Кафедра Ваннаха: Аналоговый вычислитель возвращается

Решить такую задачу, как расчет сопротивления воды равномерно движущемуся судну, в XIX веке было невозможно, для этого прибегли к моделированию. В XXI веке мало что изменилось.

Под Новый год обычно подводят итоги года минувшего. Научные журналы и научные разделы изданий "общего интереса" - не исключение. И подводить им есть что. Экзопланеты, открываемые почти что в промышленных масштабах - отображение достижений точной механики, оптики, сенсоров и цифровых методов обработки сигналов.

Расшифровка генома неандертальца, и сопутствующее ему важное, но почему то совсем не удивляющее открытие, что от двух до четырех процентов генов этого вымершего "пра-" гуляют и среди наших соотечественников. О перепрограммировании жизни, о душе - анима теологии, - сотворенной, пока лишь до бактерии, генетическим демиургом Крейгом Вентером "Компьютерра" рассказывала. На CNews можно было прочесть и о квантовомеханическом поведении макроскопического осциллятора, все атомы которого были "опущены" в так называемое основное состояние, загнаны под шконку, тьфу, нет - на низкоэнергетические орбиты (проделать это удалось за счет подъема частоты осциллятора - охлаждение до нужных величин, вероятно, пока за пределами возможностей экспериментаторов).

В результате прием и испускание квантов вызывали колебания - по законам квантовой механики объект с квантовыми свойствами не может находиться в предсказанном месте с предвиденной скоростью... Квантовая магия, уже наблюдаемая глазом!

Но вот для "Компьютерры" хотелось бы выделить два научных достижения, седьмое и восьмое по списку, составленному журналом Science. (Дурная привычка указанного выше сайта спрашивать допуск, заставляет привести список здесь.) Речь там идет о симуляторах, иначе говоря - моделях.

Трудно сказать, когда впервые появились модели. Но, во всяком случае, средневековые строители наверняка демонстрировали заказчику точно - но в уменьшенном виде - выполненные копии замков и дворцов из дерева и гипса. Скульпторы и живописцы, вожделея заказа и аванса, демонстрировали потенциальному счастливому заказчику модели скульптур из воска или алебастра, или эскизы картин.

Практика эта перешла и в техническую сферу, которая долго была делом скорее искусства, нежели науки: в адмиралтействах и королевских советах разглядывали и обсуждали модели кораблей и орудий, которые ныне можно увидеть в музеях.

А на производстве в дело шла практическая сметка, опыт да подгонка по месту. На кораблях - именно эта машина сделала Европейскую цивилизацию хозяйкой планеты - пушечные порты: без орудий и опытных канониров ходить в Южные моря малоразумно и нерентабельно, нравы там и раньше были такие же, как ныне у Сомали, только встарь деревянные суда водили стальные парни - рубились после спуска на воду. Принято считать, что расчеты, позволившие прорубить порты до спуска на воду, впервые произвел в 1666 году английский корабел Энтони Дин (Anthony Dean) при строительстве 64-х пушечника HMS Rupert, о котором рассказано в "Дневниках…" британского царедворца Пипса (Дин связан и с историей нашей страны - он был наставником Петра Великого в корабельном ремесле). Но - тут были использованы расчеты. Модели давали лишь наглядное представление о создаваемой машине.

Но, несмотря на достижения математики в XIX веке, когда был сформирован классический анализ и выведены уравнения математической физики, решить такую актуальную задачу, как расчет сопротивления воды равномерно движущемуся (о переходных процессах речь и не шла!) судну, было невозможно. Для этого пришлось прибегнуть к моделированию. Моделированию натурному, физическому. В Опытовых бассейнах.

Опытовые бассейны были передовыми по тем временам научными учреждениями, в которых были и бассейны как таковые. В них опускалась модель, воспроизводящая подводную часть корабля. Модель буксировалась с той или иной скоростью. Динамометр определял силу, необходимую для буксировки. Далее данные переводились на суда реальных размеров. Для этого использовались сначала экспериментальные коэффициенты, потом было создано учение о так называемых критериях подобия, Фруда, Рейнольдса, Прандтля...

Интересно, что, казалось бы, частная техническая задача - определение сопротивления судов - решалась на сугубо государственном уровне. Опытовые бассейны были по преимуществу правительственными. Первый был создан в Англии в 1870-м году. Французы проводили испытания в Бресте. Существовало и голландское учреждение. Россия обзавелась Опытовым бассейном в 1891 году. Тогда в мире шел переход артиллерии на бездымные пороха. У Морского министерства Российской империи образовалась "остаточная сумма" в полтора миллиона рублей. Ландо и карет на нее покупать не стали, адмиральских дач не строили. Управляющий Морским министерством адмирал Чихачев и главный инспектор морской артиллерии контр-адмирал Макаров предложили эти деньги Менделееву для изыскания способа изготовления бездымного пороха.

Дмитрий Иванович решил проблему, затратив на лабораторные нужды всего полмиллиона рублей - им был создан пироколлодий, пироксилиновый порох, пригодный и для стрелкового оружия, и для артиллерии. А на оставшийся миллион предложил организовать для российского флота Опытовый бассейн, снабженный передовыми по тем временам измерительными и регистрирующими приборами (в их числе были и тогдашние вычислительные машины - логарифмические цилиндры). Тогда же Опытовым бассейном обзавелась и Италия, позже - Германия и США. Бахвалились ли тогдашние главы государств Опытовыми бассейнами, как ныне суперкомпьютерами, неясно…

Так вернемся к достижениям 2010 года. Сегодня за физическое моделирование взялись не инженеры, но физики. У них появились "квантовые симуляторы", системы, позволяющие решать сложные задачи, связанные с решетками кристаллов. Ранее, пытаясь проинтерпретировать тот или иной экспериментальный результат, теоретик брал трехмерное множество точек, в которых находятся взаимодействующие между собой заряженные частицы, и формировал так называемый гамильтониан (функция такая…) для этих электромагнитных взаимодействий. Гамильтониан же решается не всегда (или крайне редко).

Так вот - в прошлом году ряду групп физиков пришла в голову идея воспользоваться моделированием. Ионы кристалла заменили пятнами лазерного света. Попавшие в них атомы изобразили взаимодействующие электроны. Потом система настраивалась под тот или иной гамильтониан, и - надо садиться и ждать, как само собой сформируется решение. Пока, правда, такие квантовые симуляторы использовали только для поверки результатов ранее решенных задач.

И речь, скорее, идет об аналоговом моделировании. Ну, когда-то динамические процессы (в механических системах, в гидравлических, тепловых…) моделировались электрическими токами и напряжениями в аналоговых вычислительных машинах, где операционные усилители были обвешаны цепочками емкостей и резисторов. Сейчас квантовомеханические процессы взаимодействия электронов и ионов моделируются по аналогии взаимодействием лазерных лучей и атомов. Но - самое главное и почти волшебное - "квантовый" характер взаимодействия сохраняется.

И самый главный вывод, который можно сделать: на новом этапе развития технологии произошел возврат к приемам, применявшимся в прошлом. Как Опытовые бассейны позволили решить задачи, которые были "не по зубам" классическому анализу, так и квантовые симуляторы возможно позволят решать те задачи, перед которыми пасует нынешняя вычислительная математика и техника. Спираль, о которой любили говорить и гегельянцы, и марксисты!

Но и "традиционные" вычислители внесли в минувшем году свой вклад в науку, а именно - в молекулярную биологию. Дело в том, что белки, состоящие из большого количества аминокислот, могут сворачиваться уж очень разнообразными способами, порождающими "комбинаторные взрывы" (не в моделях, или в вычислительных методах, а в самих процессах). А компьютер из 512 узлов сумел продраться сквозь эти процессы - это позволило смоделировать поведение помещенного в воду белка, его сворачивание-разворачивание, на отрезке времени в одну миллисекунду, что позволило моделировать процессов на новом уровне.