Нанонауки. Невидимая революция - Лоранс Плевер

Все будто бы началось 29 декабря 1959 года. Вечером, после ужина, Ричард Фейнман, которому еще только суждено получить Нобелевскую премию — это случится в 1965 году, за труды в области теоретической физики, — выступил перед лучшими американскими физиками, собравшимися на конгресс. Докладчику шел сорок второй год, и он уже снискал громкую славу. Все признавали за ним незаурядный, творческий и не склонный к соглашательству ум. И в этот раз он сумел удивить своих слушателей. Поднявшись на кафедру, он показался присутствующим проповедником, если не пророком: доклад, предложенный им почтеннейшей публике, назывался «На дне места много» (There’s plenty room at the bottom)[7].

НАУЧНЫЙ ДОКЛАД СТАНОВИТСЯ МИФОЛОГИЕЙ

Сегодня эта коротенькая речь слывет проповедью, этаким евангелием, а сам Фейнман считается — напрасно, конечно, — пророком, апостолом и отцом основателем нанотехнологий. Мол, физики вняли благой вести, преподанной учителем, и принялись изучать «нижние миры» — вот так и родились нанотехнологии. На самом деле все было не так, и если даже Фейнман произнес свою речь, прежде чем нанотехнологии как-то преуспели, не он их рожал и не он на них влиял. Несмотря на известность, которой тогда уже пользовался Фейнман, произнесенные им в тот вечер слова восторга не вызвали. Американский физик Пол Шликта, бывший на том обеде, вспоминает: «Реакцию зала в общем и целом можно назвать веселой. Народ по большей части подумал, что докладчик валяет дурака»[8]. В последующие годы слова Фейнмана ни к чему не подтолкнули и ни на что не повлияли, а потом и вовсе забылись. Европейские физики Герд Бинниг и Генрих Рорер изобрели туннельный микроскоп, а американский физик Дон Эйглер первым начал писать слова, располагая отдельные атомы на поверхности кристалла, — и у всех троих спрашивали: как повлияла эта речь на их работы? И все трое без обиняков отвечали — никак. И по очень простой причине: они о ней ничего не знали.

Скончавшийся в 1988 году Фейнман содействовал появлению туннельного микроскопа, как и успехам миниатюризации в микроэлектронике и микромеханике. Но он никогда не притязал на отцовство хоть какого-то из этих достижений. Более того, он ни разу не пытался увязать речь, которую он произнес в 1959 году, со всем этим прогрессом. Читая лекции в Калифорнийском технологическом институте, он нередко обращался к теме приложения физики к вычислительной технике, но сам электроникой никогда не занимался и в смежных с нею областях тоже не работал, а уж от нанотехнологий его научные интересы были и вовсе далеки. Лишь раз он вновь затронул темы речи «На дне места много» — в статье 1983 года.

Никакой славы у этой речи Фейнмана не было, вплоть до начала 1990-х годов, когда Эрик Дрекслер вспомнил о ней, чтобы придать большую убедительность собственным идеям. Но давайте припомним, что же сказал Фейнман в тот знаменательный вечер.

«Хочу поговорить об области почти нетронутой — там еще пахать и пахать. Там будет уйма технических приложений. Я — о манипуляции и должном управлении вещами совсем маленького масштаба. Есть такой мир, невероятно маленький, он — внизу, на дне».

Отдадим должное его проницательности: Фейнман справедливо оценил, сколь высоки ставки в миниатюризации, и призвал исследователей заинтересоваться мирами «внизу», дожидавшимися в его время своих первопроходцев. Считать ли его прозорливцем? Да, он задался вопросом: «Что будет, если удастся произвольно и по одному расставлять атом за атомом?» Но он не предложил никакого ответа на свой вопрос и не придумал — и даже не вообразил, — как и с помощью какого прибора нечто такое стало бы возможным. Он говорил о крайней точности производства, но не о размерах и других характеристиках требующегося оборудования. Его речь была упражнением в прогнозировании. Он хотел показать, каким образом продвижение физики, преодолевающей преграды и выходящей за прежние границы, может оказаться плодотворным. И привел пример с двумя физиками: один добивался все более низких температур, второй — все более высоких. Действия обоих открывали новые области для изучения. Так почему бы, вопрошал Фейнман, не довести до предела миниатюризацию оборудования и механизмов? И предсказал, что записывать и хранить информацию удастся в памяти из какой-нибудь сотни атомов. А сегодня известно, что сотни много — хватит и одного атома.

Фейнман не предсказывал пришествия нанотехнологии, как это ему часто приписывают. Да и не он первым поставил вопрос о пределах миниатюризации и об исследовании «мира внизу». Стоит бросить самый беглый взгляд на минувшее, и станет ясно, что уж никак не за Фейнманом первенство в выказывании интереса к миру очень малых величин… «В юности я думал, что стану изобретателем, этаким Ньютоном мира тех подробностей, которые еще предстоит изучить; вот этот мир иной, и он куда важнее всего, что я, льстя себе, считал своими открытиями», — еще в 1799 году признавался математик Гаспар Монж Наполеону. Случился этот разговор на борту фрегата La Muiron, возвращавшегося из похода в Египет. Фейнман, кто спорит — физик незаурядный и даже несравненный, может быть, великий, но он был наследником многих поколений физиков — и нефизиков, — которые задавались вопросами о мире внизу или о миниатюризации, при этом отнюдь не претендуя на то, чтобы стать провозвестниками или отцами нанотехнологий.

ИСПОЛИНЫ МИНИАТЮРИЗАЦИИ

Когда же началась миниатюризация? С какой временной отметки отсчитывать ее историю? Греческие мудрецы, например, мастерили великолепные астрономические часы с механизмами из крошечных зубчатых колес — в то время эти миниатюрные модели Солнечной системы считались чудесами техники и технологии. Позднее прогресс в конструировании часовых механизмов сыграл существенную роль в миниатюризации механических двигателей, которыми оснащались автоматы, а еще позднее — роботы. Но миниатюризация машин проходит не только по ведомству техники. Она неотторжима от научного прогресса вообще.

Однажды в 1764 году профессор физики Университета Глазго Джон Андерсон решил показать студентам, как работает «огненный насос» или «атмосферная машина» — так в Англии именовались механизмы, выкачивавшие воду из угольных шахт. Машины эти были слишком громоздкими и тяжелыми и занимали слишком много места, чтобы поместиться в университетской аудитории. Поэтому построили уменьшенный вариант в метр высотой. Но профессора ждало неприятное разочарование: миниатюрная машина отказывалась работать! Пришлось везти ее в мастерскую, где чинили научные приборы, — ту самую, в которой работал Джеймс Уатт. Тот быстро понял, в чем дело: уменьшение объема рабочей камеры привело к тому, что атмосферного давления стало не хватать для преодоления трения поршня о стенки камеры. И тогда сообразительный Уатт предложил использовать вместо давления воздуха давление водяных паров. Так он изобрел паровую машину, что дало возможность перемещаться в пространстве с помощью двигателя — когда паровой двигатель стал еще меньше, он легко поместился на тележке с колесами. Начиналась новая эра в науке, рождалась термодинамика.