие, о чем я уже писал ранее. Причину того, что модели стремительно становятся более доступными и разнообразными, следует искать в другом — в развитии и снижении стоимости электроники, которая отвечает за управление и стабилизацию аппаратов.

И пока мы не совершим качественный скачок, не придумаем какой-нибудь совершенно новый принцип, скорее всего далеко дело не продвинется.

Здесь же следует искать и ответ на второй вопрос — о развитии компьютеров: опять всему виной количественные ограничения. Да, наша электроника шагнула далеко вперед — у каждого из нас в кармане целый вычислительный комплекс. Но роботы по улицам все еще не ходят, искусственный интеллект не контролирует экологию на планете, автомобили только начинают учиться водить себя сами, а большинство примитивных работ до сих пор выполняют люди.

В те годы только начинался период невероятного роста мощности и доступности различных электронных систем. Перспективы были самые радужные, и в общем-то долгое время производительность действительно росла как по часам. Закон Мура перестал действовать после 2007 года. Количественный рост числа транзисторов на электронных платах остановился, и только качественный скачок — переход на многоядерные процессоры — позволил хоть немного продлить рост производительности, правда увеличивалась она уже гораздо меньшими темпами.

К сожалению, в нашем мире довольно много абсолютных ограничений, которые не зависят от уровня технологического развития и являются скорее фундаментальными свойствами Вселенной. Одно из подобных ограничений — так называемый «принцип Ландауэра». Согласно этому принципу, в любой вычислительной системе, независимо от ее конструкции, при потере информации будет выделяться тепло.

Чтобы понять, о чем идет речь, следует разобраться, как вообще информация связана с физическим миром. Когда мы говорим о каких-то данных, содержащихся в системе, мы имеем в виду конкретное упорядоченное состояние этой системы.

Где хаос — там тепло, потому что, как мы помним, повышенная температура есть проявление хаотичного движения частиц. Получается, что в компьютерах количество выделенной теплоты напрямую зависит от объема вычислений, которые этот компьютер производит. Чем мощнее процессор, тем больше выделяется тепла. А возможности по отводу тепла ограничены по той простой причине, что мы в конечном итоге просто охлаждаем все объекты за счет нагревания атмосферы.

Выходит, какую бы крутую конструкцию мы ни придумали, всегда есть некоторый максимум вычислительной мощности, которого мы способны достичь. То есть здесь мы опять наткнулись на ограничения окружающего мира, преодолеть которые можно только с помощью качественного скачка — смены принципов работы вычислительных систем. Собственно, исследования в этом направлении ведутся уже давно, но до широкого применения пока далеко. Жить нам без роботов и искусственного интеллекта еще пару поколений.

И если мы видим, как те или иные идеи начинают успешно развиваться,  это не значит, что прогресс в этом направлении будет вечно идти одними и теми же темпами. Так что строить картину будущего с помощью подобного «математического» алгоритма — просто преумножая результаты — точно не стоит. Наверняка, в будущем понадобятся совершенно новые идеи, представить которые сейчас мы можем с трудом. Так что спрос на ученых будет вечно, даже когда телефоны станут умнее своих пользователей. Хотя кое-кто считает, что это уже произошло.