Введение
Лекция Ричарда Фейнмана 1959 года "Внизу много места: приглашение войти в новую область физики" – лекция, прочитанная физиком Ричардом Фейнманом на ежегодном собрании Американского физического общества в Калифорнийском технологическом институте 29 декабря 1959 года. Фейнман рассматривал возможность непосредственного манипулирования отдельными атомами как более надёжный вид синтетической химии, чем существовавшие на тот момент методы. Хотя различные версии выступления были опубликованы в нескольких популярных журналах, оно осталось в основном незамеченным до 1980-х годов.
"There's Plenty of Room at the Bottom: An Invitation to Enter a New Field of Physics" was a lecture given by physicist Richard Feynman at the annual American Physical Society meeting at Caltech on December 29, 1959. Feynman considered the possibility of direct manipulation of individual atoms as a more robust form of synthetic chemistry than those used at the time. Although versions of the talk were reprinted in a few popular magazines, it went largely unnoticed until the 1980s.
Концепция
Фейнман рассмотрел некоторые последствия общей способности манипулировать материей в атомном масштабе. Он был особенно заинтересован в возможностях создания более плотных компьютерных схем и микроскопов, способных видеть объекты намного меньшего размера, чем это возможно с помощью сканирующих электронных микроскопов. Эти идеи впоследствии были реализованы благодаря сканирующему туннельному микроскопу, атомно-силовому микроскопу и другим примерам сканирующей зондовой микроскопии, а также системам хранения данных, таким как Millipede, разработанной исследователями IBM. Фейнман также предположил, что в принципе должно быть возможно создавать наномашины, которые "упорядочивают атомы по нашему желанию" и осуществляют химический синтез посредством механических манипуляций. Он также представил идею "проглотить доктора", которую в эссе приписал своему другу и аспиранту Альберту Хиббсу. Эта концепция заключалась в создании крошечного хирургического робота, который можно проглотить. По мере уменьшения размеров необходимо было бы перепроектировать инструменты, поскольку относительная сила различных сил изменялась бы. Гравитация становилась бы менее значимой, а силы Ван-дер-Ваальса, такие как поверхностное натяжение, – более важными. Фейнман упомянул эти проблемы масштабирования во время своего выступления. Никто до сих пор не пытался реализовать этот мысленный эксперимент; некоторые типы биологических ферментов и ферментных комплексов (особенно рибосомы) химически функционируют способом, близким к видению Фейнмана. Фейнман также отметил в своей лекции, что в конечном итоге, возможно, будет лучше использовать стекло или пластик, поскольку их большая однородность позволит избежать проблем в очень малом масштабе (металлы и кристаллы разделены на области, где преобладает решетчатая структура). Это может быть веской причиной для создания машин и электроники из стекла и пластика. В настоящее время существуют электронные компоненты, изготовленные из обоих материалов. В стекле используются оптические волокна, которые передают и усиливают свет. В пластике создаются полевые транзисторы из полимеров, таких как политиофен, который становится электрическим проводником при окислении.
Вызовы
На встрече Фейнман завершил своё выступление двумя задачами и предложил приз в 1000 долларов США первому, кто решит каждую из них. Первая задача заключалась в создании крошечного двигателя, который, к удивлению Фейнмана, был выполнен в ноябре 1960 года выпускником Калтеха Уильямом Маклелланом, аккуратным мастером, использовавшим обычные инструменты. Двигатель соответствовал условиям, но не внес существенного вклада в эту область. Вторая задача заключалась в возможности уменьшить размер букв настолько, чтобы вся Британская энциклопедия поместилась на головке булавки, перенося информацию со страницы книги на поверхность, в 25 000 раз меньшую в линейном масштабе. В 1985 году Том Ньюман, аспирант Стэнфордского университета, успешно уменьшил первый абзац романа "Повесть о двух городах" в 25 000 раз и получил вторую премию Фейнмана. Научный руководитель Ньюмана, Р. Фабиан Пиз, прочитал статью в 1966 году, но именно другой аспирант из лаборатории, Кен Поласко, недавно ознакомившийся с ней, предложил попробовать решить эту задачу. Ньюману был нужен произвольный случайный образец для демонстрации их технологии. Ньюман сказал: «Текст был идеален, потому что он содержит множество различных форм».
Прием
Газета "New Scientist" сообщила, что "научная аудитория была заворожена". Фейнман "изложил эту идею спонтанно", даже без "подготовленных заметок". Никаких копий речи не было. "Дальновидный поклонник" принес магнитофон, и отредактированная стенограмма, без шуток Фейнмана, была подготовлена для публикации в Калтехе. В феврале 1960 года журнал Caltech's Engineering and Science опубликовал эту речь. Помимо отрывков в "New Scientist", версии были опубликованы в "The Saturday Review" и "Popular Science". Газеты объявили о победе в первом конкурсе. Лекция была включена в качестве заключительной главы в книге "Миниатюризация", вышедшей в 1961 году.
Влияние
К. Эрик Дрекслер позже развил концепцию Фейнмана о миллиарде крошечных фабрик, добавив идею о том, что они могут создавать собственные копии посредством компьютерного управления, а не управления оператором-человеком, в своей книге 1986 года «Двигатели творения: грядущая эра нанотехнологий». После смерти Фейнмана исследователи, изучающие историческое развитие нанотехнологий, пришли к выводу, что его роль в стимулировании исследований в этой области не была высоко оценена многими специалистами, работавшими в зарождающейся сфере в 1980-х и 1990-х годах. Крис Туми, культурный антрополог из Университета Южной Каролины, реконструировал историю публикации и переиздания выступления Фейнмана, а также записи цитирований «Много места» в научной литературе. В своей статье 2008 года «Прочтение Фейнмана в контексте нанотехнологий» он обнаружил 11 версий публикации «Много места», а также два случая близкого по содержанию выступления Фейнмана «Инфинитезимальные машины», которое Фейнман называл «Много места, пересмотренное» (опубликовано под названием «Инфинитезимальные машины»). В материалах Туми также содержатся видеозаписи этого второго выступления. В 2009 году журнал Nature Nanotechnology посвятил один из выпусков этой теме. Туми обнаружил, что опубликованные версии выступления Фейнмана оказали пренебрежимо малое влияние в течение двадцати лет после его первой публикации, что измерялось количеством цитирований в научной литературе, и незначительно большее влияние в десятилетие после изобретения сканирующего туннельного микроскопа в 1981 году. Интерес к «Много места» в научной литературе значительно возрос в начале 1990-х годов. Вероятно, это связано с тем, что термин «нанотехнология» получил серьезное внимание незадолго до этого, после его использования Дрекслером в своей книге 1986 года «Двигатели творения: грядущая эра нанотехнологий», где цитировался Фейнман, и в статье под заголовком «Нанотехнология», опубликованной позднее в том же году в популярном научно-популярном журнале OMNI. Журнал Nanotechnology был запущен в 1989 году; знаменитый эксперимент Эйглера и Швейцара по точному манипулированию 35 атомами ксенона был опубликован в Nature в апреле 1990 года; а в ноябре 1991 года журнал Science выпустил специальный номер, посвященный нанотехнологиям. Все это и другие события указывают на то, что ретроспективное открытие «Много места» предоставило нанотехнологиям оформленную историю с датой начала в декабре 1959 года и связью с Ричардом Фейнманом. Версия Закона о исследованиях и разработках в области нанотехнологий, принятая Палатой представителей в мае 2003 года, предусматривала изучение технической осуществимости молекулярного производства, но это положение было исключено для защиты финансирования менее спорных исследований перед принятием законопроекта Сенатом и подписанием его президентом Джорджем Бушем 3 декабря 2003 года. В 2016 году группа исследователей из TU Delft и INL сообщила об успешном хранении абзаца из выступления Фейнмана с использованием двоичного кода, где каждый бит был представлен единственной атомной вакансией. Используя сканирующий туннельный микроскоп для манипулирования тысячами атомов, исследователи создали следующий текст:
Но я не боюсь рассмотреть главный вопрос о том, сможем ли мы в конечном итоге – в далеком будущем – упорядочить атомы так, как нам нужно; сами атомы, вплоть до самого низа! Что произойдет, если мы сможем располагать атомы по одному так, как мы хотим (в разумных пределах, конечно; нельзя располагать их так, чтобы они были химически нестабильны, например). До сих пор мы довольствовались тем, что добывали минералы из земли. Мы нагреваем их и проводим с ними крупномасштабные операции, надеясь получить чистое вещество с определенной примесью и так далее. Но мы всегда должны принимать ту атомную структуру, которую нам предоставляет природа. У нас нет, скажем, структуры типа «шахматной доски», где атомы примесей точно расположены на расстоянии 1000 ангстрем друг от друга или в каком-то другом конкретном порядке. Этот текст занимает ровно 1 кибибайт, то есть 8192 бита, каждый из которых представлен одной атомной вакансией, что составляет первый атомный кибибайт с плотностью хранения в 500 раз превышающей современные показатели и освещение в основных СМИ.
But I am not afraid to consider the final question as to whether, ultimately – in the great future – we can arrange the atoms the way we want; the very atoms, all the way down! What would happen if we could arrange the atoms one by one the way we want them (within reason, of course; you can't put them so that they are chemically unstable, for example). Up to now, we have been content to dig in the ground to find minerals. We heat them and we do things on a large scale with them, and we hope to get a pure substance with just so much impurity, and so on. But we must always accept some atomic arrangement that nature gives us. We haven't got anything, say, with a "checkerboard" arrangement, with the impurity atoms precisely arranged 1,000 angstroms apart, or in some other particular pattern. This text uses exactly 1 kibibyte, i. e., 8192 bits, made with 1 atom vacancy each, constituting thereby the first atomic kibibyte, with a storage density 500 times larger than the state of the art approaches. and mainstream media.
Фиктивные побочные продукты
В рассказе "Дерево времени", опубликованном в 1964 году, Деймон Найт использует идею барьера, который необходимо создавать атом за атомом (в рассказе это – временной барьер).
Издания
Сокращенная версия выступления. Переиздание выступления. Продолжение его первого выступления.