Семь элементов, которые изменили мир Браун Джон

К числу самых популярных товаров из Венеции относились и зеркала. Их делали, используя технологию cristallo. Стекло, особенно при нанесении на его поверхность тонкого покрытия, хорошо отражающего свет, давало возможность получать более качественные зеркала, чем из полированного металла [14]. Однако неровность стеклянной поверхности и плохая отражательная способность амальгамы часто вызывали неудовольствие покупателей: «Видишь [в зеркале] кого-то другого, а не себя», – отмечал комментатор XV в. [15]. Улучшив стеклянную основу и использовав новые материалы для амальгамирования, венецианские мастера смогли изготавливать «божественно прекрасные, чистые и не поддающиеся порче» зеркала, «но их стоимость была неимоверно высока» [16]. Прозрачное оконное стекло и покрытые амальгамой ртути зеркала из Венеции приобретали парижские и лондонские богачи. В XVII в. эти предметы роскоши находились на пике моды: они приносили свет в роскошные дворцы аристократии и отражали красоту их обитателей. Лучшие венецианские зеркала продавались за астрономические суммы. За одно из таких зеркал в серебряной оправе было заплачено в три раза больше, чем за картину кисти Рафаэля. Cabinets aux miroirs, комнаты с зеркальными стенами, стали одним из признанных чудес того времени, поскольку создавали удивительные оптические эффекты и демонстрировали богатство владельцев. Такие комнаты имели королевы Анна Австрийская и Екатерина Медичи.

Неспособные создать стекло такого же качества, французы были вынуждены тратить огромные суммы на импорт декоративных изделий из Венеции. Торговый баланс нарушился, и в 1664 г. французский государственный деятель Жан-Батист Кольбер попросил Пьера де Бонци, французского посла в Венеции, переманить венецианских мастеров в Париж. Бонци ответил: «Всякого, кто осмелится предложить им переехать во Францию, они могут сбросить в море» [17]. Венецианская республика осознавала экономическое значение стекольной индустрии и делала все для сохранения ее монопольного положения, не допуская утечки кадров и технологических секретов. Мастерам даровались огромные привилегии, например право носить небольшие шпаги и занимать почетные места во время торжественной процессии в честь праздника Вознесения, – и все для того, чтобы удержать их в Венеции. Даже дворяне, женившиеся на дочерях стеклянных дел мастеров, не утрачивали положения в обществе, что в целом нетипично для города, в котором социальный статус имел огромное значение. Но для защиты своей торговли венецианцы не полагались только на привилегии. Любого ремесленника, самовольно покинувшего Мурано, ожидали серьезные неприятности. Совет Десяти, тайный надзорный орган республики, постановил: «Если кто-то из работников или мастеров переедет работать в другую страну и не подчинится приказу вернуться, то все его ближайшие родственники будут заключены в тюрьму». Если это не поможет, то «специальные люди будут посланы убить его, и после его смерти его родственники смогут выйти на свободу» [18].

В конце концов Бонци нашел трех корыстолюбцев, за большие деньги готовых рискнуть и покинуть Венецию. В июне 1665 г. они прибыли в Париж и открыли мастерские на рю де Рейи. Вскоре их примеру последовали еще 20 мастеров из Мурано, соблазнившихся высокими заработками на Королевской фабрике стекол и зеркал, недавно открытой в Сен-Гобене, недалеко от Парижа. Венецианские власти пригрозили посадить в тюрьму семьи беглецов и конфисковать их имущество, но осуществить угрозы было непросто, так как уже слишком многие покинули Мурано. Кольбер даже организовал переезд жен нескольких умельцев в Париж. Однако в январе 1667 г. один из стекольщиков, перебравшихся в Париж, внезапно слег с высокой температурой и вскоре умер. Еще через три недели скончался другой, перед смертью жаловавшийся на сильные боли в желудке. По городу поползли слухи о том, что они были отравлены по приказу венецианских властей. Поверившие в это мастера начали возвращаться в Мурано. На какое-то время это затормозило прогресс на фабрике в Сен-Гобене, но ничего не изменило в принципе. Многие технологические секреты венецианцев уже стали известны французам, и производство стекла и зеркал шло полным ходом.

В 1682 г. король Людовик XIV использовал продукцию процветавшей отечественной стекольной промышленности для строительства самого большого из всех когда-либо созданных cabinet aux miroirs – зеркального зала в Версале. Семнадцать огромных зеркал заполняли гигантские арочные своды, при этом каждое состояло из 18 квадратных. «Зеркала представляют собой ложные окна, смотрящие на настоящие, и они многократно отражают в себе зал, так что пространство кажется бесконечным», – рассказывала газета Mercure Galant [19]. Зеркала становились все дешевле и больше, и в 1700 г. Королевская фабрика изготовила лист длиной три метра и шириной метр. Французское производство быстро догнало и перегнало венецианское, технологические секреты становились все лучше известны другим европейским странам благодаря усилиям шпионов и предателей. В 1680 г. венецианский посол жаловался: «Слезы наворачиваются на глаза, когда я вижу, как знания, дарованные нам Провидением, природой и упорным трудом, безнаказанно передаются на многочисленные фабрики немногими нашими недоброжелательно настроенными гражданами» [20]. В конце XVII в. венецианская стекольная индустрия находилась на грани краха. Муранские мастерские не поспевали за технологическими и стилевыми инновациями, такими как хрустальное свинцовое стекло, производившееся теперь на многих фабриках Европы [21]. Совет Десяти еще больше осложнил ситуацию, введя законы, направленные на защиту прав собственности производителей стекла и поддержку цен на их продукцию. Действуя таким образом, он сдерживал приток новых идей в Венецию и препятствовал инновациям.

В Великобритании известный парижский стекольных дел мастер Жорж Бонтам помог компании Chance Brothers из Бирмингема заполучить французских рабочих и их ноу-хау [22]. Позднее, спасаясь от Французской революции, он перебрался туда сам и принес на английскую землю свой уникальный опыт изготовления листового стекла [23]. Но, несмотря на приток специалистов и идей, по-прежнему сохранялось серьезное препятствие развитию британской стекольной промышленности. С 1746 г. стекло облагалось высоким налогом, и позволить его себе могли только богатые люди. Немногие домовладельцы тратили деньги на окна, особенно потому, что правительство ввело на них налог – «грабеж среди бела дня», по словам Lancet, «абсурдный налог на дневной свет», «один из самых безжалостных, которые правительство могло ввести в стране» [24]. Из-за него англичане больше болели. В 1845 г. налог отменили, и стекольная промышленность начала развиваться. «Производство листового стекла дает нам очередной пример выгод свободной торговли», – писал Чарльз Диккенс [25].

После внезапного появления дешевого стекла архитекторы начали экспериментировать в невиданных ранее масштабах.

30 000 зрителей стояли под стеклянной крышей «Хрустального дворца» в лондонском Гайд-парке. «Вокруг них, среди них и над ними демонстрировалось все, что есть полезного или красивого в природе или в искусстве», – писала The Times [26]. «Над ними возвышался свод, намного более величественный и просторный, чем даже своды наших самых знаменитых соборов» [27]. Толпы собравшихся ожидали прибытия королевы Виктории на открытие Всемирной промышленной выставки 1851 г. Когда королева проезжала в экипаже через ворота парка, ее взору открылось огромное здание дворца, построенное из стекла и железа, а с военного корабля на Серпентайне грянул салют. К счастью, опасения, что выстрелы пушек разрушат стеклянную крышу дворца и тысячи дам будут изрублены осколками на мелкие куски, не сбылись [28].

Внутри сводчатого сооружения должны были разместиться самые выдающиеся и удивительные творения рук человеческих со всего мира. Экзотические шелка, украшения и специи Востока соседствовали с новейшими научными изобретениями Запада. Новейшие пушки с литыми стволами Альфреда Круппа располагались рядом с образцами дагеротипов и калотипии Фокса Тальбота. Генри Бессемеру еще предстояло обратиться к усовершенствованию методов выплавки железа и стали, но он уже демонстрировал новейший вакуумный стол для облегчения процессов шлифовки и полировки стекла и разнообразные приспособления для получения сока из сахарного тростника [29]. На выставке было представлено 100000 экспонатов. А в центре дворца располагался восьмиметровый фонтан из хрустального стекла.

Посетители платили за вход один шиллинг, что равнялось среднему дневному заработку рабочего. Многие, по-видимому, считали, что выставка того стоит, так как в итоге там побывало более четверти населения Великобритании, хотя путешествия в то время считались роскошью, а фотография находилась в зачаточном состоянии. Всемирная выставка оказалась не только парком развлечений, но и торгово-промышленной ярмаркой и маркетинговым мероприятием для изобретений эпохи промышленной революции, а прозрачный «Хрустальный дворец» служил гигантской витриной для конкурирующих товаров со всего мира. Высокопоставленный государственный служащий Генри Коул убедил принца Альберта, мужа королевы Виктории, провести в Лондоне Всемирную выставку и стать ее патроном. Он был поражен размахом и величием Выставки достижений Второй республики, состоявшейся в 1849 г. в Париже, и считал, что Великобритания должна пойти дальше и провести не национальное, а международное мероприятие. Оно, уверял Коул принца Альберта, подтвердит положение Великобритании как ведущей промышленной державы и укрепит ее авторитет в мире.

Дворец спроектировал инженер и архитектор Джозефом Пакстон. Получилось идеальное пространство, отвечавшее своей задаче. Солнечные лучи пронизывали его под самыми разными углами, что позволяло увидеть каждый экспонат при естественном освещении. В то время мало кто считал стекло строительным материалом, и Пакстон был одним из немногих инженеров, имевшим опыт его использования в строительстве; к тому времени он построил самую большую в мире оранжерею длиной 70 метров для герцога Девонширского в Чатворт-Хауз в Дербишире [30]. Но оранжерея казалась совсем маленькой в сравнении с дворцом. Здание длиной 600 метров и шириной 150 метров было построено с использованием 3300 стальных колонн и 300000 листов стекла [31]. Компания Chance Brothers выиграла контракт на поставки не в последнюю очередь благодаря тому, что привлекалась к строительству оранжереи в Чатворте. Фирма получила особые похвалы от Бонтама и его коллег за внедрение новых европейских практик и «широту взглядов, знания и дух предпринимательства, продемонстрированных, невзирая на все затраты и риски» [32]. Производство стекла превратилось в поистине глобальную индустрию [33].

«Хрустальный дворец» заставил Лондон «до конца осознать значение стекла» [34]. Мир внезапно понял, это не только материал для художественных изделий, но и утилитарный строительный материал. Однако каждый лист стекла для «Хрустального дворца», как и раньше, был создан вручную – и силой человеческих легких. Чтобы изготовить листовое стекло для окон, сначала выдували сферы или цилиндры, затем их разрезали и раскатывали [35]. Это был дорогостоящий процесс, к тому же стекла часто получались с дефектами. Для изготовления больших листов расплавленное стекло выливали на ровную металлическую поверхность, но если она оказывалась не идеальной, то и поверхность стекла получалась шероховатой. Шлифование и полирование – дорогостоящий процесс, а в результате теряли почти половину продукции.

Чтобы начать широко применять стекло в строительстве, следовало дождаться некой выдающейся инновации. В 1952 г. Алестер Пилкингтон изобрел процесс изготовления так называемого флоат-стекла. Его получают, выливая расплавленную стекольную массу на слой расплавленного олова, чтобы стекло становилось ровным и не требовало последующей обработки. Процесс Пилкингтона позволял получать идеально чистое стекло с гораздо меньшими издержками по сравнению с традиционными способами [36]. Вскоре у многих новых городских зданий появились полностью застекленные фасады. Недавно построенный в Лондоне 310-метровый небоскреб, застекленный со всех сторон, выглядит как блестящее надкрылье жука [37].

Теперь стекло используется повсеместно: из него делают предметы и эстетически значимые, и утилитарные. Зеркала и окна доступны всем; мир словно покрыт прозрачными, отражающими свет поверхностями.

На фотографии Хироси Сугимото «Урок музыки» показаны две восковые фигуры у клавесина. Над играющей женской фигурой висит зеркало в раме из черного дерева. Ее лицо отражается на фоне мраморного пола в шахматную клетку. В зеркале можно также увидеть нижнюю часть треноги фотоаппарата. Фотография по композиции напоминает картину Яна Вермеера с тем же названием [38]. На полотне, хотя и не совсем отчетливо, можно различить отражение в зеркале ноги и перекладины мольберта художника. Используя зеркало, и Вермеер, и Сугимото, указывая на присутствие художника, сознательно помещают себя рядом с персонажами. Зеркала обеспечивают альтернативный взгляд на изображаемую сцену, расширяя наши зрительные возможности и создавая ощущение реальности.

Может показаться даже, что изображение возникает благодаря зеркальной поверхности. В сказке Льюиса Кэрролла «Алиса в Зазеркалье» главная героиня развлекает себя тем, что притворяется, будто изображение в зеркале показыает происходящее в каком-то другом мире. Пройдя сквозь зеркало, она оставляет за собой реальный мир и входит в мир, который воображает. Джонатан Миллер, автор книги «Отражение» («On Reflection»), объясняет: «Помимо непосредственной чувственной привлекательности предметов, которые светятся, сияют, блестят, сверкают, мерцают и вспыхивают, отражения, как и тени, привлекают нас, помогая представить вещи, которые существуют иначе, чем видится в воображении» [39].

Самые первые зеркала удивляли и побуждали человека к самоанализу. Платон был первым западным мыслителем, размышлявшим об их феномене: «Можно взять зеркало и поворачивать его во всех направлениях: из ничего возникнут отражения солнца и звезд в небе, вас самого и других существ, предметов и растений и всех возможных объектов. Да, всего того, что есть в реальности, но не в зеркале» [40]. Платон был уверен: образ в зеркале – обманчивый и искаженный. Нарцисс спутал свое отражение в воде с реальностью и влюбился в него. Не способный оторвать взгляд от прекрасного существа, которое, как ему казалось, он видел за границей поверхности воды, он умер. Но, с другой стороны, Сократ утверждал: если юноша станет рассматривать себя в зеркале, он лучше себя поймет. Сегодня отражения в зеркалах дают ощущение благополучия. Немногие люди способны пройти мимо зеркала и не взглянуть туда. Интересно, на что была бы похожа жизнь без отраженных образов? Но стекло и зеркала сделали гораздо больше, чем просто изменили наше самовосприятие. Они также изменили и наш взгляд на самих себя во Вселенной.

Летом 1609 г. Галилео Галилей, в то время живший в Венеции, услышал об устройстве, позволяющем «смотреть на удаленные предметы, будто они находятся вблизи» [41]. Прибор, о котором ему рассказывали, представлял собой трубку, на концах которой укреплены куски стекла с изогнутыми поверхностями. Галилео был заинтригован, но отнесся к новости осторожно: он знал, что стекла с изогнутыми поверхностями искажают изображение, а при объединении двух стекол искажение должно еще больше усилиться. Сам умелый мастер, Галилео купил стеклянные линзы у продавца очков и принялся конструировать телескоп. К концу лета первый экземпляр был готов. Он обеспечивал восьмикратное увеличение. Галилей продемонстрировал его венецианским законодателям и вызвал «безмерное удивление присутствовавших» [42]. Галилей рассматривал объекты, которые прежде не видел никто. Он нанес на карту неба сотни новых звезд и даже, к своему изумлению, разглядел горы на Луне и спутники Юпитера.

В то время считалось, что Земля находится в центре Вселенной. Круглые планеты и звезды вращаются вокруг центра в хрустальных сферах. Но представлениям о небесных сферах никак не соответствовали картины ночного неба, увиденные Галилеем. Более точные измерения орбит планет, проведенные с помощью телескопа, также не позволяли больше считать Землю центром. Наблюдения Галилея предоставили доказательства в поддержку новой модели Вселенной, предложенной Николаем Коперником в 1543 г. Центральное место во Вселенной занимает Солнце, утверждал Коперник [43]. Модель противоречила не только господствующей религиозной доктрине, но и обыденной логике: разве может Земля двигаться в пространстве без того, чтобы это движение не замечали люди на поверхности? [44].

Однако доказательства, представленные Галилеем, невозможно было проигнорировать. Впервые со времен Античности пространство ночного неба расширилось. А благодаря знаниям, полученным с помощью кремниевых линз телескопа, мыслители постепенно отказались от представлений о Вселенной, господствовавших со времен Аристотеля. «Если бы они видели то, что видим мы, – писал Галилей о живших до него астрономах, – они судили бы так же, как мы» [45].

Кремний позволил увидеть небесные просторы, которые нельзя увидеть невооруженным глазом. Людям постоянно хочется заглянуть все глубже и глубже во Вселенную. Изобретение Галилея дало импульс к созданию мощных телескопов. К середине XVII в. астрономы строили телескопы длиной в 50 метров: для управления ими требовалась сложная система опор и блоков. Увеличение длины телескопов – один из способов избежать размытости изображения, возникавшей вследствие кривизны поверхности линз [46]. В таких «телескопах-рефракторах» свет разных цветов, проходя через линзы, пропускался в разных количествах, что не позволяло получить четкое изображение. Исаак Ньютон справился с этой проблемой, создав «телескоп-рефлектор», в котором использовались не линзы, а зеркала. Они отражали каждую составляющую света одинаково, независимо от цвета, что делало изображение более четким. Ньютону телескоп служил еще одним доказательством того, что белый цвет состоит из семи цветов радуги.

Даже при использовании очень больших зеркал четкость изображения не пропадала. Чем больше зеркала, тем дальше позволял заглянуть телескоп. Живший в XVIII в. астроном Уильям Гершель довел использование этого принципа до крайних пределов [47]. Он сделал больше, чем кто-либо другой, для повышения мощности отражательных телескопов, сумел увидеть астрономические объекты за пределами Солнечной системы. «Великая цель, – писал он сэру Джозефу Бенксу, президенту Королевского научного общества, – увеличить то, что я назвал “силой проникновения в космос”» [48]. Шлифуя и полируя все более и более крупные зеркала, Гершель сумел в конце концов разглядеть, что некоторые мельчайшие световые точки на небе являются на самом деле распыленными объектами [49]. Некоторые из этих «туманностей», как было доказано позже, – это галактики, подобные Млечному Пути. С тех пор размеры отражательных телескопов значительно увеличились: в 1917 г. на горе Уилсон был установлен телескоп Хукера с зеркалом диаметром 2,5 метра, а в 1948 г. на горе Паломар – телескоп Хейла с зеркалом диаметром 5 метров. Сегодня телескопы с зеркалами диаметром более 10 метров, установленные на горных вершинах Канарских и Гавайских островов, позволяют с невиданной ранее точностью вести наблюдение за ночным небом.

Фотоны не только переносят информацию о соприродных им звездах, но переносят и энергию. Задолго до изобретения телескопов зеркала использовались, чтобы улавливать и фокусировать энергию света ближайшей к нам звезды – Солнца.

В середине XVII в. Афанасий Кирхер, ученый-иезуит, установил пять зеркал, чтобы направить солнечный свет на мишень на расстоянии 30 метров. Температура воздуха около мишени была настолько высокой, что его помощник чувствовал себя рядом с ней крайне некомфортно. «Какого ужасного результата можно было бы добиться, – размышлял Кирхер, – использовав тысячу зеркал!» [50]. Кирхер, вероятно, был знаком с легендой об архимедовых зеркалах. В начале III в. до н.э., когда римские корабли под командованием полководца Марцелла подошли к Сиракузам, Архимед велел находившимся на берегу солдатам разместить блестящие щиты таким образом, чтобы они направляли отраженные солнечные лучи на вражескую армаду. В результате концентрация тепла оказалась столь высока, что вражеские корабли загорелись. Действительно, хорошо зная геометрию, Архимед мог рассчитать, как сфокусировать лучи света и как нацелить метательные орудия, чтобы разрушить корабли противника до того, как они смогут подойти близко к берегу и высадить десант [51].

В книге «Pirotechnia», изданной в XVI в., Ванноччо Бирингуччо вспоминает о беседе с другом, изготовившим зеркало диаметром почти 70 сантиметров. Однажды, наблюдая за парадом войск в германском городе Ульме, этот человек стал развлекаться тем, что постоянно направлял отражаемый зеркалом солнечный свет на железные доспехи одного из солдат. В результате их температура повысилась настолько, «что стала почти невыносимой… а одежда под доспехами вспыхнула и сгорела, причинив ему ужасные страдания» [52].

В XVI в. Леонардо да Винчи придумал новое применение для солнечных лучей в мирных целях. Как всегда амбициозный, Леонардо намеревался изготовить вогнутое зеркало диаметром шесть километров, которое концентрировало бы солнечную энергию в точке главного фокуса, чтобы нагреват воду или плавить металлы [53]. Как и многие его изобретения, этот проект остался на бумаге. Лишь с наступлением промышленной революции в Великобритании появилась возможность изготавливать линзы и зеркала больших размеров, хотя и не таких, о каких мечтал Леонардо. В последние годы своей жизни Генри Бессемер построил солнечную печь для плавки металлов. Отражатель, установленный внутри башни высотой 10 метров, направлял солнечный свет на расположенное на крыше вогнутое зеркало площадью четыре квадратных метра. Зеркало направляло сфокусированный с помощью линзы поток света в нижнюю часть башни на тигель. Бессемеру удавалось плавить медь и испарять цинк, но в целом это весьма дорогое устройство оказалось не очень эффективным. Спустя несколько лет даже Бессемер «разочаровался в солнечной печи и отказался от ее использования» [54].

По другую сторону Атлантики, в Филадельфии, американский изобретатель Фрэнк Шуман обратил внимание на проблему концентрации солнечной энергии. На рубеже XX в., используя способность стекла удерживать тепло, он поднимал температуру воды в придуманном им «солнечном нагревательном резервуаре» почти до точки кипения, даже когда на земле лежал снег [55]. «Я уверен, что мое изобретение будет иметь успех во всех жарких странах, – писал он. – Оно принесло бы пользу и здесь в любой из солнечных дней, но сами знаете, какая у нас погода» [56]. В Египте, где погода более подходящая, его солнечные нагревательные резервуары нагревали воду для паровых машин, с помощью которых перекачивалась вода для орошения полей. Другой изобретатель, Обри Энеас, построил гигантские конические отражатели площадью в несколько квадратных метров, чтобы улавливать энергию солнца в таких солнечных штатах, как Калифорния и Аризона. Энеаса также воодушевили параболические вогнутые рефлекторы, изобретенные Джоном Эриксоном, американским инженером шведского происхождения, который построил броненосец Monitor во время Гражданской войны в Америке, а последние 20 лет жизни посвятил созданию устройств, использующих солнечную энергию. Бессемер и Эриксон, безусловные новаторы в производстве и применении железа, были озабочены тем, что запасы каменного угля для плавки железной руды и работы паровых машин постепенно истощаются, и поэтому искали альтернативные источники энергии. План Энеаса состоял в том, чтобы предоставить дешевый источник энергии жителям пустынь, не имеющим возможности закупать каменный уголь. Увеличив масштаб своих систем, оба изобретателя надеялись производить более дешевую солнечную энергию, но даже в этом случае системы ее концентрации не могли производить электричество, как на традиционных электростанциях. И здесь мало что изменилось и в наши дни. В Испании, на засушливых равнинах вблизи Фуэнтес де Андалусия, было установлено более 2500 зеркал площадью 120 квадратных метров, направляющих солнечный свет на башню в центре. Там расплавленная соль нагревается до температуры почти в 600 °С. Расплавленная соль может храниться в цистернах, пока не потребуется, чтобы привести в действие паровые турбины и выработать электричество. Но без значительных субсидий даже это современное предприятие неконкурентоспособно.

О солнечной энергии на время забыли и вспомнили о ней вскоре после Второй мировой войны, когда ученые из Белловских лабораторий в Нью-Йорке начали исследовать некоторые необычные свойства кремния. Исследования Джеральда Пирсона, Дэрила Чейпина и Калвина Фуллера привели в 1954 г. к созданию первого кремниевого фотоэлектрического элемента.

Дэрил Чейпин получил задание от Белловских лабораторий разработать новый портативный источник электропитания для систем телефонной связи, предназначенных для работы в тропическом климате, где традиционные батареи из сухих гальванических элементов садятся очень быстро. Он начал исследовать в качестве возможных вариантов ветряные электрогенераторы, паровые двигатели и солнечную энергию. Вместо того чтобы улавливать энергию солнца с помощью зеркал и тепловых резервуаров, Чейпин решил исследовать возможность преобразования солнечной энергии в электрическую с помощью фотоэлектрического эффекта.

Александр-Эдмон Беккерель, отец Анри Беккереля (прославившегося открытием радиации), обнаружил фотоэлектрический эффект в 1839 г. [57]. Беккерель помещал две латунные пластины в электропроводящий раствор и освещал его солнечным светом. Оказалось, что свет вызывает движение электрического тока в растворе между пластинами. Если можно использовать этот ток, значит, можно использовать и энергию солнца. Однако и через 100 лет ученые с помощью фотоэлементов могли уловить всего лишь одну двухсотую долю энергии Солнца.

Это не обеспечивало достаточной мощности для нужд Чейпина, и поэтому он занялся поиском вариантов. Слух об исследованиях Чейпина дошел до Джеральда Пирсона и Калвина Фуллера, также ученых из Белловских лабораторий, экспериментировавших с необычными электрическими свойствами кремниевых полупроводников. Они подумали: разрабатываемые новые материалы могли бы оказаться полезны для создания фотоэлектрических элементов. К всеобщему удивлению, идея не только оказалась правильной, но и позволила создать фотоэлектрический элемент, в пять раз превосходивший все существовавшие до сих пор [58].

В апреле 1954 г. Пирсон и Фуллер объявили о создании «Белловской солнечной батареи» и продемонстрировали журналистам, как она обеспечивает работу радиопередатчика. Новая батарея быстро доказала свою ценность в качестве надежного источника электропитания в тропических условиях. Однако настоящее признание солнечные батареи получили в 1958 г., будучи использованы в космической программе American Vanguard. В то время как химические батареи космического зонда быстро сели, солнечные батареи продолжали работать в течение нескольких лет полета. В космических аппаратах солнечные батареи получили первое широкое применение [59].

Даже сегодня солнечные батареи часто оказываются самым рентабельным средством генерирования энергии в удаленных областях, лишенных других источников энергии, поскольку позволяют избегать больших затрат на строительство линий электропередачи и подвозку топлива. Они могут монтироваться в виде изолированных энергетических установок. В 2001 г. я посетил Индонезию, чтобы познакомиться с тем, как BP реализует в сельском районе один из самых крупных на тот момент во всем мире проектов по преобразованию солнечной энергии в электрическую. Небольшие панели из кремниевых фотоэлементов были установлены на 40000 деревенских домов. Электрические насосы теперь использовались для полива полей, а электрическое освещение провели в дома, школы и медицинские учреждения. Солнечные батареи также положительно повлияли на образовательный процесс. Как я заметил, дети стали учиться не только днем, но и вечером.

В отличие от ископаемых видов топлива, рассредоточенных в недрах земли, солнце светит повсюду. В течение года от солнца на землю поступает больше энергии, чем может быть получено из всех месторождений каменного угля, нефти, природного газа и урана. Энергия, получаемая в течение одного дня, в 130000 раз превышает общемировую потребность в электроэнергии. И при этом доля солнечной энергии в производстве электроэнергии составляет лишь десятые доли процента. Отчасти это обусловлено тем, что использование солнечной энергии печально знаменито низкой эффективностью. Слабый электрический ток возникает каждый раз, когда фотон поглощается кремниевым фотоэлементом. Это происходит потому, что в фотоэлементе энергия фотона передается электрону и его положительному антиподу, называемому «дыркой» [60]. Энергия фотона передается при поглощении, но в действительности поглощаются далеко не все фотоны. Чтобы произошло поглощение, фотон должен обладать достаточной энергией, а она есть лишь у малого процента фотонов. В результате даже в самых благоприятных лабораторных условиях солнечные фотоэлементы захватывают и преобразуют в электричество лишь 40% падающего света. В фотоэлементах, используемых в обычных рабочих условиях, этот показатель составляет от 10 до 20%. Это все равно делает их в несколько раз более эффекивными, чем первые солнечные фотоэлементы, созданные в Белловских лабораториях в 1954 г. Улучшение, достигнутое в течение всего 60 лет, удивительно: ведь за миллиарды лет эволюции растения, преобразующие свет в энергию с помощью фотосинтеза, достигли эффективности преобразования всего в 3%.

Однако самое большое препятствие к успеху солнечных фотоэлементов имеет не техническую, а экономическую природу: солнечные батареи производят дорогую электроэнергию, потому что их изготовление стоит больших денег. Ситуация начала улучшаться, по мере того как стали появляться новые технологии изготовления фотоэлементов. Стоимость производства также быстро пошла вниз во многом благодаря экономии от эффекта масштаба, достигаемой китайскими производителями на растущем китайском рынке. Несмотря на это, электричество, полученное с помощью солнечных фотоэлементов, не сравнялось по цене с сетевым. Ведь только в этом случае фотоэлементы смогут конкурировать с невозобновляемыми источниками энергии. Но этот момент становится все ближе. Производится все больше солнечных фотоэлементов, и они продолжают дешеветь; в 2011 г. производственные мощности предприятий, изготавливающих солнечные фотоэлементы, увеличились почти на 75%, при том что средний рост в этой отрасли за последнее десятилетие составлял 45%. Продолжающееся развитие будет иметь важное значение для перехода к экономике, использующей меньше энергии углерода [61].

Когда в 1954 г. появилось сообщение об изобретении в Белловских лабораториях кремниевых солнечных фотоэлементов, New York Times написала: это событие ознаменовало «начало новой эры, которая в итоге позволит реализовать давнюю мечту человечества об использовании практически неограниченной энергии солнца на благо цивилизации» [62]. Эта мечта может стать реальностью, и человечество сумеет избавиться от эмиссии парниковых газов. Но предстоит пройти еще долгий путь, прежде чем масштаб использования солнечной энергии станет сопоставим с масштабом использования энергии ископаемых видов топлива или атомного ядра. Однако из всех возобновляемых источников энергии оно выглядит на сегодня самым перспективным.

Анкоридж, Аляска, 1970 г.: красные лампочки отчаянно мигают на панели управления. Только что сломалось устройство памяти компьютера на магнитных сердечниках. В те времена такая поломка была чисто механической: вращающиеся диски начинали цепляться друг за друга и в конце концов останавливались. Постоянные перезапуски компьютера делали выполнение даже простейшей программы крайне трудным. Мне предстояла долгая непростая ночь жесточайшего цейтнота. Я работал на первой инженерной должности в British Petroleum. Благодаря знаниям, полученным в Кембриджском университете, я был в те дни одним из немногих, знавших, как облегчить решение инженерных задач с помощью компьютера. Мой босс собирался на встречу с очень влиятельными людьми из нескольких еще более влиятельных американских нефтяных компаний. Они намеревались обсудить перспективы совместного освоения гигантского нефтяного месторождения Прюдо Бэй. Он хотел, чтобы я нашел ответ на некий важный вопрос и чтобы он, представлявший в то время довольно небольшую компанию, сумел произвести впечатление своей технической подготовленностью на другие, более крупные компании.

Непростая задача. Компании имели договоры аренды на разные участки земли на поверхности месторождения. Таким образом, то, чем владела каждая компания, в значительной мере зависело от распределения нефти на этой территории, очень, как оказалось, неравномерного. Во время раннего завтрака после бессонной ночи мне в голову неожиданно пришло нужное решение, и я отправился в офис. Да, работа по ночам иногда приносит пользу.

Я искал решение в единственном в Анкоридже «компьютерном бюро», которое возглавлял выпускник Стэнфордского университета Миллет Келлер. Здесь имелся всего один компьютер, IBM 1130 – последнее слово вычислительной техники на тот момент. Весь день Миллет писал коммерческие программы на языке программирования COBOL, предназначенные для составления отчетов местными банками. По ночам я получал возможность отлаживать собственные программы, написанные на языке FORTRAN. Этим языком программирования пользовались тогда многие ученые и инженеры. Благодаря использованию передовой техники IBM, выполнявшей 120000 операций сложения в секунду, я мог моделировать состояние принадлежащих British Petroleum нефтяных месторождений на Аляске для облегчения их промышленной эксплуатации [63]. BP всегда была одним из лидеров в использовании компьютерных технологий. В начале XX в. она разработала программы для расчета наиболее экономичных маршрутов движения нефтяных танкеров. Но изобретение IBM 1130 предоставляло совершенно новые возможности для обработки информации в нефтяной отрасли. Будучи по образованию геофизиком, Миллет интересовался выполняемой мною работой и часто оставался со мной по вечерам, наблюдая за поведением компьютера или вводя в него перфокарты с изменениями в программе.

IBM 1130 был первым компьютером, с которым мне пришлось иметь дело по окончании Кембриджского университета. Он был менее мощным, чем установленный в университете Titan, но более компактным, дешевым и удобным. Titan занимал целую комнату и требовал для обслуживания целую команду лаборантов. IBM пыталась сделать компьютерные технологии более удобными для самых разных отраслей, в которых выполнение сложных расчетов становилось все более необходимым.

Сегодня разведка месторождений и бурение скважин без предварительных компьютерных расчетов кажутся немыслимыми. К тому времени, когда BP вела добычу нефти на месторождении Тандер Хорс, на котором одноименная нефтяная платформа едва не затонула в 2005 г. под ударами урагана «Деннис», уже использовались сейсмические и иные данные для построения трехмерных моделей месторождений глубиной в несколько километров [64]. Необходимая для этого обработка больших массивов информации стала возможна благодаря стремительному росту мощности компьютеров за минувшие 60 лет. А основу технологии обеспечил транзистор – крошечное устройство из кремния.

В конце 1940-х гг. Уильям Шокли и его команда из состава группы, занимавшейся в Белловских лабораториях физикой твердого тела, изучала необычные электрические свойства группы полупроводников. В телефонных сетях компании Bell по-прежнему использовались механические коммутаторы, а усиление сигналов обеспечивали вакуумные лампы [65]. Техника была ненадежной и действовала медленно, и поэтому директор по научным исследованиям получил задание разработать альтернативу. Шокли полагал: решение могут дать полупроводники, на основе которых он надеялся создать новые коммутаторы и усилители [66]. Хотя теоретическая база выглядела безупречно, практические результаты оставляли желать лучшего. Его коллега Джон Бардин, блестящий физик-теоретик, также обратился к этой проблеме. Он догадался, что электроны удерживаются на поверхности полупроводника, а это, в свою очередь, останавливает движение электрического тока через устройство [67]. Вместе с Уолтером Бреттеном, чьи умелые руки служили прекрасным дополнением к мозгам Бардина, он сумел справиться с проблемой удержания электронов и, таким образом, перевел идею Шокли в практическую плоскость, что и обеспечило создание первого в мире транзистора [68].

В конце июня 1948 г. руководство Белловских лабораторий объявило: Шокли, Бардин и Бреттен создали первый полупроводниковый транзистор. Позже за выдающееся изобретение они были удостоены Нобелевской премии по физике. На пресс-конференции они объяснили, что транзистор способен заменить электровакуумную лампу – устройство, которое в ту пору использовалось в радиоприемниках и простейших вычислительных машинах. Подобно электровакуумной лампе, транзистор усиливал электрические сигналы и действовал как двухпозиционный переключатель, но работал быстрее, занимал меньше места и потреблял намного меньше энергии [69]. Но пресса сочла изобретение незначительным и уделила ему мало внимания. New York Times «поместила новость на 46-й странице под коонкой с сообщениями о сплетнях и слухах» [70]. Возможности транзистора не были осмыслены широкой публикой. Да и журналисты, должно быть, не понимали, какое влияние устройство и его функции способны оказать на повседневную жизнь. Даже сегодня лишь немногие осознают связь между крошечными кусочками кремния и сложными компьютерами, с помощью которых мы создаем изображения, управляем коммуникациями и генерируем звуки.

Любая вычислительная задача может быть разбита на последовательность простых логических действий, таких как решение суммировать два числа или выбрать одно из них. Эти действия контролируются «логическими вентилями», служащими базовыми строительными блоками цифровых схем. Логические вентили изготавливаются из транзисторов и других простых приспособлений и используют транзисторы как «ключи» для передачи сигналов. Большинство логических вентилей имеет два положения «включено» – «выключено», которые выполняют роль входов. Каждый может быть либо во «включенном», либо в «выключенном» состоянии. Обычно они обозначаются как «0» и «1», и выходной сигнал логического вентиля определяется двумя входными сигналами, а также типом самого вентиля. Например, логический вентиль «И» даст на выходе 1, только если сигнал 1 имеется на обоих входах. Все другие сочетания входных сигналов (0 и 1, 1 и 0, 0 и 0) дадут на выходе 0. Компьютер в простейшем виде представляет собой совокупность таких транзисторных логических вентилей, соединенных для получения сложного выходного сигнала. Мощность и сложность компьютера растут по мере того, как соединяется все больше и больше логических вентилей.

Транзисторы позволяют это, потому что имеют малые размеры, очень дешевы и потребляют минимум энергии, что позволяет объединить в одном компьютере огромное количество транзисторов. Быстродействие делает компьютеры полезными. Выполнение транзистором функции включения-выключения осуществляется слабым электрическим сигналом. Малые размеры транзистора и высокая скорость движения электронов позволяют переводить транзистор из включенного состояния в выключенное более 100000000000 раз в секунду. Если бы вы нажимали клавишу электрического выключателя пальцем, то на выполнение такого количества переключений вам потребовалось бы 2000 лет. Полупроводниковые свойства кремния делают его идеально подходящим для выполнения таких переключений, хотя для этого прежде использовались и другие полупроводники, в частности германий, а современные транзисторы могут изготавливаться из многих разных сплавов. Однако ни один из них не может соперничать с кремнием с точки зрения сочетания высокой производительности и низкой стоимости [71].

Однако свое первое коммерческое применение транзистор нашел не в компьютерах, а в технологиях, использовавших другие его возможности, например усиление электрических сигналов. В частности, транзисторы использовались в слуховых аппаратах фирмы Sonotone, впервые выпущенных в 1952 г. Тот же принцип применялся и в радиоприемниках, обеспечивая усиление электромагнитных волн, которые распространяла передающая станция. Небольшие размеры транзистора позволили значительно снизить габариты и стоимость радиоприемников, ставших переносными и, таким образом, позволили владельцам постоянно принимать распространяемую в эфире информацию. Транзисторные радиоприемники провозгласили наступление новой эры для популярной музыки, которую теперь каждый мог слушать где угодно и когда угодно. По мере появления новых товаров пришло и широкое понимание важности транзисторов. В марте 1953 г. Fortune напечатал статью под заголовком «Год транзистора». «В транзисторе и новых электронных устройствах на твердом теле, – утверждалось в статье, – человек может надеяться найти мозг для управления мускулами ядерной энергии» [72].

Кремний встал в ряд с ураном и титаном – послевоенными «чудесными элементами».

Вскоре после того, как Шокли, Бардин и Бреттен создали первый транзистор, отношения между ними начали портиться. Амбициозный Шокли полагал, что не получил адекватного признания за свое изобретение [73]. Он почувствовал себя неуютно в Белловских лабораториях, где очевидное отсутствие управленческих способностей и вздорный характер мешали его карьерному росту. В 1956 г. во многом под влиянием Фредерика Термана, ректора Стэнфордской технической школы, он уволился из Белловских лабораторий и переехал в Калифорнию, где основал собственную компанию Shockley Semiconductor. Терман хорошо понимал потенциал полупроводниковой индустрии и хотел, чтобы в нее шли работать его студенты. Совместными усилиями Шокли и Терман сумели переместить главные силы полупроводниковой индустрии с Восточного на Западное побережье США, где заложили фундамент для будущего феномена Кремниевой долины.

В Shockley Semiconductor исследованием потенциала кремния начали заниматься несколько блестящих специалистов. «Ни обработка, ни физические свойства [кремния] не были хорошо изучены, – писал Гордон Мур, работавший в то время в компании. – Мы всего лишь исследовали технологию и думали над тем, что можно сделать, и нам нужно было решить много задач, прежде, чем мы могли бы что-то испытать и создать» [74]. Однако работать в Shockley Semiconductor было непросто. Скверный характер Шокли и неумение управлять людьми способствовали высокой текучести кадров. Он был известен тем, что публично объявлял об увольнении своих сотрудников и требовал проверки на детекторе лжи тех, в ком у него возникали малейшие сомнения. Шокли и его работники расходились во взглядах не на общее направление деятельности компании, а на то, коммерциализацией каких новых изобретений следует заниматься. После года работы под руководством Шокли группа из восьми самых талантливых и амбициозных сотрудников решила покинуть компанию. «Восьмерка предателей» вступила в контакт с Бадом Койле и Артуром Роком, пионером использования венчурного капитала. Койле и Рок убедили их, что следует не искать другую компанию, а создать свою собственную. Получив 1,4 млн долл. от Шермана Фэрчайлда, изобретателя и бизнесмена, имевшего крупную долю в IBM, группа перебралась в окрестности калифорнийского города Пало Альто и основала там Fairchild Semiconductor.

В то время одной из главных технических задач было обеспечение надежной работы транзисторов, так как электровакуумные лампы были не только громоздкими, но и ненадежными. Каждый транзистор должен был подсоединяться к электрической цепи с помощью проводов, которые требовалось припаивать вручную. По мере того как число электрических цепей в компьютере увеличивалось, росла и вероятность нарушения любого из соединений. Риск отказов был высок. Другие составляющие электрических цепей (например, сопротивления) делались не из кремния, а из углерода и других материалов. Производство электрических цепей оказывалось дорогим и неэффективным процессом [75]. В 1958 г. Джек Килби, ученый из Texas Instruments, начал готовить изменения в электрических цепях. В итоге созданы «интегральные схемы», все элементы которых из кремния. Но схемы Килби все равно приходилось подсоединять тонкими проводами.

В Fairchild Semiconductor недавно изобрели метод компоновки и защиты этих элементов за счет использования слоя двуокиси кремния, которая естественным путем образуется на кремниевой поверхности [76]. Роберт Нойс, один из соучредителей Fairchild, описывал процесс как похожий на «создание транзистора внутри кокона из двуокиси кремния для того, чтобы он никогда подвергался вредным воздействиям. Это подобно открытию операционной в джунглях. Вы помещаете пациента в пластиковый мешок, внутри которого и проводите операцию, и не позволяете мошкаре, летающей в джунглях, садиться на рану» [77]. Нойс начал думать, что еще можно сделать. Он понял, что оксидный слой мог бы использоваться для упрощения производства и снижения затрат на создание электронных схем в целом. Диэлектрические свойства оксидного слоя давали возможность изготавливать все части схемы одновременно на одном куске кремния. Вместо проводов они могли бы соединяться с помощью тонкого листа металла, положенного поверх диоксидного слоя. Всякий раз, когда в нем пробивалось бы отвестие, образовывалась бы электрическая связь с элементом, расположенным внизу. Электрические соединения могли бы теперь «печататься» на схеме, а не выполняться с помощью ненадежных проводов. Нойс назвал свое изобретение «интегральной схемой», в которой транзисторы, конденсаторы и сопротивления печатаются и соединяются одновременно на одном отрезке [78]. Это позволило усилить надежность, причем настолько, что даже NASA использовало интегральные схемы на космических кораблях «Аполлон». Производственные издержки также значительно сократились. Бардин полагал: осознание естественной способности кремния образовывать защитный диоксидный слой привело к изобретению, столь же важному, как колесо [79].

Благодаря изобретению Нойса Fairchild Semiconductor стала лидером в разработке и производстве интегральных схем. Компания быстро росла: ее доход в 1958 г. составил 500 тыс. долл., а к 1960 г. увеличился в 40 раз [80]. Вокруг нее создавались многие компании, занимавшиеся разработкой компьютерных технологий и программного обеспечения, и их местонахождение стало называться Кремниевой долиной.

В 1965 г. Гордон Мур, один из «восьмерки предателей», обратил внимание на устойчивую закономерность в снижении размера и стоимости кремниевых транзисторов; эта закономерность подкрепляла стремительное развитие компаний из Кремниевой долины. Закон Мура гласит: число электронных элементов (транзисторов, резисторов и конденсаторов), которые можно поместить на компьютерном чипе, будет удваиваться каждый год [81]. В 1965 г. Мур ожидал, что темпы роста сохранятся как минимум десять лет, так что к 1975 г. число элементов, которые можно будет разместить на компьютерном чипе, вырастет с 60 до 60000. К всеобщему удивлению, он оказался прав. Но справедливость закона Мура сохранилась и после 1975 г. Экспоненциальный рост мощности компьютеров и последующее снижение стоимости роста этой мощности продолжались и в последующие годы [82].

Сегодня самые современные микропроцессоры имеют более 2500000000 транзисторов, размер которых снизился до невообразимых 22 нанометров, что всего в десять раз больше размера цепочки ДНК. В условиях общего роста компьютерной индустрии это обеспечило невероятный результат: в 2011 г. было изготовлено более 1018 (единица с восемнадцатью нулями) транзисторов. Это больше числа зерен риса, выращиваемого в мире каждый год, и больше количества букв, печатаемых в год во всех типографиях мира. Оказывается, что дешевле изготовить транзистор, чем напечатать одну букву в книге, газете или журнале. Процесс миниатюризации, описываемый законом Мура, обеспечивает все более быстрое производство все более дешевых чипов. А когда чипы становятся меньше и дешевле, они применяются во все большем количестве устройств и прочно входят в нашу повседневную жизнь. Как отмечал Мур в статье, в которой он впервые описал свой закон, «будущее интегральных схем – это будущее самой электроники» [83].

В 1968 г. Мур и Нойс продали свои доли в Fairchild и использовали полученные деньги для создания собственной компании, Intel. Я вошел в состав совета директоров Intel в 1997 г. по предложению Майка Спенса, ректора Стэнфордской школы бизнеса, и был председателем наблюдательного совета этого учебного заведения, так как сам учился в нем. Однако я не хотел терять связи с процветающей калифорнийской фирмой, так как надеялся многому научиться. Прежде чем войти в совет директоров, я встретился с Энди Гроувом, исполнительным директором Intel, работавшим с Муром и Нойсом в Fairchild. Гроув был и остается одним из самых выдающихся теоретиков и практиков бизнеса, с которыми мне когда-либо приходилось встречаться. Он обладает интеллектом и динамизмом, необходимыми для реализации стратегических планов в стремительно развивающейся полупроводниковой индустрии. Но Гроув также прекрасно разбирается в научных вопросах, имеющих отношение к продукции Intel, и написал несколько учебников по физике полупроводников. Совет директоров, в который входили также председатель Гордон Мур и опытный венчурный капиталист Артур Рок, был эффективным органом управления компанией; здесь собрались менеджеры мирового уровня. Гроув неустанно повторял мантру: «Выживают только параноики» [84]. Он действовал соответствующим образом и заставлял совет директоров и менеджмент компании следовать его примеру. В этой быстро развивающейся отрасли вам всегда нужно знать, какие изменения маячат на горизонте. Более того, вы должны делать так, чтобы возглавлять эти изменения или хотя бы не отставать от них. Гроув называл самые важные из них «десятью силами», потому что изменение «приобретает больший размах, чем тот, к которому привык бизнес» [85]. Изобретение интегральной схемы вызвало одно изменение, а позже другое, сходное по масштабам, вызвало изобретение интернета.

В начале 1990-х гг. инженер-компьютерщик из Европейского центра ядерных исследований (CERN) Тим Бернерс-Ли предпринимал попытки найти способ помочь тысячам ученых работать вместе более эффективно. Каждый из экспериментов по столкновению частиц порождал огромные объемы новых данных, но без сети коммуникаций для обмена информацией наладить полезное сотрудничество было невозможно. К тому времени по заказу американских военных уже было проведено много исследований по теории и практической разработке сетей для обмена информацией. В 1950-х гг., в условиях «холодной войны», необходимо было иметь децентрализованную сеть коммуникаций. Если бы общение осуществлялось через единственную линию связи, идущую из одного пункта в другой, то ее нарушение могло бы иметь фатальные последствия. Однако если бы эта линия была бы частью более крупной сети, то сообщения могли бы быть передаваться по другим путям, что обеспечивало бы надежное дублирование исходной линии связи.

Опираясь на эти результаты, Бернерс-Ли создал систему для связи компьютеров CERN, которая позднее превратилась во Всемирную паутину. Ученые и инженеры были первыми, кто использовал ее. Они быстро осознали важность компьютеров; огромные возможности этих устройств по обработке информации использовались для решения таких сложных задач, как составление карт нефтяных месторождений и моделирование климатических процессов. Но изобретение Бернерса-Ли также сделало возможной коммуникационную сеть, пользоваться которой вскоре смогли все желающие. Появление интернета совпало с быстрым увеличением числа людей, имеющих персональные компьютеры. В июле 1995 г. к интернету были подключены 6600000 компьютеров, а через год их число почти удвоилось. Вскоре после того, как в 1997 г. я вошел в совет директоров Intel, Энди Гроув объявил: его компания должна добиться подключения к интернету миллиарда ПК по всему миру; в то время было трудно поверить, что такое возможно.

Сегодня пользователей интернета более 2000000000 человек – предвидение Гроува полностью сбылось. При этом сфера действия интернета распространилась и на космос, так как теперь он поддерживает связь астронавтов на борту Международной космической станции с Землей.

Создание интернета также дало кремнию новое применение: теперь он используется не только в компьютерах, но и в инфраструктуре коммуникаций, и в средствах связи. Изобретение Бернерса-Ли опиралось на кремниевую инфраструктуру, фундамент которой заложили Шокли, Мур и другие предприниматели из Кремниевой долины. Но оно зависело от кремния и иначе. Кремниевые оптические волокна, впервые созданные в 1970-х и 1980-х гг., заменяют теперь дистанционные проводные линии связи. В результате пропускная способность новых оптоволоконных линий связи стала исключительно высокой, что позволило интернету распространять информацию по всему миру со скоростью света [86].

Интернет – важное средство удовлетворения растущей потребности людей в деловых и межличностных коммуникациях в режиме реального времени. Однако для полного удовлетворения следовало создать еще что-то: интерфейс между человеком и компьютером должен был стать более простым и приятным в использовании. Apple прекрасно осознавала эту потребность и в последние 20 лет добилась больших успхов в ее удовлетворении. В мае 2012 г. мне довелось встретиться с сэром Джони Айвом, вице-президентом по промышленному дизайну, в расположенном в Кремниевой долине городке Купертино, где базируется Apple.

Я встретился с Джони Айвом в освещенном солнцем внутреннем дворе. Мы присели выпить кофе, и он начал подробно рассуждать о разработке дизайна. «По сути, моя работа заключается в том, чтобы непрерывно думать о взаимосвязи между функцией и формой, – сказал он, прежде чем указать перед собой. – Взгляни на эту чашку. Когда мы пьем из нее, то не думаем об этом, так как знаем, что с ней делать. Ее форма имеет внутреннюю связь с функцией. Но приблизительно во времена промышленной революции что-то стало меняться. Механизированные предметы нарушали связь между формой и функцией, так что, к примеру, у сегодняшних смартфонов имеется множество функций, никак не ассоциируемых с их формой».

Смартфон функционирует благодаря движению электронов через тончайшие атомные слои кремния, но сложность этого устройства скрыта под блестящим металлическим корпусом и светящимися графическими интерфейсами. Этот экстерьер так же важен, как и скрытая под ним технология; он обеспечивает бесперебойное и безошибочное функционирование, которое делает наше взаимодействие с компьютерами таким же простым, как и с чашкой. Первые персональные компьютеры выглядели угрожающе и отпугивали потенциальных пользователей.

Они выглядели как лабораторное оборудование – коричневые и черные ящики, созданные учеными для ученых. Это возводило барьер между пользователем и компьютером, и разрушением его Джони занимался на протяжении многих лет работы в Apple. В конце того же дня он подвел меня к порогу – но не дальше – своего дизайнерского бюро, в котором небольшая группа занималась разработкой дизайна будущих изделий. Только матовые окна были свидетелями спокойного и неторопливого непрерывного творчества. Здесь много идей, но шедевров, как и положено, мало. Дни, недели и даже месяцы затрачиваются дизайнерами на разработку, моделирование и переделку каждой кнопки и каждого обвода корпуса ради создания не просто утилитарных предметов, но изделий, которыми люди желали бы обладать. Привлекательные изделия с новыми функциональными возможностями распространяются по всему миру, порождая действительно революционные последствия.

В середине декабря 2010 г. Мохамед Буазизи продавал фрукты с тележки в тунисском городе Сиди Бузид, когда к нему подошли двое полицейских. У него не было ни лицензии, ни денег, чтобы заплатить мзду, которую ожидали полицейские, и поэтому его тележка была конфискована. Он попытался подать жалобу в канцелярию местного губернатора, там над ним просто посмеялись. Отчаявшись добиться справедливости, он вернулся туда с канистрой бензина, вылил ее содержимое на себя и зажег спичку. Известие о его смерти быстро распространилось по стране и вызвало серию протестов, многие из которых были организованы с использованием социальных сетей. Вскоре президент в срочном порядке покинул страну. Twitter и Facebook предоставили платформу, с помощью которой недовольная тунисская молодежь могла обмениваться информацией о злоупотреблениях власти и координировать политические действия. Во многих странах арабского мира родились сходные протестные движения, приведшие к свержению правителей Египта, Ливии и Йемена.

Не впервые кремний использовался как один из инструментов подготовки политических революций. Транзисторные радиоприемники во время «холодной войны» служили для приема передач антикоммунистической направленности, которые транслировала на Советский Союз радиостанция «Свободная Европа». Революционеры всегда стремятся взять под контроль государственные радиостанции при попытках осуществления государственного переворота, как, например, Уго Чавес в начале 1990-х гг. Ведь тот, кто контролирует СМИ, контролирует страну.

Мобильные средства связи и интернет, способные обеспечивать широкое распространение информации, позволили революциям 2011 г. быстрее набрать обороты и добиться впечатляющих результатов. Кремний сделал это возможным, предоставив инструменты для проведения дебатов и дискуссий. Это благородная цель, но те же инструменты позволяют заниматься надзором, слежкой и преследованием инакомыслящих.

В Тунисе до начала революции власти использовали интернет для выявления и ареста видных блогеров. В Китае значительная часть онлайновой информации подвергается цензуре, и те, кто использует социальные медиа для несогласия с политикой государства, обычно оказываются «под колпаком» со всеми вытекающими последствиями. Подобно другим веществам, о которых рассказывалось здесь, кремний может творить добро и зло. И делать это очень быстро, не признавая географических границ.

«Что нового на Риальто?» – спрашивает Шейлок из пьесы Шекспира «Венецианский купец». В эпоху Ренессанса Риальто был финансовым и коммерческим центром Венеции, и, чтобы выяснить, что там действительно происходит, туда надо было прийти и увидеть своими глазами. Местные коммуникации ограничивались скоростью ходьбы человека, а международные коммуникации – скоростью плывущего по морю корабля. В эпоху промышленной революции человечество начало использовать энергию каменного угля и нефти в паровозах и пароходах, а затем и в автомобилях и самолетах. Давая возможность перемещаться дальше и быстрее, углерод расширял географические горизонты и возможности для коммуникаций.

Но именно кремний помог осуществить самое впечатляющее изменение в области получения и распространения информации. Как и транспортные средства, использующие энергию углерода, кремний также изменил нашу повседневную жизнь, дал новые возможности выбирать «друзей» и поддерживать контакты с широким кругом людей. Однако власть кремния намного превосходит власть углерода. Даже сегодня лишь около 15% мирового населения имеют автомобили, а еще меньше людей хотя бы раз летали на самолете.

Кремний широко распространен благодаря использованию в мобильных телефонах. Эти устройства во многом определили развитие современного общества. Они существуют уже достаточно долго, но, как и первые компьютеры, вначале были дорогими и громоздкими и потребляли много электроэнергии; аккумуляторы для телефонов были такими большими, что их приходилось помещать в специальный ящик в автомобиле. Но теперь люди имеют доступ к компьютерным мощностям, прежде доступным только университетам и крупным фирмам: обычный смартфон обладает большей вычислительной мощностью, чем та, которой владело NASA на момент высадки человека на Луну в 1969 г. В 1990-х гг. стоимость мобильных телефонов снизилась настолько, что они стали доступны многим жителям развивающихся стран. К 2002 г. в мире насчитывалось более миллиарда абонентов мобильной связи – для достижения этого показателя стационарным линиям телефонной связи потребовалось 128 лет. Сегодня около 75% мирового населения имеют доступ к мобильной связи. Связав прежде разобщенных людей, кремний изменил баланс власти внутри общества. Достаточно только взглянуть на рост влияния неправительственных организаций и различных интернет-сообществ, чтобы понять, катализатором каких политических изменений во всем мире стал кремний.

Чтобы узнать последние новости, вам больше не нужно идти на Риальто. Достаточно просто достать из кармана электронный гаджет. Кремний повысил нашу способность понимать мир, сделав для человеческого мозга то же самое, что углерод и железо для мышц.

Футуролог Рей Курцвейл указывает: «В предстоящий период технологические изменения будут настолько быстрыми, а их влияние окажется настолько глубоким, что человеческая жизнь подвергнется необратимым изменениям» [87]. Тогда люди, техника, физическая и виртуальная реальность сольются в единое целое. Он уверен, что компьютеры позволят преодолеть естественные ограничения возможностей человеческого мозга и расширят пределы знаний. Однако компьютеры пока уступают человеческому мозгу, способному выполнять от 100000000000000 до 1000000000000000 операций в секунду. Мы не в состоянии создать на основе кремния вычислительную машину, которая могла бы работать так же, как мозг, например, справляться с частыми неопределенными ситуациями в нашей жизни [88]. Однако Курцвейл уверен: этот рубеж будет достигнут к 2025 г. Возможно, здесь нет ни грана здравого смысла, но всевозможные спекуляции на тему порождены, безусловно, гранами кремния. Используя песок, человек создал нечто такое, что в один прекрасный день сможет превзойти своего создателя. Но следует проявлять осторожность и не переоценивать потенциал сегодняшних технологий. Гордон Мур недаром сказал: «Я не в состоянии видеть предела действия [закона Мура], так как могу заглядывать вперед не более чем на десять лет» [89]. Так чего же ожидать в ближайшее десятилетие? В Intel одна кремниевая инновация уже начинает приносить реальные плоды.

Майским днем 2012 г. я встретился с научным сотрудником Intel Марио Паничча в здании штаб-квартиры компании в калифорнийском городе Санта-Клара. Когда мы подошли к его рабочему столу, который был такого же размера, как и столы других сотрудников, но находился в углу помещения, Марио сказал: «Боссы занимают место у окна». Ожидая, когда он найдет маленькое кремниевое устройство, которое я пришел посмотреть, я разглядывал фотографии на стене. Рядом с фотографиями его семьи и друзей висело несколько снимков Паниччи с человеком, с которым я десять лет проработал в совете директоров Intel, – Гордоном Муром. «Мы наконец-то прошли с ним все восемнадцать лунок», – сказал Марио, указывая на фотографию, на которой он стоял рядом с Муром, одетым в костюм для гольфа. Было ясно, что Мур – вдохновитель творческих усилий Паниччи, представителя новой волны исследователей, стремящихся расширить границы применения кремниевых технологий. Тогда он проводил исследования, чтобы подтвердить возможность применения закона Мура в области технологий передачи данных. Найдя наконец нужную коробку, Паничча вынул из нее два маленьких кремниевых чипа, соединенных тонкими, прозрачными оптическими волокнами. «Это, – сказал он, – будущее коммуникаций».

Оптические волокна способны передавать большее количество данных, быстрее и дальше, чем медные провода. Волокно делается из стекла и стоит очень дешево, но лазеры, используемые для генерирования световых сигналов, передаваемых по волокну, довольно дороги. Поэтому вдоль оптоволоконной линии равномерно устанавливаются световые усилители, а на принимающем конце – световые декодеры. Эти компоненты не допускают массового производства, да и сама система связи не может собираться на конвейере. В результате кремниевые световоды – дорогостоящая альтернатива медным проводам. Использование оптических волокон обычно ограничивалось «информационными хайвэями», связывающими страны и континенты. По ним ежесекундно передаются десятки терабайт данных (приблизительно в 100 раз больше, чем хранится на жестком диске вашего компьютера). Каждая такая линия может стоить сотни миллионов долларов.

Паничча уверен: скоро все должно измениться. Крошечное устройство «кремниевой фотоники», которое он передал мне, вскоре сможет сделать использование высокоэффективных оптических волокон доступным в самых разных местах – от крупных хранилищ данных до персональных компьютеров [90]. Как и в случае изобретения Джеком Килби и Робертом Нойсом интегральных микросхем, для достижения этой цели предполагается использовать оборудование, почти полностью изготовленное из кремния. Это позволит обеспечить недорогое массовое производство оптических коммуникационных систем на основе кремниевой технологии, известной уже более 50 лет. Устройство, которое показал мне Паничча, способно передавать ежесекундно 50 гигабайт, что вполне достаточно для загрузки целого фильма менее чем за секунду. Сейчас его команда работает над созданием устройства, способного передавать один терабайт данных в секунду, что позволит загрузить всю печатную информацию, хранящуюся в Библиотеке Конгресса, приблизительно за 90 секунд.

Эти устройства кремниевой фотоники – последние дополнения к сложной инфраструктуре, обеспечивающей удовлетворение наших вычислительных и коммуникационных потребностей. Они используют взаимодействие кремния со светом и электронами, чтобы получить высокоскоростной канал коммуникаций, который может создаваться недорогим методом массового производства. Кремний снова предложил, как себя применять. Это технология завтрашнего дня. А что будет послезавтра? На горизонте появилась одна особенно привлекательная возможность, и она вновь исходит от углерода.

Новое вещество, с виду мелкоячеистая проволочная сетка, имеет потенциал, чтобы стать чудесным материалом XXI в., способным изменить мир в большей степени, чем кремний. Однако история его получения и применения – рассказ не о группе талантливых предпринимателей из солнечной Калифорнии, а об использовании карандаша и липкой ленты в одной из исследовательских лабораторий на севере Англии. В начале нынешнего тысячелетия выходцы из России профессор Андрей Гейм и его студент Константин Новоселов работали в Университете Манчестера, где занимались исследованием нового типа транзистора, изготовленного не из полупроводника наподобие кремния, а из проводникового материала. Они надеялись создать устройство меньших размеров, более быстродействующее и энергосберегающее по сравнению с любыми другими. Гейм и Новоселов начали эксперименты с графитом, состоящим из тонких слоев атомов углерода, расположенных друг над другом. Он используется для изготовления грифелей карандашей. Когда вы пишете карандашом, то оказываете давление на кончик грифеля, и тонкие углеродные слои графита ложатся на бумагу, образуя буквы и слова.

В течение многих лет ученые исследовали необычные свойства структур, состоящих из чистого углерода. Способность углерода создавать связи с самим собой позволяет получать разнообразные типы углеродных молекул, включая также длинные цепочки и кольца, образующие основу углеводородных видов топлива. В 1985 г. команда исследователей под руководством Гарри Крото из Университета Райса в Хьюстоне создала напоминающую футбольный мяч клетку из шестидесяти атомов углерода, названную Buckminsterfullerene [91]. Несколько лет спустя полые цилиндрические углеродные нанотрубки стали «чудесным материалом» 1990-х гг. Ученых заинтересовало, нельзя ли изготовить из атомов углерода тонкий лист. Большинство думало, что он окажется непрочным и сморщится, когда толщина составит всего один атом.

Однако в процессе исследования свойств тонких слоев графита Гейм и его студент сделали удивительное открытие. Используя обычную липкую ленту для снятия чешуек с куска графита, они смогли получать все более и более тонкие листы, снижая их толщину всего до нескольких атомов. В конце концов, взглянув в микроскоп, они увидели, что добились того, что многие считали невозможным: получился листа углерода толщиной всего в один атом – графен. Гейм и Новоселов начали исследовать свойства нового материала, и череда сюрпризов продолжилась. Оказалось, что это самый прочный материал в мире, в 300 раз прочнее стали [92]. Согласно расчету, требуется поместить слона на вертикально поставленный карандаш, чтобы проломить несколько слоев графена общей толщиной, как у клейкой ленты. Графен сочетает прочность с высокой эластичностью и электропроводностью. Он может оказаться лучшим в мире проводником тепла и электричества, превзойдя медь и серебро, и иметь практически нулевое сопротивление при комнатной температуре [93]. Но самое главное, что он самый прозрачный из всех существующих материалов. «Это было очень необычно, – говорит Новоселов. – Каждый раз, работая с графеном, мы обнаруживали что-то новое и интересное: его оптические, электрические и механические свойства уникальны» [94].

Первые результаты исследований опубликованы в 2004 г., и в дальнейшем работа ученых продолжала вызывать огромный научный и коммерческий интерес [95]. В 2010 г., всего шесть лет спустя, Гейм и Новоселов были удостоены Нобелевской премии по физике. При объявении имен лауреатов представитель Шведской королевской академии наук заявил: «Углерод, основа всей жизни на земле, удивил нас еще раз» [96]. Углерод – самое многообразное из всех химических веществ. Как ископаемое топливо он способствовал развитию цивилизации, предоставляя энергию для производства, торговли и коммуникаций; в виде двуокиси углерода может изменить наш мир снова, оказывая постоянное воздействие на климат и образ жизни; в виде графена может кардинально изменить многие товары, которые делают нашу жизнь комфортнее. Его прозрачность и проводимость могут использоваться в солнечных батареях и сенсорных панелях; прочность и гибкость – для корпусов морских судов и космических кораблей; полупроницаемость – в антибактериальных бинтах и фильтрах для воды [97]. Литий-ионный аккумулятор с анодом из графена может иметь зарядную емкость в десять раз больше и заряжаться во много раз быстрее, чем существующие аккумуляторы. Такие устройства, как телефоны, где используются графеновые транзисторы, могут быть сделаны настолько тонкими, что их можно будет скатать в трубочку и заложить за ухо.

Графен действительно обладает огромным потенциалом, но достоинства многих недавно открытых материалов часто преувеличивались [98]. Я хорошо помню технологический оптимизм 1950-х гг. И в научно-популярных журналах, и в комиксах рисовали будущее, в котором уран удовлетворит все энергетические потребности, обогреет дома, станет автомобильным топливом и даже позволит регулировать климат на планете с помощью щелчка тумблера. Титан, более прочный, легкий и антикоррозионный, чем сталь, должен был стать такой же неотъемлемой частью современной жизни, как и железо. Даже родственный графену материал, Buckminsterfullerene, пока мало где применяется, а углеродные нанотрубки не оказали значительного влияния на промышленность.

Графен подтвердил свой потенциал в лабораторных условиях. Окажется ли он основой революции в производстве новых товаров – вопрос экономики и производства, а не науки; коммерциализация новых материалов обычно требует больших затрат времени, сил и денег. Скорее всего, свое первое коммерческое применение он найдет в пленочных сенсорных экранах и «электронной бумаге», но самых больших чудес, вероятно, придется подождать несколько десятилетий, если они вообще случатся [99]. И все же графен – отличный пример того, как химические элементы, исследованные любознательными людьми и получившие практическое применение благодаря людям изобретательным, снова и снова могут удивлять нас, раскрывая новые качества и возможности, продолжающие преобразовывать мир.