КВАНТОВІ КОМП’ЮТЕРИ: МРІЯ ЧИ РЕАЛЬНІСТЬ?

 У обчислювальній техніці існує своєрідна періодизація розвитку електронних обчислювальних машин. ЕОМ відносять до то го чи іншого покоління в залежності від типу основних використовуваних в ній елементів або від технології їх виготовлення. Ясно, що кордони поколінь в сенсі часу сильно розмиті, тому що в один і той же час фактично випускалися ЕОМ різних типів; для окремої ж машини питання про її приналежність до того чи іншого покоління вирішується досить просто.

Широке поширення комп'ютерів призвело до того, що все більше число людей стало знайомитися з основами обчислювальної техніки, а програмування поступово перетворилося на елемент культури. Перші електронні комп'ютери з'явилися в першій половині XX століття. Вони могли робити значно більше механічних калькуляторів. Це були електронні машини, здатні вирішувати складні завдання. Крім того, вони мали дві відмінні риси, які попередні машини не мали:

1.  Вони могли виконувати певну послідовність операцій за заздалегідь заданою програмою або послідовно вирішувати завдання різних типів;
2.  Володіли здатністю зберігати інформацію в спеціальній пам'яті.

Покоління перше – комп'ютери на електронних лампах. Комп'ютери на основі електронних ламп з'явилися в 40-х роках XX століття. Використання електронної лампи в якості основного елемента ЕОМ створювало безліч проблем. Через те, що висота скляної лампи складала 7см, машини були величезних розмірів. Кожні 7-8 хв. одна з ламп виходила з ладу, а так як в комп'ютері їх було 15–20 тисяч, то для пошуку і заміни пошкодженої лампи було потрібно дуже багато часу. Крім того, вони виділяли величезну кількість тепла, і для експлуатації "сучасного" комп'ютера того часу були потрібні спеціальні системи охолодження.

 

Щоб розібратися в заплутаних схемах величезного комп'ютера, потрібні були цілі бригади інженерів. Пристроїв введення в цих комп'ютерах не було, тому дані вносилися в пам'ять за допомоги з'єднання потрібного штекера з потрібним гніздом.

Прикладами машин I-го покоління можуть служити Mark 1, ENIAC (Electronic Numerical Integrator And Computer), EDSAC (Electronic Delay Storage Automatic Calculator), – перша машина з збереженою програмою, UNIVAC (Universal Automatic Computer). Перший екземпляр UNIVAC був переданий в Бюро перепису населення США. Пізніше було створено багато різних моделей цієї машини, які знайшли застосування в різних сферах діяльності. Таким чином, UNIVAC став першим серійним комп'ютером. Крім того, це був перший комп'ютер, де замість перфокарт використовувалася магнітна стрічка.

Покоління друге – транзисторні комп'ютери. Перші комп'ютери на основі транзисторів з'явилися у кінці 50-х років, а до середини 60-х років були створені більш компактні зовнішні пристрої, що дозволило фірмі Digital Equipment випустити 1965 року перший міні-комп'ютер PDP-8 розміром з холодильник і вартістю всього 20 тис. доларів.

Створенню транзистора передувала наполеглива, майже 10-річна робота, яку ще 1938 року почав фізик теоретик Вільям Шоклі. Застосування транзисторів в якості основного елемента в ЕОМ призвело до зменшення розмірів комп'ютерів у сотні разів і до підвищення їх надійності. І все-таки самою дивовижною здатністю транзистора є те, що він один здатний замінити 40 електронних ламп і при цьому працювати з більшою швидкістю, виділяти дуже мало тепла і майже не споживати електроенергію. Одночасно з процесом заміни електронних ламп транзисторами вдосконалювалися методи зберігання інформації. Збільшився обсяг пам'яті, а магнітну стрічку, вперше застосовану в ЕОМ UNIVAC, почали використовувати як для введення, так і для виводу інформації. А в середині 60-х років набуло поширення зберігання інформації на дисках. Великі досягнення в архітектурі комп'ютерів дозволили досягти швидкодії в мільйон операцій за секунду. Прикладами транзисторних комп'ютерів можуть послужити "Стретч" (Англія), "Атлас" (США). У той час СРСР йшов у ногу з часом і випускав ЕОМ світового рівня (наприклад "БЕСМ-6").

Покоління третє – інтегральні схеми. Подібно до того, як поява транзисторів призвело до створення другого покоління комп'ютерів, поява інтегральних схем ознаменувало собою новий етап у розвитку обчислювальної техніки – народження машин третього покоління. Перші інтегральні схеми (ІС) з'явилися 1964 року. Спочатку вони використовувалися тільки в космічній і військовій техніці. Зараз же їх можна виявити де завгодно, включаючи автомобілі і побутові прилади. Що ж стосується комп'ютерів, то без інтегральних схем вони просто немислимі. 

Поява ІС означала справжню революцію в обчислювальній техніці. Адже вона одна здатна замінити тисячі транзисторів, кожний з яких у свою чергу вже замінив 40 електронних ламп. Іншими словами, один крихітний кристал має такі ж обчислювальними можливостями, як і 30-тонний ENIAC. Швидкодія ЕОМ третього покоління зросло в 100 разів, а габарити значно зменшилися.

До всіх переваг ЕОМ третього покоління додалося ще й те, що їх виробництво виявилося дешевшим, ніж виробництво машин другого покоління. Завдяки цьому, багато організацій змогли придбати і освоїти такі машини. А це, у свою чергу, призвело до зростання попиту на універсальні ЕОМ, призначені для вирішення різних завдань. Більшість створених до цього ЕОМ були спеціалізованими машинами, на яких можна було вирішувати завдання якогось одного типу.

Покоління четверте – великі інтегральні схеми. На початку 70-х років була зроблена спроба з'ясувати, чи можна на одному кристалі розмістити більше однієї інтегральної схеми. Виявилося, можна. Розвиток мікроелектроніки призвів до створення можливості розміщувати на одному-єдиному кристалі тисячі інтегральних схем. Так, вже 1980 року, центральний процесор невеликого комп'ютера розмістили на кристалі площею всього в чверть квадратного дюйма. Почалася епоха мікрокомп'ютерів.

Швидкодія сучасної мікроЕОМ в 10 разів перевищує швидкодію ЕОМ третього покоління на інтегральних схемах, в 1000 разів – швидкодію ЕОМ другого покоління на транзисторах та в 100 000 разів – швидкодію ЕОМ першого покоління на електронних лампах.

Дуже велику роль у розвитку комп'ютерів зіграли дві нині гігантські фірми: Microsoft і Intel. Перша з них вагомо вплинула на розвиток програмного забезпечення для комп'ютерів, друга ж стала відома завдяки своїм мікропроцесорам.

Мрії про комп'ютери п'ятого покоління. У відповідності з ідеологією розвитку комп'ютерних технологій, після четвертого покоління, побудованого на великих інтегральних схемах, очікувалося створення наступного покоління, орієнтованого на розподілені обчислення, одночасно вважалося що п'яте покоління стане базою для створення пристроїв, здатних до імітації мислення.

Широкомасштабна урядова програма в Японії з розвитку комп'ютерної індустрії і штучного інтелекту була зроблена в 1980 роки. Метою програми було створення «епохального комп'ютера» з продуктивністю суперкомп'ютера і потужними функціями штучного інтелекту. Терміни проведення розробок були визначені так: з 1982 до 1992 років, вартість розробок - 57 млрд ¥ (порядку 500 млн $). Програма закінчилася провалом, оскільки не спиралася на чіткі наукові методики, більше того, навіть її проміжні цілі виявилися недосяжні в технологічному плані.

Таким чином, «комп'ютери п'ятого покоління» маються на увазі квантові комп'ютери, днк-комп'ютери та інші перспективні, експериментальні обчислювальні технології. Отже, виникає питання: комп’ютери п’ятого покоління – це недосяжна для людства технологія чи близька реальність?!

КВАНТОВІ КОМП’ЮТЕРИ. У науково-фантастичних фільмах ми часто бачимо сюжети про суперкомп’ютери, що здатні до самонавчання. Насправді, вчені вже давно працюють над тим, щоб створити щось подібне і, як виявилося – не безуспішно. Одним з можливих варіантів комп’ютерів нового покоління є квантові комп’ютери. В чому їх переваги і який у них потенціал розглянемо детальніше.

Принцип аналізу інформації у квантових комп’ютерах. Щоб зрозуміти основну відмінність квантового комп’ютера від більшості нинішніх необхідно розглянути за яким принципом він працює з інформацією: аналізує її, зберігає і виводить.

Для прискорень обчислення, квантові комп’ютери безпосередньо занурилися в дивний і парадоксальний світ квантової механіки. Більшість комп'ютерів використовує просту бінарну систему, в якій все може бути закодоване у вигляді нулів і одиниць, при цьому значення кожного біта інформації чітко визначене. Цей підхід дозволяє як зберігати інформацію, так і виконувати над нею необхідні операції. А в квантовому комп’ютері це значення невизначене; замість того, щоб представляти інформацію у вигляді нулів і одиниць, він аналізує кубіти (квантові біти – елементи зберігання інформації) як обидві ці сутності одночасно, причому, з різною ймовірністю того й іншого. Такий підхід до обчислень дозволяє квантовій машині пророкувати результат безлічі різних сценаріїв одночасно. Кубіти представляють собою атоми, іони, фотони або електрони і їх відповідні керуючі пристрої, котрі працюють разом, щоб виступати в якості комп’ютерної пам’яті і процесора. Завдяки системі кубітів, квантовий комп'ютер здатний вирішувати навіть найскладніші і комплексні проблеми; він має потенціал бути в мільйони разів потужнішим ніж сучасний найпотужніший суперкомп’ютер.

Квантовий комп’ютер D-Wave. Не дивлячись на неймовірну потужність сучасних суперкомп’ютерів, існує велика кількість важких обчислювальних задач, які не можуть бути розв’язані за допомогою звичайних систем. Значний ріст обсягу даних і наша потреба в кращому розумінні не тільки Всесвіту, але й власної ДНК, приводить нас до рішення шукати нові інструменти, які допоможуть знайти відповіді.

Так, 1999 року була заснована компанія D-Wave Systems – компанія з виготовлення квантових комп’ютерів, яка розташована в Бернабі (Британська Колумбія, Канада). Її засновниками були Гейґ Фарріс, Джорджі Роуз, Боб Вінз і Олександр Загоскін. Їхня робота направлена на інтеграцію нових відкриттів в області фізики, техніки, виробництва і інформатики в розвиток комп’ютерних технологій для здійснення прориву в методах підходу до розрахунків, що в свою чергу дасть можливість розв’язати деякі з найскладніших в світі обчислювальні задачі.

Поки що D-Wave Systems знаходиться на початку цього шляху, але квантові комп’ютери мають потенціал для вирішення найскладніших технічних, наукових, комерційних проблем, а також програм національної оборони. Також очікується прорив в області моделювання, фінансового аналізу, оптимізації, логістики.

На початку 2007 року компанія  D-Wave створила свій перший реальний продукт – 16-кубітний процесор, який був названий Orion і 13 лютого 2007 року продемонстрований в Музеї комп'ютерної історії в Маунтін-В'ю (Каліфорнія). Надпровідникові схеми реально продемонстрували здатність розв’язувати ряд типових задач: судоку, розсаджувати гостей за столом, шукати в базі даних на предмет найближчої відповідності для специфічної молекули. Той факт, що процесор почав працювати, здивував навіть самих творців. Після цього, 28 листопада 2007 року D-Wave продемонструвала аналогічний процесор на 28 кубітах. Чіп був виготовлений у Лабораторії реактивного руху NASA в Пасадені (Каліфорнія). 2010 року був випущений 128-кубітний чіп. В травні 2011 року компанія оголосила про створення комп'ютера D-Wave One, який вона описала як "найперший у світі квантовий комп'ютер, який можна придбати". Цей комп'ютер за допомогою квантового випалювання (загальний метод щоб знайти глобальний мінімум функції використовуючи ефект квантової флуктуації) покликаний вирішувати задачі оптимізації, які зводяться до пошуку основного стану для набору спінів.  Після успішного закінчення тестування, 2011 року, флагман військово-промислового комплексу США, корпорація Lockheed Martin, купила комп’ютер D-Wave One на 128-кубітному процесорі більш ніж за 10 млн. доларів. Як заявила сама компанія, машину було куплено для оптимізації власних програм-авіасимуляторів компанії, а також для всіляких інших експериментів спільноти вчених з новою комп’ютерною архітектурою.

У травні 2013 року було оголошено про започаткування спільного проекту між NASA, Google і USRA (The Universities Space Research Association )під назвою Quantum Artificial Intelligence Lab, розміщеного в Дослідницькому центрі Еймса в Каліфорнії. У цьому проекті перед D-Wave Two, з 512 кубітами, постають такі задачі машинного навчання, як, наприклад, персоналізований пошук або передбачення завантаженості трафіку за допомогою GPS даних. Також подібна система використовується в розпізнаванні голосу, осіб, поведінці і рішенні складних багатопараметричних завдань.

На даний момент головним продуктом D-Wave є квантовий комп’ютер D-Wave 2X  – найбільш передовий квантовий комп’ютер у світі. Процесор D-Wave 2X може оцінити  можливих рішень одночасно. Ця машина найкраще підходить для вирішення таких складних задач як: а) оптимізація; б) навчання машин; в) розпізнання образів і виявлення аномалій; г) аналіз зображень; д) фінансовий аналіз; е) вибірка/метод Монте-Карло; є) перевірка програмного/апаратного забезпечення; ж) біоінформатика / дослідження раку.

Для того щоб квантовий ефект мав місце, квантовий процесор має працювати в екстремальних умовах: температура має бути близька до абсолютного нуля, мають бути забезпечені екранування від магнетизму і ізоляція від вібрацій і зовнішніх сигналів будь-якої форми. Процесор екранується в замкненій оболонці, де створюється магнітне поле в 50 000 разів менше ніж магнітне поле Землі, і розміщується в високому вакуумі, де тиск в 10 млн. разів нижчий ніж атмосферний. Система охолодження, яка використовується для охолодження процесора, відома як «сухий» рефрижератор розчинення. Він використовує рідкий гелій в циклі замкненого контуру, в якому він рециркулює і конденсується за допомогою імпульсної трубки кріоохолоджувача. Охолодження з замкненим циклом усуває необхідність поповнювати кількість рідкого гелію і робить систему придатною для віддаленої установки. Рефрижератори розчинення не є рідкістю в дослідницькому середовищі, проте компанія D-Wave має передові технології, що забезпечує їм тривалість терміну служби і високу надійність. 

Квантовий процесор складається з решіток крихітних надпровідних ланцюгів (кубітів), виготовлених з ніобію, який проявляє квантову поведінку при дуже низьких температурах. Сам процесор оточений електронікою, яка використовується для програмування і зчитування результатів.

Система D-Wave 2X має веб-інтерфейс АРІ (інтерфейс програмування додатків – Application Programming Interface), який дозволяє машині легко отримати доступ до мережі.

Під час програмування системи задачі оптимізації візуально уявляють як складний гірський ландшафт з великою кількістю піків, хребтів і долин, розміщених на різній висоті над рівнем моря. Задача шукаючого – знайти на цій місцевості найнижчу долину. Для цього класичному комп’ютеру необхідно піднятися на піки і хребти, обійти всі долини, ось таким виснажливим перебором вичислити необхідний мінімум. А квантовий комп’ютер – в теорії – дозволяє як би робити в горах численну кількість тунелів, таким чином скоріше виходити на долини і відшукувати серед них мінімальні. Ці значення видаються в програму користувача по мережі.

Так як квантовий комп’ютер є скоріш ймовірнісним ніж детермінованим, то він видає багато «хороших» відповідей за короткий проміжок часу – 10000 відповідей за 1 секунду. Це забезпечує не тільки найкраще знайдене рішення, але й багато інших «хороших» альтернатив з яких можна вибрати.

ЗАСТОСУВАННЯ КВАНТОВОГО КОМП’ЮТЕРА. Як і перші цифрові комп’ютери, квантові комп’ютери можуть дати технології в мільйони разів потужніші ніж нинішні системи, але ключ до успіху буде полягати в переведенні реальних світових проблем на квантову мову.

Прогнозування дійсно точної погоди. Навіть з ультрасучасними інструментами, які аналізують температуру і тиск, передбачення погоди на сьогоднішній день є більше припущенням ніж точним прогнозом. Квантові обчислення можуть аналізувати всі дані одночасно і заздалегідь видавати результат де і коли буде екстремальна погода така, наприклад, як ураган. Додатковий час на підготовку і приготування може допомогти врятувати багато життів.

Директор Google по інженерії, Хартмут Невен, зазначив, що квантові комп’ютери могли б створити досконаліші моделі клімату, які можуть дати нам більш глибоке уявлення про вплив людини на навколишнє середовище. Такі моделі допомагають робити оцінку майбутнього потепління і визначити необхідні кроки для запобігання катастрофи.

Дослідження медичних препаратів. 2003 року завершення проекту щодо дослідження геному людини (англ. Human Genome Project, HGP) відкрило нову еру медицини. У результаті проведених пошуків можуть бути створені ліки для конкретного генетичного складу. Це особливо ефективно в цілеспрямованій терапії раку. На жаль це неможливо без розшифрування секретів ДНК. Працюючи з повним геномом вчені можуть досягнути неймовірних успіхів в медицині, ніж при роботі з окремими маркерами в наших хромосомах.

Квантові комп’ютери можуть надати неоціненну допомогу в розробці нових медичних препаратів. Хіміки мають випробувати тону різних можливих комбінацій молекул, щоб знайти ту, яка насправді має властивості, які будуть ефективними проти захворювання. Цей процес може зайняти роки і коштувати мільйони доларів. Навіть на останніх стадіях випробувань препаратів багато хто з хіміків зазнає невдач. Сучасні комп’ютери не є достатньо потужними для виконання такого типу задач. Із створенням квантового комп’ютера з’явився шанс вирішити ці питання. Квантовий комп’ютер буде в змозі створити трильйони комбінацій молекул і помітити ті, які з найбільшою вірогідністю будуть працювати. Це дасть можливість значно скоротити час і вартість розробки лікарських препаратів. На додачу, квантові обчислення можуть допомогти в розшифруванні секрету ДНК.

Аналіз інформації. Супутники постійно збирають тонни зображень і відео. Вони отримують стільки даних, що нам важко навіть уявити, але багато з них просто відсортовують як неважливі. Через це може бути втрачена важлива інформація. Квантові ж системи здатні сортувати цю гору інформації набагато швидше ніж будь який сучасний комп’ютер або людина. Також вона може вказати до  яких саме зображень і відео варто придивитися пильніше, а які просто проігнорувати. Квантовий комп’ютер, як і людина, може вибрати конкретні важливі деталі з загального плану. В цьому його перевага над звичайним комп’ютером.

Безпечна, зашифрована комунікація. Усвідомлюємо ми це чи ні, але ми використовуємо шифрування весь час: чи то входимо в обліковий запис електронної пошти, чи використовуємо кредитну карту для купівлі в Інтернеті. Але шифрування може стати ще більш захищеним з  використанням властивостей квантової механіки. Цей ультра-безпечний зв’язок зветься квантовий розподіл ключів, який описує процес застосування квантової комунікації для створення та обміну секретним ключем між двома користувачами без можливості втручання третьої сторони. При цьому третя сторона навіть може підслухати зв'язок між двома першими, але таке втручання може бути одразу виявлене.

Але в той же час, цей принцип квантових обчислень може набагато швидше зламати зашифровані повідомлення ніж це відбувається зараз. Якщо наприклад хакер коли-небудь отримає в свої руки робочий квантовий комп’ютер, то банки і урядові системи можуть потрапити в велику небезпеку.

Машинне навчання та автоматизація. Це звучить достатньо моторошно, але як і люди, квантові комп’ютери можуть навчатися на власному досвіді. Вони можуть самостійно виправляти помилки. Наприклад, квантовий комп’ютер може змінити код програми, яка працює некоректно. Ця концепція називається машинним навчанням. Це може дати можливість робити деякі задачі набагато скоріше і ефективніше, і подальше вдосконалення цієї функції може привести до створення сучасних форм штучного інтелекту.

Так як в сферу квантових систем залучені такі серйозні гравці як Google i NASA зі своїми передовими технологіями, то, як правило, великі відкриття не змусять себе довго чекати.

ОСТАННІ ШТРИХИ. У 2016 році Нобелівську премію з фізики отримали британські вчені Девід Таулесс, Дункан Холдейн і Майкл Костерліц за дослідження, що наблизило людство до створення надпотужного обчислювального пристрою – квантового комп’ютера. Троє британців зробили майже незбагненне – вони довели, що всередині деяких матеріалів спостерігаються дивні стани. Вчені з Великобританії застосували математичні методи для опису явищ надпровідності та надплинності в тонких провідних плівках. Як ідеться в прес-релізі Нобелівської премії, «учені відчинили двері у світ незвичайних станів матерії» довівши, що зміни провідності в тонких провідних шарах і магнітних ланцюжках усередині матеріалів залежать від топології і можуть залишатися незмінними під час деформацій. А це дасть змогу створити нові покоління електроніки та надпровідників для конструювання квантових комп’ютерів.

ВИСНОВКИ. Із збільшенням обсягу інформації, накопиченням як технологічного так і інтелектуального потенціалу, бажанням людства розкрити не тільки секрет Всесвіту, а й власного генетичного коду, виникає потреба створення суперкомп’ютера, який буде здатен віршувати надскладні задачі в найкоротший період часу. Вчені довгий проміжок часу працюють над створенням «епохального комп’ютера».

Точне передбачення екстремальних погодних умов, обробка даних із супутників з виключенням можливості втрати важливої інформації, розробка лікарських препаратів для окремого людського генома, розшифрування коду ДНК, самонавчання машин – зараз є можливість вирішити всі ці проблеми. 

Застосування квантової механіки в комп’ютерних технологіях змінює сам процес обчислювання і сприйняття інформації машиною. Замість використання простої бінарної системи, в якій все може бути закодоване у вигляді нулів і одиниць, квантовий комп’ютер аналізує кубіти як обидві ці сутності одночасно. Такий підхід до обчислень дозволяє квантовій машині пророкувати результат безлічі різних сценаріїв одночасно.

Хоча проблеми все ж таки існують. Для досягнення квантового ефекту машина має працювати в екстремальних умовах: температура має бути близька до абсолютного нуля, процесор ізольований від будь-яких вібрацій, магнітного поля Землі, зовнішніх сигналів будь-якої форми, атмосферного тиску, тощо. Безсумнівно це впливає і на вартість, і на габарити квантового комп’ютера. Також, у вирішенні деяких задач  він таки поступається звичайним комп’ютерам.

До компанії D-Wave System, в розробці і вдосконаленні квантового комп’ютера, приєдналися такі потужні гіганти як Google і NASA, зі своїми передовими технологіями, інтелектуальними і фінансовими можливостями. Отже, існує ймовірність, що в недалекому майбутньому кожен з нас зможе користуватися власним портативним квантовим суперпотужним комп’ютером.

Робототехніка: від глини до нано-матеріалів

 Робототехніка − прикладна наука, що займається розробкою автоматизованих технічних систем (роботів). Орієнтована на створення роботів і робототехнічних систем, призначених для автоматизації складних технологічних процесів і операцій, у тому числі для заміни людини при виконанні важких і небезпечних робіт.

Термін «робототехніка» запровадив письменник-фантаст Айзек Азімов у 1940-х роках.

Письменник-фантаст Айзек Азімов

Обов’язкові правила поведінки для роботів, сформульовані А. Азімовим в оповіданні «Я, робот» такі:

1. Робот не може заподіяти шкоду людині або своєю бездіяльністю дозволити, щоб людині була заподіяна шкода;
2. Робот повинен підкорятися наказам людини, за винятком тих, котрі суперечать першому пункту;
3. Робот повинен захищати самого себе, якщо тільки його дії не суперечать першому і другому пунктам.

Робототехніка спирається на такі дисципліни, як інформатика, фізика, математика, кібернетика.

Які є приводи роботів?

Привід — це «м’язи» роботів. В наш час, на початку XXI століття, найбільш розповсюдженими рушіями у приводах є електричні, але застосовуються й інші, що використовують хімічні речовини або стиснене повітря.

• Двигуни постійного струму : Поки що, більшість роботів використовують електродвигуни, які можуть бути декількох видів.
• Крокові електродвигуни: Як можна припустити з назви, крокові електродвигуни не обертаються вільно, подібно до двигунів постійного струму. Вони повертаються покроково на певний кут під керуванням контролера. Це дозволяє обійтися без давача положення, оскільки контролеру точно відомо, на який кут було зроблено поворот.
• П'єзодвигуни: Сучасною альтернативою двигунів постійного струму, є п'єзодвигуни, також відомі як ультразвукові двигуни. Принцип їх роботи абсолютно відрізняється: маленькі п'єзоелектричні ніжки, які вібрують з частотою більше 1000 разів на секунду, змушують мотор рухатися по колу або прямій. Перевагами подібних двигунів є висока швидкість і потужність, непорівнянна з їх розмірами. П'єзодвигуни вже доступні на комерційній основі й також застосовуються на деяких роботах.
• Повітряні м'язи: Повітряні м'язи — простий, але потужний пристрій для забезпечення сили тяги. За накачування стисненим повітрям, м'язи здатні скорочуватися до 40 % від власної довжини. Причиною такого поводження є плетіння, видиме з зовнішнього боку, яке змушує м'язи бути або довгими й тонкими, або короткими й товстими. Через те, що спосіб їх роботи схожий з біологічними м'язами, їх можна використовувати для виробництва роботів з м'язами й скелетом, аналогічними м'язам і скелету тварин.
• Електроактивні полімери: електроактивні полімери (ЕАП) — це вид пластмас, який змінює форму у відповідь на електричну стимуляцію. Вони можуть бути сконструйовані таким чином, що можуть гнутися, розтягуватися або скорочуватися. Однак, досі немає ЕАП, придатних для виробництва комерційних роботів, оскільки вони неефективні або неміцні.
• Еластичні нанотрубки: Це далекосяжна експериментальна технологія, що знаходиться на ранній стадії розробки. Відсутність дефектів у нанотрубках дозволяє цьому волокну еластично деформуватися на кілька відсотків. Людський біцепс може бути замінений проводом з такого матеріалу діаметром 8 мм. Такі невеликі «м'язи» можуть допомогти роботам у майбутньому, обганяти і перестрибувати людей.

Які є рухові апарати роботів?

1. Колісні роботи: одно-, дво-, три-, чотири- та багатоколісні.
2. Крокуючі роботи: дво-, чотири-, шести- та багатоногі. За способом зчеплення ноги, виділяють: з фіксацією ноги з використанням вакуумних присосок; зі зчепленням спеціальними пристроями або формою (волоски і щетинки у роботів, подібні до комашиних); без спеціального способу фіксації. Окремо можна виділити роботів-андроїдів, що наслідують рухи людини.
3. Плавальні роботи: надводні роботи; підводні роботи; гном.
4. Літаючі роботи: безпілотний літальний апарат (БПЛА)
5. Інші способи руху: стрибальні роботи; роботи, що наслідують рухи змії; роботи, які повторюють рухи черв'яка.

Якою ж була історія роботів?

Історія роботів розпочинається із ідеї про створення людиною живої істоти. Якби людина змогла це зробити, то вона би повторила акт деміурга – створення живого, навіть якщо «життя» при цьому дещо по-іншому розуміється.

Перші рецепти створення життя ґрунтувалися на міфах, магії та релігії. Довгий час у багатьох культурах переважало переконання, що людина була створена із глини, а отже найближчим шляхом буде саме глино-технологія. Але якщо із глиною проблем не виникало, то от із іншою складовою – душею, свідомістю, розумом, які гарантували певну самостійність існування живої істоти, розібратися не могли.

Ліплення людини із глини (реконструкція).

Навіть із розвитком техніки, повністю ідея міфічного акту створення життя не зникла повністю, а переселилася у готичні романи, а згодом у фантастику. Прикладами таких «експериментів» можна назвати ґолема  та монстра Франкенштайна.

Франкенштайн (1932)

Фільм «ґолем»(1920)

Наступний етап в історії роботів пов'язаний із розвитком механіки та застосуванням певних відкриттів для розваг аристократів. Поява легендарних автоматонів ще в Античності (хоч до нашого часу вони не дійшли) і їхній розвиток у Середньовіччі були революційними і цікавими.

Автоматони

Історія розвитку робототехніки сягає своїм корінням в далеку давнину за часів античності. Бажаючі полегшити трудову діяльність і просто гнані науковою ідеєю, винахідники давнини створювали найпростіші механізми, що виконували деякі елементи руху.

Перші креслення, що збереглися, належали Да Вінчі, який створив робота-лицаря, що рухався.

Да Вінчі «Робот-лицар»

Історія сучасних роботів пов’язана із кількома людьми. Сам термін «робот» з’явився завдяки творчості чеського письменника Карела Чапека і його фантастичній п’єсі «Rossumovi univerzální roboti» (1920). Якщо точніше, це були не зовсім роботи, а радше кіборги (навіпмеханічні і напіворганічні істоти). Однак в науці слово закріпилося і застосовується досі.

Двадцяте століття було ознаменоване становленням сучасної робототехніки, появою роботів, здатних виконувати записану послідовність команд. Пізніше в 1942 році Айзеком Азімовим – відомим письменником і популяризатором науки –введено термін «робототехніка». А також він був першим автором, який сформулював в своїй книзі 3 закони робототехніки, які зазначені на самому початку статті.

Доволі швидко у цій сфері зрозуміли, що недостатньо лише зробити тіло робота. У цьому випадку ми отримуємо лише механічну ляльку. Набагато важливіше придумати, як робота зробити автономним. Щоб він думав, вирішував, демонстрував свободу волі, адаптувався до середовища, пізнавав світ і самоусвідомлювався. Ця ідея стала визначальною для подальшого розвитку робототехніки. Назвемо основні факти – як все було…

1948 рік – Норберт Вінер сформулював принципи кібернетики, які лягли в основу практичної робототехніки.

1951 рік – Реймонд Герц запатентував дистанційну «руку», яка застосовувалася для роботи із радіоактивними матеріалами.

1959 рік – розробка першого промислового робота. Перший промисловий робот був створений винахідником-самоучкою Джорджем Деволом. Робот важив дві тони і управлявся програмою, записаною на магнітному барабані. Творці використовували гідравлічні приводи, а точність маніпулятора становила 0,254 мм. В результаті був оформлений патент США № 2988237 і заснована компанія Unimation. Саме Unimation Джорджа Девола прийнято вважати родоначальником роботобудування.

1960-ті рр. – з’являється «Звір» (Beast) в Університеті Джона Гопкінза (США). Мобільний прото-робот, який мав зародки власного інтелекту і орієнтувався у просторі.

1962 рік – встановлений перший циліндричний робот промислового типу Versatran від компанії AMF (American Machines and Foundry), розроблені Джонсоном (Harry Johnson) та Міленковічем (Veljko Milenkovic). Такі роботи були встановлені на заводі Ford у Гуанчжоу, США. Назва Versatran була від слів "versatile transfer".

1965 рік – General Electric випускають «Квадропед» (Walking Truck). Вага – більше тони. Основна місія цього робота – допомога солдатам долати пересічену місцевість.

1968-1969 рік – створений перший промисловий робот «стенфордська рука» – робот-маніпулятор аналогічний людській руці і поява «Щупальця» Марвіна Мінскі.

1969 рік – створення першого зразка технічного зору для робота. Перший технічний зір для промислових роботів було продемонстровано в Стенфордському дослідницькому інституті.

1969 рік – поява перших фарбувальних роботів у світі. Норвезька корпорація розробила Trallfa – перші промислові фарбувальні роботи для власного використання. Основним поштовхом для розвитку цього напрямку стала нестача робочої сили в цьому періоді.

1970 рік – презентація Шейкі – мобільного робота, здатного створювати карти простору і орієнтуватися завдяки ним.

1970 рік – Hitachi (Японія) створило інтелектуальний технічний зір. Робот вперше зміг визначати габарити виробів і місце їх розташування.

1971 рік – встановлена перша роботизована лінія на заводі Daimler Benz. Перша виробнича лінія із застосуванням зварювальних роботів в Європі була поставлена компанією KUKA на завод Daimler Benz, Sindelfingen.

1973 рік – створений перший шести-осьовий промисловий робот в світі KUKA Famulus. KUKA розриває угоду про використання роботів Unimate і приступає до розробки власних роботів. Промисловий робот KUKA Famulus, був першим у світі шести-осьовим маніпулятором із застосуванням електроприводу для всіх осей.

1973 рік – розробка нового типу робота Stanford arm. Stanford arm – це роботизована рука, призначена для складання невеликих виробів з використанням датчиків торкання і сенсорів зворотного тиску. Управління роботом здійснювалося з допомогою міні-ЕОМ. Пізніше, творець даного робота професор Шейман заснував компанію Viacarm Inc для просування і реалізації даної технології на виробничих підприємствах.

1974 рік – поява першого промислового контролера для управління роботом. За замовленням компанії Cincinnati Milacron Corporation був створений перший у світі промисловий робот – програмований контролер. Робот був названий T3.

1974 рік – вперше був застосований цифровий мікропроцесор в контролері робота. Промисловий робот IRB 6 від компанії ASEA (майбутня ABB), був першим маніпулятором управління, яке здійснювалося контролером S1, в якому використовувався 8-ми бітний мікропроцесор Intel. Об’єм пам’яті процесора становив 16Кб. S1 мав 16 цифрових входів/виходів і програмувався з допомогою 16 клавіш і чотирирозрядного цифрового дисплея.

1975 рік – створено перший промисловий робот вантажопідйомністю до 60 кг. З появою попиту в автомобільній промисловості на роботи з більш високою вантажопідйомністю, компанія ABB створила перший у світі промисловий робот з корисним навантаженням до 60 кг. Вперше цей робот був використаний на заводі Saab, Швеція.

1976 рік – робот вперше в космосі. Рука робота вперше була застосована в космічних зондах Viking 1 і 2.

1978 рік – перші універсальні складальні роботи PUMA від Unimation і Vicarm. За підтримки General Motors, були впроваджені роботи PUMA (Unimation/Vicarm) для автоматизації складальних процесів. Це дозволило скоротити значну частину людей, зайнятих у подібних рутинних операціях.

1978 рік – розробка перших роботів SCARA. Хіроші Макино з університету Яманасі, Японія, розробив робота-SCARA. Це був технологічний прорив, оскільки саме роботи Scara були оптимальним рішенням для деяких технологічних операцій пов’язаних з швидким переміщенням виробів.

1979 рік – створений перший робот з використанням редукторів. Завдання по автоматизації точкового зварювання, відкрили нову еру в робототехніці з застосуванням електро-редукторів, які прийшли на зміну гідравлічним приводам. Компанія Nachi, Японія розробили перший робот на базі редукторів.

1981 рік – виробництво перших роботів Puma в Європі. Фінська компанія Nokia приступила до виробництва промислових роботів за ліцензії Unimation. У 1980-их роках було випущено близько 1500 роботів з торговим назвою Puma, серед них була популярна модель Puma-560.

1982 рік – IBM (International Business Machines сorporation) розробляє мову програмування для роботів. Спеціально для роботизованих пропозицій IBM створив потужну і легко застосовну мову програмування.

1983 рік – під час аварії на АЕС Трі-Майл-Ійленд було застосовано мобільного робота-ремонтника, оскільки радіація перешкоджала роботі рятівників-людей.

1984 рік – компанія Adept з'явилася на ринку новий тип роботів SCARA із застосуванням електродвигунів. Нова конструкція зробила роботи більш простими і надійними, зберігши високу швидкість.

1985 рік – вперше роботи почали виготовляти роботів. Перші, хто використовував власні промислові роботи для створення роботів, була компанія Fanuc.

1992 рік – компанія ABB (Asea Brown Boveri) представила принципово новий контролер S4. Він значно полегшив створення робочих програм робота за рахунок зручного зовнішнього інтерфейсу.

1992-1994 рік – роботи Данте почали вивчати кратери вулканів і готуватися відправитися в космос. Хоч перша спроба завершилася невдало і робот не зумів дійти до місця призначення, але це не зупинило науковців.

1996 рік  – компанія KUKA випустила перший контролер на базі Windows. Вперше контролер запропонував користувачу зрозумілий інтерфейс Windows, а так само 6d мишку для спрощення і прискорення процесів створення керуючих програм.

1996-1997 рік – на Марс було відправлено марсохід, який зумів дистанційно дослідити геологічні зразки, сфотографувати поверхню і дещо наблизити людство до омріяної колонізації Сонячної системи.

2000 рік – корпорація Honda випускає Asimo – робота-андроїда, який легко пересувається у просторі, має складну і сучасну систему орієнтування та розпізнавання об’єктів навколо себе.

2003 рік – робот відправився на Марс. Місія Mars Exploration Rover почалася в 2003 році з моменту відправлення з двох роботизованих марсоходів для дослідження Марса і його геології.

2003 рік – компанія KUKA – першою з виробників промислових роботів представила Атракціон, який отримав назву Robocoaster. Він застосовувався в парках розваг і спеціалізувався на екстремальному обертанні любителів гострих відчуттів.

2004 рік – компанія Motoman представила перший контролер (NX100), який забезпечував синхронне керування чотирма роботами (до 38 осей). NX100 отримав сенсорний екран і базувався на операційній системі WindowsCE.

2004 рік – розважати людство починає Робосапіен, дітище Марка Тілдена.

2006 рік – створення людиноподібного промислового робота Motoman, Японія. Даний робот з 13 осями дуже добре проявив себе в операціях зі складання виробів.

2007 рік - перший промисловий робот вантажопідйомністю 1000 кг KUKA.

2008 рік – робот вчиться грати на скрипці

2010 рік – робот опановує фортепіано.

2013 рік – Google купують компанію Boston Dynamics, яка активно долучається до роботобудування. Основні робото-діти: BigDog, CHEETAH, LittleDog, Atlas та ін. Дехто із знавців передбачає, що саме із цих роботів або їхніх дітей почнеться кінець людства. Чому? Бо в роботів хороша пам’ять.

Еволюція роботів тісно пов’язана із загальним технічним прогресом людства, із пошуками супер-інтелекту, із побоюваннями щодо майбутнього і мріями трансгуманістів про нові можливості наших нащадків.

Що таке робототехніка на платформі Arduino?

Arduino (Ардуіно) – апаратна обчислювальна платформа, основними компонентами якої є плата введення-виведення і середовище розробки. Arduino може використовуватися як для створення автономних інтерактивних об’єктів, так і підключатися до програмного забезпечення, що виконується на комп’ютері. Arduino як і Raspberry Pi відноситься до одноплатних комп’ютерів.

Як пов'язані Arduino і роботи?

Відповідь дуже проста – Arduino часто використовується як мозок робота.

Перевага плат Arduino перед аналогічними платформами – відносно невисока ціна і практично масове поширення серед любителів і професіоналів робототехніки та електротехніки.

В наш час вивчення робототехніки значно помолодшало, і кожен школяр сьогодні може стати справжнім вченим-конструктором. Як стартова платформа для розвитку навичок роботобудування, ідеально підходить платформа Arduino. Вона являє собою зменшений комп'ютер, який дозволяє програмувати дії для управління будь-якими механізмами, включаючи складні конструктори та роботи. Діти будь-якого віку можуть програмувати електронні проекти, складність буде залежати від їх навичок і знань, а також створювати корисні для дому та дозвілля моделі, що виконують ряд функцій. Їм належить освоїти справжні мови програмування С ++ та Scratch for Arduino.

Які сучасні моделі роботів?

З розвитком науки та техніки, підтримкою інновацій робототехніка перетворилася в самостійну наукову сферу. Головною властивістю будь-якого механізму та робота є його корисність. Залежно від корисності машини в тій чи іншій сфері життя заведено виділяти такі різновиди роботів: будівельні, промислові, побутові, авіаційні, медичні, дослідницькі, ігрові, екстремальні (військові, космічні, підводні).

Також роботи можна розділити на:

• керовані й автономні;
• мобільні та стаціонарні.

5 основних напрямків розвитку робототехніки

• Промислова автоматизація та роботи
• Безпілотники
• Логістика
• Медичні роботи
• Штучний інтелект

У сучасній медицині роботи випускаються серійно, і без багатьох з них складні діагностичні процедури були б зовсім неможливі. У 1985 році робот Unimation Puma 200 допомагав у взятті біопсії мозку в пацієнта, що стало значним проривом робототехніки в медицині. Пізніше, через 7 років робот ProBot зробив вперше в світі самостійно операцію.

Робот Unimation Puma 200

Розробка першого побутового робота була здійснена компанією Sony, і в пам'яті багатьох людей залишився саме цей вид робота як вершини технічного розвитку. Його звали AIBO і виглядав він як собака.

Sony Aibo робот собака

Для забезпечення безпеки та охорони громадського порядку всюди застосовуються роботи в сучасному світі. Так, поліція й охоронні організації широко застосовують для цих цілей безпілотні літальні апарати (БПЛА).

За робототехнікою однозначно велике майбутнє і кожен з нас через кілька десятків років матиме можливість використовувати складні роботизовані системи у повсякденному житті.

Де мають застосування сучасні роботи?

Оскільки все більше і більше роботів призначено для виконання окремих завдань, важливо зробити їх класифікацію. Наприклад, багато роботів призначено для праці з монтажу, і не можуть бути легко пристосовані для інших застосувань. Їх називають «складальними роботами». Для зварювання шва, деякі виробники постачають повні зварювальні системи з роботом, тобто зварювальне устаткування поряд з іншими зручностями обробки матеріалів, таких як, поворотні столи та інше, як єдине ціле. Така інтегрована роботизована система, називається «зварювальний робот». Деякі роботи спеціально призначені для маніпулювання важкими навантаженнями і позначені як «важкі роботи службових обов'язків».

Можливі області застосування роботів можуть бути такими.

Військові роботи.

Caterpillar планує розробити дистанційно керовані машини та повністю автономних важких роботів. Деякі підіймальні крани, вже керуються дистанційно.

Було показано, що робот може виконувати скотарські завдання.

Роботи все частіше використовуються у виробництві (з 1960 року). В автомобільній промисловості, вони можуть складати більше половини від загальної «праці». Є навіть фабрики «з вимкненим світлом», такі як завод з виробництва клавіатур IBM у Техасі, котрий на 100 відсотків автоматизовано.

Роботи, такі як HOSPI, використовуються як кур'єри в лікарнях (лікарняний робот). Інші лікарняні завдання, виконують роботи рецепціонери, гіди і носильники-помічники

Роботи можуть служити офіціантами і кухарями, також і у домашніх умовах. «Boris» – це робот, який може завантажувати посуд до посудомийної машини.

Робот бойового спорту — хобі або спортивний захід, де два або більше роботів борються на арені, щоби вимкнути один одного.

Очищення забруднених територій від токсичних відходів або продуктів ядерних установок.

Сільськогосподарські роботи (AgRobots).

Внутрішні роботи, очищення приміщення та догляд за людьми похилого віку.

Медичні роботи, що виконують дії з малоінвазивної хірургії.

Домашні роботи з повним використанням.

Освітня робототехніка.

Роботи стали поширеним навчальним посібником у деяких середніх і вищих навчальних закладах, а також у численних літніх таборах молоді, задля підвищення інтересу до програмування, штучного інтелекту і робототехніки серед студентів. У деяких університетах світу, перший рік навчання включає комп'ютерні курси програмування роботів, на додаток до традиційної програмної інженерії, на основі курсових робіт.

Використані джерела:

1. Інтернет-сайт: https://chg.dcz.gov.ua/publikaciya/robototehnika-shtuchnyy-intelekt
2. Інтернет-сайт: http://edurobots.ru/kurs-arduino-dlya-nachinayushhix/
3. Інтернет-сайт: https://lviv.com/panoptykum/korotka-istoriya-robotiv/
4. Інтернет-сайт: https://www.imena.ua/blog/5-directions-of-development-of-robotics/
5. Інтернет-сайт: https://sites.google.com/site/leonardodavinci4proekt/home/povitranij-gvint/robot---licar
6. Інтернет-сайт: https://sites.google.com/site/robototehnika98/rozvitok-robototehniki
7. Інтернет-сайт: https://uk.wikipedia.org/wiki/%D0%A0%D0%BE%D0%B1%D0%BE%D1%82%D0%BE%D1%82%D0%B5%D1%85%D0%BD%D1%96%D0%BA%D0%B0

Стівен Гокінг: внесок у сучасну науку та космологію

 Стівен Гокінг — один з найвидатніших фізиків-теоретиків і космологів XX століття, чия наукова діяльність значно вплинула на розуміння Всесвіту. Він став відомим завдяки своїм працям над чорними дірами, квантовою гравітацією і теорією Великого вибуху, а також завдяки здатності популяризувати складні наукові концепції.

Біографія

Дитинство та юність. Стівен Вільям Гокінг народився 8 січня 1942 року в Оксфорді, Англія. Стівен був старшим із чотирьох дітей у родині. Його народження припало на час Другої світової війни, тому сім'я вирішила переїхати до безпечнішого Оксфорда з Лондона. Батько, ФренкГокінг, був біологом, а мати, Ізабель, займалася політичними та науковими питаннями, будучи однією з небагатьох жінок, які отримали освіту в Оксфорді у той час.
З дитинства Гокінг демонстрував великий інтерес до математики та фізики. У школі його дражнили за неохайний зовнішній вигляд і своєрідну манеру поведінки, проте він завжди мав цікавість до науки і питань Всесвіту. У підлітковому віці Гокінг став відомим як "Ейнштейн", оскільки мав видатні здібності до точних наук і вирізнявся вмінням швидко розв’язувати математичні задачі.

Шкільні роки. Стівен Гокінг почав своє навчання у школі в місті Сент-Олбанс, що неподалік Лондона, куди його сім'я переїхала, коли він був ще дитиною. З дитинства Стівен виявляв інтерес до науки і математики. Хоча він не завжди був найстараннішим учнем, він вирізнявся здатністю швидко засвоювати складні ідеї та розв’язувати нестандартні задачі.

Гокінг захоплювався конструюванням — він навіть збудував саморобний комп'ютер з підручних матеріалів, що було вражаючим досягненням для того часу. Одним із його улюблених предметів була математика, проте його батько прагнув, щоб Стівен займався більш «практичною» наукою, наприклад медициною.

Оксфордський університет: бакалаврський ступінь. Після школи, у віці 17 років, Гокінг вступив до Оксфордського університету, де почав вивчати природничі науки, обравши спеціалізацію з фізики. Це стало певним компромісом між його інтересами і прагненням батька. На той час факультет математики в Оксфорді не пропонував окремої програми, тому Гокінг обрав фізику, сконцентрувавшись на космології та теоретичній фізиці.

На перших курсах Оксфорду Стівен не завжди показував високі академічні результати. Він був досить безтурботним студентом і не завжди докладав зусиль до навчання. Але йому вдавалося блискуче складати іспити та виявляти глибоке розуміння матеріалу. Згодом, на третьому курсі, коли він почав серйозно займатися космологією, його академічні успіхи стали більш помітними. Закінчивши навчання, він отримав ступінь бакалавра з відзнакою в галузі природничих наук.

Кембриджський університет: аспірантура. Після завершення навчання в Оксфорді Гокінг вирішив продовжити наукову діяльність і вступив до аспірантури в Кембриджському університеті, де почав вивчати космологію. Він потрапив під керівництво відомого астронома і космологаДеннісаСкіами, який був провідним спеціалістом у галузі теоретичної астрофізики. Під його керівництвом Гокінг працював над фундаментальними проблемами космології, зокрема над природою сингулярностей і початковим станом Всесвіту.

Саме під час навчання в Кембриджі йому поставили діагноз аміотрофічного бічного склерозу (ALS), що стало великим випробуванням. Однак, незважаючи на серйозне погіршення здоров’я, Гокінг не тільки не полишив науку, але й доклав усіх зусиль для завершення своєї дисертації. Завдяки наполегливій праці та підтримці близьких він зміг отримати ступінь доктора філософії (PhD) у 1966 році.

Його дисертація на тему «Властивості розширення всесвітів» стала одним із перших великих досягнень, і вона привернула увагу наукового товариства до молодого дослідника. Вона підтверджувала теорію Великого вибуху, на яку тоді дивилися із сумнівом, та досліджувала природу сингулярностей, що заклало основу для подальших розробок в астрофізиці.

Лукасовська кафедра в Кембриджі. У 1979 році Стівен Гокінг став Лукасовським професором математики в Кембриджі — почесною посадою, яку колись займав Ісаак Ньютон. Ця посада підтвердила його статус одного з найвидатніших фізиків сучасності. Завдяки своїм дослідженням і вмінню популяризувати складні теорії він став знаним не тільки серед науковців, але й серед широкої аудиторії.

Діагноз та новий етап життя. У 21-річному віці, під час навчання в Кембриджі, Гокінг почав помічати проблеми з координацією рухів і постійне послаблення м’язів. Лікарі поставили йому діагноз — аміотрофічний бічний склероз (ALS), також відомий як хвороба ЛуГеріга. Лікарі прогнозували йому всього кілька років життя, що стало для молодого науковця великим потрясінням. Попри це, хвороба поступово прогресувала, а не призвела до миттєвого погіршення стану, як очікувалося.

Саме в цей важкий період Гокінг вирішив одружитися зі своєю подругою Джейн Вайлд. Їхній шлюб дав йому силу і мотивацію продовжувати життя і наукову діяльність. Джейн стала його підтримкою і доглядала за ним, незважаючи на поступову втрату рухових функцій.

Особисте життя. Важливим моментом у житті Гокінга стало його одруження з Джейн Вайлд у 1965 році. Вони познайомилися до того, як його стан почав сильно погіршуватися. Їхній шлюб став для нього великим моральним підґрунтям, а підтримка Джейн допомогла йому витримати безліч випробувань. У них народилося троє дітей — Роберт, Люсі та Тім, і попри прогресування хвороби Гокінг продовжував активно працювати.

Стівен Гокінг з першою дружиною Джейн та дітьми – донькою Люсі та синами Тімоті і Робертом

Хвороба поступово обмежувала його рухливість, і врешті він був прикутий до інвалідного візка. Втрата здатності говорити унаслідок трахеотомії стала ще одним ударом. Спілкуватися він зміг завдяки спеціально розробленому синтезатору мови, яким керував за допомогою м'яза щоки. Синтезатор став його голосом, і завдяки йому Гокінг міг писати книги, читати лекції та спілкуватися з колегами.

У 1995 році Гокінг одружився вдруге — на своїй доглядальниці Елайн Мейсон. Їхній шлюб був складним і викликав суперечки серед близьких, але тривав до 2006 року, після чого вони розлучилися. Хвороба продовжувала прогресувати, але Стівен залишався активним у науці та суспільному житті.

Стівен Гокінг з другою дружиною Елайн Мейсон

Спадок.Гокінг продовжував працювати аж до кінця свого життя, залишаючись науковцем, популяризатором і джерелом натхнення для багатьох людей. Його лекції, книги і публічні виступи залишили великий внесок у науку та культуру. Він став однією з найвідоміших постатей у світі науки завдяки своїм видатним досягненням і силі духу, яка допомогла йому подолати хворобу і продовжити свою роботу.

Стівен Гокінг помер 14 березня 2018 року у віці 76 років. Він прожив значно довше, ніж прогнозували лікарі, і залишив по собі великий спадок як вчений, педагог і приклад неймовірної сили духу.

Наукова діяльність

Його життя та досягнення продовжують надихати вчених, студентів і широке коло людей, яким він показав, що навіть найважчі обставини не можуть зупинити прагнення до знань. Його науковий і культурний вплив залишаються незгасними, а спадок продовжує жити в нових поколіннях дослідників.

Перші кроки у дослідженнях.Незабаром після завершення аспірантури Гокінг почав співпрацю з математиком Роджером Пенроузом, досліджуючи сингулярності в рамках загальної теорії відносності. Їхні результати стали великим проривом і підтвердженням теорії про те, що Всесвіт мав початок у вигляді сингулярності. Вони розробили математичну модель, яка стала важливим теоретичним доказом теорії Великого вибуху, а згодом лягла в основу сучасних моделей еволюції Всесвіту.

Теорія сингулярності та початок Всесвіту. На початку своєї кар'єри, у 1970-х роках, Гокінг разом з математиком Роджером Пенроузом працював над теоремами сингулярності в загальній теорії відносності. Вони розробили математичні докази, які підтверджували, що Всесвіт мав початкову точку — сингулярність.

Це відкриття стало основою теорії Великого вибуху, підтвердивши ідею про те, що Всесвіт має обмежений вік і почався з точки нескінченної щільності та температури. Їхня робота з сингулярностями також поглибила розуміння чорних дір та гравітаційних колапсів, що зробило значний внесок у сучасну космологію.

Теорія випромінювання Гокінга. У 1974 році Гокінг запропонував революційну ідею, відому як «випромінювання Гокінга». Вона ґрунтувалася на об'єднанні квантової механіки та загальної теорії відносності. Гокінг виявив, що чорні діри, всупереч усталеній думці, не є повністю чорними. Через квантові ефекти вони можуть випромінювати енергію і втрачати масу.

Ідея базувалася на квантових флуктуаціях у просторі біля горизонту подій чорної діри. Там спонтанно утворюються пари частинок та античастинок, одна з яких поглинається чорною дірою, а інша виривається назовні. Цей процес поступово призводить до «випаровування» чорної діри.

Теорія випромінювання Гокінга стала фундаментальною в сучасній фізиці і призвела до виникнення парадоксу інформації чорних дір, який став одним з найбільших нерозв’язаних питань теоретичної фізики. Відповідно до теорії Гокінга, інформація, що потрапляє до чорної діри, зникає разом із нею, що суперечить принципам квантової механіки.

«Модель Всесвіту без меж». У 1983 році Гокінг спільно з американським фізиком Джеймсом Хартлом запропонував концепцію «моделі Всесвіту без меж», яка стала відомою як «стан Гартла-Гокінга». Вони запропонували, що на початковій стадії існування Всесвіту не було чіткої межі між простором і часом, а обидві ці складові існували як єдина «сфера».

Згідно з цією моделлю, початок Всесвіту можна уявити без чіткої сингулярності, де час «плавно» переходить у просторову координату. Це дозволяє уникнути точки з нескінченною щільністю та температурою, що, на думку Гокінга і Хартла, було б логічним підходом для квантової моделі початку космосу. Ця модель надихнула багатьох учених на пошук квантової теорії гравітації і залишається однією з найважливіших ідей у космології.

Квантова гравітація і пошук «теорії всього».Гокінг активно працював над ідеєю квантової гравітації — теорії, яка б поєднала загальну теорію відносності з квантовою механікою. Це завдання є одним із головних завдань теоретичної фізики. Теорія всього має пояснювати всі відомі взаємодії в природі, включаючи гравітацію, як єдиний механізм.

Хоча Гокінгу не вдалося знайти кінцеву теорію всього, його роботи стали основою для подальших досліджень, зокрема у таких галузях, як теорія струн, квантова гравітація і підходи, засновані на принципах суперсиметрії та петльової квантової гравітації. Він був переконаний, що рішення криється в об’єднанні квантових і гравітаційних принципів.

Дослідження щодо природи простору-часу та чорних дір. Одним з цікавих аспектів досліджень Гокінга були його роботи з топології та природи простору-часу у контексті чорних дір. Він розглядав концепції «червоточин» (wormholes), теорій, що можуть пояснити можливість подорожей у часі. Гокінг вважав, що такі тунелі між різними точками простору-часу, можливо, існують, але ймовірно нестійкі та недосяжні для подорожей.

Популяризація науки і «Коротка історія часу». Окрім наукових досягнень, Гокінг зробив значний внесок у популяризацію науки. Його книга «Коротка історія часу», видана у 1988 році, стала світовим бестселером і зробила складні наукові концепції доступними для широкої аудиторії. Гокінг використовував просту мову для пояснення таких понять, як походження Всесвіту, природа чорних дір, час і простір. Його праці допомогли мільйонам людей зрозуміти основи сучасної фізики та космології.

Крім «Короткої історії часу», Гокінг написав й інші популярні книги, як-от «Всесвіт в горіховій шкаралупі», «Великий задум» та «Короткі відповіді на великі питання», які також отримали високу оцінку та популярність.

Парадокс інформації чорних дір. Одна з найбільш знакових дискусій, розпочатих Гокінгом, стосується так званого «парадоксу інформації чорних дір». Згідно з його теорією випромінювання, чорні діри втрачають масу і можуть повністю зникнути. Це означає, що інформація про об'єкти, які вони поглинули, теж зникає. Проте в квантовій механіці існує принцип збереження інформації, що суперечить такому процесу.

Протягом десятиліть ця проблема залишалася нерозв'язаною і викликала численні дискусії серед фізиків. Пізніше Гокінг змінив свою позицію і припустив, що інформація все ж може зберігатися, але специфічні деталі парадоксу залишаються невідомими.

Наукова діяльність Стівена Гокінга заклала основу для багатьох відкриттів і наукових досліджень. Його роботи вплинули не тільки на теоретичну фізику та космологію, а й на загальне уявлення людства про природу Всесвіту, межі часу і простору. Гокінг залишив великий науковий спадок, і його ідеї продовжують надихати фізиків, філософів і людей у всьому світі на дослідження фундаментальних питань про наше існування.