Радость познания - Ричард Фейнман

У нас есть друзья в других областях — в биологии, например. Мы, физики, часто спрашиваем у них: «Знаете, коллеги, по какой причине вы достигли весьма скромных успехов?» (В действительности я не знаю другой области, кроме биологии, где прогресс был бы более ощутим.) «Вы должны брать с нас пример и чаще пользоваться математикой». Они могли бы возразить, но тактично и вежливо отмалчиваются, поэтому за них отвечаю я: «Чтобы добиться быстрого прогресса, вы должны сделать для нас электронный микроскоп с разрешением в 100 раз лучше».

Каковы наиболее важные и фундаментальные проблемы биологии на сегодняшний день? Я приблизительно перечислю первоочередные вопросы. Какова последовательность оснований в молекуле ДНК? Что происходит при мутации? Как последовательность оснований в молекуле ДНК связана с последовательностью аминокислот в протеине? Какова структура РНК — она однонитевая или двухнитиевая и как она связана с последовательностью оснований ДНК? Какова структура микросом? Как синтезируются протеины? Откуда берется молекула РНК? Как она расположена? Где расположены протеины? Куда входят аминокислоты? При фотосинтезе — где находится хлорофилл; как он располагается; где находятся каротиноиды, связанные с этим процессом? Что представляет система преобразования света в химическую энергию?

Очень легко ответить на многие из этих фундаментальных биологических вопросов; стоит только взглянуть на предмет исследования! И вы увидите порядок чередования оснований в цепочке; вы увидите структуру микросомы. К сожалению, современные микроскопы видят слишком грубые, ограниченные масштабы. Сделайте микроскоп в сто раз более мощным, и многие проблемы биологов уйдут сами собой. Я, конечно, преувеличиваю, но биологи будут очень благодарны — и они предпочтут вместо критики использовать больше математики.

Сегодня теория химических процессов основывается на теоретической физике. В том смысле, что физика создает фундамент химии. Но химия также проводит свой анализ. Если у вас в руках странная субстанция и вы хотите знать, что это, вы проводите длинный и сложный процесс химического анализа. Сегодня можно анализировать почти все, моя идея немного запоздала. Но если физики захотят, они могут также подкопаться под химиков в вопросах химического анализа. Очень легко провести анализ любого химического вещества; надо только посмотреть на него и увидеть, где находятся атомы. Единственную неприятность доставит электронный микроскоп — он в сто раз хуже, чем надо. (Потом я хотел бы задать вопрос: могут ли физики сделать что-нибудь с третьей проблемой химии — а именно с синтезом? Есть ли физический метод синтеза любой химической субстанции?)

Причина того, что электронный микроскоп так плох, заключается в том, что фокусное расстояние линз составляет только 1/1000 часть и у вас нет апертуры достаточного размера. Я знаю теоремы, в которых доказывается, что это невозможно при использовании линз в стационарных полях с аксиальной симметрией, которые дают фокусное расстояние больше того-то и того-то; и поэтому в настоящий момент разрешающая способность микроскопа достигает теоретического максимума. Однако в каждой теореме есть допущения. Почему поле должно быть симметричным? Я бросаю вызов: нет ли способа сделать электронный микроскоп более мощным?

Удивительная биологическая система

Биологический пример записи информации на малых масштабах заставил меня поразмыслить об открывающихся возможностях. Биология не просто записывает информацию; она производит с ней действия. Биологическая система может быть невероятно малой. Большинство клеток крошечные, но очень активные; они образуют различные субстанции, они повсюду, они ерзают, и извиваются, и проделывают всякие удивительные вещи — и все в очень малом пространстве. Кроме этого, они сохраняют информацию. Рассмотрим вероятность того, что мы способны сделать вещь настолько малой, насколько хотим — мы можем изготовить объект, который на этом уровне маневрирует!

Создание объектов очень малого размера может быть обусловлено даже экономическими причинами. Позвольте напомнить вам о некоторых проблемах компьютеров. В компьютерах мы храним гигантский объем информации. Я упоминал раньше о долговременной форме записи, где я записывал все с помощью распределения металла по поверхности. Для компьютеров значительно более интересен способ записи, стирания и новой записи чего-нибудь еще. (Обычно мы не хотим тратить попусту материал, на котором уже была произведена запись. Но если мы запишем все это в очень малом пространстве, не будет никакой разницы — после прочтения запись можно выбросить. Ваши затраты на материал ничтожно малы.)

Миниатюризация компьютера

Не знаю, как практически сделать это в малом масштабе, но я знаю, что компьютеры слишком велики — они занимают целые комнаты. Почему бы нам не сделать их очень маленькими, сделать маленькие провода, маленькие элементы — все в миниатюре? Например, проводки должны состоять из 10 или 100 атомов в диаметре, схемы — несколько тысяч ангстрем в поперечнике. Все, кто анализировал логическую теорию компьютеров, доходили до очень интересных возможностей компьютеров — насколько они усложнятся при изменении на несколько порядков их размеров. Если бы они имели в миллион раз больше элементов, они могли бы принимать решения. У них было бы время рассчитать оптимальный способ выполнения предлагаемой задачи. Они могли бы исходя из собственного опыта выбрать лучшую методику анализа, а не ту, которую мы им задаем. И во многих других отношениях они обладали бы качественно новыми свойствами.

Когда я вижу лицо знакомого человека, я сразу понимаю, что видел его раньше. (Правда, мои друзья скажут, что я выбрал неудачный пример для иллюстрации. Во всяком случае, я способен отличить человека от яблока.) Пока не существует машины, которая с той же скоростью по фотографии лица сможет распознать, что это именно человек; и еще в меньшей степени — что это тот самый человек, которого вы уже показывали, если только это не та же картинка. Если изменилось лицо или я ближе или дальше от него, если изменилось освещение — я в любом случае его различу. Маленький компьютер, который я ношу в голове, с легкостью способен это сделать. Число элементов в моей черепной коробке огромно по сравнению с числом элементов в наших «удивительных» компьютерах. А наши механические компьютеры такие большие, а элементы в них микроскопические. Я хочу сделать нечто субмикроскопическое.

Если мы хотим сделать компьютер, который обладает всеми этими удивительными качественными сверхвозможностями, то его размер, возможно, будет равен Пентагону. В этом кроется ряд неудобств. Во-первых, он потребует слишком много материала; мировых запасов германия может не хватить для всех транзисторов системы гигантских размеров. Могут возникнуть проблемы и с образованием тепла, и потребляемой мощностью, а администрация долины Теннесси, например, будет нуждаться в запуске такого компьютера. Возникнут трудности и более практического свойства — компьютер будет ограничен некоторой скоростью. Из-за его больших размеров для перемещения информации из одного места в другое потребуется конечное время. Информация не может перемещаться со скоростью, превышающей скорость света, поэтому, если мы хотим увеличить быстродействие компьютера, сделать его более совершенным, мы будем вынуждены уменьшать его размеры.

Но существует масса возможностей сделать его меньше. Я не вижу в физических законах ничего такого, что запрещало бы резко уменьшить элементы компьютера. Фактически это приведет к ряду преимуществ.

Миниатюризация путем выпаривания

Как можно сделать такое устройство? Какой процесс изготовления использовать? Одной из возможностей записи с помощью определенного выстраивания атомов могло бы стать выпаривание материала и следующего за ним изоляционного слоя. В следующем пласте выпариваем другое место провода, другой изоляционный слой и так далее. То есть вы просто выпариваете до тех пор, пока не останется блок материала, который имеет элементы — катушки, конденсаторы и прочее, причем исключительно тонких размеров.

Но я хотел бы развлечь вас и обсудить, что существуют и другие возможности. Почему бы не делать маленькие компьютеры подобно тому, как делают большие? Почему бы не сверлить отверстия, разрезать, паять, штамповать, формовать различные детали — все на исключительно малом уровне? Каковы ограничения на малый размер детали, когда вы не сможете ее больше формовать? Сколько раз, пытаясь починить что-нибудь безнадежно миниатюрное вроде наручных часиков вашей жены, вы говорили себе: «Проще натаскать блоху для этой работы!» Предлагаю для такой работы натаскать блоху, чтобы она натаскала малютку-клеща. Существует ли возможность сделать маленькие, но подвижные машины? Они могут быть полезными или бесполезными, но их изготовление, безусловно, выглядит забавно.