Лозовский В.Н. - Нанотехнология в электронике, страница 5

Но одна из них наилучшимобразом дополняет теорию Большого взрыва и считаетсянаиболее перспективной. Это так называемая теория ин,фляции (теория раздувания) Вселенной. В теории инфля,ции возникновение Вселенной связывают с физически,ми процессами, происходящими в вакууме; она объеди,няет процессы в микро, и мегамирах. По современнымпредставлениям, вакуум — сложная все заполняющаядинамическая квантовомеханическая система, постоян,но и повсеместно порождающая виртуальные частицы иантичастицы. Некие весьма сложные процессы в вакуу,ме, названные инфляционными, лежат в основе зарож,дения Вселенной.Наша Вселенная возникла примерно 14 млрд лет на,зад из первоначально чрезвычайно малого объема и ста,ла очень быстро расширяться. Этот период в истории Все,ленной называется эрой инфляции.

Она продолжаласьот 10–43 до 10–35 с (см. рис. 2.5). Вопросительные знакина рис. 2.5 (внизу) отражают отсутствие для этого пе,риода эволюции общепризнанной теории. Весьма веро,ятно, что до эры инфляции существовал лишь один видфундаментального взаимодействия между элементарны,ми частицами, заполнявшими Вселенную. Это взаимо,действие названо Суперсилой. К моменту 10–43 с от Су,персилы отделилась гравитация (левая пунктирная кри,вая на рис. 2.5).Гравитация существует в качестве отдельной фунда,ментальной силы и в наше время. Оставшиеся объединен,ными, три взаимодействия (сильное, электромагнитное ислабое) получили название Великого объединения.К моменту 10–35 с закончилась эра инфляции, расши,рение замедлилось, начался период, описываемый теори,ей Большого взрыва.Великое объединение к моменту 10–35 с разделилось насильное (ядерное) взаимодействие (правая пунктирнаякривая на рис.

2.5) и на электрослабое. Ядерное взаимо,действие существует и в наше время.30НАНОТЕХНОЛОГИЯ В ЭЛЕКТРОНИКЕ. Введение в специальностьК моменту 10–10 с электрослабое взаимодействие рас"палось на слабое и электромагнитное. Это утверждениеуже получило строгое теоретическое обоснование.Итак, в процессе эволюции Вселенной единое взаимо"действие (Суперсила) распалось на четыре фундаменталь"ных взаимодействия.

Слабое взаимодействие пока не на"ходит использования в технике. Все силы, учитываемыев инженерном деле, сводятся к трем фундаментальнымвидам взаимодействия: гравитационному, электромагнит"ному и ядерному. Универсальность фундаментальныхсил, используемых в практической деятельности человека, — одна из основ естественнонаучного единствафундаментальных и инженерных дисциплин.Рассмотрим, как в процессе эволюции Вселенной фор"мировались материальные структуры неживой природы(см.

рис. 2.2).В эру инфляции (10–43–10–35 с) возникла первопричи"на появления в будущем всего вещественного, включаянас, и всего того, что используется в технике. Дело в том,что в ту эру (см. рис. 2.5) при температурах 1032–1028 Кматерия существовала в виде излучения, элементарныхчастиц и античастиц.

На последующих этапах эволюциичастицы и античастицы попарно аннигилировали (взаим"но уничтожились) превращаясь в излучение. Так как ан"тичастиц было на 10–7% меньше, чем частиц, то некото"рая доля частиц (10–9 от исходного их количества) сохра"нилась до наших дней, обеспечив образование современнойвещественной природы, лежащей в основе всей техники.Число оставшихся частиц — 1080.

Античастицы анниги"лировали практически полностью. Антивещества в кос"мических масштабах в природе нет.Затем (10–35–10–4 с) наступает эра адронов; дальней"шее расширение Вселенной происходит уже в соответст"вии с теорией Большого взрыва. Температура Вселеннойубывает от 1028 К до 1012 К. В конце этой эры кварки объ"единились в адроны, к которым относятся, в частности,протоны и нейтроны. Так образовались частицы, из ко"торых состоят ядра атомов. Однако в эру адронов объе"динения нейтронов и протонов в ядра атомов произойтиЧасть 1. ФУНДАМЕНТАЛЬНЫЕ ОСНОВЫ ИНЖЕНЕРНОЙ ПОДГОТОВКИ31не могло, так как температура еще была слишком высо*кой (Т > 1012 К).В эру лептонов (10–4–300 с) происходит реакция ме*жду протонами и нейтронами, в результате которой от*ношение числа оставшихся нейтронов к числу протоновстало равным примерно 0,15.

К моменту 300 с темпера*тура расширяющейся Вселенной упала до 109 К, и возник*ли условия для образования ядер изотопа водорода (12 D) игелия (32 He, 24 He). Но это уже начало эры фотонов, кото*рая длилась примерно от 300 с до 106 лет (см. рис. 2.5). Домомента 10 000 лет нейтроны были израсходованы пол*ностью на образование гелия (~25%). Оставшиеся прото*ны проявились в дальнейшем как ядра атомов водорода(~75%).

Примерно это же соотношение между содержа*нием гелия и водорода сохранилось в среднем во Вселен*ной и в наше время.После образования ядер легких элементов (~300 с) ве*щество еще длительное время (~106 лет) представляло со*бой плазму. Высокая температура не позволяла сущест*вовать нейтральным атомам. После снижения температу*ры примерно до 4000 К электроны стали удерживатьсявблизи ядер, образуя атомы водорода и гелия. Активностьвзаимодействия фотонов с веществом ослабла. Вселенная,ранее непрозрачная, стала прозрачной.

Началась эра ве*щества (эра звезд), продолжающаяся и сейчас.Изложенное показывает, что в эру адронов, лептонови фотонов, т. е. до эры вещества, материальные системыусложнялись и разнообразились путем объединения эле*ментарных составляющих во все более сложные конструк*ции. Аналогичный подход в практической деятельностичеловека называется технологией по принципу «снизувверх» (создание сложного из более простых частей). Хи*мики так получают молекулы из атомов, различные мате*риалы — из молекул; механики таким же образом созда*ют сложные изделия из отдельных конструкционных эле*ментов; электронщики получают сложные электронныесистемы из схемных элементов и т.

д.В начале эры вещества Вселенная состояла из газообраз*ного водорода и гелия, почти равномерно распределенных32НАНОТЕХНОЛОГИЯ В ЭЛЕКТРОНИКЕ. Введение в специальностьв пространстве. Вокруг первоначально весьма слабых неод$нородностей вещества стали образовываться (за счет грави$тационных сил) огромные газовые сгущения. Со временемони превратились в галактики, которые, в свою очередь,распались на протозвезды. Сжимаясь, протозвезды нагре$вались до возникновения собственного свечения и такимобразом становились звездами.В итоге первоначально сплошная, почти однородная ипредельно хаотизированная плазменная среда Вселеннойпревратилась за счет гравитационного (и в меньшей степе$ни — электромагнитного) взаимодействия в обособленныезвездные скопления — галактики. Механическое взаимо$действие частей среды, ускоряющихся при гравитацион$ном стягивании к центрам галактик и звезд, трансформи$ровалось в поступательное и вращательное движение га$лактик, звезд и других небесных тел.

Возникли новыепроцессы самоорганизации, приведшие сперва к ядерно$му превращению звездного водорода в гелий и в более тя$желые элементы (вплоть до железа), а затем и в еще болеетяжелые элементы (вплоть до урана) — при взрывах звезд,находящихся в неустойчивом состоянии («взрывы сверх$новых»). Так появился «строительный материал» для воз$никновения вещества.Изложенное показывает, что в начале эры веществановые структуры (скопления галактик, галактики, звез$ды и другие небесные тела) возникали из более обширныхобразований и превращались в их части. В инженерномтворчестве подобный процесс связывается с технологиейпо принципу «сверху вниз». Так изготавливают схемныемикроэлементы в поверхностном слое монолитного полу$проводникового кристалла в производстве ИМС, канце$лярские кнопки из цельного листа металла и т.

д.Изучение Вселенной показало, что фундаментальныезаконы природы одинаковы во всей Вселенной и на всехэтапах ее эволюции. Те же законы лежат в основе техни$ки и обеспечивают научно$технический прогресс. Универсальность и единство законов природы определяют также естественнонаучную общность фундаментальныхоснов всех дисциплин учебного плана.Часть 1. ФУНДАМЕНТАЛЬНЫЕ ОСНОВЫ ИНЖЕНЕРНОЙ ПОДГОТОВКИ332.5.ДЕЯТЕЛЬНОСТЬ ИНЖЕНЕРАИ РЕАЛЬНОСТЬЕстественная природа развивается на основе процес%сов самоорганизации. С этой точки зрения человек пред%стает как особая движущая сила самоорганизации, про%являющаяся на определенном уровне развития матери%альных структур. С его появлением связано создание иразвитие искусственной природы.

У истоков искусствен%ной природы стоит человек, ставящий и реализующийопределенные цели. В области производства — это инже%нер. Проанализируем изложенное с помощью рис. 2.6,Рис. 2.6Связи объективной и субъективной реальностейс инженерной деятельностью34НАНОТЕХНОЛОГИЯ В ЭЛЕКТРОНИКЕ. Введение в специальностьна котором представлена схема, отображающая все суще$ствующее, т. е. реальность.Реальность разделяется на объективную (иногда ееназывают действительностью) и субъективную.

Объективную реальность можно разделить на естественную(верхняя левая часть схемы) и искусственную (нижняялевая часть). Для обсуждения первичных фундаменталь$ных основ инженерной деятельности целесообразно и субъ$ективную реальность разделить на две части (принцип де$ления пояснен ниже).Естественная объективная реальность — это весьмир самопроизвольно возникших материальных систем,взаимодействий, движений.

В своей видимой части —это метагалактика (наша Вселенная). Назовем для крат$кости все, что «населяет» естественную объективную ре$альность, объектами. Термином «объект» здесь обозна$чены все три материальные сущности: объект, взаимодей$ствие, движение.Наша Вселенная непрерывно эволюционирует. Этопроявляется в возрастании разнообразия и сложности ма$териальных структур. В процессе эволюции сложиласьиерархия в области неживых объектов, приведенная нарис.

2.2. Ветвь эволюции в направлении от простых неор$ганических к сложным органическим системам представ$лена на рис. 2.3. Она привела к образованию мыслящихматериальных систем; на Земле — это человек. На схеме,изображенной на рис. 2.6, «мыслящий объект» обозначенверхним прямоугольником слева.Любая материальная система отражает (изменениемсвоего состояния) наличие и свойства других материаль$ных систем, с которыми она взаимодействует. Строго гово$ря, в мире все взаимодействует со всем.

Поэтому отражение является всеобщим свойством материи, а мышление,возникшее в процессе эволюции материи, представляется высшей формой проявления этого свойства.Посредством мышления происходит самопознание ес$тественной объективной реальности. В процессе познаниянаше мышление создает некие образы материальных объ$ектов.