There’s Plenty of Room at the Bottom

دعوتی برای ورود به حوزه‌ای جدید از فیزیک

 نوشته‌ی ریچارد پی. فاینمن

این متن از سخنرانی کلاسیک ریچارد فاینمن که در ۲۹ دسامبر ۱۹۵۹ در نشست سالانه انجمن فیزیک آمریکا در موسسه فناوری کالیفرنیا (Caltech) ایراد شد، اولین بار در مجله مهندسی و علوم Caltech ، جلد ۲۳:۵، فوریه ۱۹۶۰ ، صفحات ۲۲-۳۶ منتشر شد . با اجازه آنها، این متن در وب به آدرس http://www.zyvex.com/nanotech/feynman.html در دسترس قرار گرفته است . نسخه اصلی اسکن شده موجود است.

مدخل ویکی‌پدیا در مورد سخنرانی فاینمن .

اطلاعات مربوط به جوایز فاینمن

جستجوی یوتیوب برای ریچارد فاینمن

برای شرحی از سخنرانی و نحوه واکنش مردم به آن، به فصل ۴ کتاب «نانو!» نوشته اد رجیس ، انتشارات لیتل/براون ۱۹۹۵ مراجعه کنید. یک مقدمه فنی عالی برای فناوری نانو، کتاب «نانوسیستم‌ها: ماشین‌آلات مولکولی، تولید و محاسبات» نوشته کی. اریک درکسلر، انتشارات وایلی ۱۹۹۲ است.

سخنرانی‌های فاینمن در مورد فیزیک به صورت آنلاین در دسترس هستند.

---

من تصور می‌کنم فیزیکدانان تجربی اغلب باید با حسادت به مردانی مانند کامرلینگ اونس نگاه کنند، که زمینه‌ای مانند دمای پایین را کشف کردند، که به نظر بی‌پایان است و در آن می‌توان به پایین و بالا رفت. چنین مردی رهبر است و در یک ماجراجویی علمی انحصار موقت دارد. پرسی بریجمن، با طراحی راهی برای دستیابی به فشارهای بالاتر، زمینه جدید دیگری را گشود و توانست به آن وارد شود و ما را در این مسیر رهبری کند. توسعه خلاء بالاتر، یک توسعه مداوم از همین نوع بود.

می‌خواهم حوزه‌ای را توصیف کنم که در آن کارهای کمی انجام شده است، اما در اصل می‌توان کارهای بسیار زیادی انجام داد. این حوزه کاملاً مانند سایر حوزه‌ها نیست، زیرا چیز زیادی در مورد فیزیک بنیادی به ما نمی‌گوید (به معنای «ذرات عجیب چیستند؟»)، اما بیشتر شبیه فیزیک حالت جامد است، به این معنا که ممکن است چیزهای جالب زیادی در مورد پدیده‌های عجیب و غریبی که در موقعیت‌های پیچیده رخ می‌دهند، به ما بگوید. علاوه بر این، نکته‌ای که بسیار مهم است این است که کاربردهای فنی بسیار زیادی خواهد داشت.

چیزی که می‌خواهم در موردش صحبت کنم، مشکل دستکاری و کنترل چیزها در مقیاس کوچک است.

به محض اینکه این را مطرح می‌کنم، مردم از کوچک‌سازی و اینکه امروزه چقدر پیشرفت کرده است، برایم می‌گویند. آنها از موتورهای الکتریکی می‌گویند که به اندازه ناخن انگشت کوچک شما هستند. و می‌گویند دستگاهی در بازار وجود دارد که با آن می‌توانید دعای ربانی را روی نوک یک سنجاق بنویسید. اما این چیزی نیست؛ این ابتدایی‌ترین و گامی بازدارنده در مسیری است که قصد دارم در مورد آن بحث کنم. دنیایی به طرز حیرت‌انگیزی کوچک در پایین وجود دارد. در سال ۲۰۰۰، وقتی به این عصر نگاه می‌کنند، از خود می‌پرسند که چرا تا سال ۱۹۶۰ کسی به طور جدی شروع به حرکت در این مسیر نکرده بود.

چرا نمی‌توانیم تمام ۲۴ جلد دایره‌المعارف بریتانیکا را روی نوک یک سوزن بنویسیم؟

بیایید ببینیم چه چیزی در این امر دخیل است. قطر سر یک سنجاق یک شانزدهم اینچ است. اگر آن را به اندازه ۲۵۰۰۰ برابر قطرش بزرگ کنید، مساحت سر سنجاق برابر با مساحت تمام صفحات دایره‌المعارف بریتانیکا خواهد بود. بنابراین، تنها کاری که باید انجام دهید این است که اندازه تمام نوشته‌های دایره‌المعارف را ۲۵۰۰۰ برابر کوچک کنید. آیا این ممکن است؟ قدرت تفکیک چشم حدود ۱/۱۲۰ اینچ است – که تقریباً قطر یکی از نقاط کوچک روی تصاویر نیم‌رنگ دایره‌المعارف است. این نقطه، وقتی ۲۵۰۰۰ برابر بزرگ‌نمایی شود، هنوز ۸۰ آنگستروم قطر دارد – ۳۲ اتم در یک فلز معمولی. به عبارت دیگر، یکی از آن نقاط هنوز ۱۰۰۰ اتم را در مساحت خود جای می‌دهد. بنابراین، هر نقطه را می‌توان به راحتی در اندازه مورد نیاز حکاکی عکس تنظیم کرد، و شکی نیست که روی نوک یک سنجاق فضای کافی برای قرار دادن تمام دایره‌المعارف بریتانیکا وجود دارد.

علاوه بر این، اگر به این شکل نوشته شود، قابل خواندن است. بیایید تصور کنیم که با حروف برجسته فلزی نوشته شده است؛ یعنی، در دایره‌المعارف، جایی که رنگ سیاه است، حروف برجسته فلزی داریم که در واقع 1/25000 اندازه معمولی خود هستند. چگونه آن را خواهیم خواند؟

اگر چیزی به این شکل نوشته شده بود، می‌توانستیم آن را با استفاده از تکنیک‌های رایج امروزی بخوانیم. (بدون شک وقتی واقعاً آن را بنویسیم، راه بهتری پیدا خواهند کرد، اما برای اینکه منظورم را با احتیاط بیان کنم، فقط از تکنیک‌هایی که امروز می‌شناسیم استفاده می‌کنم.) ما فلز را روی یک ماده پلاستیکی فشار می‌دادیم و از آن قالب می‌ساختیم، سپس پلاستیک را با دقت جدا می‌کردیم، سیلیس را روی پلاستیک تبخیر می‌کردیم تا یک لایه بسیار نازک به دست آید، سپس با تبخیر طلا در زاویه‌ای در مقابل سیلیس، آن را سایه می‌انداختیم تا تمام حروف کوچک به وضوح ظاهر شوند، پلاستیک را از لایه سیلیس جدا می‌کردیم و سپس با میکروسکوپ الکترونی آن را بررسی می‌کردیم!

شکی نیست که اگر این چیز ۲۵۰۰۰ برابر کوچک‌تر و به شکل حروف برجسته روی سنجاق درمی‌آمد، خواندن آن امروز برای ما آسان می‌شد. علاوه بر این، شکی نیست که ساختن کپی از روی نسخه اصلی برای ما آسان می‌شد؛ فقط کافی بود همان صفحه فلزی را دوباره روی پلاستیک فشار دهیم و یک کپی دیگر داشته باشیم.

چطور ریز بنویسیم؟

سوال بعدی این است: چگونه آن را بنویسیم ؟ در حال حاضر هیچ تکنیک استانداردی برای انجام این کار نداریم. اما اجازه دهید استدلال کنم که آنقدرها هم که در ابتدا به نظر می‌رسد دشوار نیست. می‌توانیم لنزهای میکروسکوپ الکترونی را معکوس کنیم تا هم بزرگنمایی و هم بزرگنمایی را کاهش دهیم. منبعی از یون‌ها که از طریق لنزهای میکروسکوپ به صورت معکوس ارسال می‌شوند، می‌توانند در یک نقطه بسیار کوچک متمرکز شوند. می‌توانیم با آن نقطه مانند آنچه در یک اسیلوسکوپ اشعه کاتدی تلویزیون می‌نویسیم، بنویسیم، با عبور از خطوط و داشتن تنظیماتی که مقدار ماده‌ای را که هنگام اسکن خطوط رسوب می‌کند، تعیین می‌کند.

این روش ممکن است به دلیل محدودیت‌های بار فضایی بسیار کند باشد. روش‌های سریع‌تری وجود خواهد داشت. ما می‌توانیم ابتدا، شاید با نوعی فرآیند نوری، صفحه‌ای بسازیم که سوراخ‌هایی به شکل حروف داشته باشد. سپس یک قوس پشت سوراخ‌ها ایجاد کنیم و یون‌های فلزی را از طریق سوراخ‌ها بکشیم؛ سپس می‌توانیم دوباره از سیستم لنزهای خود استفاده کنیم و یک تصویر کوچک به شکل یون‌ها بسازیم که فلز را روی پین رسوب می‌دهد.

یک راه ساده‌تر می‌تواند این باشد (هرچند مطمئن نیستم که جواب بدهد): ما نور را می‌گیریم و از طریق یک میکروسکوپ نوری که به صورت معکوس کار می‌کند، آن را روی یک صفحه فوتوالکتریک بسیار کوچک متمرکز می‌کنیم. سپس الکترون‌ها از صفحه‌ای که نور به آن تابیده می‌شود، دور می‌شوند. این الکترون‌ها توسط لنزهای میکروسکوپ الکترونی از نظر اندازه کوچک می‌شوند تا مستقیماً به سطح فلز برخورد کنند. آیا چنین پرتویی اگر به اندازه کافی طولانی باشد، فلز را از بین می‌برد؟ نمی‌دانم. اگر برای سطح فلز کار نمی‌کند، باید بتوان سطحی پیدا کرد که پین ​​اصلی را با آن پوشاند تا در جایی که الکترون‌ها بمباران می‌شوند، تغییری ایجاد شود که بعداً بتوانیم آن را تشخیص دهیم.

در این دستگاه‌ها هیچ مشکل شدت نوری وجود ندارد – نه آن چیزی که در بزرگنمایی به آن عادت دارید، جایی که باید چند الکترون را بردارید و آنها را روی یک صفحه بزرگتر و بزرگتر پخش کنید؛ درست برعکس است. نوری که از یک صفحه می‌گیریم در یک ناحیه بسیار کوچک متمرکز می‌شود، بنابراین بسیار شدید است. چند الکترونی که از صفحه فوتوالکتریک می‌آیند، به یک ناحیه بسیار کوچک کوچک بزرگنمایی می‌شوند، بنابراین، آنها نیز بسیار شدید هستند. نمی‌دانم چرا این کار هنوز انجام نشده است!

این دایره‌المعارف بریتانیکا روی نوک یک سوزن است، اما بیایید تمام کتاب‌های جهان را در نظر بگیریم. کتابخانه کنگره تقریباً ۹ میلیون جلد کتاب دارد؛ کتابخانه موزه بریتانیا ۵ میلیون جلد کتاب دارد؛ همچنین ۵ میلیون جلد کتاب در کتابخانه ملی فرانسه وجود دارد. بدون شک نسخه‌های تکراری وجود دارد، بنابراین می‌توانیم بگوییم که حدود ۲۴ میلیون جلد کتاب مورد توجه در جهان وجود دارد.

چه اتفاقی می‌افتد اگر همه این‌ها را در مقیاسی که در موردش صحبت کردیم چاپ کنم؟ چقدر فضا لازم دارد؟ البته، به اندازه حدود یک میلیون سر سوزن فضا اشغال می‌کند، زیرا به جای اینکه فقط ۲۴ جلد دایره‌المعارف وجود داشته باشد، ۲۴ میلیون جلد وجود دارد. میلیون‌ها سر سوزن را می‌توان در مربعی با هزار سوزن در هر ضلع یا مساحتی حدود ۳ یارد مربع قرار داد. به عبارت دیگر، ماکت سیلیسی با روکش پلاستیکی به نازکی کاغذ که با آن کپی‌ها را تهیه کرده‌ایم، با تمام این اطلاعات، در مساحتی تقریباً به اندازه ۳۵ صفحه دایره‌المعارف قرار دارد. این تقریباً نصف صفحات موجود در این مجله است. تمام اطلاعاتی که تمام بشریت تا به حال در کتاب‌ها ثبت کرده است را می‌توان در یک جزوه در دست خود حمل کرد – و نه به صورت کد، بلکه به عنوان یک کپی ساده از تصاویر اصلی، حکاکی‌ها و هر چیز دیگری در مقیاس کوچک و بدون از دست دادن وضوح.

اگر به کتابدار ما در دانشگاه کلتک، در حالی که از ساختمانی به ساختمان دیگر می‌دود، بگویم که ده سال دیگر، تمام اطلاعاتی که او برای پیگیری آنها تلاش می‌کند – ۱۲۰۰۰۰ جلد کتاب، از کف تا سقف، کشوهای پر از کارت، انبارهای پر از کتاب‌های قدیمی‌تر – را می‌توان فقط در یک کارت کتابخانه نگهداری کرد، چه خواهد گفت! به عنوان مثال، وقتی دانشگاه برزیل متوجه شود که کتابخانه‌اش سوخته است، می‌توانیم با خط زدن یک نسخه از صفحه اصلی در عرض چند ساعت و ارسال آن در پاکتی نه بزرگتر و نه سنگین‌تر از هر نامه پستی هوایی معمولی، یک نسخه از هر کتاب موجود در کتابخانه‌مان را برای آنها ارسال کنیم؟

حالا، اسم این سخنرانی « در پایین فضای زیادی وجود دارد» است – نه فقط «در پایین فضای زیادی وجود دارد». چیزی که من نشان داده‌ام این است که فضا وجود دارد – اینکه می‌توانید اندازه چیزها را به روشی عملی کاهش دهید. حالا می‌خواهم نشان دهم که فضای زیادی وجود دارد . الان در مورد اینکه چگونه این کار را انجام خواهیم داد بحث نمی‌کنم، بلکه فقط در مورد آنچه که در اصل ممکن است صحبت می‌کنم – به عبارت دیگر، آنچه که طبق قوانین فیزیک ممکن است. من در حال اختراع ضد جاذبه نیستم، که روزی فقط در صورتی ممکن می‌شود که قوانین آن چیزی نباشند که ما فکر می‌کنیم. من به شما می‌گویم که اگر قوانین آن چیزی باشند که ما فکر می‌کنیم، چه کاری می‌توان انجام داد؛ ما این کار را صرفاً به این دلیل انجام نمی‌دهیم که هنوز به آن نرسیده‌ایم.

اطلاعات در مقیاس کوچک

فرض کنید به جای تلاش برای بازتولید مستقیم تصاویر و تمام اطلاعات به شکل فعلی، فقط محتوای اطلاعات را در قالبی از نقطه و خط تیره یا چیزی شبیه به آن، برای نمایش حروف مختلف بنویسیم. هر حرف نمایانگر شش یا هفت «بیت» اطلاعات است؛ یعنی برای هر حرف فقط به حدود شش یا هفت نقطه یا خط تیره نیاز دارید. حال، به جای نوشتن همه چیز، همانطور که قبلاً انجام دادم، روی سطح نوک یک سنجاق، قصد دارم از داخل ماده نیز استفاده کنم.

بیایید یک نقطه را با یک نقطه کوچک از یک فلز، خط تیره بعدی را با یک نقطه مجاور از فلز دیگر و غیره نمایش دهیم. برای احتیاط، فرض کنید که یک بیت اطلاعات به یک مکعب کوچک از اتم‌ها به ابعاد ۵ در ۵ در ۵ نیاز دارد – یعنی ۱۲۵ اتم. شاید به صد و چند اتم عجیب و غریب نیاز داشته باشیم تا مطمئن شویم که اطلاعات از طریق انتشار یا از طریق فرآیند دیگری از بین نمی‌روند.

من تعداد حروف موجود در دایره‌المعارف را تخمین زده‌ام و فرض کرده‌ام که هر یک از ۲۴ میلیون کتاب من به اندازه یک جلد دایره‌المعارف است و سپس محاسبه کرده‌ام که چند بیت اطلاعات وجود دارد (۱۰ ^{× ۱۵} ). برای هر بیت، ۱۰۰ اتم در نظر می‌گیرم. و معلوم می‌شود که تمام اطلاعاتی که انسان با دقت در تمام کتاب‌های جهان جمع‌آوری کرده است، می‌تواند به این شکل در مکعبی از ماده‌ای به عرض یک دویستم اینچ نوشته شود – که کوچکترین ذره غباری است که چشم انسان می‌تواند تشخیص دهد. بنابراین فضای زیادی در پایین وجود دارد! در مورد میکروفیلم به من نگویید!

این واقعیت – که می‌توان حجم عظیمی از اطلاعات را در فضایی بسیار کوچک حمل کرد – البته برای زیست‌شناسان کاملاً شناخته شده است و رازی را که قبل از اینکه ما همه این‌ها را به وضوح درک کنیم، وجود داشت، حل می‌کند. اینکه چگونه ممکن است در کوچکترین سلول، تمام اطلاعات لازم برای سازماندهی موجودی پیچیده مانند خودمان ذخیره شود. تمام این اطلاعات – چه چشمان قهوه‌ای داشته باشیم، چه اصلاً فکر کنیم، یا اینکه در جنین، استخوان فک ابتدا باید با یک سوراخ کوچک در کنار آن رشد کند تا بعداً یک عصب بتواند از طریق آن رشد کند – تمام این اطلاعات در بخش بسیار کوچکی از سلول به شکل مولکول‌های DNA با زنجیره بلند وجود دارد که در آن تقریباً 50 اتم برای یک بیت اطلاعات در مورد سلول استفاده می‌شود.

میکروسکوپ‌های الکترونی بهتر

اگر من یک کد با ابعاد ۵ در ۵ در ۵ اتم نوشته باشم، سوال این است: چگونه می‌توانم آن را امروز بخوانم؟ میکروسکوپ الکترونی به اندازه کافی خوب نیست، با بیشترین دقت و تلاش، فقط می‌تواند حدود ۱۰ آنگستروم را تفکیک کند. می‌خواهم سعی کنم در حالی که در مورد همه این موارد در مقیاس کوچک صحبت می‌کنم، اهمیت بهبود میکروسکوپ الکترونی را صد برابر به شما نشان دهم. این غیرممکن نیست؛ خلاف قوانین پراش الکترون نیست. طول موج الکترون در چنین میکروسکوپی فقط ۱/۲۰ آنگستروم است. بنابراین باید بتوان اتم‌های منفرد را دید. دیدن اتم‌های منفرد به طور واضح چه فایده‌ای دارد؟

ما دوستانی در زمینه‌های دیگر داریم – مثلاً در زیست‌شناسی. ما فیزیکدانان اغلب به آنها نگاه می‌کنیم و می‌گوییم: «می‌دانید دلیل اینکه شما رفقا اینقدر کم پیشرفت می‌کنید چیست؟» (در واقع من هیچ زمینه‌ای را نمی‌شناسم که در آن پیشرفت سریع‌تری نسبت به زیست‌شناسی امروز داشته باشند.) «شما باید از ریاضیات بیشتری استفاده کنید، همانطور که ما انجام می‌دهیم.» آنها می‌توانند به ما پاسخ دهند – اما مودب هستند، بنابراین من به جای آنها پاسخ می‌دهم: «کاری که شما باید انجام دهید تا ما سریع‌تر پیشرفت کنیم این است که میکروسکوپ الکترونی را ۱۰۰ برابر بهتر کنید.»

محوری‌ترین و اساسی‌ترین مسائل زیست‌شناسی امروز چیست؟ آن‌ها سوالاتی مانند: توالی بازها در DNA چیست؟ وقتی جهش رخ می‌دهد چه اتفاقی می‌افتد؟ ترتیب بازها در DNA چگونه به ترتیب اسیدهای آمینه در پروتئین مرتبط است؟ ساختار RNA چیست؟ آیا تک زنجیره‌ای است یا دو زنجیره‌ای، و ترتیب بازهای آن چگونه با DNA مرتبط است؟ سازماندهی میکروزوم‌ها چگونه است؟ پروتئین‌ها چگونه سنتز می‌شوند؟ RNA کجا می‌رود؟ چگونه قرار می‌گیرد؟ پروتئین‌ها کجا قرار می‌گیرند؟ اسیدهای آمینه کجا وارد می‌شوند؟ در فتوسنتز، کلروفیل کجاست؟ چگونه مرتب می‌شود؟ کاروتنوئیدها در کجا در این فرآیند دخیل هستند؟ سیستم تبدیل نور به انرژی شیمیایی چیست؟

پاسخ به بسیاری از این سؤالات اساسی زیست‌شناسی بسیار آسان است؛ فقط کافی است به آن نگاه کنید! ترتیب بازها را در زنجیره خواهید دید؛ ساختار میکروزوم را خواهید دید. متأسفانه، میکروسکوپ فعلی در مقیاسی می‌بیند که کمی بیش از حد خام است. اگر میکروسکوپ را صد برابر قدرتمندتر کنید، بسیاری از مسائل زیست‌شناسی بسیار آسان‌تر می‌شوند. البته من اغراق می‌کنم، اما زیست‌شناسان مطمئناً از شما بسیار سپاسگزار خواهند بود – و آنها این را به انتقاد از اینکه باید از ریاضیات بیشتری استفاده کنند، ترجیح می‌دهند.

نظریه فرآیندهای شیمیایی امروزه مبتنی بر فیزیک نظری است. از این نظر، فیزیک پایه و اساس شیمی را تشکیل می‌دهد. اما شیمی نیز تجزیه و تحلیل دارد. اگر ماده عجیبی دارید و می‌خواهید بدانید که چیست، باید از یک فرآیند طولانی و پیچیده تجزیه و تحلیل شیمیایی عبور کنید. امروزه تقریباً می‌توانید هر چیزی را تجزیه و تحلیل کنید، بنابراین من کمی با ایده‌ام دیر کردم. اما اگر فیزیکدانان می‌خواستند، می‌توانستند در مسئله تجزیه و تحلیل شیمیایی، شیمیدانان را نیز زیر سوال ببرند. تجزیه و تحلیل هر ماده شیمیایی پیچیده بسیار آسان خواهد بود. تنها کاری که باید انجام داد این است که به آن نگاه کرد و دید که اتم‌ها کجا هستند. تنها مشکل این است که میکروسکوپ الکترونی صد برابر ضعیف است. (بعداً می‌خواهم این سؤال را بپرسم: آیا فیزیکدانان می‌توانند در مورد مسئله سوم شیمی – یعنی سنتز – کاری انجام دهند؟ آیا روش فیزیکی برای سنتز هر ماده شیمیایی وجود دارد؟)

دلیل اینکه میکروسکوپ الکترونی اینقدر ضعیف است این است که مقدار f- لنزها فقط ۱ قسمت در ۱۰۰۰ است؛ شما دیافراگم عددی به اندازه کافی بزرگ ندارید. و من می‌دانم که قضایایی وجود دارد که ثابت می‌کند با لنزهای میدان ثابت متقارن محوری، تولید مقدار f بزرگتر از فلان و بهمان غیرممکن است؛ و بنابراین قدرت تفکیک در حال حاضر در حداکثر نظری خود است. اما در هر قضیه فرضیاتی وجود دارد. چرا میدان باید متقارن محوری باشد؟ چرا میدان باید ثابت باشد؟ آیا نمی‌توانیم پرتوهای الکترونی پالسی در میدان‌هایی داشته باشیم که همراه با الکترون‌ها به سمت بالا حرکت می‌کنند؟ آیا میدان باید متقارن باشد؟ من این را به عنوان یک چالش مطرح می‌کنم: آیا راهی برای قدرتمندتر کردن میکروسکوپ الکترونی وجود ندارد؟

سیستم بیولوژیکی شگفت‌انگیز

مثال بیولوژیکی نوشتن اطلاعات در مقیاس کوچک، مرا به فکر کردن به چیزی که باید امکان‌پذیر باشد، الهام بخشیده است. زیست‌شناسی صرفاً نوشتن اطلاعات نیست؛ بلکه انجام کاری در مورد آن است. یک سیستم بیولوژیکی می‌تواند بسیار کوچک باشد. بسیاری از سلول‌ها بسیار ریز هستند، اما بسیار فعال هستند؛ مواد مختلفی تولید می‌کنند؛ راه می‌روند؛ تکان می‌خورند؛ و انواع کارهای شگفت‌انگیز را انجام می‌دهند – همه در مقیاس بسیار کوچک. همچنین، آنها اطلاعات را ذخیره می‌کنند. این احتمال را در نظر بگیرید که ما نیز می‌توانیم چیزی بسیار کوچک بسازیم که کاری را که می‌خواهیم انجام دهد – اینکه می‌توانیم جسمی بسازیم که در آن سطح مانور دهد!

حتی ممکن است یک نکته اقتصادی در این کارِ بسیار کوچک کردن چیزها وجود داشته باشد. بگذارید برخی از مشکلات ماشین‌های محاسباتی را به شما یادآوری کنم. در کامپیوترها باید حجم عظیمی از اطلاعات را ذخیره کنیم. نوع نوشتاری که قبلاً به آن اشاره کردم، که در آن همه چیز را به صورت توزیعی از فلز روی کاغذ داشتم، دائمی است. برای یک کامپیوتر، روشی برای نوشتن، پاک کردن و نوشتن چیز دیگری بسیار جالب‌تر است. (این معمولاً به این دلیل است که ما نمی‌خواهیم مطالبی را که تازه روی آن نوشته‌ایم هدر دهیم. با این حال، اگر می‌توانستیم آن را در فضای بسیار کوچکی بنویسیم، هیچ تفاوتی ایجاد نمی‌کرد؛ می‌توانستیم آن را پس از خواندن دور بیندازیم. هزینه زیادی برای این مطالب ندارد).

کوچک‌سازی کامپیوتر

من نمی‌دانم چگونه می‌توان این کار را در مقیاس کوچک و به صورت عملی انجام داد، اما می‌دانم که ماشین‌های محاسباتی بسیار بزرگ هستند؛ آنها اتاق‌ها را پر می‌کنند. چرا نمی‌توانیم آنها را بسیار کوچک بسازیم، آنها را از سیم‌های کوچک، عناصر کوچک بسازیم – و منظور من از کوچک، کوچک است . به عنوان مثال، سیم‌ها باید 10 یا 100 اتم قطر داشته باشند و مدارها باید چند هزار آنگستروم عرض داشته باشند. هر کسی که نظریه منطقی کامپیوترها را تجزیه و تحلیل کرده است، به این نتیجه رسیده است که امکانات کامپیوترها بسیار جالب است – اگر بتوان آنها را چندین برابر پیچیده‌تر کرد. اگر میلیون‌ها برابر عناصر بیشتری داشتند، می‌توانستند قضاوت کنند. آنها وقت داشتند تا محاسبه کنند که بهترین راه برای انجام محاسبه‌ای که قرار است انجام دهند چیست. آنها می‌توانستند روش تجزیه و تحلیل را انتخاب کنند که از تجربه آنها بهتر از روشی باشد که ما به آنها می‌دهیم. و از بسیاری جهات دیگر، آنها ویژگی‌های کیفی جدیدی خواهند داشت.

اگر به صورت شما نگاه کنم، فوراً تشخیص می‌دهم که قبلاً آن را دیده‌ام. (در واقع، دوستانم خواهند گفت که من یک مثال بدشانس را برای موضوع این تصویر انتخاب کرده‌ام. حداقل من تشخیص می‌دهم که این یک انسان است و نه یک سیب .) با این حال، هیچ دستگاهی وجود ندارد که با آن سرعت بتواند از یک چهره عکس بگیرد و حتی بگوید که یک انسان است؛ و چه برسد به اینکه همان مردی باشد که قبلاً نشان دادید – مگر اینکه دقیقاً همان تصویر باشد. اگر چهره تغییر کند؛ اگر به چهره نزدیک‌تر باشم؛ اگر از چهره دورتر باشم؛ اگر نور تغییر کند – به هر حال آن را تشخیص می‌دهم. حال، این کامپیوتر کوچکی که در سرم دارم به راحتی قادر به انجام این کار است. کامپیوترهایی که ما می‌سازیم قادر به انجام این کار نیستند. تعداد عناصر موجود در این جعبه استخوان من بسیار بیشتر از تعداد عناصر موجود در کامپیوترهای “فوق‌العاده” ما است. اما کامپیوترهای مکانیکی ما خیلی بزرگ هستند؛ عناصر موجود در این جعبه میکروسکوپی هستند. من می‌خواهم برخی از آنها را زیر میکروسکوپی بسازم.

اگر می‌خواستیم کامپیوتری بسازیم که همه این توانایی‌های کیفی فوق‌العاده شگفت‌انگیز را داشته باشد، شاید باید آن را به اندازه پنتاگون می‌ساختیم. این کار چندین عیب دارد. اولاً، به مواد زیادی نیاز دارد؛ ممکن است ژرمانیوم کافی در جهان برای همه ترانزیستورهایی که باید در این چیز عظیم قرار داده شوند، وجود نداشته باشد. همچنین مشکل تولید گرما و مصرف برق وجود دارد؛ برای راه‌اندازی کامپیوتر به TVA نیاز خواهد بود. اما یک مشکل عملی‌تر این است که کامپیوتر به سرعت خاصی محدود می‌شود. به دلیل اندازه بزرگ آن، زمان محدودی برای انتقال اطلاعات از یک مکان به مکان دیگر لازم است. اطلاعات نمی‌توانند سریع‌تر از سرعت نور حرکت کنند – بنابراین، در نهایت، وقتی کامپیوترهای ما سریع‌تر و سریع‌تر و پیچیده‌تر می‌شوند، باید آنها را کوچک‌تر و کوچک‌تر کنیم.

اما جای زیادی برای کوچک‌تر کردن آنها وجود دارد. من هیچ چیزی در قوانین فیزیکی نمی‌بینم که بگوید عناصر کامپیوتر را نمی‌توان بسیار کوچک‌تر از آنچه اکنون هستند ساخت. در واقع، ممکن است مزایای خاصی وجود داشته باشد.

کوچک‌سازی با تبخیر

چگونه می‌توانیم چنین دستگاهی بسازیم؟ از چه نوع فرآیندهای تولیدی استفاده خواهیم کرد؟ از آنجایی که در مورد نوشتن با قرار دادن اتم‌ها در یک چیدمان خاص صحبت کرده‌ایم، یک امکان که می‌توانیم در نظر بگیریم، تبخیر ماده، سپس تبخیر عایق کنار آن است. سپس، برای لایه بعدی، موقعیت دیگری از یک سیم، یک عایق دیگر و غیره را تبخیر کنید. بنابراین، شما به سادگی تبخیر می‌کنید تا زمانی که یک بلوک از مواد داشته باشید که عناصر – سیم‌پیچ‌ها و خازن‌ها، ترانزیستورها و غیره – با ابعاد بسیار ریز دارند.

اما من می‌خواهم، صرفاً برای سرگرمی، در مورد احتمالات دیگری بحث کنم. چرا نمی‌توانیم این کامپیوترهای کوچک را تا حدودی مانند کامپیوترهای بزرگ تولید کنیم؟ چرا نمی‌توانیم سوراخ کنیم، چیزها را برش دهیم، لحیم کنیم، مهر بزنیم، شکل‌های مختلف را در سطح بی‌نهایت کوچک قالب‌گیری کنیم؟ محدودیت‌های کوچک بودن یک چیز قبل از اینکه دیگر نتوانید آن را قالب‌گیری کنید چیست؟ چند بار وقتی روی چیزی بسیار کوچک مانند ساعت مچی همسرتان کار می‌کنید، به خودتان گفته‌اید: “کاش می‌توانستم یک مورچه را برای انجام این کار آموزش دهم!” چیزی که می‌خواهم پیشنهاد کنم امکان آموزش یک مورچه برای آموزش یک کنه برای انجام این کار است. احتمالات ماشین‌های کوچک اما متحرک چیست؟ آنها ممکن است مفید باشند یا نباشند، اما مطمئناً ساختن آنها سرگرم‌کننده خواهد بود.

هر ماشینی را در نظر بگیرید – مثلاً یک اتومبیل – و در مورد مشکلات ساخت یک ماشین بی‌نهایت کوچک مانند آن بپرسید. فرض کنید در طراحی خاص اتومبیل، به دقت خاصی در قطعات نیاز داریم؛ مثلاً به دقتی در حدود ۴/۱۰۰۰۰ اینچ نیاز داریم. اگر شکل سیلندر و غیره از این دقیق‌تر باشد، خیلی خوب کار نخواهد کرد. اگر آن چیز را خیلی کوچک بسازم، باید نگران اندازه اتم‌ها باشم. اگر دایره خیلی کوچک باشد، نمی‌توانم از «گوی‌ها» دایره بسازم. بنابراین، اگر خطای مربوط به ۴/۱۰۰۰۰ اینچ را معادل خطای ۱۰ اتم قرار دهم، می‌توانم ابعاد یک اتومبیل را تقریباً ۴۰۰۰ بار کاهش دهم – به طوری که قطر آن ۱ میلی‌متر شود. بدیهی است که اگر ماشین را طوری طراحی مجدد کنید که با تلرانس بسیار بزرگتری کار کند، که اصلاً غیرممکن نیست، می‌توانید وسیله‌ای بسیار کوچکتر بسازید.

جالب است که بررسی کنیم مشکلات چنین ماشین‌های کوچکی چیست. اولاً، با اعمال تنش یکسان بر قطعات، نیروها متناسب با مساحتی که کاهش می‌دهید، تغییر می‌کنند، به طوری که مواردی مانند وزن و اینرسی اهمیت نسبی ندارند. به عبارت دیگر، استحکام ماده به نسبت بسیار بیشتری است. به عنوان مثال، تنش‌ها و انبساط چرخ طیار ناشی از نیروی گریز از مرکز، تنها در صورتی به همان نسبت افزایش می‌یابد که سرعت چرخش به همان نسبت کاهش اندازه افزایش یابد. از سوی دیگر، فلزاتی که ما استفاده می‌کنیم ساختار دانه‌ای دارند و این در مقیاس کوچک بسیار آزاردهنده خواهد بود زیرا ماده همگن نیست. پلاستیک و شیشه و چیزهایی از این نوع آمورف بسیار همگن‌تر هستند و بنابراین باید ماشین‌های خود را از چنین موادی بسازیم.

مشکلاتی در رابطه با بخش الکتریکی سیستم وجود دارد – با سیم‌های مسی و قطعات مغناطیسی. خواص مغناطیسی در مقیاس بسیار کوچک با خواص آن در مقیاس بزرگ یکسان نیست؛ مشکل “دامنه” مطرح است. یک آهنربای بزرگ ساخته شده از میلیون‌ها دامنه، فقط می‌تواند در مقیاس کوچک با یک دامنه ساخته شود. تجهیزات الکتریکی به سادگی کوچک نمی‌شوند؛ باید دوباره طراحی شوند. اما من دلیلی نمی‌بینم که چرا نمی‌توان آن را دوباره طراحی کرد تا دوباره کار کند.

مشکلات روغن کاری

روانکاری شامل نکات جالبی است. ویسکوزیته مؤثر روغن به نسبت کاهش سرعت (و اگر سرعت را تا حد امکان افزایش دهیم) بیشتر و بیشتر می‌شود. اگر سرعت را خیلی زیاد افزایش ندهیم و از روغن به نفت سفید یا سیال دیگری تغییر دهیم، مشکل چندان جدی نیست. اما در واقع ممکن است اصلاً نیازی به روانکاری نداشته باشیم! نیروی اضافی زیادی داریم. بگذارید یاتاقان‌ها خشک کار کنند؛ آنها داغ نمی‌شوند زیرا گرما خیلی خیلی سریع از چنین وسیله کوچکی خارج می‌شود.

این اتلاف سریع گرما مانع از انفجار بنزین می‌شود، بنابراین ساخت موتور احتراق داخلی غیرممکن است. می‌توان از واکنش‌های شیمیایی دیگری که در سرما انرژی آزاد می‌کنند، استفاده کرد. احتمالاً یک منبع تغذیه الکتریکی خارجی برای چنین ماشین‌های کوچکی مناسب‌ترین گزینه خواهد بود.

فایده‌ی چنین ماشین‌هایی چه خواهد بود؟ چه کسی می‌داند؟ البته، یک ماشین کوچک فقط برای رانندگی این موجودات کوچک مفید خواهد بود، و گمان می‌کنم علایق مسیحی ما تا آن حد پیش نمی‌رود. با این حال، ما به امکان ساخت قطعات کوچک برای کامپیوترها در کارخانه‌های کاملاً اتوماتیک، شامل ماشین‌های تراش و سایر ابزارهای ماشینی در سطح بسیار کوچک، توجه داشتیم. ماشین تراش کوچک لزوماً نباید دقیقاً شبیه ماشین تراش بزرگ ما باشد. من بهبود طراحی را به تخیل شما واگذار می‌کنم تا از خواص چیزها در مقیاس کوچک نهایت استفاده را ببرد، و به گونه‌ای که جنبه‌ی کاملاً اتوماتیک آن به راحتی قابل مدیریت باشد.

یکی از دوستان من (آلبرت آر. هیبس) یک امکان بسیار جالب برای ماشین‌های نسبتاً کوچک پیشنهاد می‌دهد. او می‌گوید اگرچه این ایده بسیار عجیب و غریب است، اما اگر بتوانید جراح را قورت دهید، در جراحی جالب خواهد بود. شما جراح مکانیکی را داخل رگ خونی قرار می‌دهید و او به قلب می‌رود و اطراف را “نگاه” می‌کند. (البته اطلاعات باید به بیرون داده شود.) او متوجه می‌شود که کدام دریچه معیوب است و یک چاقوی کوچک برمی‌دارد و آن را برش می‌دهد. ماشین‌های کوچک دیگری نیز ممکن است به طور دائمی در بدن تعبیه شوند تا به برخی از اندام‌های دارای عملکرد ناکافی کمک کنند.

حالا سوال جالب پیش می‌آید: چطور می‌توانیم چنین مکانیزم کوچکی بسازیم؟ این را به شما واگذار می‌کنم. با این حال، اجازه دهید یک احتمال عجیب را مطرح کنم. می‌دانید، در نیروگاه‌های انرژی اتمی، مواد و ماشین‌هایی دارند که نمی‌توانند مستقیماً با آنها کار کنند زیرا رادیواکتیو شده‌اند. برای باز کردن مهره‌ها و بستن پیچ‌ها و غیره، مجموعه‌ای از دست‌های ارباب و برده دارند، به طوری که با به کار انداختن مجموعه‌ای از اهرم‌ها در اینجا، شما «دست‌ها» را در آنجا کنترل می‌کنید و می‌توانید آنها را به این طرف و آن طرف بچرخانید تا بتوانید کارها را به خوبی انجام دهید.

بیشتر این دستگاه‌ها در واقع نسبتاً ساده ساخته می‌شوند، به این صورت که یک کابل خاص، مانند نخ عروسک خیمه‌شب‌بازی، وجود دارد که مستقیماً از کنترل‌ها به «دست‌ها» متصل می‌شود. اما، البته، چیزهایی نیز با استفاده از موتورهای سروو ساخته شده‌اند، به طوری که اتصال بین یک چیز و چیز دیگر الکتریکی است نه مکانیکی. وقتی اهرم‌ها را می‌چرخانید، آنها یک موتور سروو را می‌چرخانند و جریان‌های الکتریکی را در سیم‌ها تغییر می‌دهند که باعث تغییر موقعیت یک موتور در انتهای دیگر می‌شود.

حالا، من می‌خواهم تقریباً همان دستگاه را بسازم – یک سیستم ارباب-برده که به صورت الکتریکی کار می‌کند. اما می‌خواهم بردگان به طور خاص توسط ماشین‌کاران مدرن در مقیاس بزرگ با دقت ساخته شوند تا در مقیاس یک چهارم «دسته‌ها»یی باشند که معمولاً با آنها کار می‌کنید. بنابراین شما طرحی دارید که با آن می‌توانید کارها را در مقیاس یک چهارم انجام دهید – موتورهای سروو کوچک با دست‌های کوچک با مهره‌ها و پیچ‌های کوچک بازی می‌کنند؛ سوراخ‌های کوچکی ایجاد می‌کنند؛ آنها چهار برابر کوچکتر هستند. آهان! بنابراین من یک ماشین تراش با اندازه یک چهارم می‌سازم؛ من ابزارهایی با اندازه یک چهارم می‌سازم؛ و در مقیاس یک چهارم، باز هم یک مجموعه دست دیگر می‌سازم که باز هم نسبتاً یک چهارم هستند! از نظر من، این اندازه یک شانزدهم است. و بعد از اینکه این کار را تمام کردم، مستقیماً از سیستم در مقیاس بزرگم، شاید از طریق ترانسفورماتورها، به موتورهای سروو با اندازه یک شانزدهم سیم‌کشی می‌کنم. بنابراین اکنون می‌توانم دست‌های با اندازه یک شانزدهم را دستکاری کنم.

خب، از اینجا به بعد اصل مطلب را متوجه می‌شوید. این یک برنامه نسبتاً دشوار است، اما امکان‌پذیر است. می‌توان گفت که می‌توان در یک مرحله خیلی بیشتر از یک تا چهار مرحله پیش رفت. البته، همه اینها باید با دقت طراحی شوند و لازم نیست صرفاً شبیه دست باشند. اگر خیلی با دقت به آن فکر کنید، احتمالاً می‌توانید به سیستم بسیار بهتری برای انجام چنین کارهایی برسید.

اگر حتی امروزه از طریق یک پانتوگراف کار کنید، می‌توانید حتی در یک مرحله، خیلی بیشتر از ضریب چهار را به دست آورید. اما نمی‌توانید مستقیماً از طریق یک پانتوگراف کار کنید که یک پانتوگراف کوچکتر می‌سازد و آن هم پانتوگراف کوچکتری می‌سازد – به دلیل شل بودن سوراخ‌ها و بی‌نظمی‌های ساخت. انتهای پانتوگراف با بی‌نظمی نسبتاً بیشتری نسبت به بی‌نظمی که با آن دستان خود را حرکت می‌دهید، تکان می‌خورد. با پایین آمدن در این مقیاس، متوجه می‌شوم که انتهای پانتوگراف در انتهای پانتوگراف در انتهای پانتوگراف آنقدر بد می‌لرزد که اصلاً هیچ کار معقولی انجام نمی‌دهد.

در هر مرحله، لازم است دقت دستگاه بهبود یابد. برای مثال، اگر با ساخت یک دستگاه تراش کوچک با پانتوگراف، پیچ سربی آن را نامنظم – نامنظم‌تر از نمونه بزرگ – بیابیم، می‌توانیم پیچ سربی را روی مهره‌های شکستنی که می‌توانید به روش معمول به عقب و جلو بچرخانید، قرار دهیم تا این پیچ سربی، در مقیاس خود، به اندازه پیچ‌های سربی اصلی ما، در مقیاس ما، دقیق باشد.

ما می‌توانیم با مالیدن سطوح ناهموار به صورت سه‌تایی – در سه جفت – سطوح مسطح بسازیم و سپس این سطوح مسطح‌تر از چیزی می‌شوند که با آن شروع کرده‌اید. بنابراین، بهبود دقت در مقیاس کوچک با عملیات صحیح غیرممکن نیست. بنابراین، وقتی این چیزها را می‌سازیم، لازم است در هر مرحله با کار کردن برای مدتی در آنجا، ساخت پیچ‌های دقیق، بلوک‌های یوهانسن و تمام مواد دیگری که در کارهای دقیق ماشینی در سطح بالاتر استفاده می‌کنیم، دقت تجهیزات را بهبود بخشیم. ما باید در هر سطح متوقف شویم و تمام مواد را برای رفتن به سطح بعدی تولید کنیم – یک برنامه بسیار طولانی و بسیار دشوار. شاید بتوانید راه بهتری برای رسیدن سریع‌تر به مقیاس کوچک پیدا کنید.

با این حال، بعد از همه این‌ها، شما فقط یک ماشین تراش کوچک چهار هزار برابر کوچک‌تر از حد معمول دارید. اما ما به ساخت یک کامپیوتر عظیم فکر می‌کردیم که قرار بود با ایجاد سوراخ‌هایی روی این ماشین تراش برای ساخت واشرهای کوچک برای کامپیوتر، آن را بسازیم. چند واشر می‌توانید با این یک ماشین تراش بسازید؟

صد دست کوچک

وقتی اولین مجموعه از «دست‌های» کمکی‌ام را در مقیاس یک‌چهارم بسازم، ده مجموعه خواهم ساخت. ده مجموعه از «دست‌ها» را می‌سازم و آنها را به اهرم‌های اصلی‌ام سیم‌کشی می‌کنم تا هر کدام دقیقاً همان کار را همزمان و به صورت موازی انجام دهند. حالا، وقتی دستگاه‌های جدیدم را دوباره به اندازه یک‌چهارم می‌سازم، اجازه می‌دهم هر کدام ده کپی تولید کنند، به این ترتیب صد «دست» در اندازه ۱/۱۶ خواهم داشت.

کجا قرار است میلیون‌ها تراشی که قرار است داشته باشم را بگذارم؟ خب، هیچ چیز خاصی ندارد؛ حجم آن بسیار کمتر از حتی یک تراش در مقیاس کامل است. برای مثال، اگر من یک میلیارد تراش کوچک بسازم، هر کدام به اندازه یک چهارهزارم مقیاس یک تراش معمولی، مواد و فضای زیادی در دسترس خواهد بود زیرا در میلیاردها تراش کوچک کمتر از ۲ درصد مواد موجود در یک تراش بزرگ وجود دارد.

می‌بینی، هیچ هزینه‌ای برای مواد اولیه ندارد. بنابراین می‌خواهم یک میلیارد کارخانه کوچک بسازم، مدل‌هایی از یکدیگر، که همزمان تولید می‌کنند، سوراخ‌کاری می‌کنند، قطعات را پرس می‌کنند و غیره.

همانطور که اندازه را کوچک می‌کنیم، تعدادی مشکل جالب پیش می‌آید. همه چیز به سادگی به یک نسبت کوچک نمی‌شود. مشکلی وجود دارد که مواد توسط جاذبه‌های مولکولی (واندروالسی) به هم می‌چسبند. این به این صورت خواهد بود: بعد از اینکه یک قطعه را ساختید و مهره را از پیچ باز کردید، به پایین نمی‌افتد زیرا گرانش قابل توجه نیست؛ حتی جدا کردن آن از پیچ نیز دشوار خواهد بود. مانند فیلم‌های قدیمی مردی است که با دستان پر از ملاس سعی می‌کند از شر یک لیوان آب خلاص شود. چندین مشکل از این نوع وجود خواهد داشت که باید برای طراحی آنها آماده باشیم.

بازآرایی اتم‌ها

اما من از بررسی سوال نهایی که آیا در نهایت – در آینده‌ای دور – می‌توانیم اتم‌ها را آنطور که می‌خواهیم بچینیم، نمی‌ترسم؛ خود اتم‌ها ، تا پایین! چه اتفاقی می‌افتد اگر بتوانیم اتم‌ها را یکی یکی آنطور که می‌خواهیم بچینیم (البته در حد معقول؛ مثلاً نمی‌توانید آنها را طوری قرار دهید که از نظر شیمیایی ناپایدار باشند).

تاکنون، ما به حفاری زمین برای یافتن مواد معدنی بسنده کرده‌ایم. آنها را گرم می‌کنیم و کارهایی را در مقیاس بزرگ با آنها انجام می‌دهیم و امیدواریم که به ماده‌ای خالص با مقدار مشخصی ناخالصی و غیره دست یابیم. اما همیشه باید نوعی آرایش اتمی را که طبیعت به ما می‌دهد بپذیریم. ما چیزی، مثلاً با آرایش «شطرنجی»، که اتم‌های ناخالصی دقیقاً با فاصله ۱۰۰۰ آنگستروم از هم قرار گرفته باشند، یا با الگوی خاص دیگری، نداشته‌ایم.

با ساختارهای لایه‌ای با لایه‌های مناسب چه کاری می‌توانیم انجام دهیم؟ اگر واقعاً می‌توانستیم اتم‌ها را آنطور که می‌خواهیم بچینیم، خواص مواد چه می‌شد؟ بررسی آنها از نظر تئوری بسیار جالب خواهد بود. دقیقاً نمی‌توانم تصور کنم چه اتفاقی می‌افتد، اما به سختی می‌توانم شک کنم که وقتی کنترلی بر چیدمان چیزها در مقیاس کوچک داشته باشیم، طیف بسیار وسیع‌تری از خواص ممکن که مواد می‌توانند داشته باشند و کارهای مختلفی که می‌توانیم انجام دهیم، به دست خواهیم آورد.

برای مثال، قطعه‌ای از ماده را در نظر بگیرید که در آن کویل‌ها و کندانسورهای کوچکی (یا نمونه‌های حالت جامد آنها) با طول موج ۱۰۰۰ یا ۱۰۰۰۰ آنگستروم در یک مدار، یکی درست کنار دیگری، در یک منطقه بزرگ، با آنتن‌های کوچکی که در انتهای دیگر قرار دارند – یک سری کامل از مدارها – می‌سازیم. آیا مثلاً می‌توان از مجموعه‌ای کامل از آنتن‌ها نور ساطع کرد، همانطور که امواج رادیویی را از مجموعه‌ای منظم از آنتن‌ها ساطع می‌کنیم تا برنامه‌های رادیویی را به اروپا ارسال کنیم؟ همین امر به معنای تابش نور در یک جهت مشخص با شدت بسیار بالا است. (شاید چنین پرتویی از نظر فنی یا اقتصادی خیلی مفید نباشد.)

من در مورد برخی از مشکلات ساخت مدارهای الکتریکی در مقیاس کوچک فکر کرده‌ام و مشکل مقاومت جدی است. اگر یک مدار متناظر را در مقیاس کوچک بسازید، فرکانس طبیعی آن افزایش می‌یابد، زیرا طول موج با مقیاس کاهش می‌یابد؛ اما عمق پوست فقط با جذر نسبت مقیاس کاهش می‌یابد و بنابراین مسائل مقاومتی دشوارتر می‌شوند. احتمالاً می‌توانیم با استفاده از ابررسانایی، اگر فرکانس خیلی زیاد نباشد، یا با ترفندهای دیگر، بر مقاومت غلبه کنیم.

اتم‌ها در جهانی کوچک

وقتی به دنیای خیلی خیلی کوچک – مثلاً مدارهایی با هفت اتم – می‌رسیم، اتفاقات جدید زیادی رخ می‌دهد که نشان‌دهنده فرصت‌های کاملاً جدیدی برای طراحی است. اتم‌ها در مقیاس کوچک مانند هیچ چیز در مقیاس بزرگ رفتار نمی‌کنند، زیرا آنها قوانین مکانیک کوانتومی را برآورده می‌کنند. بنابراین، وقتی به پایین می‌رویم و با اتم‌ها در آنجا سر و کله می‌زنیم، با قوانین متفاوتی کار می‌کنیم و می‌توانیم انتظار داشته باشیم که کارهای متفاوتی انجام دهیم. می‌توانیم به روش‌های مختلفی تولید کنیم. می‌توانیم نه تنها از مدارها، بلکه از سیستم‌هایی که شامل سطوح انرژی کوانتیزه یا برهمکنش‌های اسپین‌های کوانتیزه و غیره هستند، استفاده کنیم.

نکته‌ی دیگری که متوجه خواهیم شد این است که اگر به اندازه‌ی کافی به پایین برویم، تمام دستگاه‌های ما می‌توانند به تولید انبوه برسند تا کپی‌های کاملاً بی‌نقصی از یکدیگر باشند. ما نمی‌توانیم دو ماشین بزرگ بسازیم که ابعادشان دقیقاً یکسان باشد. اما اگر ماشین شما فقط ۱۰۰ اتم ارتفاع دارد، فقط باید آن را تا نیم درصد درست تنظیم کنید تا مطمئن شوید ماشین دیگر دقیقاً به همان اندازه است – یعنی ۱۰۰ اتم ارتفاع دارد!

در سطح اتمی، ما انواع جدیدی از نیروها و انواع جدیدی از امکانات، انواع جدیدی از اثرات را داریم. مشکلات تولید و تکثیر مواد کاملاً متفاوت خواهد بود. همانطور که گفتم، من از پدیده‌های بیولوژیکی الهام می‌گیرم که در آنها نیروهای شیمیایی به صورت تکراری برای تولید انواع اثرات عجیب و غریب استفاده می‌شوند (که یکی از آنها نویسنده است).

تا جایی که من می‌دانم، اصول فیزیک مخالف امکان مانور اتم به اتم اشیا نیستند. این تلاشی برای نقض هیچ قانونی نیست؛ در اصل، کاری است که می‌توان انجام داد؛ اما در عمل، به دلیل بزرگی بیش از حد ما، این کار انجام نشده است.

در نهایت، ما می‌توانیم سنتز شیمیایی انجام دهیم. یک شیمیدان پیش ما می‌آید و می‌گوید: «ببینید، من مولکولی می‌خواهم که اتم‌هایش به این شکل و به آن شکل چیده شده باشند؛ آن مولکول را برای من بسازید.» شیمیدان وقتی می‌خواهد مولکولی بسازد، کار مرموزی انجام می‌دهد. او می‌بیند که آن حلقه را دارد، بنابراین این و آن را مخلوط می‌کند، آن را تکان می‌دهد و ور می‌رود. و در پایان یک فرآیند دشوار، معمولاً در سنتز آنچه می‌خواهد موفق می‌شود. تا زمانی که دستگاه‌هایم را به کار بیندازم، تا بتوانیم آن را با فیزیک انجام دهیم، او فهمیده است که چگونه هر چیزی را سنتز کند، بنابراین این واقعاً بی‌فایده خواهد بود.

اما جالب است که در اصل، (به نظر من) برای یک فیزیکدان ممکن است که هر ماده شیمیایی را که شیمیدان می‌نویسد، سنتز کند. دستور بدهید و فیزیکدان آن را سنتز می‌کند. چگونه؟ اتم‌ها را در جایی که شیمیدان می‌گوید قرار دهید و به این ترتیب ماده ساخته می‌شود. اگر توانایی ما در دیدن آنچه انجام می‌دهیم و انجام کارها در سطح اتمی در نهایت توسعه یابد – توسعه‌ای که فکر می‌کنم نمی‌توان از آن اجتناب کرد – می‌توان به مشکلات شیمی و زیست‌شناسی کمک زیادی کرد.

حالا، ممکن است بگویید، «چه کسی باید این کار را انجام دهد و چرا باید این کار را انجام دهند؟» خب، من به چند مورد از کاربردهای اقتصادی اشاره کردم، اما می‌دانم دلیل انجام این کار ممکن است فقط برای سرگرمی باشد. اما کمی خوش بگذرانید! بیایید یک رقابت بین آزمایشگاه‌ها داشته باشیم. بگذارید یک آزمایشگاه یک موتور کوچک بسازد که آن را به آزمایشگاه دیگری بفرستد که آن را با چیزی که درون شفت موتور اول قرار می‌گیرد، برمی‌گرداند.

مسابقه دبیرستانی ها

فقط برای سرگرمی و برای اینکه بچه‌ها به این حوزه علاقه‌مند شوند، پیشنهاد می‌کنم کسی که با دبیرستان‌ها در ارتباط است، به فکر برگزاری نوعی مسابقه دبیرستانی باشد. به هر حال، ما هنوز در این زمینه شروع به کار نکرده‌ایم و حتی بچه‌ها هم می‌توانند کوچک‌تر از هر زمان دیگری بنویسند. آنها می‌توانند در دبیرستان‌ها مسابقه برگزار کنند. دبیرستان لس‌آنجلس می‌تواند یک سنجاق به دبیرستان ونیز بفرستد که روی آن نوشته شده باشد: «این چطوره؟» آنها سنجاق را پس می‌گیرند و در نقطه «i» نوشته شده است: «نه چندان جذاب».

شاید این شما را برای انجام این کار هیجان‌زده نکند، و فقط اقتصاد این کار را انجام می‌دهد. پس می‌خواهم کاری انجام دهم؛ اما در حال حاضر نمی‌توانم این کار را انجام دهم، زیرا زمینه را آماده نکرده‌ام. قصد دارم به اولین کسی که بتواند اطلاعات صفحه یک کتاب را بگیرد و آن را در مساحتی به اندازه ۱/۲۵۰۰۰ در مقیاس خطی کوچک‌تر قرار دهد، به گونه‌ای که بتوان آن را با میکروسکوپ الکترونی خواند، ۱۰۰۰ دلار جایزه بدهم.

و می‌خواهم یک جایزه دیگر هم پیشنهاد بدهم – اگر بتوانم بفهمم چطور آن را طوری بیان کنم که درگیر بحث‌های بیهوده در مورد تعاریف نشوم – ۱۰۰۰ دلار دیگر به اولین کسی که یک موتور الکتریکی فعال بسازد – یک موتور الکتریکی چرخشی که بتوان آن را از بیرون کنترل کرد و، بدون احتساب سیم‌های رابط، فقط ۱/۶۴ اینچ مکعب باشد.

من انتظار ندارم که چنین جوایزی مدت زیادی منتظر مدعیان بمانند.