# Реджинальд Виктор Джонс: «Цифры могут вводить в заблуждение»

Источник: https://www.youtube.com/watch?v=I4jqKZ37EqA
Канал: The Royal Institution
Опубликовано: 09.08.2025

---

В заключительной рождественской лекции 1981 года в Королевском институте известный британский физик Реджинальд Виктор Джонс размышляет о границах и точности измерений в науке и повседневной жизни. Прослеживая путь научной мысли от изобретения первых электронных ламп до создания микрочипов и оптических дисков, лектор демонстрирует потрясающие технологические достижения своего времени. В то же время он ставит важный философский вопрос: не заходим ли мы слишком далеко в стремлении оцифровать и измерить абсолютно всё, включая сложные социальные и экономические процессы.

## 🐍 От гремучих змей до эффекта Доплера: наследие прошлых лекций
[[JUMP:0:32]]

В начале своего выступления Реджинальд Виктор Джонс обращается к материалам прошлых встреч, демонстрируя важность внимательного анализа данных. Демонстрируя слайд с картой распределения землетрясений под Японией, лектор с иронией отмечает ошибку в знаках «меньше» и «больше», которую на прошлой лекции заметил один из юных слушателей. Джонс подчеркивает, что этот слайд взят из авторитетной книги и неоднократно использовался им на лекциях по всему миру, однако зарубежная аудитория оказывалась либо слишком вежливой, либо недостаточно бдительной по сравнению со слушателями в Королевском институте.

Другим важным напоминанием становится способность живой природы опережать человеческие технологии. В качестве примера приводятся гремучие змеи, обладающие уникальными инфракрасными детекторами. Не имея выраженных наружных ушей, эти пресмыкающиеся используют две термочувствительные ямки по обе стороны головы. Расположенная там мембрана напрямую связана с той частью мозга змеи, которая обрабатывает зрительные сигналы. Этот природный механизм полностью подтверждает старые ковбойские истории о том, что гремучая змея способна безошибочно атаковать цель в абсолютной темноте на расстоянии одного-двух футов.

Развивая тему физических измерений, лектор напоминает о масштабах применения эффекта Доплера. Этот метод позволяет измерять колоссальные скорости космических объектов: свет от далеких галактик смещается в красную область спектра, что указывает на их удаление от Земли. Наибольшие зарегистрированные таким способом скорости достигают порядка 100 000 миль в секунду, что составляет почти половину скорости света. В то же время эффект Доплера находит применение и на микроскопическом уровне. Джонс упоминает исследования доктора Ричарда Джонсона на кафедре ботаники Абердинского университета, где с помощью лазерного луча измерялась скорость движения крахмальных зёрен в ситовидных трубках растений. Благодаря высокой стабильности частоты лазерного излучения ученым удается фиксировать ничтожно малые перемещения со скоростью всего в 1 микрон в секунду.

## 💾 Эволюция микроэлектроники: от электронных ламп к миллионам транзисторов
[[JUMP:5:56]]

Исторический экскурс лекции охватывает колоссальный путь от принципов Великой хартии вольностей до современных микрочипов. Развитие электроники в течение первых пятидесяти лет базировалось на усовершенствовании термоэлектронной лампы, изобретенной в 1907 году. Профессор демонстрирует знаменитую лампу VR50, которая активно применялась в радиолокационных установках союзников во время Второй мировой войны. Интерес к миниатюризации возник еще до войны: в 1935 году Джонс лично предпринимал попытки создать первые подобия интегральных схем. Методом термического испарения висмута и сурьмы в глубоком вакууме на поверхности формировались тонкие металлические дорожки для инфракрасных детекторов. Пределом точности того времени были линии шириной около половины миллиметра.

Послевоенные ЭВМ первого поколения требовали огромного количества электронных ламп, из-за чего они сильно нагревались, потребляли колоссальный ток и занимали огромные площади. Главным стимулом для создания интегральных схем стало стремление сделать компоненты как можно меньше. Чем короче проводники между элементами, тем меньше времени требуется электрическому сигналу на прохождение пути, и тем быстрее работает вычислительное устройство. Настоящий прорыв произошел после изобретения транзистора в 1948 году, когда инженеры перешли к использованию полупроводниковых свойств германия и кремния.

Технологии изготовления, применявшиеся за 10–15 лет до момента лекции, включали использование специальных трафаретов и масок для формирования рисунка цепи на тонкой кремниевой пластине. Размер одного готового модуля составлял около 0,15 дюйма (примерно треть миллиметра) в квадрате. Современная Джонсу индустрия сделала шаг вперед: в качестве базовой подложки для микросхем стали использовать тончайшие срезы искусственного сапфира, распиленного алмазными пилами. Все передовые образцы микроэлектроники для демонстрации были предоставлены британской компанией General Electric Company.

Особое внимание лектор уделяет точности производства элементов, демонстрируя деталь линии задержки, применяемой в радарах для фильтрации статичных объектов (холмов или деревьев) и обнаружения движущихся целей. Зона наложения слоев в этом устройстве составляет всего 3 микрона. Столь филигранная работа требует от химиков и физиков экстремальной чистоты материалов: содержание сторонних примесей в кремнии не должно превышать одного атома на миллиард.

Поскольку ширина соединений на современном чипе составляет 1 микрон или менее (что в 50 раз тоньше человеческого волоса), изготовить маску сразу в финальном масштабе невозможно. Инженеры создают увеличенную в 10 раз копию шаблона, которую затем уменьшают с помощью оптических приборов, работающих по принципу «микроскопа наоборот». Чтобы наглядно показать масштаб, Джонс демонстрирует под микроскопом срез человеческого волоса, натянутый поверх структуры микросхемы — волос выглядит невероятно массивным бревном на фоне тончайших дорожек. Соединение чипа с внешними выводами осуществляется золотой проволокой аналогичной толщины методом сварки под давлением.

В качестве кульминации раздела демонстрируется кремниевый чип-умножитель, способный перемножать числа до 60 000 со скоростью 5 миллионов операций в секунду. На этой миниатюрной пластине размещено около 1,75 миллиона транзисторов, а также все необходимые резисторы и конденсаторы. По расчетам Джонса, если бы аналогичную схему попытались собрать на электронных лампах военного времени, они бы с трудом поместились в этом лекционном зале и выделяли бы колоссальные объемы тепла.

## 🔬 Преодолевая световой барьер: литография будущего
[[JUMP:22:44]]

Физические ограничения производства микросхем диктуются самой природой света. Главным препятствием становится дифракция: если маска находится даже на небольшом расстоянии от подложки, световые волны огибают края шаблона и размывают изображение. Из-за того, что размеры элементов стали сопоставимы с длиной световой волны, возникла острая необходимость перехода на более коротковолновое излучение. Индустрия начинает активно внедрять рентгеновскую литографию и компьютерное управление электронными пучками для прецизионного травления поверхностей.

Обычные оптические микроскопы уже не способны обеспечить необходимую глубину резкости для контроля качества подобных структур, поэтому ученые используют электронные микроскопы. В качестве яркой иллюстрации технологического триумфа Джонс демонстрирует слайд, на котором готовый микрочип, выполненный методами рентгеновской и электронной литографии, целиком помещается внутри игольного ушка.

## 🎨 Секреты цифрового цвета: от Максвелла до сетчатки глаза
[[JUMP:25:07]]

Демонстрация сложных интерференционных картин в рамках лекционного цикла стала возможной благодаря цифровой системе хранения изображений, разработанной инженерами телерадиовещательной корпорации BBC. Джонс переходит к анализу природы цвета и демонстрирует исторический артефакт — снимок тартанового банта, ставший первой в мире цветной фотографией. Этот кадр был впервые представлен Джеймсом Клерком Максвеллом в 1861 году именно в этом лекционном зале Королевского института.

С помощью трех юных добровольцев, управляющих лампами красного, зеленого и синего цвета, лектор воспроизводит знаменитый эксперимент Максвелла. Наложение красного и зеленого цветов неожиданно дает чистый желтый свет. Профессор объясняет этот оптический феномен, получивший название «синтетического желтого», особенностями человеческой биологии: сетчатка нашего глаза содержит три типа цветовых рецепторов, и одновременная активация «красных» и «зеленых» колбочек интерпретируется мозгом как желтый цвет. Слияние всех трех лучей (красного, зеленого и синего) в правильной пропорции дает белый свет. Для математического описания этих процессов Максвелл разработал специальный цветовой треугольник, где любая точка внутри определяет точный оттенок и степень его насыщения.

Принцип работы цифрового кодирования цвета заключается в следующем:

1.  Телевизионная линия сканируется специальным фотоэлементом.
2.  Интенсивность каждого из трех основных цветов измеряется и переводится в двоичную шкалу.
3.  Вместо непрерывного изменения амплитуды передается строка импульсов (нулей и единиц).

Например, интенсивность сигнала в 5 единиц кодируется двоичным кодом 101, а максимальная для трехбитной системы интенсивность в 7 единиц — как 111. Подобный метод требует передачи гораздо большего объема импульсов в секунду, однако он полностью исключает искажения, связанные с падением амплитуды волны при передаче на расстояние.

Примечательно, что живая природа использует аналогичный импульсный принцип для передачи информации. Физиологи научились подключаться к нервным окончаниям усиков самцов ночных бабочек. Эксперименты показывают, что при воздействии микроскопических доз феромонов самки частота электрических импульсов, поступающих в мозг насекомого, возрастает строго пропорционально концентрации запаха. Таким образом, интенсивность ощущения кодируется не силой сигнала, а частотой его повторения.

## 🖥️ Алгоритмы на службе изображения: цифровая обработка в действии
[[JUMP:33:41]]

Для демонстрации возможностей цифровой обработки сигналов Джонс приглашает Мартина Трампа, директора компании Micro Consultants, который в детстве сам был слушателем этих лекций. Используя подключенную к компьютеру телекамеру, специалисты демонстрируют зрителям алгоритмы фильтрации на примере черно-белого изображения фасада здания Королевского института.

В ходе первого эксперимента в видеосигнал искусственно подмешиваются мощные шумы и помехи, практически полностью уничтожающие видимые детали здания. Затем включается алгоритм накопления и интеграции кадров: в течение 10 секунд компьютер непрерывно суммирует поступающую информацию. Поскольку полезный сигнал от здания статичен и всегда находится в одних и тех же координатах, а помехи носят случайный характер, шум постепенно усредняется и исчезает, открывая четкую и детализированную картинку. Этот опыт наглядно подтверждает ключевой тезис профессора: высокая точность всегда требует времени.

Другой алгоритм позволяет компьютеру выявлять зоны резкого перепада интенсивности света, игнорируя однородные участки. При активации этой программы полутона исчезают, а на экране проступают только четкие контуры предметов — края стола, очертания трибуны и блики на волосах людей. Полученный результат напоминает графический рисунок мелом на темной доске или карандашный набросок на белой бумаге. Джонс отмечает, что подобные методы оконтуривания незаменимы в научной практике: они используются под микроскопами для автоматического подсчета частиц и измерения площади клеток, а также применяются для очистки и повышения четкости уникальных снимков, передаваемых на Землю межпланетными космическими аппаратами.

## 💿 Лазерные диски: полумиллиона страниц на одной пластине
[[JUMP:40:07]]

История создания оптических носителей тесно переплетена с вопросами этики и права. Джонс вспоминает, как в 1970 году Европейская комиссия по правам человека поручила ему исследовать потенциальные угрозы для частной жизни, исходящие от бурно развивающихся технологий электронного шпионажа и создания баз данных. Именно тогда в одном из американских патентов он встретил теоретическую идею выжигания микроскопических отверстий в тонком листе материала при помощи лазерного луча. Спустя всего 11 лет эта концепция воплотилась в коммерческом продукте — видеодиске формата LaserDisc, разработанном голландской компанией Phillips в Эйндховене. Лектор упоминает, что руководство Phillips охотно предоставило оборудование для демонстрации, поскольку некоторые директора компании в годы войны участвовали в голландском Сопротивлении и прекрасно знали Джонса по его разведывательной деятельности.

Оптический диск способен хранить 36 минут полноценной цветной видеозаписи со стереозвуком. Расстояние между соседними дорожками на диске составляет рекордные 1,6 микрона. Сами информационные углубления (питы) имеют диаметр всего 0,4 микрона, что делает их абсолютно неразличимыми в обычный оптический микроскоп. Профессор приводит впечатляющее сравнение: если бы мы могли развернуть спиральную дорожку этого диска в одну прямую линию, она протянулась бы от здания Королевского института до Виндзорского замка.

Процесс производства и считывания включает несколько этапов:

* Запись мастер-диска: модулированный лазерный луч попеременно включается и выключается в такт двоичным данным, локально облучая фоторезист на вращающейся пластине.
* Штамповка: после химической обработки создается матрица с микроскопическими бугорками диаметром 0,4 микрона, с которой штампуются тиражные прозрачные пластиковые диски.
* Считывание: анализирующий лазер проигрывателя фокусируется на дорожке. Попадая на гладкую поверхность, свет отражается строго назад. При попадании на пит возникает дифракция, световой луч рассеивается веером и фиксируется боковым фотоэлементом, передающим информацию о наличии или отсутствии бита данных.

В ходе демонстрации Джонс показывает невероятную гибкость системы: он мгновенно останавливает воспроизведение, демонстрируя идеальный стоп-кадр, запускает замедленное и ускоренное проигрывание в обоих направлениях. Сам диск при этом переливается всеми цветами радуги, работая как идеальная дифракционная решетка. Точность позиционирования считывающей головки составляет около 0,1 микрона по всей поверхности. По оценке Джонса, если использовать этот носитель не для видео, а для хранения текстовой информации, один такой диск сможет вместить более 500 000 печатных страниц.

## 🌌 На пороге атома: пределы микроскопической записи
[[JUMP:50:44]]

Современная наука вплотную приблизилась к фундаментальным границам микромира. В качестве примера Джонс демонстрирует новогоднюю открытку, полученную от коллег с кафедры электронной и электротехнической инженерии Университета Глазго. Используя передовые методы литографии, ученые сумели изобразить популярного персонажа Снупи, где ширина базовых линий составляет 1 микрон, а толщина отдельных штрихов рисунка не превышает двух миллионных долей сантиметра.

Однако абсолютный рекорд точности принадлежит субмикронному департаменту Корнеллского университета. Американским исследователям удалось выгравировать текст на кристалле хлорида натрия, где ширина линий составляет всего две десятимиллионные доли сантиметра (2 наномаетра). Этот масштаб в 10 раз меньше штрихов шотландской открытки и сопоставим с размерами молекул вируса табачной мозаики. На этом рубеже инженеры сталкиваются с дискретной атомной структурой вещества, что делает дальнейшее уменьшение физически невозможным.

## ⚖️ Опасная иллюзия оцифровки: когда измерения заходят слишком далеко
[[JUMP:53:10]]

История науки доказывает, что сверхточные измерения способны совершать грандиозные перевороты. Первое исследование Джеймса Прескотта Джоуля, сформулировавшее закон сохранения энергии, было категорически отвергнуто Королевским обществом (среди рецензентов были Чарльз Уитстон и лорд Кельвин). Причиной скепсиса стало то, что Джоуль оперировал сотыми долями градуса. Однако именно его филигранное умение работать с термометрами позволило доказать величайший закон физики. Точно так же Фрэнсис Уильям Астон в Кембридже измерял атомные массы с точностью до одной десятитысячной. Обнаружив, что ядра элементов в середине периодической таблицы весят чуть меньше, чем должны, он доказал исчезновение массы и её переход в энергию, что заложило основу для всей атомной энергетики.

Отвечая на заглавный вопрос лекции — «Можно ли зайти с измерениями слишком далеко?» — Реджинальд Виктор Джонс утверждает, что в социально-экономическом плане такая опасность реальна. Стремление к тотальной автоматизации и числовой оптимизации производств может сделать человеческий труд избыточным, порождая тяжелейшие социальные кризисы, которые необходимо просчитывать заранее. Лектор напоминает слова Фрэнсиса Бэкона, сказанные на заре научной революции: абсолютно любое достижение человечества, от женской красоты до острого ножа, может быть использовано как во благо мира, так и для ужасов войны. Ответственность за это всегда лежит на обществе.

По мнению Джонса, существует и другая ментальная ловушка, берущая начало от суждений лорда Кельвина: убеждение, будто человек не может называться ученым, если он не способен что-либо измерить. Это заставляет специалистов в таких сложных областях, как экономика или оценка человеческого интеллекта, искусственно изобретать бессмысленные числовые показатели. Физик убежден, что в гуманитарных сферах факторы настолько запутаны и многогранны, что оперирование голыми цифрами становится деструктивным и глубоко обманчивым.

Для иллюстрации этого тезиса Джонс приводит яркую аналогию с работой офицера полиции. Если судить исключительно по статистике, полицейский, совершивший мало арестов, может показаться неэффективным сотрудником. Однако в реальности он может быть настолько профессиональным и авторитетным на своем участке, что люди под его присмотром попросту не совершают преступлений. Цифры слепы, если оценивающий не понимает глубинной природы процессов.

В качестве поэтичного завершения своего многолетнего лекционного курса Джонс демонстрирует старинный музыкальный автомат — симфониум (полифон), предоставленный Музеем науки. Это полностью механическое устройство воспроизводит мелодию благодаря отверстиям на вращающемся металлическом диске, которые зацепляют и щиплют звуковые язычки. Под звуки старинной музыки профессор Джонс тепло благодарит юных слушателей за то, что они были великолепной и отзывчивой аудиторией.