Увесь світ на голівці шпильки: Фейнман у 1959 році спрогнозував технологічне майбутнє

У 1959 році видатний фізик Річард Фейнман поставив перед науковою спільнотою непросте питання.

Чи можливо дійсно вмістити цілу енциклопедію на голівці шпильки? Це може звучати як трюк для вечірки, але за цим стоїть серйозне питання, яке ми стикаємося щоразу, коли наші телефони отримують більше пам’яті в такому ж тонкому корпусі.

У 1959 році фізик Річард Фейнман у своїй промові в Каліфорнійському технологічному інституті (Caltech) стверджував, що зменшення інформації та машин до атомарних розмірів є фізично можливим, повідомляє Econews. Яке було його основне повідомлення? Жорсткою межею була не природа, а питання, чи зможуть інженери створити інструменти для досягнення цієї мети.

Бібліотека на голівці шпильки

На щорічних зборах Американського фізичного товариства він запитав: “Чому ми не можемо записати всі 24 томи Британської енциклопедії на голівці шпильки?”

Головка шпильки, як він пояснив, має діаметр приблизно 1,5 мм, і за його оцінками, зменшення шрифту приблизно в 25 000 разів дозволило б тексту вміститися і залишатися читабельним під електронним мікроскопом. Офіційну стенограму можна знайти під назвою “Там внизу багато місця”.

Потім він розширив ідею від однієї енциклопедії до всіх книг, які важливі для людства. Використовуючи приблизні дані Бібліотеки Конгресу, Британського музею та Національної бібліотеки Франції, він нарахував близько 24 мільйонів “цікавих томів” і стверджував, що вся ця кількість може вміститися приблизно на мільйоні голівок шпильок. За його попередніми розрахунками, це зайняло б всього кілька квадратних метрів – достатньо мало, щоб носити з собою як брошуру.

Фізика не проти

Більша частина виступу була перевіркою реальності щодо меж. “Ми не робимо цього просто тому, що ще не дійшли до цього”, – пояснив він аудиторії, додавши, що не винаходить нових законів природи. Іншими словами, двері були відчинені, просто ми ще не увійшли в них.

Пізніше це мислення стало відомим як нанотехнології – вивчення та проектування матерії на надзвичайно малих рівнях. Нанометр – це одна мільярдна частина метра, і саме в цьому діапазоні сучасні матеріали починають поводитися інакше. Міністерство енергетики США зазначило, що термін був введений у 1974 році Норіо Танігуті, через роки після того, як виступ 1959 року виніс цю ідею на карту світу.

Два парі по 1 000 доларів

Щоб реалізувати це бачення, він запропонував грошові призи замість простих оплесків. “Я маю намір запропонувати приз у розмірі 1 000 доларів першому, хто зможе перенести інформацію зі сторінки книги”, – підкреслив він, а також пообіцяв ще 1 000 доларів за працюючий двигун, який помістився б усередині куба зі стороною близько 0,4 мм. Це було жартівливо, але також ставило чіткі інженерні цілі.

Виклик із двигуном був прийнятий у 1960 році Вільямом Маклелланом, який побудував його за допомогою мікроскопа, годинникового токарного верстата та зубочистки для маніпуляцій із деталями. Ця історія нагадує про те, що мініатюризація не завжди пов’язана з принципово новою наукою. Іноді це ювелірна робота, доведена до межі.

Виклик з текстом зайняв більше часу і був остаточно виконаний у листопаді 1985 року. Том Ньюман, на той час аспірант Стенфордського університету, використовував електронно-променеву літографію (по суті, письмо сфокусованим пучком електронів), щоб зменшити сторінку книги до квадрата зі стороною близько 0,006 мм, який можна було прочитати під електронним мікроскопом.

Його науковий керівник Р. Фабіан Піз назвав це складним технологічним завданням, а в призовій записці був рядок: “Вітаємо вас і ваших колег”.

Бачити й переміщати атоми

Він постійно повертався до одного відсутнього інгредієнта: більш досконалих способів бачити те, що ми робимо. “Для швидшого прогресу вам слід зробити електронний мікроскоп у 100 разів кращим”, – стверджував він, оскільки створення менших об’єктів працює лише в тому випадку, якщо ви можете надійно контролювати результат. Ця фраза звучить інакше сьогодні, коли крихітні пристрої вбудовані в усе – від автомобілів до навушників.

Інструменти дійсно вдосконалювалися, і деякі з найбільших проривів були публічно винагороджені. Нобелівська премія з фізики 1986 року була присуджена за скануючий тунельний мікроскоп – метод, що дозволяє картографувати поверхні на рівні окремих атомів, поряд із ранніми досягненнями в електронній оптиці та створенням першого електронного мікроскопа.

Ця нагорода допомагає зрозуміти, чому ідея “вільного місця внизу” не залишилася назавжди умоглядним експериментом.

Чому це все ще важливо

Виступ також спирався на біологію, вказуючи на те, що ДНК зберігає величезні обсяги інформації в крихітному просторі. У ньому навіть розглядався медичний уявний експеримент Альберта Р. Хіббса про проковтування “механічного хірурга”, який міг би переміщатися по кровоносних судинах для ремонту серцевого клапана. Яким би надуманим це не здавалося, суть полягала в тому, що маленькі машини можуть бути корисними, а не просто вражаючими.

Дослідники, як і раніше, прагнуть до більш щільного зберігання даних, і іноді вони роблять це по одному атому за раз. У 2016 році Флоріс Калфф та Адріан Отте з Делфтського технічного університету описали перезаписувану “атомну пам’ять”, яка зберігала один кілобайт (8 000 біт) при щільності 502 терабіта (трильйона біт) на квадратний дюйм, і повідомили про стабільність системи до температури 77 кельвінів (близько -196 °C).

Ніщо з цього не означає, що ви скоро зможете зробити бекап усього свого життя на крихітну частинку металу у себе вдома. Але напрямок зрозумілий, і він збігається з тим, про що насправді йшлося у виступі 1959 року. Якщо внизу “повно місця”, наступним питанням стає – хто зможе надійно будувати в цьому просторі.