« Внизу много места: приглашение войти в новую область физики » - это лекция, прочитанная физиком Ричардом Фейнманом на ежегодном собрании Американского физического общества в Калифорнийском технологическом институте 29 декабря 1959 года. [1] Фейнман рассмотрел возможность прямое манипулирование отдельными атомами как более мощная форма синтетической химии, чем те, которые использовались в то время. Хотя версии доклада были перепечатаны в нескольких популярных журналах, он остался в значительной степени незамеченным и не вдохновил концептуальное начало области нанотехнологий . Начиная с 1980-х годов сторонники нанотехнологий цитировали его, чтобы доказать научную достоверность своей работы.
Зачатие
Фейнман рассмотрел некоторые ответвления общей способности манипулировать материей в атомном масштабе. Его особенно интересовали возможности более плотных компьютерных схем и микроскопов, которые могли видеть вещи намного меньшего размера, чем это возможно с помощью сканирующих электронных микроскопов . Эти идеи были позже реализованы с помощью сканирующего туннельного микроскопа , атомно-силового микроскопа и других примеров сканирующей зондовой микроскопии и систем хранения, таких как Millipede , созданных исследователями из IBM .
Фейнман также предположил, что в принципе возможно создание наноразмерных машин, которые «упорядочивают атомы так, как мы хотим», и осуществляют химический синтез с помощью механических манипуляций.
Он также представил возможность « проглотить доктора » - идею, которую он рассказал в эссе своему другу и аспиранту Альберту Хиббсу . Эта концепция заключалась в создании крошечного хирургического робота, который можно было проглотить.
В качестве мысленного эксперимента он предложил разработать набор рук-манипуляторов в масштабе в одну четверть, подчиненных рукам оператора, для создания станков в масштабе в одну четверть, аналогичных тем, которые можно найти в любом механическом цехе. Этот набор небольших инструментов затем будет использоваться маленькими руками для создания и управления десятью наборами рук и инструментов в масштабе 1/16 и так далее, что приведет к созданию, возможно, миллиарда крошечных фабрик для выполнения массово параллельных операций. Он использует аналогию с пантографом как способ уменьшения размеров элементов. Эта идея была отчасти предвосхищена, вплоть до микромасштаба, писателем-фантастом Робертом А. Хайнлайном в его рассказе 1942 года « Вальдо» . [2] [3]
По мере того, как размеры уменьшались, приходилось переконструировать инструменты, потому что относительная сила различных сил изменилась. 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 осуществить этот мысленный эксперимент; некоторые типы биологических ферментов и ферментных комплексов (особенно рибосомы ) функционируют химически, что близко к видению Фейнмана. [4] [5] 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 малых масштабах (металлы и кристаллы разделены на области, в которых преобладает структура решетки). [6] Это может быть хорошим поводом делать машины и электронику из стекла и пластика. В настоящее время электронные компоненты изготовлены из обоих материалов. В стекле, есть волоконно - оптические кабели , которые усиливают световые импульсы через регулярные промежутки времени, с использованием стекла , легированного с редкоземельным элементом эрбием . Легированное стекло врезается в волокно и накачивается лазером, работающим на другой частоте. [7] В пластике полевые транзисторы изготавливаются из политиофена , полимера, изобретенного Аланом Дж. Хигером и другими. при окислении превращается в электрический проводник. К 2016 году всего в 20 раз увеличилась подвижность электронов, чтобы отделить пластик от кремния. [8] [9]
Вызовы
На встрече Фейнман завершил свое выступление двумя задачами и предложил приз в размере 1000 долларов за первое решение каждой из них. Первая задача заключалась в создании крошечного двигателя , который, к удивлению Фейнмана, был изготовлен к ноябрю 1960 года выпускником Калифорнийского технологического института Уильямом Маклелланом , скрупулезным мастером, с использованием обычных инструментов. [10] Двигатель соответствовал условиям, но не продвигал искусство. Вторая задача заключалась в возможности уменьшить размер букв достаточно мелкими, чтобы можно было уместить всю Британскую энциклопедию на булавочной головке, записав информацию со страницы книги на поверхности, на 1/25 000 меньше в линейном масштабе. В 1985 году Том Ньюман , аспирант Стэнфордского университета, успешно сократил первый абзац « Повести о двух городах» на 1/25 000 и получил вторую премию Фейнмана. [11] [12] [13] Научный руководитель Ньюмана Р. Фабиан Пиз читал эту статью в 1966 году; но это был другой аспирант в лаборатории, Кен Поласко, который недавно прочитал это, и предложил попробовать испытание. Ньюман искал произвольный случайный образец для демонстрации своей технологии. Ньюман сказал: «Текст был идеальным, потому что он имел очень много разных форм». [14]
Прием
New Scientist сообщил, что «научная аудитория была очарована». Фейнман «выбросил эту идею из головы» даже без «предварительных заметок». Копий выступления не было. «Предвидящий поклонник» принес магнитофон, и отредактированная стенограмма, без шуток Фейнмана, была сделана для публикации в Калифорнийском технологическом институте. [15] В феврале 1960 годаиздательствоCaltech's Engineering and Science опубликовало речь. Помимо отрывков из The New Scientist , версии были напечатаны в The Saturday Review и Popular Science . Газеты объявили о победе в первом испытании. [16] [17] Лекция была включена в качестве заключительной главы в книгу 1961 года « Миниатюризация» . [18]
Влияние
К. Эрик Дрекслер позже взял фейнманскую концепцию миллиарда крошечных фабрик и добавил идею о том, что они могут делать больше копий самих себя с помощью компьютерного управления, а не управления человеком, в своей книге 1986 года « Двигатели созидания: грядущая эра». Нанотехнологии .
После смерти Фейнмана ученые, изучающие историческое развитие нанотехнологий , пришли к выводу, что его роль в ускорении исследований в области нанотехнологий не была высоко оценена многими людьми, работавшими в 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 цитирований «Много места» в научной литературе. [19]
В статье Туми 2008 г. «Читая Фейнмана о нанотехнологиях» [20] он обнаружил 11 версий публикации «Много места», а также два случая тесно связанного с ней выступления Фейнмана «Бесконечно малые машины» [21], которые Фейнман назвал «Пересмотренное множество места» (опубликовано под названием «Infinitesimal Machinery»). Также в ссылках Туми есть видеозаписи этого второго выступления. Журнал Nature Nanotechnology в 2009 году посвятил этой теме номер. [22] [23]
Туми обнаружил, что опубликованные версии выступления Фейнмана оказали незначительное влияние в течение двадцати лет после его первой публикации, если судить по цитированию в научной литературе, и не намного большее влияние в течение десятилетия после изобретения сканирующего туннельного микроскопа в 1981 году. Интерес к «Пространству места» в научной литературе резко возрос в начале 1990-х годов. Вероятно, это связано с тем, что термин «нанотехнология» привлек серьезное внимание незадолго до этого, после того, как его использовал Дрекслер в своей книге 1986 года « Двигатели созидания: грядущая эра нанотехнологий» , в которой цитировался Фейнман, и в статье на обложке, озаглавленной «Нанотехнологии». , опубликованный позже в том же году в массовом научном журнале OMNI . [24] [25] Журнал « Нанотехнологии» был основан 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 по нанотехнологиям в ноябре 1991 года. Эти и другие разработки намекают, что повторное открытие «Простора места» задним числом дало нанотехнологиям упакованную историю, которая дала начало декабрю 1959 года, а также связь с Ричардом Фейнманом.
Анализ Туми также включает комментарии ученых в области нанотехнологий, которые говорят, что «Много места» не повлияло на их ранние работы, и большинство из них не читали его до более позднего времени.
Статус Фейнмана как нобелевского лауреата и важной фигуры в науке 20-го века помог сторонникам нанотехнологий и обеспечил ценную интеллектуальную связь с прошлым. [2] Более конкретно, его статус и концепция производства атомарной точности сыграли роль в обеспечении финансирования исследований в области нанотехнологий, о чем свидетельствует речь президента Клинтона в январе 2000 года, призывающая к федеральной программе:
Мой бюджет поддерживает новую крупную национальную нанотехнологическую инициативу стоимостью 500 миллионов долларов. Калтех не новичок в идее нанотехнологий, способных управлять материей на атомном и молекулярном уровне. Более 40 лет назад Ричард Фейнман из Калифорнийского технологического института спросил: «Что бы произошло, если бы мы могли расположить атомы один за другим так, как мы хотим?» [26]
Версия Закона об исследованиях и разработках в области нанотехнологий, принятая Палатой представителей в мае 2003 г., призывала к изучению технической осуществимости молекулярного производства, но это исследование было удалено, чтобы гарантировать финансирование менее спорных исследований, прежде чем оно было принято Сенатом и подписан президентом Джорджем Бушем 3 декабря 2003 г. [27]
В 2016 году группа исследователей из TU Delft и INL сообщила о хранении абзаца выступления Фейнмана с использованием двоичного кода, в котором каждый бит был создан с помощью одной атомной вакансии. [28] Используя сканирующий туннельный микроскоп для манипулирования тысячами атомов, исследователи составили текст:
Но я не боюсь рассмотреть последний вопрос о том, сможем ли мы в конечном итоге - в великом будущем - расположить атомы так, как мы хотим; сами атомы, вплоть до самого низа! Что бы произошло, если бы мы могли расположить атомы один за другим так, как мы хотим (конечно, в пределах разумного; вы не можете расположить их так, чтобы они были химически нестабильными, например). До сих пор мы были довольны тем, что копали землю в поисках полезных ископаемых. Мы нагреваем их и делаем с ними что-то в большом количестве, и мы надеемся получить чистое вещество с таким большим количеством примесей и так далее. Но мы всегда должны принимать какое-то атомное устройство, которое дает нам природа. У нас нет ничего, скажем, с расположением "шахматной доски", с атомами примеси, расположенными точно на расстоянии 1000 ангстрем друг от друга, или с каким-либо другим конкретным узором.
В этом тексте используется ровно 1 килобайт, т. Е. 8128 битов, каждая из которых состоит из 1 атомной вакансии, что составляет первый атомный килобайт, с плотностью хранения на 500 больше, чем в современных технологиях. [28] Текст, требующий « расположить атомы так, как мы хотим », в виде шахматной доски. Это самоотнесение к видению Фейнмана освещалось как научными журналами [29] [30], так и ведущими СМИ. [31] [32]
Побочные продукты художественной литературы
- В рассказе «Древо времени », опубликованном в 1964 году, Дэймон Найт использует идею барьера, который должен быть построен атом за атомом (временной барьер в рассказе). [ необходима цитата ]
Редакции
- Фейнман, Ричард П. (2 апреля 1960 г.). «Чудеса, которые ждут микроскопа» . Субботний обзор . С. 45–47 . Проверено 8 июля 2018 .
- Фейнман, Ричард П. (ноябрь 1960). «Как построить автомобиль меньше этой точки» . Популярная наука . Нью-Йорк, Нью-Йорк: Popular Science Publishing Co., Inc., стр. 114–116, 230–232 . Проверено 8 июля 2018 . Сокращенная версия выступления.
- Фейнман, Ричард П. (1961). «Внизу много места». В Гилберте, Гораций Д. (ред.). Миниатюризация . Рейнхольд. С. 282–296.
- Фейнман, Р.П. (1 марта 1992 г.). «Внизу много места (хранилище данных)». Журнал микроэлектромеханических систем . 1 (1): 60–66. DOI : 10.1109 / 84.128057 . S2CID 40094454 . Репринт доклада.
- Фейнман, Р. (1993). «Бесконечно малые машины» . Журнал микроэлектромеханических систем . 2 (1): 4–14. DOI : 10.1109 / 84.232589 . S2CID 138577784 . Продолжение его первого выступления.
Смотрите также
- Премия Фейнмана от института Foresight Nanotech
- Закон Мура
- Нанокар
Рекомендации
- ^ Дрекслер, Эрик. «Внизу много места» .
- ^ a b Колин Милберн. Nanovision: проектирование будущего . Издательство Университета Дьюка, 2008. ISBN 0-8223-4265-0
- ↑ Эд Регис. Нано . Бантам, 1997. ISBN 0-553-50476-2
- ^ Юсупов М.М., Юсупова Г.З., Бауком А и др. (Май 2001 г.). «Кристаллическая структура рибосомы при разрешении 5,5 А» . Наука . 292 (5518): 883–96. Bibcode : 2001Sci ... 292..883Y . DOI : 10.1126 / science.1060089 . PMID 11283358 . S2CID 39505192 .
- ^ Xu, Q, и др., Статистический анализ сходства границ раздела в кристаллах гомологичных белков , J. Mol. Биол. (2008) 381: 487–507
- ↑ Удовольствие от поиска вещей, Глава 5: На дне много места , под редакцией Мишель Фейнман и Карл Фейнман, стр.130, Basic Books, 1999
- ^ Пашотта, Рюдигер. «Учебное пособие по оптоволоконным усилителям» . RP Photonics . Проверено 10 октября 2013 года .
- ^ Koezuka, H .; Цумура, А .; Андо, Т. (1987). «Полевой транзистор с тонкой пленкой политиофена». Синтетические металлы. 18: 699–704. DOI: 10.1016 / 0379-6779 (87) 90964-7.
- ^ Никогда не теряйте нервы! , Алан Дж. Хигер, World Scientific, 2016, стр.167.
- ^ «Самый маленький мотор в мире» (PDF) . Техника и наука . Декабрь 1960. с. 19 . Проверено 22 июля 2018 .
- ^ "Маленькое чудо" . The Los Angeles Times из Лос-Анджелеса, Калифорния, на Newspapers.com . 30 июля 1986 г. с. 26 . Проверено 23 июля 2018 .
- ^ Фейнман, Ричард Филлипс; Сайкс, Кристофер (1995). Нет обыкновенного гения: иллюстрированный Ричард Фейнман] . WW Norton & Company. п. 175. ISBN 9780393313932.
- ^ Гриббин, Джон (1997). Ричард Фейнман: жизнь в науке . Даттон. п. 170 .
- ^ "Маленькая сказка становится грандиозной" (PDF) . Инженерия и наука . Январь 1986. С. 24–26 . Проверено 23 июля 2018 .
- ^ Лир, Джон (21 июля 1960). «Потрясающий маленький мир» . Новый Ученый . п. 220 . Проверено 22 июля 2018 .
- ^ «Midget Motor получает приз в размере 1000 долларов для инженера» . The Times из Сан-Матео, Калифорния, на Newspapers.com . 30 ноября 1960 г. с. 25 . Проверено 23 июля 2018 .
- ^ «Самый маленький мотор в мире» . The Pocono Record из Страудсбурга, штат Пенсильвания, на Newspapers.com . 12 января 1961 г. с. 27 . Проверено 23 июля 2018 .
- ^ Степни, Сьюзен. «Книжное обозрение Миниатюризация. 1961» . Йоркский университет . Проверено 28 декабря 2019 года .
- ^ Туми, Крис. «Апостольское преемство» (PDF) . Инженерия и наука . 1 (2005): 16–23. Архивировано (PDF) из оригинала на 2019-03-01.
- ^ Туми, Крис (2008). «Читая Фейнмана о нанотехнологиях: текст для новой науки» (PDF) . Techné . 13 (3): 133–168. Архивировано (PDF) из оригинала 22 мая 2018 года . Проверено 1 марта 2019 .
- ^ Фейнман, Р. (март 1993 г.). "Бесконечно малые машины" (PDF) . Журнал микроэлектромеханических систем . 2 (1): 4–14. DOI : 10.1109 / 84.232589 . Архивировано (PDF) из оригинала 27 января 2019 года.
- ^ « Повторный визит в « Много места »» (PDF) . Природа Нанотехнологии . 4 (12): 781. Декабрь 2009 г. DOI : 10.1038 / nnano.2009.356 . PMID 19966817 . Проверено 1 марта 2019 .
- ^ «Пересмотрено много места - проблема в фокусе» . Природа Нанотехнологии . 4 (12). Декабрь 2009 . Проверено 1 марта 2019 .
- ^ Хэпгуд, Фред (ноябрь 1986). " " Нанотехнология "/ "Tinytech " ". Омни : 56.
- ^ Дрекслер, Эрик (15 декабря 2009 г.). «Обещание, положившее начало области нанотехнологий» . Метамодерн: траектория технологий. Архивировано из оригинального 14 июля 2011 года . Проверено 13 мая 2011 года .
- ↑ Комментарии в Калифорнийском технологическом институте, 21 января 2000 г., Public Papers Уильяма Дж. Клинтона, 1 января - 26 июня 2000 г., стр. 96
- ^ Реджис, Эд (октябрь 2004 г.). «Невероятно уменьшающийся человек» . Проводной .
- ^ а б Kalff, FE; Реберген, депутат; Fahrenfort, E .; Girovsky, J .; Toskovic, R .; Ладо, JL; Fernández-Rossier, J .; Отте, AF (ноябрь 2016 г.). «Килобайт перезаписываемой атомной памяти» . Природа Нанотехнологии . 11 (11): 926–929. arXiv : 1604.02265 . DOI : 10.1038 / nnano.2016.131 . ISSN 1748-3395 . PMID 27428273 . S2CID 37998209 .
- ^ Корнелиуссен, Стивен Т. Корнелиуссен Стивен Т. (2016-07-29). "Новостные публикации помещают" Килобайт перезаписываемой атомной памяти "в историю физики". Физика сегодня . DOI : 10.1063 / PT.5.8182 .
- ^ СервисИюл. 18, Роберт Ф .; 2016; Утром, 11:00 (15.07.2016). «Ученые делают память об одном атоме из меди и хлора» . Наука | AAAS . Проверено 11 июля 2020 .CS1 maint: числовые имена: список авторов ( ссылка )
- ^ «Атомы и пустоты» . Экономист . ISSN 0013-0613 . Проверено 11 июля 2020 .
- ^ Эрнандес, Даниела (18.07.2016). «Крошечный жесткий диск использует отдельные атомы для хранения данных» . Wall Street Journal . ISSN 0099-9660 . Проверено 11 июля 2020 .
Внешние ссылки
- Классический доклад Фейнмана 1959 года: Внизу много места
- В конце февраля 1960 г.,журнал Engineering and Science Caltech, много места