Кафедра Ваннаха: Углерод и кремний

Кафедра Ваннаха: Углерод и кремний

Автор: Ваннах Михаил

Опубликовано 19 сентября 2011 года

Мир информационных технологий – мир кремния. Ну а те вычислители, асинхронные нейросети или квантовые компьютеры (если принять гипотезу Пенроуза), на которых запущены процессы, дающие нам разум и самосознание, сделаны на углероде. Точнее – на органике. Соединениях углерода. Почему так? И так ли оно будет впредь?

Почему же жизнь функционирует на Земле на углероде? Потому что его много на нашей планете? Да, немало… Но кремния-то больше. Раз в 270-290 в земной коре! И, по идее, роль кремния в биосфере должна быть пропорционально больше? Ан нет… В организмах он присутствует, но изрядно, по классификации В.И. Вернадского, на "декаду" (не менее чем на десятичный порядок) уступая углероду.

Почему же так случилось?

Давайте же посмотрим на жизнь как на антиэнтропийный процесс. По давнему, начала 1960-х годов, определению А.А. Ляпунова, это "высокоустойчивое состояние вещества, использующее для выработки сохраняющих реакций информацию, кодируемую состояниями отдельных молекул". Скажем, в мировом океане существуют сохраняющие реакции, поддерживающие уровень растворённого в нем углеродного газа, – это взаимопереходы растворимого бикарбоната кальция и нерастворимого карбоната кальция. Но в молекулах в этом процессе ничего не кодируется – имеют место обычные химические реакции, преимущественно в ту или иную сторону.

Должно ли кодирование информации осуществляться именно состоянием молекул, вопрос отдельный. Но, как мы видим, в этом определении никаких ограничений на состав этих молекул нет. И почему бы эволюции было не воспользоваться тем, что у неё под рукой в большем количестве?

Вот отец неравновесной термодинамики Илья Пригожин отмечал, что у систем биологических, в отличие от физических, есть прошлое. Что молекулы, входящие в них, были отобраны прошлыми эволюционными процессами для участия в автокаталитических, усиливающих самих себя реакциях. Но и тут никакого запрета на применение кремния не существует. Так почему же жизнь и разум на нашей планете функционируют на основе углерода?

Дело в его химических свойствах. Атомы углерода меньше, нежели у кремния, - 91 пикометр радиуса против 132 пикометров. Образуемые ими связи, в том числе ковалентные углерод-углеродные, прочнее и разнообразнее. Какие полимеры образует в присутствии кислорода, синтезированного в топках звёзд ранних поколений, давших жизнь Солнечной системе, кремний?

Да очень скучные и однообразные, на базе двуокиси кремния. Нерастворимые, неактивные… А спаренные углероды создают вокруг каждого атома углерода тетраэдрическую конфигурацию, работающую превосходным каркасом для органических молекул с различной пространственной структурой. Не могу назвать иной химический элемент, кроме углерода, который способен образовать такое разнообразие прочных молекул. Обратим внимание: прочных! Чтобы бороться с энтропией, прочность необходима.

Конкретика того, что входит в состав живых организмов, неважна. Белки, нуклеиновые кислоты, углеводы, липиды (жиры и жироподобные вещества) – всё это произвольно. Ещё более произвольно то, что на нашей планете все белки построены из левовращающих аминокислот, все нуклеиновые кислоты – из правовращающих сахаров. Любителей "твёрдой" научной фантастики отошлём к рассказу Михаила Владимирова (псевдоним некоего член-корреспондента АН СССР) "Остров зеркального отражения".

Важно то, что построены эти вещества из прочных и разнообразных молекул. Их основой служит углерод, определённые квантовой механикой свойства которого придают им такое разнообразие. Ну вот так оно на нашей планете. Так уж шла эволюция…

А кремний, хоть на него и падает больше четверти состава земной коры, такого разнообразия и такой прочности не даёт. И хотя именно кремний придаёт прочность нашим костям, зубам и ногтям (вспомним о дарвиновской "эволюции с когтями и клыками"), материал он в биосфере вспомогательный. (Углерод, по Вернадскому, в декаде второй; первая - это водород с кислородом, а кремний - в третьей.)

Ну а эволюция – дама безмозглая. Комбинаторными способностями она обладает. Времени у неё – миллиарды лет. Полигон – размером с планету. Равнодушию к страданиям её жертв - тех самых существ, не прошедших естественный отбор и в результате этого разрываемых когтями и разгрызаемых клыками, позавидует любой садист…

Но вот творческие способности – ограниченны и однообразны. На начальных этапах, сине-зеленые там всякие, одноклеточные – использование квантовой механики, фотосинтеза. А в высших животных – рычаги там, гидравлика… В начале технологии ХХ века, в конце откат к Архимеду Сиракузскому и Герону Александрийскому. За одним исключением – разума… Но это отдельный разговор.

Вернемся же теперь к технологиям. Обратимся к их истории. Было когда-то такое развлечение – радиолюбительство. Берёшь электронную лампу и на ней одной ладишь суперрегенеративный приёмник. Очень высокая чувствительность (достигаемая положительной обратной связью) и очень узкая (по той же причине) полоса пропускания. Регулировать нужно было непрерывно, но клевету А.М. Гольдберга с волн Би-Би-Си послушать удавалось сквозь заглушки.

Так, даже одноламповый приёмник содержал изрядное разнообразие элементов, ёмкостей, резисторов, нескольких катушек, силового трансформатора, селеновых пластин выпрямителя. Ну а что ж говорить о супергетеродине с двойным преобразованием частоты, двухпетлёвой АРУ и автоподстройкой частоты…

Лампы там присутствовали в изобильной номенклатуре. Двойные триоды, триод-гептоды, пентоды, пара электронно-лучевых индикаторов 6Е1П… Кремниевые диоды для запитки нитей накала постоянным током. Комбинировать их было крайне просто: минимум расчётов, но долгая возня при настройке с генератором качающейся частоты и катодным осциллографом. А что приёмник нынешний? Пара микросхем в пластиковом корпусе… Голимый кремний (верньеры и индуктивности мы и там и там в расчёт не берём).

Посмотрим на ЭВМ. Древнейшие, ламповые. Разнообразие элементов. Современные – однообразный кремний. Но – несопоставимо больше знаний вложено в технологию, в конструирование. Вот и эволюция когда-то комбинировала всякие карбоновые кислоты, углеводороды, амины, спирты, альдегиды… Потом породила однородный массив нервных клеток, нейросеть головного мозга.

Комбинировать разнообразные элементы, существование которых было обусловлено свойствами углерода, было легко. Примерно как радиолюбителем пятидесятых-шестидесятых годов мог быть человек с минимумом образования. А вот создавать сложные конструкции из однородных элементов – дело совсем другое. Вам, уважаемые читатели, не приходилось встречать умельца, сладившего микропроцессор на кухне из пустых бутылок?

То есть вовлечение в технологию кремния (точнее, даже поверхности его легированных кристаллов) - вещь крайне наукоёмкая. Безмозглой эволюции при всех её ресурсах это не по силам, это сфера дел разума, овладевшего технологией.

Но ныне технология обращается к углероду. Искусственные алмазы, нанотрубки, бакиболы, фуллерены, новомодный графен. На них возлагаются большие надежды в самых различных областях – металлообработка, конструкционные материалы, оптоэлектроника… Но вот чем характерны эти материалы?

Да прежде всего однородностью! Прочность связей в них остаётся прежней - высокой, что и используется на всю катушку! Но вот разнообразие нарочито принесено в жертву. Дорога к сложности в технологии идёт через однородность. Так уж удобнее инженерному делу и позитивным наукам.

Такая вот диалектика: чтобы вернуться к нам в виде основ следующего поколения вычислительной техники, углероду придётся уподобиться кремнию в простоте…