Инноваторы. Как несколько гениев, хакеров и гиков совершили цифровую революцию

Айзексон Уолтер

Так было в Пенсильванском университете, откуда ушли Мокли и Эккерт, и в Принстоне, когда оттуда уехал фон Нейман, и в Bell Labs после отставки Шокли.

Объединение теоретиков и инженеров стало насущной необходимостью, когда в Bell Labs занялись физикой твердого тела. Эта область физики, представлявшая для компании все больший интерес, изучает, в частности, процесс прохождения электронов через твердые тела. В тридцатые годы инженеры из Bell Labs начали возиться с такими материалами, как кремний. После кислорода это самый распространенный материал земной коры, являющийся главной компонентой песка. Они хотели заставить подобные материалы выделывать всяческие электронные трюки, а в том же здании теоретики Bell Labs одновременно с ними мучились над головоломными открытиями квантовой механики.

Основой квантовой механики являются работы датского физика Нильса Бора и других ученых, изучавших, что происходит внутри атома. В 1913 году

Бор предложил модель атома, где электроны движутся вокруг ядра по строго определенным орбитам. Они могут совершить квантовый скачок, перепрыгнув с одной орбиты на другую, но никогда не могут оказаться между ними. Число электронов на внешней орбите позволяет выяснить химические и электрические свойства данного элемента, включая то, насколько хорошо он проводит электричество.

Некоторые элементы, такие как медь, проводят электричество хорошо. Это хорошие проводники. Другие, например сера, проводят электричество ужасно. Это хорошие изоляторы. А еще есть промежуточные элементы, такие как кремний и германий, которые называют полупроводниками. Они полезны, поскольку их легко превратить в еще лучшие проводники. Например, если добавить в кремний небольшое количество примеси мышьяка или бора, электроны получают возможность двигаться свободнее.

Квантовая механика развивалась в то же время, когда металлурги, используя новейшие технологии очистки и хитроумные химические приемы, искали пути создания новых материалов, которые позволили бы комбинировать часто встречающиеся минералы с редкими. По ходу решения своих каждодневных проблем, например: что делать с нитью накаливания электронной лампы, прогорающей слишком быстро, или с диафрагмой телефонной трубки, звучащей слишком тихо, они смешивали разные новые сплавы, разрабатывали методы нагревания и охлаждения подобных смесей в попытках улучшить их свойства. Методом проб и ошибок, как повар на кухне, они готовили революцию в материаловедении, которая в дальнейшем двигалась рука об руку с квантовой революцией в теоретической физике.

Экспериментируя с образцами кремния и германия, инженеры-химики из Bell Labs нашли подтверждение многому из того, что предсказывали теоретики [258] . Стало ясно, что теоретики, инженеры и металлурги могут многому научиться друг у друга. Поэтому в 1936 году в Bell Labs была образована группа, занимавшаяся исследованиями в области физики твердого тела. У группы было мощное ядро, состоящее из светил, теоретиков и практиков. Раз в неделю в конце дня они собирались, чтобы обменяться полученными результатами, в разговорах любили прихвастнуть, как это принято в академических кругах, а затем начинались неофициальные разговоры, продолжавшиеся до глубокой ночи. Общаться лично оказалось полезнее, чем просто читать статьи друг друга: интенсивное взаимодействие способствовало появлению идей, которые, используя аналогию с электронами, переходили на более высокие орбиты, а иногда могли и вырываться на волю, запуская цепную реакцию.

258

Например, инженеры и теоретики обнаружили, что, когда кремний (у которого четыре электрона на внешней орбите) легируют небольшим количеством фосфора или мышьяка (у которых по пять электронов на внешней орбите), в нем появляются свободные электроны, иначе говоря — носители отрицательного заряда. То, что получается, называют полупроводником w-типа. Если же кремний легировать бором (с тремя электронами на внешней орбите), имеет место дефицит электронов. Там, где должны были быть электроны, появляются «дырки», т. е. положительные заряды. Материал становится полупроводником p-типа. — Прим. автора.

Один из членов группы обращал на себя внимание. Уильям Шокли, теоретик, появившийся в Bell Labs в момент образования исследовательского отдела, поражал, а иногда и пугал всех как своим интеллектом, так и напористостью.

Уильям Шокли

В молодости Уильяму Шокли нравились и искусство, и наука. Его отец изучал горное дело в Массачусетском технологическом институте, музыку в Нью-Йорке и выучил семь языков, когда, скитаясь по Европе и Азии в поисках приключений, занимался спекуляциями на акциях горнорудных компаний. Его мать изучала в Стэнфорде и математику, и искусство, была одним из первых известных альпинистов, кому удалось в одиночку совершить восхождение на Уитни [259] . Родители Шокли встретились в небольшом шахтерском поселке Тонопа, штат Невада, где отец занимался разметкой участков, а мать — инженерно-геодезическими изысканиями. После свадьбы они отправились в Лондон, где в 1910 году у них родился сын.

259

Гора Уитни — самая высокая точка хребта Сьерра-Невада в штате Калифорния.

Уильям был их единственным ребенком, и за это они благодарили судьбу. Даже маленьким он был жесток, с ним случались такие приступы ярости, шумные и продолжительные, что даже приходящие няни у них долго не задерживались, а родителям приходилось постоянно менять квартиры. В дневнике отец пишет о мальчике, «орущем во всю силу, изгибающемся и откидывающемся назад». Он

отмечает, что тот «много раз избивал мать» ^[260] . Уильям был невероятно упорен. В любой ситуации он должен был поступить по-своему. В конце концов родители пришли к выводу, что лучше всего просто капитулировать. Они оставили любые попытки воспитывать его и до восьми лет учили дома. К этому времени они перебрались в Пало-Альто, где жили родители его матери.

260

Shurkin, Broken Genius, 178.

Будучи убеждены, что их сын гений, они решили проверить его способности по методике Льюиса Термана [261] , усовершенствовавшего шкалу интеллекта Стэнфорда — Бине и занимавшегося образованием одаренных детей. Значение IQ молодого Шокли оказалось равным 120, что было вполне хорошо, но недостаточно для того, чтобы Терман счел его гением. IQ-тесты превратились у Шокли в навязчивую идею. Он использовал их, оценивая претендентов на работу и даже своих коллег. Он строил все более опасные расовые теории, считая, что интеллект передается по наследству. Это отравило последние годы его жизни ^[262] . Возможно, собственная жизнь должна была бы научить Шокли, что проверка по шкале интеллекта имеет свои недостатки. Хотя он попал в разряд «не гениев», способностей у него было достаточно. Пропустив среднюю школу, Шокли окончил Калифорнийский технологический институт, а затем защитил докторскую диссертацию по физике твердого тела в Массачусетском технологическом. Он был язвителен, находчив и честолюбив, любил показывать фокусы и устраивать розыгрыши, но научиться быть спокойным и дружелюбным ему не удалось. С детства у Шокли был мощный интеллект, он был эмоционален, что затрудняло общение с ним, становившееся все труднее по мере того, как он добивался успеха.

261

Его сын, Фред Терман, позднее стал знаменитым деканом и провостом (вторым после президента лицом) Стэнфордского университета. — Прим. автора.

262

Shurkin, Broken Genius, 231.

Когда Шокли в 1936 году окончил Массачусетский технологический, Мервин Келли из Bell Labs приехал поговорить с ним и сразу же предложил работу. Он поставил перед Шокли задачу: найти возможность заменить электронные лампы более устойчивым, прочным и дешевым устройством. Через три года Шокли пришел к убеждению, что решение связано с использованием твердых материалов, таких как кремний, а не нитей накаливания внутри лампочки. «Сегодня мне стало ясно, что есть принципиальная возможность сделать полупроводниковый усилитель вместо вакуумного», — записал он в лабораторном журнале 29 декабря 1939 года ^[263] .

263

Shurkin, Broken Genius, 929; Lillian Hoddeson, The Discovery of the Point-Contact Transistor, Historical Studies in the Physical Sciences 12, no. 1 (1981): 76.

Как хореограф может мысленно увидеть танец, так Шокли обладал способностью представить себе, как по законам квантовой теории двигаются электроны. Его коллеги говорили, что он смотрит на полупроводник и видит электроны. Однако для того чтобы его невероятная интуиция трансформировалась в реальное изобретение, точно так же как Мокли был нужен Эккерт, Шокли был нужен партнер — искусный экспериментатор. Но он работал в Bell Labs, где их было много. Самым заметным из них был веселый, ворчливый уроженец запада Уолтер Браттейн, которому нравилось делать на основе полупроводниковых соединений, таких как окись меди, всяческие оригинальные устройства. Например, он построил электрический выпрямитель, преобразующий переменный ток в постоянный, используя тот факт, что через внутреннюю границу, разделяющую массивный кусок меди с нанесенным на его поверхность слоем окиси меди, ток течет в одну сторону.

Браттейн вырос на ранчо на востоке штата Вашингтон, подростком пас скот. У него был скрипучий голос, он вел себя простецки, предпочитая скрываться за маской уверенного в себе ковбоя. Браттейн был прирожденным умельцем, руки у него были золотыми, и экспериментировать он любил. «Он мог сделать устройство из скотча и скрепок», — вспоминал один из инженеров, работавших с ним в Bell Labs ^[264] . Но кроме того, он умел вовремя остановиться и начать поиск метода, который скорее приведет к цели, а не повторять раз за разом скучные испытания.

264

Интервью Джона Пирса, Transistorized! PBS, 1999.