« Внизу полно места: приглашение войти в новую область физики » — лекция, прочитанная физиком Ричардом Фейнманом на ежегодном собрании Американского физического общества в Калтехе 29 декабря 1959 года. [1] Фейнман рассматривал возможность прямого манипулирования отдельными атомами как более надежную форму синтетической химии, чем те, которые использовались в то время. Версии доклада были перепечатаны в нескольких популярных журналах, но он оставался в значительной степени незамеченным до 1980-х годов.
Название отсылает к популярной цитате «Наверху всегда есть место», приписываемой Дэниелу Уэбстеру (который, как полагают, сказал эту фразу в ответ на предостережения против профессии юриста, которая в XIX веке считалась перенасыщенной).
Фейнман рассматривал некоторые ответвления общей способности манипулировать материей в атомном масштабе. Он был особенно заинтересован в возможностях более плотных компьютерных схем и микроскопов , которые могли бы видеть вещи намного меньшие, чем это возможно с помощью сканирующих электронных микроскопов . Эти идеи были позже реализованы с использованием сканирующего туннельного микроскопа , атомно-силового микроскопа и других примеров сканирующей зондовой микроскопии и систем хранения, таких как Millipede .
Фейнман также предположил, что в принципе возможно создание наномасштабных машин , которые «располагают атомы так, как мы хотим», и осуществляют химический синтез путем механических манипуляций. [2]
Он также представил возможность « проглатывания доктора », идею, которую он приписал в эссе своему другу и аспиранту Альберту Хиббсу . Эта концепция включала создание крошечного, проглатываемого хирургического робота. [2]
В качестве мысленного эксперимента он предложил разработать набор манипуляторов в масштабе одной четверти, управляемых руками человека-оператора, чтобы построить станки в масштабе одной четверти, аналогичные тем, что можно найти в любом механическом цехе. Этот набор небольших инструментов затем использовался бы маленькими руками для создания и управления десятью наборами рук и инструментов в масштабе одной шестнадцатой и так далее, достигая, возможно, миллиарда крошечных фабрик для достижения массивно параллельных операций. Он использует аналогию с пантографом как способ уменьшения масштаба предметов. Эта идея была частично предвосхищена, вплоть до микромасштаба, писателем-фантастом Робертом А. Хайнлайном в его рассказе 1942 года «Уолдо» . [3]
По мере уменьшения размеров придется перепроектировать инструменты, поскольку относительная сила различных сил изменится. Гравитация станет менее важной, а силы Ван-дер-Ваальса, такие как поверхностное натяжение, станут более важными. Фейнман упомянул эти проблемы масштабирования во время своего выступления. Никто еще не пытался реализовать этот мысленный эксперимент; некоторые типы биологических ферментов и ферментных комплексов (особенно рибосомы ) функционируют химически близко к видению Фейнмана. [4] Фейнман также упомянул в своей лекции, что в конечном итоге может быть лучше использовать стекло или пластик, поскольку их большая однородность позволит избежать проблем в очень малых масштабах (металлы и кристаллы разделены на домены, где преобладает решетчатая структура). [5] Это может быть веской причиной для изготовления машин и электроники из стекла и пластика. В настоящее время существуют электронные компоненты, изготовленные из обоих материалов. В стекле есть оптоволоконные кабели, которые передают и усиливают свет. [6] В пластике полевые транзисторы изготавливаются с использованием полимеров, таких как политиофен , который становится электрическим проводником при окислении. [7]
На встрече Фейнман завершил свою речь двумя задачами и предложил приз в размере 1000 долларов тому, кто первым решит каждую из них. Первая задача заключалась в создании крошечного двигателя , что, к удивлению Фейнмана, было достигнуто к ноябрю 1960 года выпускником Калтеха Уильямом Маклелланом , скрупулезным мастером, с использованием обычных инструментов. [8] Двигатель соответствовал условиям, но не продвигал искусство. Вторая задача заключалась в возможности уменьшения масштаба букв до достаточно малых размеров, чтобы можно было уместить всю Encyclopaedia Britannica на булавочной головке, путем записи информации со страницы книги на поверхности, которая в линейном масштабе на 1/25 000 меньше. В 1985 году Том Ньюман , аспирант Стэнфорда, успешно сократил первый абзац « Повести о двух городах» на 1/25 000 и получил вторую премию Фейнмана. [9] [10] [11] Руководитель диссертации Ньюмана, Р. Фабиан Пиз , прочитал статью в 1966 году, но другой аспирант в лаборатории, Кен Поласко, который недавно прочитал ее, предложил попробовать выполнить задачу. Ньюман искал произвольный случайный шаблон для демонстрации своей технологии. Ньюман сказал: «Текст был идеален, потому что у него так много разных форм». [12]
The New Scientist сообщил, что «научная аудитория была очарована». Фейнман «выдумал идею из головы», даже не сделав «заметок заранее». Копий речи не было. «Предусмотрительный поклонник» принес магнитофон, и отредактированная стенограмма, без шуток Фейнмана, была сделана для публикации в Калтехе. [13] В феврале 1960 года журнал Caltech's Engineering and Science опубликовал речь. В дополнение к отрывкам в The New Scientist , версии были напечатаны в The Saturday Review и Popular Science . Газеты объявили о победе в первом испытании. [14] [15] Лекция была включена в качестве последней главы в книгу 1961 года «Миниатюризация» . [16]
К. Эрик Дрекслер позже взял концепцию Фейнмана о миллиарде крошечных фабрик и добавил идею о том, что они могли бы производить больше копий самих себя с помощью компьютерного управления вместо управления человеком-оператором, в своей книге 1986 года « Машины творения: грядущая эра нанотехнологий» . [17]
После смерти Фейнмана ученые, изучающие историческое развитие нанотехнологий, пришли к выводу, что его роль в катализе исследований в области нанотехнологий не была высоко оценена многими людьми, работавшими в этой зарождающейся области в 1980-х и 1990-х годах. Крис Туми, культурный антрополог из Университета Южной Каролины, реконструировал историю публикации и переиздания выступления Фейнмана, а также список ссылок на «Plenty of Room» в научной литературе. [18]
В статье Туми 2008 года «Чтение Фейнмана в нанотехнологии» [19] он нашел 11 версий публикации «Много места», а также два примера тесно связанной речи Фейнмана «Бесконечно малые машины» [20] , которую Фейнман назвал «Много места, пересмотр» (опубликованной под названием «Бесконечно малые машины»). Также в ссылках Туми есть видеозаписи этой второй речи. Журнал Nature Nanotechnology посвятил выпуск в 2009 году этой теме. [21]
Туми обнаружил, что опубликованные версии доклада Фейнмана оказали незначительное влияние в течение двадцати лет после его первой публикации, судя по цитированию в научной литературе, и не намного большее влияние в течение десятилетия после изобретения сканирующего туннельного микроскопа в 1981 году. Интерес к «Plenty of Room» в научной литературе значительно возрос в начале 1990-х годов. Вероятно, это связано с тем, что термин «нанотехнология» привлек серьезное внимание как раз перед этим временем после его использования Дрекслером в его книге 1986 года « Двигатели творения: грядущая эра нанотехнологии» , в которой цитировался Фейнман, и в статье под заголовком «Нанотехнология», опубликованной позднее в том же году в массовом научно-ориентированном журнале OMNI . [22] [23] Журнал «Нанотехнология» был запущен в 1989 году; знаменитый эксперимент Эйглера-Швейцера , точно манипулирующий 35 атомами ксенона, был опубликован в Nature в апреле 1990 года; и Science выпустили специальный выпуск о нанотехнологиях в ноябре 1991 года. Эти и другие события намекают на то, что ретроспективное повторное открытие «Plenty of Room» дало нанотехнологиям упакованную историю, которая предоставила раннюю дату декабря 1959 года, а также связь с Ричардом Фейнманом. [19]
Анализ Туми также включает комментарии ученых в области нанотехнологий, которые утверждают, что «Простор» не оказал влияния на их ранние работы, и большинство из них прочитали его лишь позднее. [19]
Статус Фейнмана как лауреата Нобелевской премии и важной фигуры в науке 20-го века помог сторонникам нанотехнологий. Он обеспечил ценную интеллектуальную связь с прошлым. [3] Более конкретно, его статус и концепция атомарно точного производства сыграли роль в обеспечении финансирования исследований в области нанотехнологий, что проиллюстрировано речью президента Клинтона в январе 2000 года, призывавшей к федеральной программе:
Мой бюджет поддерживает новую крупную Национальную нанотехнологическую инициативу стоимостью 500 миллионов долларов. Калтех не чужд идее нанотехнологий, способности манипулировать материей на атомном и молекулярном уровне. Более 40 лет назад Ричард Фейнман из Калтеха спросил: «Что бы произошло, если бы мы могли расположить атомы один за другим так, как нам нужно?» [24]
Версия Закона о нанотехнологических исследованиях и разработках, принятая Палатой представителей в мае 2003 года, предусматривала изучение технической осуществимости молекулярного производства, но это исследование было отменено, чтобы обеспечить финансирование менее спорных исследований, прежде чем он был принят Сенатом и подписан президентом Джорджем Бушем- младшим 3 декабря 2003 года. [25]
В 2016 году группа исследователей из Технического университета Делфта и INL сообщила о сохранении абзаца доклада Фейнмана с использованием двоичного кода, где каждый бит был создан с помощью одной атомной вакансии. [26] Используя сканирующий туннельный микроскоп для манипулирования тысячами атомов, исследователи создали текст:
Но я не боюсь рассмотреть последний вопрос о том, сможем ли мы, в конечном счете – в великом будущем – расположить атомы так, как мы хотим; сами атомы, до самого низа! Что бы произошло, если бы мы могли расположить атомы один за другим так, как мы хотим (в разумных пределах, конечно; вы не можете расположить их так, чтобы они были химически нестабильны, например). До сих пор мы довольствовались тем, что копали землю, чтобы найти минералы. Мы нагреваем их и делаем с ними вещи в больших масштабах, и мы надеемся получить чистое вещество с таким-то количеством примесей и так далее. Но мы всегда должны принимать некое атомное расположение, которое дает нам природа. У нас нет ничего, скажем, с расположением «шахматной доски», с атомами примесей, точно расположенными на расстоянии 1000 ангстрем друг от друга, или в каком-то другом определенном порядке.
Этот текст использует ровно 1 кибибайт , т. е. 8192 бита, созданных с 1 атомной вакансией каждый, составляя таким образом первый атомный кибибайт, с плотностью хранения в 500 раз больше, чем современные подходы. [26] Текст требовал «расположить атомы так, как мы хотим», в шахматном порядке. Эта самореферентная дань видению Фейнмана была освещена как научными журналами [27] [28] , так и основными средствами массовой информации. [29] [30]