ENIAC.
Ртутная память
В ранних компьютерах данные «запоминались» в виде линий задержки — гениальная система, придуманная Дж. Преспером Эккертом в 1940-х гг. Электрические импульсы от данных преобразовывались в звуковые волны и посылались через длинные трубки с ртутью (которые замедляли сигнал). На другом конце звуковые волны преобразовывались в электрические импульсы (с помощью кварцевого преобразователя), а затем снова отправлялись обратно в другую сторону по трубке с ртутью. Данные могли перемещаться по трубкам назад и вперед столько, сколько было необходимо, пока они не попадали на обработку компьютером. Одна линия задержки могла содержать 576 бит (код из 32 букв).
Ядерная энергия
Когда атомы изотопа урана-235 делятся, провоцируя цепную реакцию, выделяется ядерная энергия. В энергетических установках всего мира эти реакции используются для получения тепла, превращения воды в пар и вращения турбин для производства электроэнергии.
Люди познакомились с ядерной энергией относительно недавно. В 1896 г. Анри Беккерель открыл, что уран излучает таинственные лучи, а спустя несколько лет французская ученая польского происхождения Мария Кюри описала это явление, назвав его «радиоактивностью». В 1930-е гг. произошло много великих открытий в области атомной физики. В 1935 г. канадско-американский ученый Артур Демпстер обнаружил редкий уран-235 — единственный существующий в природе изотоп, который способен делиться, то есть при ударе нейтрона он распадается на два меньших атома. При расщеплении атома урана-235 высвобождаются нейтроны, которые расщепляют другие атомы урана, так что может образоваться быстро развивающаяся цепная реакция. При этой реакции выделяется огромное количество энергии, что лежит в основе атомной бомбы и атомной энергетики.
Первая промышленная АЭС была построена в Колдер Холле, Северная Англия. Четыре ее ядерных реактора вырабатывали электроэнергию в 1956–2003 гг., что делает их самыми долго работающими ядерными реакторами в мире
Испытание ядерного оружия «Тринити»
«Тринити» — кодовое название первого ядерного взрыва, который состоялся 16 июля 1945 г. неподалеку от Сокорро, штат Нью-Мексико. В ядре «Штучки», как называли бомбу, находилось 6,2 кг плутония, а также обычная взрывчатка. Энергия взрыва составила 20 000 т в тротиловом эквиваленте, при этом выделилось столько тепла, что песок пустыни расплавился и превратился в светло-зеленое стекло. В следующем месяце две подобные бомбы были сброшены на Японию, убив по меньшей мере 150 000 человек и заставив японцев капитулировать. Так закончилась Вторая мировая война. К счастью, с тех пор ядерное оружие больше не использовалось.
Приручение распада
Незадолго до Рождества 1938 г. немецкие химики Отто Ган и Фриц Штрассман совершили огромный прорыв в науке, впервые расщепив атомы урана нейтронами. На другой стороне Атлантики, в Университете Чикаго, в декабре 1942 г. итальянский физик Энрико Ферми продемонстрировал первую цепную ядерную реакцию. В его реактор Chicago Pile-1 (CP-1) было загружено 5,4 т металлического урана и 45 т оксида урана в окружении графитовых блоков. Эти блоки были необходимы для замедления скорости нейтронов до уровня энергии, необходимого для расщепления урана. СР-1 не произвел много энергии — ее хватило лишь на одну лампочку, — но этого было достаточно для доказательства того, что ядерная реакция может быть контролируемой.
Chicago Pile 1 был совершенно секретным объектом, построенным в рамках Манхэттенского проекта. Здесь создавалась атомная бомба, поэтому не существует фотографий этого объекта, только несколько рисунков
Атомное оружие
В начале 1940-х гг., когда бушевала Вторая мировая война, в США осуществлялся Манхэттенский проект, целью которого было создание атомной бомбы, использующей ядерную энергию. Это можно было сделать двумя способами. Во-первых, можно обогатить уран, то есть убрать из него относительно стабильный изотоп уран-238, что ускоряет цепную реакцию. Второй вариант — выделить из урана до той поры неизвестный радиоактивный элемент плутоний, что делает цепную реакцию более мощной. В 1945 г. огромная мощь цепной реакции второго типа была продемонстрирована способом, который ранее невозможно было представить. В июле 1945 г. в пустыне Нью-Мексико произошло испытание бомбы с плутониевым ядром. В следующем месяце урановая бомба была сброшена на Хиросиму, а плутониевая — на Нагасаки. Президент США Гарри Трумэн счел, что разрушения после взрывов должны дать понять японским лидерам, что они не могут выиграть войну, и тем самым спас союзников от японского вторжения.
Энергетика
После войны ученые задумались о том, как использовать ядерные реакции для получения электроэнергии. В декабре 1951 г. исследовательский реактор EBR-1 в Арко, штат Айдахо, произвел количество электроэнергии, достаточное для питания четырех 200-ваттных лампочек. Основной задачей этого реактора было доказать мнение Ферми о том, что ядерная реакция способна создать больше ядерного топлива. Это получилось, и реактор с плутониевым ядром стал известен как реактор-размножитель. Он не производит большого количества энергии, но ее хватает для снабжения энергией здания, в котором размещается реактор. Первая атомная электростанция открылась в 1954 г. в Обнинске, СССР. Ядерное топливо упаковывается в графит, как это делалось в CP-1. В активную зону реактора вводились металлические управляющие стержни, вбирающие излишки нейтронов. Поднятие управляющих стержней приводило к ускорению ядерной реакции и выделению большого количества тепла.
Сегодня примерно десятая часть мирового производства электроэнергии приходится на ядерные реакторы. В США и Франции этим способом получают бо́льшую часть электроэнергии. Самая большая атомная электростанция (АЭС) — Касивадзаки-Карива, Япония, она производит 8000 МВт электроэнергии.
Высокоскоростные частицы, вылетающие из ядерного топлива, при попадании в воду, охлаждающую реактор, порождают жуткое голубое свечение
Транзистор
Транзисторы — структурные элементы интегральных схем. Это важнейшие компоненты почти всех видов современных электронных устройств, от сотового телефона до кардиостимулятора, компьютера, самолета и телевизора.
Транзистор — это устройство, которое регулирует течение тока. Он действует как переключатель, регулируя движение электронов. Современные транзисторы состоят из трех слоев полупроводников. Полупроводники — это твердые материалы (кремний, германий), которые обладают высоким сопротивлением электрическому току, но не являются диэлектриками. При особом химическом процессе легировании в материал либо добавляются электроны, что создает полупроводник n-типа, либо отнимаются, тогда образуется полупроводник р-типа (n обозначает отрицательный заряд, а р — положительный). Транзистор может состоять или из слоя материала n-типа между двумя слоями р-типа (p-n-p), или наоборот (n-p-n). Небольшое изменение тока или напряжения во внутреннем слое полупроводника вызывает значительное изменение силы тока, проходящего через весь составной элемент. Транзистор может запускать и останавливать ток много раз в секунду, что делает его очень точным управляющим механизмом, идеально подходящим для использования в компьютерах.
В первом транзисторе в качестве полупроводника был использован германий. Это его точная копия, ее размер — приблизительно в половину кредитной карточки
Разработки Bell Labs
В 1947 г. Уильям Шокли, Джон Бардин и Уолтер Браттейн, работая в Bell Labs в Нью-Джерси, изобрели транзистор. За это достижение они позднее были удостоены Нобелевской премии по физике. Ранее в компьютерах и других сложных электронных устройствах для регулирования электронных сигналов использовались вакуумные лампы. Они были громоздкими и нередко перегревались, поэтому первые компьютеры были огромными и часто выходили из строя из-за перегоревших ламп.
В промышленности транзисторы впервые стали применять в 1952 г. в слуховых аппаратах, два года спустя — в радио. В 1959 г. на первом американском искусственном спутнике были использованы германиевые и кремниевые транзисторы. Примерно в то же время была разработана интегральная схема, позволяющая устанавливать комплект электронных схем на одном кремниевом чипе. С тех пор транзисторы стали намного меньше. В 2008 г. группа корейских инженеров выпустила транзистор размером всего в три миллиардные метра (3 нм)!
Микрочип представляет собой кусочек кремния с транзисторами, вытравленными на его поверхности и образующими интегральную схему. В современном микрочипе миллионы, а то и миллиарды транзисторов
Лазер
Лазер — устройство, которое заряжает энергией миллиарды атомов, заставляя их единовременно испускать свет, что создает очень сконцентрированный луч. Лазеры выполняют разнообразную работу в промышленности, медицине и мире развлечений.
В 1918 г. Макс Планк совершил открытие, которое сделало возможным создание лазеров: он обнаружил, что свет и другие виды излучения состоят из пучков энергии — фотонов. Много лет спустя ученый из Колумбийского университета Чарльз Таунс выдвинул идею «мазера» — машины, которая усиливает невидимые микроволны, а в 1957 г. сделал эскиз «оптического мазера». Его аспирант Гордон Гулд подал заявку на патент на устройство, усиливающее свет посредством вынужденного излучения (Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation — LASER).
Лазеры можно изготовить из кристаллов, газов и химических реакций. Это не просто красивые лучи: они применяются в медицине и косметологии, в сканерах и термометрах, в экстремальных холодильных устройствах и системах наведения
В 1960 г. Теодор Х. Майман на основе теоретических разработок Таунса, Гулда и других ученых построил первый лазер. Майман использовал большой кристалл рубина, концы которого имели зеркальное покрытие из серебра. Свет падал на рубин, «насыщая» его фотонами, которые возбуждали электроны в кристалле рубина. Возбужденные электроны переходили на более высокий энергетический уровень, а затем возвращались обратно, испуская много фотонов. Фотоны метались между з