Трудности развития вычислительной техники в условиях кризиса физики

Будущее вычислительной техники (ВТ) тесно связано с развитием технологий манипулирования веществом на нано уровне. Это обусловлено потребностями научно-технического прогресса в наращивании объемов и качества обработки информации, которые могут быть достигнуты только при увеличении интеграции вычислительных схем в аппаратуре. Ведь, указанная интеграция тесно связана с дальнейшим уменьшением в объеме и затратах на потребление энергии элементарными вычислительными схемами по сравнению с современной микро схемной их реализацией, и которую можно достичь уже на нано уровне существования материи. В то же время, по-видимому, повторение технологии обработки информации, на которой зиждиться  сегодня ВТ, на таком измельченном уровне, является, по крайней мере, не серьезной. Настало время, когда разработки должны опираться на  другие информационные процессы, в основе которых положены операции, взятые у принципиально новых универсальных алгоритмических систем, и в которых информационное содержимое операнда кардинально отличается от бита, байта, действительного числа. Ведь эти незыблемые в обработке единицы информации настолько малы, что при их отображении в материальные сгустки на нано уровне возникают проблемы, разрешение которых на современном этапе развития технологий не возможно.


Одна из таких проблем уже сегодня стала проявляться в попытках реализации новых идей, связанных с созданием квантового компьютера. Дело в том, что энергетическая величина сигнала, с помощью которой представляется такая малая единица информации как q-бит, аналог бита в квантовом компьютере, в нано аппаратуре: для ее хранения, транспортировки и обработки, становится соизмеримой с тепловым шумом. Тогда в процессе квантовых вычислений возникает проблема обнаружения в этом шуме рабочего сигнала, разрешение которой в ближайшие 100 лет не предвидится. Таким образом, ставится под большое сомнение создание работоспособного квантового компьютера.

Чтобы выработать конструктивные предложения по информационному содержимому операнда машины нано уровня следует, как бы, еще раз  обратится к термину информация, определений которой сегодня наработано более 20-и [1]. Следует заметить, что наиболее приемлемой для наших исследований, является модель понимания информации, предложенная В.М.Глушковым: «Информация это мера неоднородности распределения материи и энергии в пространстве и во времени».  Такое определение, без ущерба, может быть упрощено, если оставить только фразу: «Информация это мера неопределенности распределения материи». Предложенное упрощение допустимо, поскольку энергия есть свойство материи и не корректно ее  рассматривать в качестве субстанции наравне с материей. Что касается пространства и времени, то материя в иных координатах существовать просто не может – нет в природе данных, даже намекающих, на такие координаты. Приемлемость именно этого определения на современном этапе развития ВТ обосновывается еще и тем, что в нем информация рассматривается, как свойство материи неоднородно распределяться и частные случаи которого могут быть идентифицированы с новыми единицами информации, которые и заменят и биты, и байты, и числа при формировании операнда будущей машины.  

В этом  изящном определении В.М. Глушкова присутствует термины материя и  ее распределение, понимание которых следует искать в физике. Привлечение знаний этой древней науки диктуется не только уяснением понятия информации, но также поисками той материальной поддержки обработки информации, которая необходима на таком измельченном уровне существования материи.

Известно, что источником информации, с которой практически имеет дело человек, является электромагнитное излучения, или, проще, – фотон. В современной физике (преподавание в средней школе, ВУЗ-е, а также в специальной литературе) электромагнитная волна представляется таким образом, что в любой точке пространства ее распространения модуль напряженности электрического и магнитного поля одинаков [2]. То есть, если, например, напряженность электрического поля равна нулю, то в этой же точке нахождения электромагнитной волны и  напряженность магнитного поля тоже равна нулю. Дальнейшее продвижение волны сопровождается изменением указанных напряженностей, а именно, начинается рост присутствия материи в рассматриваемой точке пространства. Понятно, что перед этим, при нулевых значениях напряженности полей, там материи не должно быть. Таким образом, если электромагнитная волна отражает присутствие материи в конкретном пространстве, то такая современная ее модель вступает в конфликт с известными законами сохранения, т.е. из ничего появляется напряженность и электрического, и магнитного поля, в конечном итоге материи, и затем, в ничто – в ноль она превращается. Кроме того, возникает естественный вопрос – какой колебательный процесс имеет место в электромагнитной волне. Ведь колебаний между электрическим и магнитным полями в этой общепризнанной  модели не наблюдается. В результате такая модель электромагнитной волны противоречит известному радиотехническому эксперименту, который подтверждает именно колебания в ней между напряженностью электрического поля и напряженностью магнитного.

Напомним, радиотехника имеет дело с закрытым колебательным контуром, в котором и происходит переход от одного представления материи к другому, например, от представления материи электрическим полем к представлению магнитным. То есть, если напряженность магнитного поля равна нулю, то электрического поля, либо максимальное ее значение, либо минимальное, и, наоборот, если напряженность электрического поля равна нулю, то материя в контуре представлена крайними значениями напряженности магнитного поля, соответствующим либо Норду, либо Зюйду. Таким образом, эксперименты показывает, что в закрытом колебательном контуре материя колеблется между двумя ее представлениями в виде электрического, либо  магнитного поля. Отсюда, это колебание   принято называть электромагнитным. Если в закрытом колебательном контуре разомкнуть пластины конденсатора, и одну из них заземлить, а вторую выбросить  в виде  антенны (открытый колебательный контур), то тогда, отмеченное выше колебание, выйдет в окружающее пространство. Так происходит генерация электромагнитной волны, и в ней имеет место те же колебания, которые были до размыкания закрытого колебательного контура, т.е. будут колебания представления материи, поочередно, то с помощью магнитного поля, то с помощью электрического. Эти изменения отражают гармоническую функцию – либо синус, либо косинус. Если синус отражает изменения напряженности электрического поля, то эта же функция, с соответствующим знаком, сдвинутая во времени на 900 отражает изменения напряженности магнитного поля. И, наоборот, если функция косинус отражает изменение электрического поля, то она же сдвинутая во времени  на 900, отражает изменение магнитного. Приведенное выше понимание электромагнитной волны подкрепляется экспериментом и не противоречит всеобщим законам сохранения.

Создание аппаратуры в технологии нано уровня существования материи, как и на микро уровне, по видимому, требует уяснения такого явления в природе, как поле. Инженера-разработчика новой аппаратуры должно интересовать основное свойство поля, на которое в свое время обратил внимание физик М.Фарадей. Речь идет о взаимодействии источников однородного поля, которое проявляется в виде: либо их притяжением, либо отталкиванием. Это взаимодействие в свое время известный физик объяснял с помощью модели силовых линий, расположенных вокруг источников поля. Современное понимание рассматриваемого физического явления несколько иное. Оно сформулировано одним из основателей квантовой теории поля лауреатом Нобелевской премии Ричардом Фейнманом: «За взаимодействие в полях отвечают виртуальные частицы», т.е. мистические частицы. Такая современная модель понимания силовых взаимодействий в полях, мягко говоря, не устраивает инженера проектировщика  конкретного «железа». Другими словами, используя терминологию ВТ, трудно построить работающий триггер на мистике (виртуальной частице).

Немаловажное значение в разработках средств ВТ имеют расчеты различных энергетических характеристик материальной среды,  в которую инженер помещает схему, реализующую технологический процесс обработки информации.  Как известно любой расчет в таком случае опирается на математический аппарат, грамотность использования которого должна быть безупречной. Внимательный анализ использования математики в физике тоже вызывает вопросы. Например, у разных ученых одно и то же явление в природе описывается различными формулами. Так, энергия у Планка представляется формулой


,

 

где - постоянная Планка, а - частота электромагнитных колебаний в фотоне, а у Эйнштейна другой формулой,

 

                                                                                     (1)

 

где m – масса, а с – скорость света. Выбор этой формулы Эйнштейном никак не аргументируется. Почему в ней масса равна энергии, а в качестве скорости используется скорость света. Эти вопросы не праздные они задаются, по меньшей мере, уже больше столетия различными учеными.

Если есть необходимость представления энергии в виде математической модели (формулы), то следует исходить из того, что энергия это мера движения материи. Насколько известно такое определение разделяют большинство ученых физиков. Раз это так, то прежде чем рассматривать энергию, движущейся материальной системы, с математических позиций, следует составить функцию, определяющую это движения, а затем уже приступить к ее изучению на предмет определение ее характеристики, отражающей в природе энергию. Нетрудно заметить, что неопределенный интеграл этой функции и «несет» в себе скалярную характеристику движения материи – ее энергию. Тогда окажется, что в знаменитой формуле Эйнштейна, не достает еще одного слагаемого, позволяющего определить полную энергию исследуемой материальной системы [2]. Другими словами не вся энергия исследуемой материальной системы представляется формулой (1). Это не единичные случаи, когда в физике, не обосновано, используются математические модели (формулы). Можно приводить еще примеры.

Анализ исследований в различных направлениях развития физики в 20-м веке, показывает, что практически большое количество свойств вещества остаются белыми пятнами вот уже более 100 лет. Это связано с мировоззрением ученых, которые свои усилия так безуспешно направляли на раскрытие отмеченных выше пятен. Указанная мировоззренческая сторона наглядно просматривается в тех проблемах, которые ученые ставили перед собой, и разрешение которых, по их мнению, и должно помочь познать в природе непознанные явления (те же белые пятна). Ярким примером, подтверждающее это, являются проблемы Д. Гильберта.

Д. Гильберт, формулируя свои знаменитые двадцать три проблемы, предполагал, что их разрешение позволит внести весомый вклад в развитие математики и, в конечном итоге, в естественных исследованиях в двадцатом веке. А шестая проблема, вообще, больше затрагивает естественную науку физику, нежели математику. Ведь в ней, по мнению Д. Гильберта, следует математически изложить аксиомы физики. Упреждая наши рассуждения, отметим, что на языке естествознания согласно шестой проблеме необходимо построить систему утверждений (аксиом), называемые в физике постулатами, которая должна удовлетворять свойствам самодостаточности, т.е. она должна обеспечить изучение (объяснение) всех природных явлений, которые входят в предмет исследований физики. В построении такой системы Д. Гильберт видел весьма серьезную проблему. И это нашло свое подтверждение многими исследователями, которые пытались разрешить ее, вот уже, по меньшей мере, более ста лет. С нашей точки зрения причиной тому явилось не только сложность рассматриваемой проблемы, но и то, что в двадцатом столетии среди ученых не умолкал, да и сейчас не умолкает, спор – что понимать под естественной наукой. Относить ли к ней математику, а некоторые разделы, казалось бы, естественной науки кибернетики, рассматривать, или не рассматривать разделам математики. В данном случае речь идет о теории алгоритмов и теории информации. Такое же, неадекватное содержанию естественной науки, было отношение и у Д. Гильберта к теории вероятностей, которую он считал естественной наукой, и в своей шестой проблеме предполагал для нее, как для физики, математическое обоснование системы аксиом.

Кроме того, в двадцатом веке среди ученых доминировало не материалистическое мировоззрение, которое философы, да и сами представители науки, относили к субъективному идеализму, и в частности к логическому позитивизму, махизму. А ведь не понимание материалистического принципа гносеологии ими существенно тормозило развитие науки в двадцатом веке, особенно в ее теоретических исследованиях.  По существу формулируя, как минимум вторую и шестую проблемы Д. Гильберт, при их разрешении, предполагал точными методами математики опровергнуть основной принцип гносеологии, согласно которому природа непознаваемая в фиксированном объеме трехмерного пространства и в ограниченное время, но познаваемая на бесконечной последовательности ее моделей, которые строит ученый в процессе ее познании. Несколько подробнее эти аспекты познания, связанные с рассматриваемыми проблемами Д. Гильберта, будут рассмотрены несколько позже.

Таким образом, не понимая, какие научные аспекты подымаются в шестой проблеме, и, в силу этому, не находя ее разрешение, многие исследователи стали упрекать Д. Гильберта в размытости, не конкретности в постановке проблемы. Попытаемся разобраться, в чем же сущность шестой проблемы знаменитого математика. Для этого будем исходить из того, что математика, ни в коем случае, не может быть отнесена к естественной науке. Ведь математика является продуктом человеческой деятельности, его фантазирования, выдумки, которые, далеко не всегда, своими искусственными моделями находят аналог в природе. На языке математических терминов, можно установить гомоморфизм между множеством объектов естественного происхождения и множеством математических (абстрактных) моделей. Причем этот гомоморфизм весьма далек от изоморфизма, т.е. взаимного соответствия между природой и выдумкой человека, а он совпадает с мономорфизмом, когда  распределение материи в природе можно найти в искусственных  математических моделях, а вот, обратное, – не всем моделям можно найти в природе, хотя бы, аналог. Из таких наших рассуждений видно, что математика не может рассматриваться как естественная наука. Она по своей сути разрабатывает искусственно построенные абстрактные модели, которые естественная наука, может использовать, как методы, в познании природы. Конечно, если эти модели попадают в то подмножество математических абстракций, которое при отображении на природу соблюдает мономорфизм.

Итак, в чем суть, в чем содержание, которое Д. Гильберт поместил в свою шестую проблему. Уже в самой формулировке ее есть два термина – один из математики (аксиомы), а второй относится к естественным исследованиям (физики). Безусловно, термин физика указывает на познание природы, и, употребляя, терминологию материалиста, следует тогда ориентироваться на познание материи. В этом месте наших рассуждений, весьма удобно, рассмотреть известный закон распределения материи в природе.

Закон. Существование материи в природе, характеризуется бесконечным количеством объемов ее распределения, каждый из которых является составной частью большего объема и одновременно состоит из аналогичных объемов меньших размеров.

Содержание этого закона акцентирует наше внимание на том, что материя распределена в трехмерном пространстве по принципу «объем в объеме». То есть любое материальное образование сосредоточено в объеме, и оно является составной частью еще большего объема, который занимает тоже материя. Одновременно с этим, материя, расположенная  в нашем объеме, состоит из еще более мелких ее частей, которые занимают, естественно, и более мелкие  объемы, входящие в наш исходный объем. Таким образом, распределение материи в трехмерном пространстве представляет собой некоторую бесконечную последовательность материальных объемов, в которой, с одной стороны, в своем приближении объемы стремятся к одному объему бесконечной размерности, а, с другой, к бесконечному количеству объемов, каждый из которых стремится к нулевым размерам. Напомним, что этот закон имеет очень важное следствие, согласно которому: какая бы ни была малая материальная частица, она всегда является составной и не может быть сведена к неделимой.

Исследуя материю, которая распределена вдоль рассмотренной бесконечной последовательности объемов, можно заметить, что каждому промежутку в ней присущи свойства материи, которые характерны только для этого промежутка. Например, в промежутке последовательности, рассматриваемых объемов материи на Земле, представлены ее свойства в вещественной форме.

Исследования, в последние сто лет, показывают, что отмеченные выше свойства вещества использованы физиками в качестве постулатов, на системе которых строились новые теории, новые модели существования материи. Что такое постулат? Это если рассматривать мономорфизм распределения материи в природе на искусственный аппарат математики, то постулат в физике соответствует аксиоме в математике. Напомним, что в математике под аксиомой понимают утверждение, не требующее доказательства, а в физике постулат принят на веру. Единственное требование к постулату это то, чтобы вера в него не была пустопорожней, он должен, подтвержден практикой эксперимента.

Если рассматривать в такой связке аксиомы и постулаты, то в шестой проблеме Д. Гильберт предположил, что в физике можно создать (математически обосновать) систему аксиом (постулатов), позволяющую, на ее основе, познать любые свойства материи. В математике в своей второй проблеме аналогичные требования он предъявил, но уже к системе аксиом Пеано. Напомним, вторая проблема требует доказательства непротиворечивости системы аксиом арифметики. Как уже отмечалось выше эти две проблемы, если их разрешить положительно, то мы получим результат, согласно которому можно построить фиксированную систему (аксиом, постулатов) со свойствами самодостаточности, которая позволит познать любое свойство материи. В конечном итоге, и то, что помещено в фиксированные рамки пространства и времени. Иными словами полученный такой результат (если он возможен) математическими методами опровергнет гносеологический принцип познания природы.  Решая вторую проблему К. Гедель показал, что в математике, нельзя доказать непротиворечивость системы аксиом Пеано (арифметики). Таким образом, К. Гедель строго математически, с помощью своих двух теорем, подтвердил справедливость принципа гносеологии в познании природы.

Используя свойства мономорфизма, несложно прийти к выводу, что полученный результат К. Геделя относится и к  системе постулатов в физике. Эту особенность указанной системы можно заметить и с позиций естественной науки. Так, система физических постулатов, на которых основаны исследования последних сто лет, представляет собой, говоря языком математики, систему ортонормированных аксиом (постулатов), т.е. независимых друг от друга. Если какой либо из этих постулатов является зависимым от других, входящих в нее, то он опускается (исключается из рассматриваемой системы). Таким образом, постулаты в системе являются независимыми друг от друга согласно принципу их отбора, а это означает, что любой постулат системы не может быть выведен  (познан) на основе других таких же ее постулатов. Этим и доказывается невозможность создание системы постулатов, позволяющей получить любые знания о природе в фиксированное время и в конкретном конечном объеме трехмерного пространства. Этим и, с точки зрения естественных (физических) исследований, подтверждается справедливость гносеологического принципа.

Таким образом, обосновать ни математически, ни физически самодостаточность системы аксиом (постулатов), о которой речь идет в шестой проблеме Д. Гильберта не представляется возможным. Из этой невозможности разрешения проблемы следует, что физика в двадцатом веке, «барахталась» в «плену» постулатов (свойствах вещества). Она «тщетно» пыталась познать само  вещество, т.е. его свойства, взятые в качестве независимых постулатов. По этой причине такие свойства вещества как: масса, электрический заряд, магнитная масса, поле, гравитация, инерция, электромагнитные явления и т.п., используемые физиками двадцатого века в качестве постулатов, так и не познаны до сегодняшнего дня. Иными словами, физики пытались познать то, что, в силу невозможности разрешения шестой проблемы, оказалось не познаваемым.

Еще раз подчеркнем, что следствием неразрешимости шестой проблемы Д. Гильберта является невозможность создания системы постулатов со свойствами самодостаточности.  Но как же в таком случае поступить естественной науке в познании природы. Для уяснения этой проблемы вернемся к той части нашего изложения, в которой обращалось внимание на закон природы, характеризующий распределение материи по принципу «объем в объеме». Каждому промежутку бесконечной последовательности этих объемов, как уже отмечалось, соответствует свои свойства существования материи. Причем, количество их, в силу бесконечности распределения материи, бесконечно. В  результате чего, при формировании системы постулатов, ученым приходится их перечень существенно ограничивать (фиксировать), а это последнее сразу же перечеркивает, отмеченную самодостаточность системы.

На промежутке последовательности согласно принципу существования материи «объем в объеме», который подлежал исследованиям в двадцатом веке, в качестве постулатов, выступают свойства вещества. Для успешного их познания, в этом случае, необходимо перейти к следующему промежутку существования материи в рассматриваемой последовательности, в котором рассмотреть новые свойства существования материи, применив их в качестве соответствующей системы постулатов.  В этой новой системе постулаты современной физики должны выступать, на языке математики, леммами, теоремами, либо задачами. И тогда на основе такой системы постулатов уже можно познать, интересующие физиков, свойства вещества.

В настоящее время такая система постулатов создана. С ее помощью, удается, существенно продвинутся в познании вещества, включая и, уже набившие оскомину ее свойства, часть из которых приведена ранее (имеется в виду: масса, инерция, поле и т.п.). Однако не следует забывать, что, и в новой такой системе познать ее новые постулаты, как и в случае с системой постулатов, используемой в современной физике, не возможно. Рассмотрение новой системы постулатов требует отдельного изложения.

Литература

  1. Вышинский В.А. Об одном направлении в развитии фундаментального понятия информации В.М. Глушкова / В.А. Вышинский // Международная научная конференция «Современная информатика: проблемы, достижения, и перспективы развития», посвященной 90-летию академика В.М. Глушкова. Киев. – 2013 г.
  2. Вышинский В.А. Новый вывод и уточнение формулы так называемой «эквивалентности массы и энергии» / В.А. Вышинский // Международная научно-техническая конференция «Кибернетика и высокие технологии». – Воронеж . – 2013г.
Работает на Drupal, система с открытым исходным кодом.