«Внизу много места: приглашение войти в новую область физики» («There's Plenty of Room at the Bottom: An Invitation to Enter a New Field of Physics») — лекция, прочитанная физиком Ричардом Фейнманом на ежегодной встрече Американского физического общества в Калифорнийском технологическом институте 29 декабря 1959 года. Фейнман рассматривал прямое манипулирование отдельными атомами как способ химического синтеза. Хотя версии доклада были перепечатаны в нескольких популярных журналах, они остались в значительной степени незамеченными и не послужили стимулом для развития концептуальных основ этой области. Начиная с 1980-х годов сторонники нанотехнологий цитировали его, чтобы обосновать научную достоверность своих работ.

Концепция Фейнман рассмотрел некоторые последствия общей способности манипулировать веществом в атомном масштабе. Его особенно интересовали возможности создания более плотных компьютерных схем и микроскопов, которые позволяли бы различать объекты гораздо меньшего размера, чем электронные микроскопы того времени. Позднее эти идеи были реализованы с помощью сканирующего туннельного микроскопа, атомно-силового микроскопа и других примеров систем сканирующей зондовой микроскопии и хранения, таких как Millipede, созданных исследователями из IBM.

Фейнман также предположил, что в принципе возможно создать наноразмерные машины, которые «упорядочивают атомы так, как мы хотим» и осуществляют химический синтез с помощью механических манипуляций.

Он также представил идею «проглотить доктора» («swallowing the doctor»), идею, которую он приписал в эссе своему другу и аспиранту Альберту Хиббсу. Эта концепция заключалась в создании крошечного проглатываемого хирургического робота.

В качестве мыслительного эксперимента он предложил разработать набор управляемых оператором манипуляторов, вчетверо меньших человеческих рук, для создания станков того же уменьшенного масштаба, аналогичных тем, которые можно найти в любом механическом цехе. Этот набор небольших инструментов предполагалось использовать для создания десяти наборов рук и инструментов в масштабе 1:16 и работы с ними. Повторение процесса могло привести к появлению миллиарда крошечных фабрик для выполнения массово-параллельных операций. Он использовал аналогию с пантографом как способ уменьшения предметов. Эта идея была частично предвосхищена, вплоть до микромасштаба, писателем-фантастом Робертом А. Хайнлайном в повести «Уолдо» 1942 годаColin Milburn. Nanovision: Engineering the Future. Duke University Press, 2008. Ed Regis. Nano. Bantam, 1997. .

По мере того как размеры становятся меньше, приходится менять конструкцию инструментов, потому что относительная величина различных сил меняется. Гравитация потеряет прежнее значение, а силы Ван-дер-Ваальса станут более важными. Фейнман упомянул эти проблемы масштабирования во время своего выступления. Никто еще не пытался осуществить этот мысленный эксперимент, однако некоторые типы биологических ферментов и ферментных комплексов (особенно рибосом) функционируют химически примерно так, как это видел ФейнманXu, Q, et al, Statistical Analysis of Interface Similarity in Crystals of Homologous Proteins, J. Mol. Biol. (2008) 381: 487–507. Фейнман также упомянул в своей лекции, что в конечном итоге может быть лучше использовать стекло или пластик, потому что их большая однородность позволит избежать проблем в очень небольших масштабах (в отличие от металлов, имеющих зернистую структуру)The Pleasure of Finding Things Out, Chapter 5: There's Plenty of Room at The Bottom, edited by Michele Feynman and Carl Feynman, p.130, Basic Books, 1999. Это может быть хорошей причиной для изготовления машин и электроники из стекла и пластика. В настоящее время существуют электронные компоненты, изготовленные из обоих материалов. Имеются оптоволоконные кабели, которые усиливают световые импульсы через определённые расстояния вдоль линии, используя стекло, легированное редкоземельным элементом эрбием. Участок легированного волокна накачивается лазером, работающим на другой частоте. Существуют полевые транзисторы, изготовленные из политиофена (полимера, созданного группой Алана Хигера), который становится электрическим проводником при окислении. К 2016 году по подвижности электронов пластик отставал от кремния всего в 20 разKoezuka, H.; Tsumura, A.; Ando, T. (1987). "Field-effect transistor with polythiophene thin film". Synthetic Metals. 18: 699–704. doi:10.1016/0379-6779(87)90964-7.Never Lose Your Nerve!, Alan J. Heeger, World Scientific, 2016, p.167.

Задачи

На встрече Фейнман завершил выступление двумя задачами и предложил по 1000 долларов за первое решение каждой из них. Первая задача заключалась в создании миниатюрного электродвигателя, который, к удивлению Фейнмана, был изготовлен к ноябрю 1960 года выпускником Калтеха Уильямом Маклелланом, дотошным мастером, который использовал традиционные инструменты. Мотор отвечал всем условиям Фейнмана, но не использовал предполагаемых новых технологий. По условиям задачи двигатель должен был помещаться в куб со стороной 1/64 дюйма (около 0,4 мм), не считая подводящих проводов. Вторая задача состояла в уменьшении страницы книги в 25 000 раз по линейным размерам с сохранением возможности прочитать её с помощью электронного микроскопа. Такой масштаб позволил бы разместить всю Британскую энциклопедию на головке булавки. В 1985 году Том Ньюман, аспирант Стэнфорда, успешно уменьшил первый абзац «Повести о двух городах» в 25 000 раз и получил второй приз Фейнмана. Научный руководитель Ньюмана, Р. Фабиан Пиз, был знаком с лекцией Фейнмана, прочитав её в 1966 году; однако инициатором участия в испытании стал ещё один аспирант в лаборатории, Кен Поласко, который прочитал её совсем недавно. Ньюман искал произвольный образец текста для демонстрации своей технологии. Выбор пал на «Повесть о двух городах», поскольку, по словам Ньюмана, «текст был идеальным, потому что имел так много разных форм».

Реакция Журнал The New Scientist писал, что «научная аудитория была очарована». Фейнман «излагал эту идею экспромтом» без «заранее подготовленных тезисов», поэтому в первое время не было печатного текста лекции. «Дальновидный поклонник» принес с собой магнитофон, и отредактированная стенограмма, без шуток Фейнмана, была подготовлена к публикации Калтехом. В феврале 1960 года журнал Калтеха «Engineering and Science» опубликовал эту речь. В дополнение к выдержкам из The New Scientist были напечатаны версии в The Saturday Review и Popular Science. Вскоре газеты объявили о победе в первом конкурсе. Лекция была включена в качестве последней главы в книгу 1961 года «Миниатюризация».

Влияние Эрик Дрекслер позже взял концепцию Фейнмана о миллиарде крошечных фабрик и добавил в своей книге «Машины создания: грядущая эра нанотехнологии», что они могли бы производить копии самих себя с помощью компьютерного управления, без контроля со стороны человека-оператора.

После смерти Фейнмана ученые, изучающие историческое развитие нанотехнологий, пришли к выводу, что его лекция оказала ограниченное влияние на многих исследователей, работавших в этой области в 1980-х и 1990-х годах. Крис Туми (Chris Toumey), специалист по культурной антропологии из Университета Южной Каролины, воссоздал историю публикации и переиздания речи Фейнмана, а также список цитирований лекции в научной литературе.

В статье Туми 2008 года «Reading Feynman into Nanotechnology» он обнаружил 11 версий публикации «Внизу много места», а также два примера тесно связанной речи Фейнмана «Infinitesimal Machinery», которую сам Фейнман называл «Внизу много места: возвращение к теме» («Plenty of Room, Revisited», опубликовано под названием «Infinitesimal Machinery»). Также в ссылках Туми есть видеозаписи этого второго выступления. Журнал Nature Nanotechnology посвятил этой теме номер в 2009 году.

Туми обнаружил, что речи Фейнмана оказали незначительное влияние в течение двадцати лет после первой публикации, если судить по числу цитирований в научной литературе, и ненамного больше влияния в течение десятилетия после того, как в 1981 году был создан сканирующий туннельный микроскоп. Интерес к лекции в научной литературе значительно возрос в начале 1990-х годов. Вероятно, это связано с тем, что термин «нанотехнологии» привлек серьезное внимание после его использования Дрекслером в книге 1986 года «Машины создания: грядущая эра нанотехнологий», в которой цитировался Фейнман, и в сопроводительной статье под заголовком «Нанотехнологии», опубликованной позднее в том же году в научно-популярном журнале Оmni. Журнал «Нанотехнологии» появился в 1990 году; знаменитый эксперимент Эйглера-Швейцера, по точной манипуляции атомами ксенона, был обнародован в Nature в апреле 1990 года; Science посвятил нанотехнологиям специальный выпуск в ноябре 1991 года.

Анализ Туми также включает в себя комментарии ученых в области нанотехнологий, которые утверждают, что лекция Фейнмана не повлияла на их ранние работы, и большинство из них ознакомились с лекцией позднее.

Положение Фейнмана как нобелевского лауреата и важной фигуры в науке 20-го века помогло сторонникам нанотехнологий и обеспечило важную интеллектуальную связь с прошлым. Более конкретно, его авторитет и концепция атомарно-точного изготовления сыграли роль в обеспечении финансирования исследований в области нанотехнологий, о чем свидетельствует речь президента Клинтона в январе 2000 года, призывающая к созданию федеральной программы:

Предлагаемый бюджет предусматривает поддержку «Национальной инициативы по нанотехнологии» в размере $500 млн. Калтех не является новичком в области нанотехнологий, позволяющих манипулировать материей на атомном и молекулярном уровнях. Более 40 лет назад сотрудник Калтеха Ричард Фейнман задался вопросом «Что случится, если мы сможем располагать атомы один за одним так, как нам это нужно?»

Версия Закона о научных исследованиях и разработках в области нанотехнологий, принятая Палатой представителей в мае 2003 года, предусматривала изучение технической осуществимости молекулярного производства. Это положение было исключено, чтобы обеспечить финансирование менее спорных исследований; изменённый законопроект был принят Сенатом и подписан президентом Джорджем Бушем 3 декабря 2003 года.

В художественной литературе В коротком рассказе «Древо времени», опубликованном в 1964 году, Деймон Найт использует идею барьера, который должен быть построен атом за атомом («временной барьер»).

Издания

Сокращённая версия лекции.

Перепечатка лекции. Продолжение первой лекции.

См. также

Премия Фейнмана по нанотехнологиям Закон Мура Наноавтомобиль (англ.)

Ссылки

Внешние ссылки Feynman's classic 1959 talk: There's Plenty of Room at the Bottom There's Plenty of Room at the Bottom in February 1960 Engineering and Science Caltech Magazine

Категория:Американское физическое общество Категория:Калифорнийский технологический институт Категория:Ричард Фейнман Категория:Книги по физике Категория:Статьи по физике Категория:Научно-популярные книги