Станислав Ордин,
старший научный сотрудник ФТИ им. А. Ф. Иоффе РАН
Сейчас слово НАНО слышали все, даже те, кто читает только программу телепередач. Но и они, беря в руки сотовый телефон, понимают, что его многочисленные функции при столь малых размерах возможны потому, что элементы, из которых он собран, так малы, что их не разглядеть глазом даже при большом увеличении. Может быть, это и есть то самое НАНО? Но так как уменьшение размеров и отдельных элементов, и электронных устройств происходило постепенно, то многие не понимают, что же принципиально нового скрыто за этим магическим словом. Большинство далеких от науки и техники людей считают, - и во многом это справедливо, - что это просто новый слоган при отмывании денег. А ловкие научные сотрудники (не путать с учеными), стараются срочно «переобозвать» свои исследования в «наноисследования», что бы уловить финансовую струю. Это касается и большинства руководителей самого направления НАНО (включая академиков), которые на вопрос: «Что же такое НАНО?», начинают соревноваться в перечислении многочисленных применений, где якобы именно НАНО обеспечивает уникальные возможности. Говорят, в основном, хорошо известные большинству людей правильные слова, что еще больше убеждает слушающих, что их попросту дурачат.
Так что же скрыто за словом НАНО, которое сейчас на слуху у обывателя возможно в большей степени, чем квантовая механика или теория относительности Эйнштейна? То ли это просто достижение в миниатюризации элементов, которое, возможно привело (или приведет) к переходу количества в качество? И этим заканчивается проявление новизны? Или это что-то принципиально новое, как великие открытия начала прошлого века: принцип неопределенности Гейзенберга, квант энергии Планка и эквивалентность массы и энергии Эйнштейна, расширившие наши представления о природе?
Истина где-то рядом
Причину такого всеобщего непонимания места НАНО в современной физике (и общей картине мира) связана с тем, что во многом прогресс в области нанотехнологии шел чисто эмпирическим путем. Не благодаря фундаментальной науке, а вопреки ей. Причем те, кто работают в этой сфере, нимало этим не стесняются.
Фундаментальная наука (в частности теоретическая физика) базируется на четко установленных принципах и законах природы, выраженных в математической форме. Технологи, часто даже не подозревая о том, что вышли за рамки базовых принципов, эмпирически двигались в область конструирования элементов и дошли до размера транзистора в процессоре 32 нм, который более чем на порядок меньше длины Дебая, масштаб которой определяет переходные слои в транзисторе. Тенденция быстрого роста достижений НАНО на начальном участке эмпирического развития подвигла и политиков сделать ставку на НАНО. Но быстрый рост достижений в области НАНО уже сменился выходом на насыщение, что проявилось в невозможности дальнейшего понижения энергопотребления при миниатюризации элементов, что, в свою очередь, ограничило базовую частоту процессоров на частоте примерно 200 МГц (без множителей), что постарались обойти переходом на многоядерные процессоры.
В самой же науке, занимающейся вырабатыванием принципов и законов, сформулированных в начале прошлого века (за сто лет нет не было сделано ни одного открытия, сопоставимого с открытиями Планка и Эйнштейна), отклонение от уже известных принципов воспринималось как лженаука и считалось недопустимым. Более того, в ранг общих законов природы были возведены и многие частные закономерности, найденные и иногда очень грубо сформулированные талантливыми молодыми физиками на заре прошлого века. Это узаконено и в первом правиле приема статей в физические журналы: «Феноменологические и чисто расчетные работы к печати не принимаются». Как следствие: обнаруженный часовщиком Пельтье эффект был им назван контактной характеристикой, и до сих пор он входит в рабочие уравнения термоэлектрической теории (начиная с работ А.Ф. Иоффе) как контактный член под именем «теплота Пельтье». Хотя это противоречит неравновесной термодинамике, переписывание феноменологии запрещено. Современные математические программы уже позволяют найти более строгие решения уравнений базовых моделей, указывающие на то, что первичное квантование в твердом теле некорректно, нарушает принцип неопределенности Гейзенберга, но это упорно относят к чисто расчетным работам. Статью Григория Перельмана отклоняют просто по тому, что этого не может быть, и Мир узнает об Открытии Века из тогда еще действительно Открытого Доступа (сейчас уже нужно четыре рекомендации и не факт, что его статью разместили бы в интернете).
Примеров, когда в базовых моделях более ста лет сохраняются элементарные математические и физические ошибки, в современной физике много. Этому способствует и то, что нынешняя наука сильно фрагментирована, и даже в смежных областях (смежных главах монографий) вводятся часто взаимоисключающие понятия. Фактически в отдельных областях физики ограничивались лишь частью уже установленных принципов, а расширение же их набора было возведено в ранг лженауки. В сложившийся застойный период науки она превратилась в индустрию по производству «научных» статей и диссертаций. Не случайно у академика Н. Н. Семенова, открывшего цепную реакцию, было шесть научных публикаций, у А. Ф. Иоффе – 24, а у Ж. И. Алферова – 5000 (как сказал один толковый физик: Я столько не прочитал, а он, что, столько написал!?). Не случайно работы авторов Открытий признавались недиссертабельными. Так было с диссертацией А. И. Шалыха, открывшего магнито-оптический эффект (защитился «тайком» в Баку), так было с диссертациейС. Н. Попова, открывшего фононноеэхо (лишь вмешательств члена-корреспондента АН СССР Г. А. Смоленского, заставившего его переписать автореферат, а оформление диссертации заменившим «по совокупности работ», сделало его кандидатом).
Неслучайно иногда легче было сделать изобретение и запустить в производство действующее устройство на его базе, чем опубликовать результаты даже экспериментов, отнесенных в разряд «аномальных». На опубликованную же ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНУЮ работу о регистрации в генерируемых шаровых молниях изотопов элементов, не входящих в используемые при эксперименте материалы подвигли старенького заслуженного ТЕОРЕТИКА Гинзбурга написать разгромную статью. Об опубликовании аналогичных результатов при тонком перемалывании материалов до наночастиц, даже не мечтали. Мне и самому, сознаюсь, грешен, до моего Открытого Письма, приходилось иногда опускать в статье самый интересный экспериментальный материал, приходилось, иногда, использовать правильные формулы, без доказательства, так как доказательство, я уже знал, вызвало бы «бурю возмущения». Аналогичная ситуация сложилась в науке во всем мире. Автор ставшей настольной книгой целого поколения физиков «Оптические и термоэлектрические явления» Бъюб так и не стал PhD. Мне лично из редакции Phys.Rev. пришло письмо, с просьбой отозвать и срочно перебросить в другой журнал или в Открытый Доступ уже принятую в печать мою статью, так как им запретили ее публиковать. В нашей стране кризис науки проявился и в том, что в момент кризиса государства мнение вора в законе котировалось в обществе выше мнения академика, а политические спекуляции человека со свитой из академиков восторжествовали над здравым смыслом. Многие, мечтавшие в молодости стать учеными, в период застоя науки предпочли поиску истины конформизм. Некоторые надеялись реализовать свою мечту, когда уже взойдут на Олимп Науки, но так и не решились, став частью бюрократической системы (как в Матрице). Но во второй половине прошлого века случилось чудо. Один «неблагодарный» нобелевский лауреат, Илья Пригожин, вместо того, чтобы спокойно почивать на Олимпе (чем занимались наши академики, даже когда сотрудникам не платили по восемь месяцев зарплату), стал пытаться опубликовать работы, нарушающие «законы природы» (как Планк и Эйнштейн). Сделанное Ильей Пригожиным МАСШТАБНОЕ (в прямом смысле) термодинамическое открытие, пока нешироко известное и не до конца оцененное, показывает путь к пониманию НАНО и «разрешает» существование самой ЖИЗНИ, что, можно сказать, экспериментально строго доказано.
Термодинамика и НАНО
Современная наука превратилась в индустрию по производству знаний на базе принципов, сформулированных в начале прошлого века. Но некоторые явления находятся за рамками уже известных принципов.
Так, закон сохранения термостатики «Закон сохранения энергии» и закон сохранения линейной неравновесной термодинамики «Принцип симметрии кинетических коэффициентов Казимира-Онзагера», позволяют описать, естественно, лишь линейные процессы.
Сами «Кинетические коэффициенты» являются коэффициентами в линейных уравнениях связи потоков и сил и, полагается, не зависят ни от сил, ни от потоков. Они применимы лишь на макроскопическом масштабе для описания линейных процессов. В нелинейных процессах – а на наноуровне они являются определяющими – тоже, естественно, есть свои законы и принципы. Но они еще не сформулированы. А так как в ранг законов природы возведены некоторые частные закономерности, полученные достаточно в узких условиях, то противоречие этим названным законами закономерностям и послужило основанием для отнесения ряда явлений к «аномальным».
Но технологи эмпирическим путем уже научились создавать некоторые объекты и устройства, не подозревая даже что они «аномальные» - противоречат уже известным «Законам Физики». И в этом плане ставший нормальным атрибутом нашей жизни компьютер «аномален», так как физика полупроводниковых приборов, построенная на линейных коэффициентах, не описывает работу нанотранзистора. Но это стало уже привычным, а привычное - «нормально».
Без законов сохранения на наноуровне любые, сколь угодно сложные расчеты лишь абстрактная игра ума, не имеющая проверки на инвариантность, то бишь на повторяемость в пространстве и во времени. Основная заслуга Ильи Пригожина и состоит в том, что он нащупал путь к построению локальных термодинамических принципов. Но Нобелевскую премию ему дали не за это, также как и Эйнштейну дали за фотоэффект, а не за теорию относительности. Поэтому, и при теоретическом моделировании на наноуровне, и при практическом создании нанообъектов, путь на базе локальных принципов, подразумевающий отказ от линейных коэффициентов и использование лишь тех параметров, которые инвариантны на наноуровне, дает возможность использовать научный подход не в качестве фигового листа, а в качестве эффективной указки.
Однако, если судить по той массе публикаций, которые ежедневно выходят по теме НАНО, большинство исследователей базируется на макроскопических представлениях, поэтому их подходы, и как следствие, расчеты оказываются ошибочны. Один теоретик, когда его спросили, насколько его расчеты совпадают с ожидаемыми результатами измерений, ответил: «На 50%». А в кулуарах добавил: «Хорошо если совпадут на 1%». Просто у теоретиков пока нет принципов для проверки абстрактных расчетов на наноуровне.
