Своей мощью и универсальностью современные компьютеры обязаны крохотным быстродействующим компонентам, манипулирующим битами, – элементарными строительными блоками, лежащими в основе любых данных. Сходным образом и нанотехнологические производственные системы будут манипулировать элементарными строительными блоками материи. (Э. Дрекслер, Машины творения 2.0)
Хотя приставка «нано» видится сегодня залогом процветания буквально во всем, ясно, что именно за IT стоит мощнейшая и глобальнейшая из сил, не только зависящая от нанотехнологического прогресса, но и торящая ему путь: вычислительная мощность – один из самых востребованных ресурсов в любой нанотехнологической исследовательской группе.
Кроме того, IT суждено быть основой интерфейса между нано- и макромирами. В частности, наши представления об устройстве нанообъектов определяются алгоритмами компьютерной визуализации данных. Изображения, получаемые сегодня с помощью сканирующего атомно-силового микроскопа (а равно и изображения, которые будут получаться завтра с помощью других, еще более компьютеризированных устройств), имеют немногим больше общего с реальными объектами наномира, чем пиктограммы в окне Проводника Windows с реальными файлами, хранящимися на жестком диске. Однако главная тема этой статьи связана с третьим, самым существенным основанием привилегированного положения IT в нанотехнологическом контексте.
Развиваясь в теснейшем симбиотическом союзе, IT и нанотехнологии отражают друг друга на уровне базовых концепций и даже терминологии. Достаточно упомянуть, что одной из ключевых задач нанотехнологии является построение устройств, называемых «ассемблерами» и «дизассемблерами», и что бурно растущее множество способов создания нанообъектов отчетливо распадается на два системных подхода: «сверху вниз» и «снизу вверх».
Исторические корни
Чтобы увидеть за подобными параллелями нечто большее, чем случайные совпадения, стоит пристальнее присмотреться к ним в разных ракурсах, начиная с исторического. Основателями нанотехнологии считаются:
-
Ричард Фейнман, накануне 1960 г. продемонстрировавший целесообразность и неизбежность тотальной наноминиатюризации технологий в лекции «Внизу [масштабной шкалы] полно места» («There's Plenty of Room at the Bottom»), прочитанной перед студентами Калифорнийского технологического института. Лекция эта, в частности, знаменита ошарашивающе простым в формулировке (хотя и обескураживающе сложным в реализации) рекурсивным алгоритмом построения наноробота методом «сверху вниз»: достаточно «всего лишь» создать и запустить механизм, способный воспроизвести и запустить свою собственную уменьшенную копию!
-
Профессор-материаловед из Токийского университета Норио Танигучи (Norio Taniguchi), в 1974 г. впервые употребивший термин «нанотехнология» и определивший его как «обработку, разделение, объединение и деформирование материалов с помолекулярной и поатомной точностью». Насущная заинтересованность в таких технологиях очевидна: материаловеды находятся примерно в той же ситуации, что и программист, имеющий доступ к чрезвычайно мощному компьютеру, на котором не установлено ни одного компилятора. Никакая изобретательность не позволит ему полностью реализовать потенциал аппаратного обеспечения, пока он будет лишен средств низкоуровневого программирования.
-
Американский физик и математик Эрик Дрекслер (Eric Drexler), чей научно-популярный трактат «Машины творения» («Engines of Creation»), вышедший в 1986 г. и многократно переизданный на многих языках мира, стал такой же признанной классикой футурологии, как «Сумма технологии» С. Лема и «Век одухотворенных машин» Р. Курцвейла. Положив нанотехнологии в основу своего видения будущего, построенного на достаточно убедительном анализе истории и текущего состояния научно-технического прогресса, Дрекслер сделал решающий вклад в их популяризацию.
-
Четвертым отцом-основателем с различной степенью иронии называют иногда Б. Клинтона, в период президентства которого нанотехнологии были официально признаны в США стратегически важным национальным приоритетом, и началось их крупномасштабное правительственное финансирование. Инициатива была подхвачена множеством других стран. Желая участвовать в разделе «пирога» грантов, многие материаловеды, биоинформатики и прочие представители академической среды в одночасье объявили себя нанотехнологами.
По-древнегречески «nanos» означает «карлик». Согласно современному общепринятому определению нанотехнологии охватывают методы манипуляций с объектами размером от 1 до 200 нм вдоль хотя бы одного измерения (1 нм = 10-9 м = 10 Е; 1 Е примерно соответствует диаметру атома водорода).
Отметим, что это определение рискует в недалеком будущем устареть по той же причине, по какой обратилось в анахронизм слово «микропроцессор»: спустя дюжину лет после его появления все CPU стали «микро-», и использование приставки утратило смысл. Согласно оценкам Р. Курцвейла, каждое десятилетие усредненный показатель прецизионности возрастает в 5,6 раза, так что уже в 20-х годах XXI ст. все ключевые технологии станут «нано-». Если к тому времени термин «нанотехнология» не забудут, то он, вероятно, будет употребляться в том смысле, каким наделил его профессор Танигучи.
Но пока забвение этому выражению отнюдь не грозит. Помимо iPod Nano, в США зарегистрировано около полутора тысяч включающих его торговых марок. Маркетинговый ажиотаж, вызванный раскруткой нанотехнологий как бренда, побуждает некоторых финансовых экспертов опасаться разного рода профанаций и авантюр. Причем если Запад страшится очередного «мыльного пузыря», то в России, где в этом году в связи с выделением беспрецедентных 5 млрд долл. на развитие отечественных нанотехнологий начался форменный «нанобум», выражением квинтэссенции опасений может служить острота, почерпнутая на портале www.nanoware.ru:
НАНОТЕХНОЛОГИЯ (новорусск.) – технология распила федерального бюджета, подразумевающая, что средства выделяются («На!..») лишь при условии отката («На, но...»).
В прошлом году увидела свет книга, в духе самых современных веяний озаглавленная «Engines of Creation 2.0», – юбилейное 640-страничное издание, исправленное и дополненное с учетом итогов двух минувших десятилетий. Опишем ключевые идеи, реализацию которых Дрекслер и его единомышленники прозревают в нанотехнологическом будущем.
Дизассемблеры и ассемблеры суть нанороботы, служащие для поатомного анализа и синтеза материальных объектов. Здесь стоит отметить, что гипотетическое существование копий, принципиально неотличимых от оригинала, ошеломляет нас в гораздо меньшей мере, чем, к примеру, слушателей Фейнмана: цифровые технологии дали нам обвыкнуться с этой возможностью. Так что, к примеру, штраф, выписанный кому-то за пользование пиратской копией компьютера, удивит нас немногим больше, чем наказание за распространение контрафактного фильма.
Любой объект, существование которого не противоречит законам физики, может быть создан с помощью устройства, на жаргоне футорологов называемого «машиной Санта-Клауса». Она будет представлять собой резервуар с молочно-белым раствором, содержащим взвесь ассемблеров и служебных нанороботов.
Выполняя индивидуальные программы, обмениваясь информацией, энергией и строительными блоками, а также триллионами порождая, уничтожая и модифицируя друг друга, нанороботы будут сновать в трех измерениях, возводя вначале каркас требуемого объекта, а затем заполняя в нем пустоты, образующие в промежуточных фазах строительства сложную систему транспортных магистралей. Потоки физраствора будут прокачиваться по ней, как кровь по кровеносным сосудам.
Перефразируя известное определение Кольриджа «поэзия есть лучшие слова в лучшем порядке», можно сказать, что готовый объект будет состоять из наиболее подходящих атомов, составленных в наилучшей комбинации. К примеру, из килограмма угля «машина Санта-Клауса» может произвести килограммовый бриллиант, а из некоторого количества сырья с ближайшей свалки – ракетный двигатель.
Широкое распространение машин, способных производить любую продукцию из подручного материала, положит конец индустрии транспортных перевозок. Впрочем, однажды нам приходилось слышать нечто подобное: во времена «дотком-эйфории» находились эксперты, ожидавшие, что пункты розничной торговли будут вытеснены виртуальными магазинами.
В отличие от бриллианта ракетный двигатель может превосходить конструктивной сложностью как живые организмы, так и возможности человеческого воображения. Поэтому его проектирование и постройка, вероятно, потребуют задействования мощной системы искусственного интеллекта. Аппаратной основой такой системы Дрекслер видит компьютер на наноэлементной базе.
Очевидно, что скорость работы механических компонентов обратно пропорциональна их линейному размеру (например, частота колебания маятника обратно пропорциональна его длине), так что даже примитивный вычислитель Бэббиджа продемонстрирует достойную производительность, будучи уменьшен до наномасштабов: ведь его крохотные рычажки смогут двигаться с терагерцевыми частотами. Вычислительная же мощность триллиона нанокомпьютеров, упакованных в объем кубического сантиметра, удовлетворит самых взыскательных теоретиков искусственного интеллекта. Исключая разве что Р. Пенроуза и его сторонников, считающих, что работа мозга основана на квантовых эффектах.
Впрочем, и для них у нанотехнологий недавно появились аргументы: наночастицы, называемые «квантовыми точками» (или «искусственными атомами»), рассматриваются сегодня в качестве основы для построения квантовых компьютеров. Здесь стоит отметить, что первоначальная идея использования вычислительного потенциала квантовых эффектов также принадлежит Р. Фейнману.
Попытаемся применить метафору маятника к каким-нибудь производственным системам, например к роботизированным конвейерам по сборке малолитражек и карьерных самосвалов. Маленький робот, установленный на конвейере для малолитражек, двигается в десять раз проворнее своего десятикратно увеличенного аналога; следовательно, по количеству машин производительность первого конвейера будет в десять раз большей. Однако самосвал в 10і раз тяжелее малолитражки, поэтому в пересчете на объем произведенной продукции второй конвейер получит стократное преимущество. Это простое рассуждение объясняет, почему замена одного-единственного обычного станка с ЧПУ требует триллионов нанороботов.
Очевидно, что если для вычислительных наномашин условие «тера-параллелизма» является факультативным, то для наномашин промышленных оно неизбежно. Как получить их в столь большом количестве? Для этого подходит рецепт матери-природы, нашедшей способ наращивать численность клеток в организмах животных и растений экспоненциально и в кратчайший срок доводить ее до астрономических величин. Рецепт этот, разумеется, основан на способности клеток строить свои собственные копии, так что и промышленных нанороботов неизбежно придется этому научить.
Нанороботы, вооруженные полным описанием структурных особенностей, присущих молодому и здоровому организму, смогут внедряться в клетки и направлять биохимические процессы в нужном направлении. Ход биологических часов, программирующих самоубийство клеток стареющей ткани, будет по мере необходимости обращаться вспять, а ошибки транскрипции ДНК, чреватые появлением раковых клеток, – своевременно исправляться.
При возникновении угрозы для жизни (из-за несчастного случая или неизвестной науке опасной болезни) биохимические реакции могут быть временно заблокированы, что погрузит «хозяина» нанороботов в состояние биостаза, подобное тому, в какое переводится процессор ПК по нажатию клавиши Pause.
Все эти меры обеспечат нашим потомкам практически неограниченное продление жизни при поддержании ее стопроцентного качества. Впрочем, также и современникам: будучи сторонником крионики (т. е. практики замораживания безнадежных больных и покойников в жидком азоте), Дрекслер убежден, что грядущие нанороботы не только победят болезни и старение, но и справятся с неразрешимой ныне задачей оживления клиентов криохранилищ.
Нанотехнология обеспечит людей беспрецедентным материальным богатством и изобилием генетически немодифицированной пищи. Арсенал кухонного оборудования пополнится инкубаторами для выращивания клеток любой ткани любых растений и животных, что освободит, наконец, мясоедов от этической ответственности.
Энергетические и экологические проблемы также получат радикальное решение. С помощью наноматериалов можно будет построить термоядерную электростанцию на основе «Токамака» (во всяком случае на это надеется дирекция Российского научного центра «Курчатовский институт»). Квадрат из солнечных батарей со стороной в несколько сотен километров, установленный где-нибудь в Сахаре, обеспечит энергией нанотехнологическую фабрику по улавливанию из атмосферы углекислого газа и расщеплению его на углерод и кислород, что позволит в скором времени решить проблему парникового эффекта. Мировой океан и атмосферу очистят от промышленных отходов, самые вредные из которых (радиоактивные) можно будет удалить с лица Земли, погрузив их на космический корабль с солнечными парусами из нанопленок.
Вооруженному нанотехнологиями человечеству откроется путь в космос – это произойдет благодаря появлению новых материалов и двигателей, а также нанотехнологических скафандров, т. е. автономных экосистем, играющих роль интерфейса между человеком и окружающей средой. Внешняя поверхность такого скафандра будет поглощать свет, обеспечивая энергией процессы восстановления содержания кислорода в отработанном воздухе и переработки совокупности телесных выделений в пищу, что даст возможность пользователю неограниченное время обитать в открытом космосе. Скафандр будет самовосстанавливаться и выполнять роль экзоскелета, позволяющего играючи разгрузить железнодорожный состав с танками.
Размещенные внутри его дисплеи, громкоговорители, а также устилающие всю внутреннюю поверхность генераторы тактильных ощущений будут настолько качественно ретранслировать сигналы от внешних «глаз» (т. е. камер с многократным оптическим зумом, функцией стабилизации изображения и режимом ночной съемки), «ушей» (способных по желанию своего обладателя воспринимать инфра- и ультразвуки) и прочих «продвинутых» органов чувств, что люди, вероятно, станут носить их постоянно.
Если появление таких скафандров опередит реализацию проектов восстановления биосферы, то последние рискуют остаться на бумаге (или в ЗУ компьютера). С какой стати человеку, получившему полную независимость от окружающей среды, заботиться о глобальных климатических проблемах? Со временем пищеварительные тракты и скелеты «скафандроидов» вполне могут размягчиться и атрофироваться за ненадобностью, а homo sapiens трансформируется, по сути, в мозг, одетый в защитную оболочку такого костюма, – существо, напоминающее о поздних книгах К. Циолковского и фантастике Б. Барингтона («Одежды Кайана», 1976 г.).
Всех этих чудес, конечно, не произойдет, если человечеству не удастся защититься от деструктивного потенциала нанотехнологий, избавляющих злоумышленников от затруднений, связанных с доступом к дорогостоящему сырью и громоздкому оборудованию. На определенном этапе для развертывания масштабного террора будет достаточно информации о строении разрушительных нанороботов. В связи с этим предсказывается появление зловещей аббревиатуры «ИМП» – Информация Массового Поражения.
Самый знаменитый из сценариев нанотехнологического апокалипсиса связан с выходом самореплицирующихся нанороботов из-под контроля и последующим затоплением мира во всеразъедающей субстанции, условно называемой «серой слизью». Таким образом, нанотехнологии подводят вполне научную основу под издавна облюбованный писателями-фантастами «сюжет-страшилку» (см. например, «Вечный хлеб» А. Беляева (1928), «Плесень и темнота» С. Лема (1959), «Колыбель для кошки» К. Воннегута (1963)).
Вредоносные нанороботы могут попасть в окружающую среду из лабораторной пробирки и по оплошности. Для борьбы с ними придется применять так называемые «активные щиты» – распределенные в глобальном масштабе программно-аппаратные комплексы, оперативно ликвидирующие опасных нанороботов. Принцип распознания вредителей по «сигнатурам» или по подозрительной активности придает им очевидное сходство с компьютерными системами антивирусной защиты.
Канун третьего тысячелетия ознаменовался оживлением споров вокруг нанотехнологии как в СМИ, так и в научных изданиях. В 2000 г. один из харизматичных глашатаев нанотехнологической революции Роберт Фрейтас младший опубликовал статью, эпиграфом к которой мог бы стать афоризм С. Ежи Леца: «Не ждите многого от конца света». В ней масса наноробота, способного воссоздавать собственную копию из органики, была оценена в миллиард атомных весов водорода, а период его саморепликации – в сотню секунд. При наихудшем сценарии развития событий потомство такого робота сможет переработать все живое на Земле всего лишь за три часа: учет вероятных ограничений на скорость распространения фронта очага поражения растягивает агонию биосферы на несколько недель.
Оптимисты надеются, что комиссии по наноэтике (эта наука уже отвоевала право на существование) удержат особо опасные технологии в узде и что человечество в конце концов научится сосуществовать с деструктивными нанороботами подобно тому, как оно уже научилось сосуществовать с компьютерными вирусами.
Пессимисты не без ехидства указывают, что на практике борьба с вирусами иногда требует форматирования жесткого диска и почти всегда – перезагрузки компьютера. Для биосферы же эти процедуры, как мы знаем, могут растянуться на четыре миллиарда лет, плохо вписывающиеся в оставшийся Солнцу срок жизни.
Наконец, скептики считают муссирование проблемы «серой слизи» преждевременным и нагнетающим вокруг нанотехнологий нездоровую атмосферу сенсационности, сродни той, что несколькими десятилетиями ранее окружала теорию ИИ, когда любое упоминание о ней в СМИ принято было сопровождать разглагольствованиями о «бунте машин».
По мнению Р. Смэлли, авторитетнейшего из скептиков, искусственные саморепликаторы (если их вообще удастся создать на небелковой основе) будут способны существовать лишь в весьма тепличных условиях. Им, например, может потребоваться изысканная диета, включающая набор получаемых с помощью традиционных технологий специфических строительных ингредиентов. Кроме того, их генетический код, вероятно, будет лишен особого рода избыточности, необходимой для самостоятельного эволюционирования и выработки устойчивости к относительно простым средствам подавления.
Во всяком случае функциональность виртуальных наномашин, проектируемых в рамках фундаментальных исследовательских программ организациями вроде компании Nanorex и Института молекулярного производства имеет столько же шансов выиграть от внесения случайных изменений в их структуру, сколько компьютерная программа улучшиться от перетасовки нескольких битов.
Какая из множества описанных (и опущенных за недостатком журнальной площади) аналогий имеет наибольшее значение? Думается, стоит особо подчеркнуть психологическую и онтологическую важность сходства между саморепликацией как ключевым приоритетом в области нанотехнологий и искусственным самосознанием как ключевым приоритетом в области IT.
Научно-технический прогресс, обусловленный присущим человеку стремлением властвовать над природой, позволил достичь подавляющего превосходства во многих сферах: джип и самолет перегоняют гепарда и стрижа; Deep Blue переигрывает в шахматы Каспарова и т. д. Лишь два природных явления продолжают возвышаться над обширными областями технических завоеваний подобно горам, чьи неприступные пики теряются в туманной вышине. Это – саморепликация и самосознание, попытки искусственного воспроизведения которых терпят крах со времен алхимиков, искавших способ создания гомункулуса.
Трудно сказать, увенчается ли восхождение успехом; однако не приходится сомневаться, что продолжаться оно будет неотступно: ведь каждый новый его этап сулит сказочные богатства.