mina_bushehr
4th February 2012, 10:36 AM
سخنرانی فاینمن در 1959
"آن پایین فضای بسیاری هست"
این نسخه رونوشتی مطابق بهترین نمونه گفتگویی است که ریچارد فاینمن در 29 دسامبر سال 1959 در نشست سالیانۀ جامعۀ فیزیکی آمریکا در مکان موسسۀ تکنولوژی کالیفرنیا caltech ارائه داده است که اولین بار در فوریه 1960 در شمارۀ علوم و مهندسی Caltech ، منتشر گردیده است. چرا 29 جلد دایرة المعارف بریتانیکا (Britannica) رابر سر یک سوزن نمی توانیم بنویسیم؟
سر یک سوزن دارای قطر یک شانزدهم اینچ است. اگر آن را 25 هزار بار بزرگ کنید، سطح آن برابر با سطح کل صفحات دایرة المعارف می باشد. بنابر این نیاز است که همۀ نوشته های آن را 25 هزار بار کوچک کنیم. آیا این کار امکان پذیر است؟ قدرت تشخیص چشم در حدود یک صد و بیستم اینچ است. اگر دایرة المعارف را10*0.5 بار کوچک کنیم، ابعاد آن به اندازۀ قطر یک نقطۀ کوچک خواهد شد. وقتی شما آن را 25 هزار بار کوچک می کنید، هنوز˚A 80 قطر دارد، یعنی قطر 32 اتم یک فلز معمولی. به عبارت دیگر، یکی از آن نقطه ها سطحی برابر با سطح 1000 اتم رادارا می باشد. بنابراین هر نقطه بوسیله روش گراورسازی در عکاسی در سایزی که نیاز است، اندازه می گردد. اما سوال این است که آیا فضای کافی برای نوشتن همه دایرة المعارف در سر یک سوزن وجود دارد؟ آیا اگر در آن اندازه نوشته شود خوانده می شود؟ تصور کنیم که نوشته ها به صورت حروفی از فلز هستند. جائیکه در دایرة المعارف سیاه است، در اینجا حروف فلزی با یک بیست و پنج هزارم سایز معمولیشان وجود دارند، چگونه آن را بخوانیم؟ امروزه یکی از روشهای خواندن چنین است. ابتدا فلز را در یک ماده پلاستیکی فشرده می کنیم و قالبی از آن را می سازیم، سپس پلاستیک را با دقت جدا می کنیم و در بخار سیلیسی قرار می دهیم تا پرده ای بسیار نازک بدست آوریم. سپس طرف دیگر پرده سیلیسی را زراندود می کنیم تا حروف کوچک به خوبی مشخص گردد، سپس پلاستیک را از پرده سیلیسی جدا نموده و پرده را با میکروسکوپ الکترونی می نگریم! و آنچه مهم است اینکه: چطور ما کوچک بنویسیم؟ اکنون هیچ روش استانداردی برای انجام این کار نداریم. اما به اندازه ای که ابتدا به نظر می رسد، مشکل نیست. ما می توانیم عدسی های میکروسکوپ الکترونی را وارونه کنیم تا به همان خوبی بزرگ کردن اجسام در کوچک کردن آنها کاربرد داشته باشند. دسته ای از یونها که از میان عدسی های وارونۀ میکروسکوپ عبور می کنند، می توانند در یک نقطه متمرکز شوند؛ همانگونه که در میدان نوسانی اشعۀ کاتدی ITV ، ابتدا مقدار ماده لازم برای هر خط را به طور اجمالی بررسی می کنیم و آن را در میدان تنظیم می کنیم و سپس از اول تا انتهای سطر را با همان نقطۀ متمرکز می پیماییم و این چنین می نویسیم. البته روشهای سریع تری نیز وجود دارد. اول می توانیم پرده ای با سوراخهایی در فرم حروف بسازیم و آن را نورپردازی کنیم. جرقه ای در پشت سوراخها ایجاد می کنیم که در امتداد آن یونهای فلزی کشیده می شوند. آنگاه دوباره می توانیم از سیستم عدسیهایمان استفاده کنیم و یک تصویر کوچک یونی را بسازیم که فلز را روی سوزن قرار دهد. یک روش ساده تر که مطمئن نیستم کار کند، اینست که ما نور را کنترل می کنیم و از یک میکروسکوپ نوری وارونه عبور می دهیم و آن را روی یک صفحۀ بسیار کوچک فتوالکتریک متمرکز می کنیم. الکترونهای روی پرده به جایی که نور می درخشد، حرکت می کنند. این الکترونها در مقیاس پایین به وسیلۀ عدسیهای میکروسکوپ الکترونی متمرکز شده اند تا مستقیماً بر سطح فلز حمله کنند. آیا چنین پرتویی اگر به اندازه کافی قوی باشد، فلز را قلم زنی می کند؟ من نمی دانم. اگر بر سطوح فلزی عمل نکند، ممکن است سطوحی بیابیم که سوزن اصلی را پوشش دهد تا تغییرات ناشی از بمباران الکترونی را بتوانیم تشخیص دهیم. در این دستگاه مسئلۀ حادی وجود ندارد. آنچه شما برای بزرگنمایی استفاده می کنید، اینست که تعداد کمی الکترون را در یک پرده، بیشتر و بیشتر پخش می کنید و در اینجا قضیه برعکس است. نوری که از صفحه بدست می آوریم، روی یک سطح بسیار کوچک متمرکز شده است بنابراین بسیار قوی است. الکترونهایی که از پردۀ فتوالکتریک آمده اند، بر یک سطح بسیار کوچک جمع شده اند و بسیار قوی هستند. من نمی دانم چرا هنوز این کار صورت نگرفته است! این یک دایرة المعارف بریتانیکایی بر سر یک سوزن است. اما اگر تمام کتابهای جهان را در نظر بگیریم، چه می شود؟ انجمن کتابخانه ها تقریباً 9 میلیون جلد کتاب دارد. کتابخانۀ موسیقی انگلیس 5 میلیون جلد کتاب دارد. 5 میلیون جلد کتاب هم در کتابخانۀ ملی فرانسه وجود دارد. بنابراین می توانیم بگوییم سرراست 24 میلیون جلد کتاب وجود دارد. چه اتفاقی می افتد اگر همه اینها را در مقیاسی که بحث کردیم، چاپ کنیم؟قدر فضا اشغال می کند؟ البته مساحتی در حدود یک میلیون برابر سر یک سوزن اشغال می کند، زیرا به جای اینکه فقط 24 جلد دایرة المعارف وجود داشته باشد، 24 میلیون جلد کتاب وجود دارد. میلیونها سر سوزن می تواند در مربعی متشکل از هزاران سوزن قرار گرفته در یک پهلو، وجود داشته باشد، یا مساحتی در حدود 3 یارد مربع اشغال کند. در واقع رونوشت سیلیسی با روکش پلاستیکی و کپی های آن، تقریباً روی سطحی با اندازه 35 صفحه دایرة المعارف قرار می گیرد، که حدود نصف تعداد صفحات یک مجله است. به این ترتیب همه اطلاعاتی که انسانها در کتابها ثبت کرده اند، به صورت یک تک جزوه در دسترس شما قرار می گیرد... و نه به صورت نوشته ای رمزی؛ بلکه یک راه تکثیر سادۀ تصاویر اصلی، حکاکی ها و هر چیز دیگری در مقیاس کوچک که نتیجه ای مطلوب در بر دارد. اطلاعاتی دربارۀ مقیاس کوچک: فرض کنید به جای چاپ مستقیم تصاویر و اطلاعات، حروف را به صورت کدی از نقطه ها خطوط "-" یا چیزی همانند آن نمایش دهیم. هر حرف 6 یا 7 قسمت را شامل می گردد. یعنی شما 6 یا 7 نقطه یا خط برای بیان هر حرف نیاز دارید. حال بجای آنکه همانند قبل هر چیزی را بنویسیم، قصد داریم از مواد درونی خود سوزن استفاده کنیم. ما هر نقطه را با ذرۀ کوچکی از ماده نمایش می دهیم و هر خط را با ذرۀ مجاور دیگر ماده و به همین ترتیب ادامه می دهیم. پیروی یک سنت قدیمی، هر قسمت از اطلاعات به یک مکعب کوچک 5×5×5 یا 125 اتمی احتیاج دارد. شاید ما به صد و چند اتم منفرد احتیاج داریم تا در مرحلۀ انتشار یا مرحلۀ دیگر، مطمئن گردیم که اطلاعاتی از بین نرفته است. من تعداد حروف موجود در دایرة المعارف را تخمین زده ام و فرض کرده ام که هر 24 میلیون کتاب من، معادل با یک جلد دایرة المعارف است و خانه های اطلاعاتی موجود 10 به توان 15 است. در هر قسمت 100 اتم مجاز است، و به این نتیجه می رسیم که همۀ اطلاعاتی که انسان در تمام کتابهای جهان گردآوری کرده است، با این فرم به صورت مکعبی ساخته شده از ماده ای با عرض دو هزارم اینچ قرار می گیرد که همان آشکارترین گرد و خاکی است که آن را می توان با چشم دید. پس فضای بسیاری در سطوح زیرین وجود دارد. زیست شناسان این حقیقت را که اطلاعات زیادی را می توان در فضای کمی گردآوری کرد، می دانند و این مشکلات پیش آمدۀ قبلی را برطرف می سازد. چطور در کوچکترین سلولها همۀ اطلاعات برای بافت یک مخلوق پیچیده همانند خودمان ذخیره می شود؟ اطلاعاتی همانند اینکه: آیا چشمانی قهوه ای داریم؟ آیا صفت متفکر بودن را داریم؟ یا اینکه ابتدا باید استخوان فک جنین با یک سوراخ کوچک در کنارش رشد کند تا بعدها یک رشتۀ عصبی از میان آن رشد نماید؟ همۀ این اطلاعات در بخش کوچکی از سلول که به صورت رشته های دراز مولکولی DNA است، وجود دارد و برای هر خانۀ اطلاعاتی سلول، 50 اتم استفاده شده است. میکروسکوپهای الکترونی پیشرفته تر: چگونه امروزه کدی با 125 اتم در هر قسمت را می توانیم بخوانیم؟ میکروسکوپهای الکترونی به اندازۀ کافی خوب نیست. بیشترین دقت آنها در حدود ˚A 10 است. زمانیکه بر روی موارد مقیاس کوچک صحبت می کنیم، بهبود دقت میکروسکوپها تا 100 مرتبه نیاز است. طول موج الکترون در چنین میکروسکوپی یک بیستم ˚A است. پس با قوانین پراش الکترونی تناقضی ندارد و می توان با آنها اتمهای منفرد را دید. ما دوستانی در زمینه های دیگر همانند زیست شناسی داریم، فیزیکدانان اغلب به آنها می گویند: " آیا شما دلیل اینکه تلاشهایتان پیشرفت کمی در بر دارد را می دانید؟ " " شما باید همانند ما از ریاضیات بیشتر استفاده کنید." و پاسخ آنها چنین است: " شما فیزیکدانان باید میکروسکوپهای الکترونیک با دقت 100 مرتبه بهتر بسازید تا پیشرفتهای ما افزایش یابد." مرکزی ترین و اساسی ترین مسائل زیست شناسی امروزه چه هستند؟ سوالاتی همانند اینکه: رشتۀ اصلی DNA چیست؟ در زمان یک تغییر ناگهانی، در بدن شما چه اتفاقی می افتد؟ ارتباط آرایش ساختار DNA با آرایش آمینواسیدها در پروتئین چیست؟ ساختار RNA چیست؟ یک رشته ای است یا دو رشته ای؟ چطور در آرایش ساختاری اصلی اش به DNA مرتبط شده است؟ ساختار چیزهای کوچک و ریز چگونه است؟ ترکیب پروتئین ها چیست؟ RNA به کجا مرتبط می گردد؟ در چه وضعیتی قرار می گیرد؟ پروتئین ها در کجا قرار می گیرند؟ آمینواسیدها به کجا داخل می شوند؟ در پدیدۀ فتوسنتز کلروفرم کجاست؟ ترتیب ساختاری آن چگونه است؟ در کدام مرحلۀ این پدیده، رنگدانه ها استفاده می گردند؟ چه سیستمی در تبدیل نور به انرژی شیمیایی دخیل است؟ پاسخ بسیاری از این مسائل زیست شناسی آسان است. فقط به آنها نگاه کنید! شما ساختاری از ذرات ریز خواهید دید. با میکروسکوپهای کنونی فقط ذرات ساده ای را می بینید. ساختن میکروسکوپهای با دقت 100 مرتبه بیشتر، مشکلات زیست شناسی را تا حد زیادی حل می نماید. امروزه نظریۀ فرآیندهای شیمیایی بر مبنای فیزیک تئوری است، بدین معنی که فیزیک، اساس شیمی را محیا می سازد؛ اما در شیمی تجزیه و تحلیل نیز وجود دارد. اگر شما یک مادۀ ناشناس دارید و می خواهید ماهیت آن را تشخیص دهید، باید از مراحل پیچیده و طولانی تجزیۀ شیمیایی استفاده کنید. اگر فیزیکدانها بخواهند، می توانند زیر نظر شیمیدانها در موارد تجزیۀ شیمیایی کاوش نمایند. تجزیۀ مواد شیمیایی بسیار آسان می باشد، فقط باید ببینید که اتمها در کجا قرار می گیرند. تنها مشکل اینست که میکروسکوپهای الکترونی 100 مرتبه ضعیف ترند. (سوال بعدی من این است که آیا فیزیکدانها می توانند کاری درباۀ موضوع سوم علم شیمی، یعنی ترکیب، انجام دهند؟ آیا راهی فیزیکی برای ترکیب مواد شیمیایی وجود دارد؟) دلیل اینکه میکروسکوپهای الکترونی ضعیف عمل می کنند، اینست که فاصلۀ کانونی عدسیهای آنها فقط یک صدم است، گشادگی دهانۀ عدسی به اندازۀ کافی نیست و برهانهایی وجود دارد که اثبات می کند بهبودی اوضاع، فعلاً غیرممکن است. آیا راهی وجود ندارد که میکروسکوپ الکترونی با قدرت بیشتر بسازیم؟ سیستم های حیاتی حیرت آور: نمونۀ زیست شناسی اطلاعات در مقیاس کوچک، به من دربارۀ چیزهای دیگری الهام بخشیده است. یک سیستم زیست شناسی تا حد زیادی می تواند کوچک باشد. سلولها بسیار ریز هستند، اما بسیار فعالند. آنها ذرات مختلفی تولید می کنند، می چرخند، تکان می خورند و انواع کارهای حیرت آور را انجام می دهند و همۀ اینها در مقیاس کوچک است، همچنین اطلاعات ذخیره می کنند. یک سوال قابل توجه مطرح است: " آیا چیز بسیار کوچکی می توانیم بسازیم که آنچه ما می خواهیم را انجام دهد؟ آیا می توانیم شیء ای را که در آن سطح نمود داشته باشد، تولید کنیم؟" اشتغال به ساخت چیزهای بسیار کوچک، فواید اقتصادی نیز به همراه دارد، مثلاً در کامپیوترها اطلاعات زیادی باید ذخیره کنیم، نوشتن بر روی فلز که قبلاً به آن اشاره کرده ام، موردی دائمی است. روش کامپیوتر چنین است که برای هر بار نوشتن، مطالب قبلی را پاک می کند (زیرا ما نمی خواهیم مواد را فقط برای نوشتن تلف کنیم. زمانیکه در فضای کوچک می نویسیم، تفاوت زیادی وجود ندارد؛ فقط بعد از خواندن دور انداخته می شود و مادۀ زیادی مصرف نمی کند.) کامپیوتر مینیاتوری: من نمی دانم چگونه این را عملی سازم، اما می دانم که ماشینهای محاسبه گر، بسیار بزرگ هستند و فضای زیادی را اشغال می کنند. چرا ما نمی توانیم آنها را بسیار کوچک بسازیم؟ سیمهای کوچک، مواد کم و وسایل کوچک، برای مثال سیمها دارای قطری برابر با 10 یا 100 اتم و مدارها چند هزار آنگستروم خواهند شد. هر فردی که تئوری منطقی کامپیوترها را تجزیه و تحلیل کرده است، امکانات کامپیوترها را بسیار عالی می داند. اگر آنها از مواد زیادی و به طور پیجیده تری با روشهای مختلف ساخته می شدند، می توانستند هوشمند باشند. آنها می توانستند بهترین روش محاسبه را بکار گیرند. آنها روشی تحلیلی را انتخاب می کردند که از آنچه به آنها داده شده است، بهتر باشد و در زمینه های دیگر هم قابلیت های جدیدی می یافتند. اگر من در صورت شما نگاه کنم، فوراً متوجه می شوم که آن را قبلاً دیده ام. (به عقیدۀ دوستان، بدترین مثال را انتخاب کرده ام. زیرا در انتها تشخیص می دهم که صورت شما مربوط به انسان است یا به یک سیب). هنوز ماشینی وجود ندارد که با این سرعت تصویری از صورت بگیرد و حتی بگوید که انسان است و یا همانی است که قبلاً دیده است. مگراینکه دقیقاً یک تصویر باشد. اگر صورت تغییر کرده است، اگر من نزدیکتر یا دورتر هستم، به هر جهت آن را تشخیص می دهم. کامپیوتر کوچک داخل سرمان به سادگی قادر به انجام آن می باشد؛ اما کامپیوتر ساخت بشر، چنین توانایی را ندارد. عناصر موجود در جعبۀ استخوانی سر من بسیار بیشتر از عناصر عجیب کامپیوتر هستند. عناصر این جعبه میکروسکوپی هستند، من چیزی کوچکتر از مقیاس میکروسکوپی می خواهم. کامپیوتری با چنین تواناییهای فوق العاده باید اندازۀ ارتش آمریکا باشد. از مضرات آن نیاز به مواد زیاد می باشد. ممکن است ژرمانیم کافی برای ترانزیستورها در جهان وجود نداشته باشد، تأمین نیروی گرمای مصرفی، TVA به اجرای کامپیوتر نیاز داشته باشد و اینکه کامپیوتر محدود به سرعت معینی باشد. به دلیل سایز بزرگ آن، زمان برای فرستادن اطلاعات از یک مکان به مکانی دیگر نیاز است و فرستادن اطلاعات بدون جزئیات است؛ پس کوچک سازی آن الزامی است. فضای زیادی برای نوع کوچک آن وجود دارد و هیچ قانون نقض کنندۀ فیزیکی در رابطه با ساخت کوچکتر کامپیوترها وجود ندارد. استفاده از تبخیر در جهت کوچک سازی مواد: چگونه ما می توانیم چنین وسیله ای بسازیم؟ چه مراحل تولیدی را استفاده می کنیم؟ نکتۀ قابل توجه، اینست که از زمانیکه ما دربارۀ قرار گرفتن اتمها در یک موقعیت منظم و معین تحقیق نمودیم، مسئلۀ تبخیر مواد قابل تأمل شده است. بدین صورت که ابتدا خشک کردن ماده، سپس قرار گرفتن مادۀ نارسانا روی آن و برای لایۀ بعدی نیز خشک کردن ماده و سپس قرار گرفتن مادۀ نارسانا بر روی قسمت دیگر آن سیم؛ و این مراحل همچنان ادامه می یابد تا زمانیکه یک واحد از ماده در اختیار شما قرار می گیرد. برای نمونه می توان به مارپیج ها، ترانزیستورها و متراکم کننده ها و مانند آنها اشاره نمود که تا حد زیادی ابعاد آن را کوچک می سازند. چرا ما نمی توانیم این کامپیوترهای کوچک را شبیه به کامپیوترهای بزرگ تولید نماییم؟ چرا ما نمی توانیم سوراخها را ایجاد کرده و اشیاء را ببریم و آنها را لحیم کنیم؟ یا اشیاء را از خارج منگنه نماییم و حالتهای مختلف آنها را در سطوح بسیار کوچک قالب بزنیم؟ چه محدودیتهایی برای کوچک بودن یک شیء باید وجود داشته باشد، قبل از آنکه ساخت قالب بزرگ آن صورت پذیرد؟ چند بار پیش آمده که شما روی یک شیء کوچک مانند ساعت مچی همسرتان کار می کرده اید و با خود گفته اید: "کاش من می توانستم فقط یک مورچه برای این کار تربیت کنم." آنچه من تمایل دارم پیشنهاد کنم، امکان تربیت یک مورچه یا یک کرم ریز برای انجام آن کار است، وسایلی که کوچک می باشند در حالیکه متحرکند و می توانند مفید یا غیر مفید باشند. در حالیکه من فکر می کنم مطمئناً ساختار جالبی دارند. به همۀ ماشینها توجه کنید، برای مثال یک اتومبیل، و دربارۀ ساخت یک مدل کوچک از روی آن فکر کنید. در طرح یک اتومبیل، ما به ظرافت قطعات و دقت کافی نیاز داریم. مثلاً در حدود چهار هزارم اینچ. اگر در اکثر موارد در ساخت سیلندر و مانند آن دقیق عمل نکنیم، آن وسیله خوب کار نخواهد کرد. اگر شیء کوچکی بسازیم، باید در مورد اندازۀ اتمها نگران باشیم. نمی توانیم یک دایره از گویهایی که صحبت شد بسازیم، زیرا بسیار کوچک است. بنابراین اگر آن را با خطایی برابر چهار هزارم اینچ در حدود یک خطای 10 اتمی بسازیم، این مسئله سبب می شود که بتوانیم ابعاد یک اتومبیل را 4000 مرتبه کاهش دهیم، بطوریکه در حدود mm1 عرض داشته باشد. واضح است اگر شما یک ماشین را به منظور بهره برداری از قدرت بیشتر طراحی کنید که به هیچ وجه غیر ممکن نمی باشد، شما می توانید یک دستگاه بسیار کوچک بسازید. نکات قابل توجه بسیاری در مورد این ماشینهای کوچک وجود دارد. نخست اینکه با فشار قسمتهای هم درجه، نیرو به سطحی که شما در حال کاهش آن هستید، وارد می گردد. به طور نسبی قدرت مواد، بسیار بیشتر است. بطور مثال در اثر نیروی گریز از مرکز و انقباض و انبساط چرخ پره ها، به همان نسبت که ما سایز را کاهش می دهیم، سرعتی ایجاد می گردد که مدام در حال افزایش است. همچنین فلزاتی که ما استفاده می کنیم، ساختار ذره ای دارند و در مقیاس کم سبب اختلال می گردند؛ زیرا مواد همگن نیستند. پلاستیکها و چیزهایی از این قبیل، به طور طبیعی بی نظم هستند. بنابراین ما باید ماشینهایمان را خارج از حیطۀ این قبیل مواد بسازیم. پیوسته مسائلی در ارتباط با قسمتهای الکتریکی سیستم، سیمهای مسی و قسمتهای آهنربایی وجود دارد. متعلقات و خواص آهنربایی در مقیاس کوچک با سایز بزرگ آن بسیار متفاوت می باشد. در رابطه با حوزۀ میدان، مسائلی وجود دارد. یک آهنربای بزرگ از میلیونها میدان ساخته شده است، در صورتیکه در مقیاس کوچک فقط یک میدان وجود دارد. تجهیزات الکتریکی به سادگی کوچک نخواهند شد و آنها باید دوباره طراحی شوند. مشکلات روغن کاری سیستم: روغن کاری با نکات جالبی سر و کار دارد. چسبناکی مؤثر مواد روغنی، همانطور که از سطح به عمق پیش می رویم، به نسبت بالا و بالاتر می رود (اگر تا اندازه ای که می توانیم سرعت را افزایش دهیم). اگر سرعت را به میزان کافی افزایش ندهیم، و از روغن به نفت سفید یا سیالاتی دیگر متمایل گردیم، مسئله آنقدرها هم بد نیست. اما امکان روغن کاری وجود ندارد! زیرا نیروهای فوق العاده زیادی وارد می شود و اگر اطراف بلبرینگ را خشک نگه داریم، گرما را پخش نمی کنند زیرا حرارت به دلیل سرعت و کوچکی وسیله خارج می گردد. این سرعت در از دست دادن گرما، از انفجار گاز جلوگیری می کند. بنابراین امکان ایجاد موتور احتراق داخلی غیرممکن است. بنابراین از واکنش شیمیایی دیگری چون آزاد کردن انرژی در سرما، می توان استفاده نمود. احتمالاً منبع خارجی قدرت الکتریکی برای چنین ماشین کوچکی قابل استفاده است. فایدۀ چنین ماشینی چه می باشد؟ چه کسی می داند؟ البته یک اتومبیل کوچک فقط برای کرمهای ریز مفید می باشد که با آن رانندگی کنند. البته امکان تولید وسایل کوچکی برای کامپیوترها شامل تراشه ها و ... در سطحی بسیار کوچک در کارخانه های کاملاً اتوماتیک وجود دارد. تراشه های کوچک نباید دقیقاً مانند نوع بزرگ آن باشند. دوست من آلبرت هیبس، امکان بسیار جالب ولی در ظاهر دیوانه کننده ای را پیش بینی می کند. مثلاً اگر برای جراحی، جراح را ببلعید. شما جراح مکانیکی را داخل رگ خونی قرار می دهید و آن به طرف قلب می رود و آن حوالی را بررسی می کند (البته با بیرون تبادل اطلاعاتی برقرار می کند). میزان نقص را تعیین می کند و با چاقو قسمتهای اضافی را درمی آورد. ماشینهای کوچک دیگری ممکن است دائماً داخل بدن بگردند تا به بخشهایی که به خوبی کار نمی کنند، کمک کنند. حال سؤال جالبی مطرح می شود: چطور ما چنین مکانیزم کوچکی بسازیم؟ اجازه دهید امکان خارق العا ده ای را توصیف کنم. درکارخانه های انرژی اتمی نمی توانند مستقیماً با مواد و ماشینها سروکار داشته باشند، زیرا رادیواکتیو هستند. برای بازکردن پیچها و درآوردن آنها از مهره ها و ... آنها دستگاهی متشکل از دستهای کاردان و ماهر دارند که بوسیلۀ اهرمی آنها را کنترل می کنند و همه چیز را نسبتاً در دسترس خود قرار می دهند. در چنین دستگاههایی یک کابل ضخیم وجود دارد که مانند نخ عروسک خیمه شب بازی از مرکز کنترل به دستها متصل است. البته موتورهای خود تنظیم هم ساخته شده اند که ارتباط قسمت الکتریکی و مکانیکی را برقرار می سازند. زمانیکه شما اهرمها را حرکت می دهید، آنها موتور خود تنظیم را می چرخانند و سبب تغییر جریان الکتریکی در سیمها می شوند که دستها را حرکت می دهند. اکنون من می خواهم همان دستگاه را بسازم، اما می خواهم سازندگان ماشینهای مقیاس بزرگ، دستهایی با یک چهارم سایز مورد بحث قبلی مان بوجود آورند که با دقت کار می کنند. پس ما با مقیاس ربعی سر و کار داریم، موتورهای خود تنظیم کوچک که با دستهای کوچک کار می کنند و پیچ و مهره های کوچکی دارند. آنها سوراخهای کوچکی ایجاد می کنند، که چهار مرتبه کوچکترند. بنابراین من تراشه هایی با یک چهارم سایز تولید می کنم و من دوباره مقیاس را یک چهارم می نمایم، تا دستهایی با یک شانزدهم سایز اولیه شان داشته باشم و بعد، از میان ترانسفورماتورها، سیستم اصلی بزرگ را توسط سیم کشی به موتورهای خود تنظیم یک شانزدهم متصل می کنم. بنابراین دستهای کاردان یک شانزدهم سایز داریم. ما می توانیم با مالش سطوح ناصاف، سطوحی صاف ایجاد کنیم و ...، پس غیرممکن نیست که بتوانیم دقت دستگاهها در مقیاس کوچک را با عملیات درست بهبود بخشیم. بنابراین ضروری است که در هر مرحله با کار روی تجهیزات، دقت را بالا ببریم. مثلاً با ساخت دقیق پیچها، موتورهای خود تنظیم و غیره در سطوح بالاتر. در هر سطح باید توقف کنیم و تمام مواد مورد نیاز مرحلۀ بعد را تهیه کرده و به همین ترتیب به سطوح مقیاس کوچک پیشروی نماییم. بعد از این همه، فقط تراشه ای چهار هزار بار کوچکتر از معمول ساخته ایم. اما ما در فکر ساخت کامپیوتر بزرگی بوده ایم که تراشه های کوچک آن دارای سوراخهایی هستند و به عنوان سازندۀ واشرهای کوچک، این کامپیوترها استفاده می شوند. چند واشر با یک تراشه تولید می گردد؟ یکصد دست کوچک: زمانیکه دستهای کاردان یک چهارم مقیاسی را بسازم، قصد دارم تعداد ده تای آن را فراهم سازم و همۀ آنها را به اهرم اصلی سیم کشی کنم. بنابراین در یک زمان همه یک کار یکسان را انجام می دهند. بعد از این، وقتی در حال ساخت دستگاههای جدید یک شانزدهم مقیاسی هستم، دوباره اجازه می دهم که هر یک 10 کپی تولید کنند. بنابراین یکصد دست کوچک یک شانزدهم سایز اولیه خواهیم داشت. کجا قصد دارم میلیونها تراشۀ کوچک را قرار دهم؟ حجم آنقدرکم است که حتی به اندازۀ یک ماشین برش بزرگ هم نمی شود. برای مثال اگر یک بیلیون تراشۀ کوچک بسازیم، هرکدام یک چهار هزارم مقیاس تراشۀ معمولی است، پس ماده و فضای کافی در دسترس می باشد، زیرا بیلیونها نوع کوچک، کمتر از 2% یک تراشۀ بزرگ حجم اشغا ل می کند. همانطور که مقیاس را کاهش می دهیم، مسا ئل جا لب توجهی ایجاد می گردد. مسئلۀ چسبندگی مواد به هم توسط جذب مولکولی (نیروی واندروالس) وجود دارد. برای مثال: پس از ساخت یک قسمت، با اینکه مهره را دور پیچ نمی پیچانید، پایین نمی افتد؛ زیرا جاذبۀ زمین محبوس نیست. حتی به سختی می توانید پیچ را در آورید. شبیه به حرکات آشنای آدمی با دستهای پر از شهد که برای خلاصی از آن، به شیشه ای آب نیاز دارد. پس باید برای ارائۀ طرحی در جهت رفع آن بکوشیم. بازسازی ترکیبات اتمی: چه اتفاقی می افتد اگر بتوانیم اتمها را به صورتی که می خواهیم یکی بعد از دیگری مرتب سازیم؟ (البته شما نمی توانید اینگونه عمل کنید، زیرا برای مثال، آنها بطور شیمیایی نااستوار هستند). ما با حفر زمین، مواد معدنی را می یابیم و آنها را گرم می کنیم، و کارهایی در مقیاس معمولی انجام می دهیم تا شاید از مقداری مادۀ ناخالص به ماده ای خالص برسیم. اما با استفاده از یک "تختۀ کنترل" ترتیب دقیق اتمهای ناخالص به هم می ریزد و A˚ 1000 از یکدیگر جدا می شوند و در الگوهای ویژه ای قرار می گیرند. در صورتیکه اگر انتظار ترتیب اتمی خاصی در طبیعت داشته باشیم، هیچ بدست نیاورده ایم. اگر می توانستیم واقعاً اتمها را مرتب سازیم، مواد چه خواصی بدست می آورند؟ تحقیق تئوری آن بسیار جالب است. دقیقاً نمی توانم آن را پیش بینی کنم، ولی تصور می کنم که با کنترل ترتیب اتمی در مقیاس کوچک، خواص مواد بطور منظم تری ایجاد می گردد. اتمها در جهانی کوچک: زمانیکه به جهانی بسیار کوچک می رسیم، آن را دور هفت اتمی می نامیم. مسائل جدیدی اتفاق می افتد که کاملاً فرصتهای جدید طراحی را ایجاد می کند. اتمها در مقیاس کوچک مانند هیچ موردی در مقیاس بزرگ رفتار نمی کنند، چرا که از قوانین مکانیک کوانتومی پیروی می کنند. ما نه تنها می توانیم از سیم پیچها استفاده کنیم، بلکه تعدادی سطوح درگیر انرژی جدا شده با اسپینهای عمل درونی را مورد بهره برداری قرار می دهیم. مسئلۀ دیگری که باید توجه کنیم، اینست که اگر به اندازۀ کافی پایین برویم، وسایلی که بطور جمعی تولید می شود، به طور کاملاً مشابه دیگران هستند. در صورتیکه ما نمی توانیم دو ماشین بزرگ را دقیقاً مانند هم بسازیم. اما اگر ماشین شما فقط دارای 100 اتم باشد، باید 50% آن را دقیقاً همانند ماشین دیگر بسازیم! مطالب اساسی فیزیکی در مورد امکان نمایش موارد اتمی توسط اتمها صحبت نمی کند. برای نقض هیچ قانونی، اصراری نیست. چیزی که بطور عمده مطرح است، امکان انجام آن است، در صورتیکه تمرین عملی آن صورت نگرفته است، چرا که ما بسیار بزرگیم. و سرانجام ما می توانیم ترکیب شیمیایی انجام دهیم. شیمیدان به ما می گوید: "نگاه کنید! من می خواهم مولکولی با اتمهای مرتب شده بسازم." او زمانیکه مولکولی را می سازد، عمل سری را انجام می دهد. او مواد مختلفی را مخلوط می کند و در انتهای این فرآیند مشکل، معمولاً موفق است و ترکیب آنچه را که می خواهد بدست می آورد. تا زمانیکه من وسایل کار را بدست آورم، تا آن را با فیزیک بتوانیم انجام دهیم، او کشف خواهد کرد چطور کاملاً هر چیزی را ترکیب کند، به صورتیکه واقعاً مفید باشد. اما جالب است که امکان ترکیب هر مادۀ شیمیایی که شیمیدان ذکر می کند، برای فیزیکدان وجود دارد. دستورات را بدهید و آن را فیزیکدان انجام می دهد. چطور؟ اتمها را کنار هم در جاییکه شیمیدان می خواهد، بگذارید و بنابراین مادۀ مرکب را ساخته اید. مسائل وافری می تواند از شیمی و زیست مورد بهره برداری قرار گیرد، اما ما قادر به دیدن آنچه در حال انجام آن در سطح اتمی هستیم، باشیم. چنین پیشرفتی اجتناب ناپذیر است. حال ممکن است شما بگویید که: "چه کسی این را باید انجام دهد و چرا؟" خوب، من تعداد کمی از کاربردهای تخصصی آن را یافتم، ولی می دانم که دلیل اینکه شما آن را انجام میدهید، فقط برای تفریح است. اما مقدار کمی تفریح در بر دارد! بیایید رقابتی بین آزمایشگاهها داشته باشیم، به صورتی که یک آزمایشگاه موتور کوچک را بفرستد و آزمایشگاه دیگر آن را با چیزی داخل استوانه اش برگرداند.
"آن پایین فضای بسیاری هست"
این نسخه رونوشتی مطابق بهترین نمونه گفتگویی است که ریچارد فاینمن در 29 دسامبر سال 1959 در نشست سالیانۀ جامعۀ فیزیکی آمریکا در مکان موسسۀ تکنولوژی کالیفرنیا caltech ارائه داده است که اولین بار در فوریه 1960 در شمارۀ علوم و مهندسی Caltech ، منتشر گردیده است. چرا 29 جلد دایرة المعارف بریتانیکا (Britannica) رابر سر یک سوزن نمی توانیم بنویسیم؟
سر یک سوزن دارای قطر یک شانزدهم اینچ است. اگر آن را 25 هزار بار بزرگ کنید، سطح آن برابر با سطح کل صفحات دایرة المعارف می باشد. بنابر این نیاز است که همۀ نوشته های آن را 25 هزار بار کوچک کنیم. آیا این کار امکان پذیر است؟ قدرت تشخیص چشم در حدود یک صد و بیستم اینچ است. اگر دایرة المعارف را10*0.5 بار کوچک کنیم، ابعاد آن به اندازۀ قطر یک نقطۀ کوچک خواهد شد. وقتی شما آن را 25 هزار بار کوچک می کنید، هنوز˚A 80 قطر دارد، یعنی قطر 32 اتم یک فلز معمولی. به عبارت دیگر، یکی از آن نقطه ها سطحی برابر با سطح 1000 اتم رادارا می باشد. بنابراین هر نقطه بوسیله روش گراورسازی در عکاسی در سایزی که نیاز است، اندازه می گردد. اما سوال این است که آیا فضای کافی برای نوشتن همه دایرة المعارف در سر یک سوزن وجود دارد؟ آیا اگر در آن اندازه نوشته شود خوانده می شود؟ تصور کنیم که نوشته ها به صورت حروفی از فلز هستند. جائیکه در دایرة المعارف سیاه است، در اینجا حروف فلزی با یک بیست و پنج هزارم سایز معمولیشان وجود دارند، چگونه آن را بخوانیم؟ امروزه یکی از روشهای خواندن چنین است. ابتدا فلز را در یک ماده پلاستیکی فشرده می کنیم و قالبی از آن را می سازیم، سپس پلاستیک را با دقت جدا می کنیم و در بخار سیلیسی قرار می دهیم تا پرده ای بسیار نازک بدست آوریم. سپس طرف دیگر پرده سیلیسی را زراندود می کنیم تا حروف کوچک به خوبی مشخص گردد، سپس پلاستیک را از پرده سیلیسی جدا نموده و پرده را با میکروسکوپ الکترونی می نگریم! و آنچه مهم است اینکه: چطور ما کوچک بنویسیم؟ اکنون هیچ روش استانداردی برای انجام این کار نداریم. اما به اندازه ای که ابتدا به نظر می رسد، مشکل نیست. ما می توانیم عدسی های میکروسکوپ الکترونی را وارونه کنیم تا به همان خوبی بزرگ کردن اجسام در کوچک کردن آنها کاربرد داشته باشند. دسته ای از یونها که از میان عدسی های وارونۀ میکروسکوپ عبور می کنند، می توانند در یک نقطه متمرکز شوند؛ همانگونه که در میدان نوسانی اشعۀ کاتدی ITV ، ابتدا مقدار ماده لازم برای هر خط را به طور اجمالی بررسی می کنیم و آن را در میدان تنظیم می کنیم و سپس از اول تا انتهای سطر را با همان نقطۀ متمرکز می پیماییم و این چنین می نویسیم. البته روشهای سریع تری نیز وجود دارد. اول می توانیم پرده ای با سوراخهایی در فرم حروف بسازیم و آن را نورپردازی کنیم. جرقه ای در پشت سوراخها ایجاد می کنیم که در امتداد آن یونهای فلزی کشیده می شوند. آنگاه دوباره می توانیم از سیستم عدسیهایمان استفاده کنیم و یک تصویر کوچک یونی را بسازیم که فلز را روی سوزن قرار دهد. یک روش ساده تر که مطمئن نیستم کار کند، اینست که ما نور را کنترل می کنیم و از یک میکروسکوپ نوری وارونه عبور می دهیم و آن را روی یک صفحۀ بسیار کوچک فتوالکتریک متمرکز می کنیم. الکترونهای روی پرده به جایی که نور می درخشد، حرکت می کنند. این الکترونها در مقیاس پایین به وسیلۀ عدسیهای میکروسکوپ الکترونی متمرکز شده اند تا مستقیماً بر سطح فلز حمله کنند. آیا چنین پرتویی اگر به اندازه کافی قوی باشد، فلز را قلم زنی می کند؟ من نمی دانم. اگر بر سطوح فلزی عمل نکند، ممکن است سطوحی بیابیم که سوزن اصلی را پوشش دهد تا تغییرات ناشی از بمباران الکترونی را بتوانیم تشخیص دهیم. در این دستگاه مسئلۀ حادی وجود ندارد. آنچه شما برای بزرگنمایی استفاده می کنید، اینست که تعداد کمی الکترون را در یک پرده، بیشتر و بیشتر پخش می کنید و در اینجا قضیه برعکس است. نوری که از صفحه بدست می آوریم، روی یک سطح بسیار کوچک متمرکز شده است بنابراین بسیار قوی است. الکترونهایی که از پردۀ فتوالکتریک آمده اند، بر یک سطح بسیار کوچک جمع شده اند و بسیار قوی هستند. من نمی دانم چرا هنوز این کار صورت نگرفته است! این یک دایرة المعارف بریتانیکایی بر سر یک سوزن است. اما اگر تمام کتابهای جهان را در نظر بگیریم، چه می شود؟ انجمن کتابخانه ها تقریباً 9 میلیون جلد کتاب دارد. کتابخانۀ موسیقی انگلیس 5 میلیون جلد کتاب دارد. 5 میلیون جلد کتاب هم در کتابخانۀ ملی فرانسه وجود دارد. بنابراین می توانیم بگوییم سرراست 24 میلیون جلد کتاب وجود دارد. چه اتفاقی می افتد اگر همه اینها را در مقیاسی که بحث کردیم، چاپ کنیم؟قدر فضا اشغال می کند؟ البته مساحتی در حدود یک میلیون برابر سر یک سوزن اشغال می کند، زیرا به جای اینکه فقط 24 جلد دایرة المعارف وجود داشته باشد، 24 میلیون جلد کتاب وجود دارد. میلیونها سر سوزن می تواند در مربعی متشکل از هزاران سوزن قرار گرفته در یک پهلو، وجود داشته باشد، یا مساحتی در حدود 3 یارد مربع اشغال کند. در واقع رونوشت سیلیسی با روکش پلاستیکی و کپی های آن، تقریباً روی سطحی با اندازه 35 صفحه دایرة المعارف قرار می گیرد، که حدود نصف تعداد صفحات یک مجله است. به این ترتیب همه اطلاعاتی که انسانها در کتابها ثبت کرده اند، به صورت یک تک جزوه در دسترس شما قرار می گیرد... و نه به صورت نوشته ای رمزی؛ بلکه یک راه تکثیر سادۀ تصاویر اصلی، حکاکی ها و هر چیز دیگری در مقیاس کوچک که نتیجه ای مطلوب در بر دارد. اطلاعاتی دربارۀ مقیاس کوچک: فرض کنید به جای چاپ مستقیم تصاویر و اطلاعات، حروف را به صورت کدی از نقطه ها خطوط "-" یا چیزی همانند آن نمایش دهیم. هر حرف 6 یا 7 قسمت را شامل می گردد. یعنی شما 6 یا 7 نقطه یا خط برای بیان هر حرف نیاز دارید. حال بجای آنکه همانند قبل هر چیزی را بنویسیم، قصد داریم از مواد درونی خود سوزن استفاده کنیم. ما هر نقطه را با ذرۀ کوچکی از ماده نمایش می دهیم و هر خط را با ذرۀ مجاور دیگر ماده و به همین ترتیب ادامه می دهیم. پیروی یک سنت قدیمی، هر قسمت از اطلاعات به یک مکعب کوچک 5×5×5 یا 125 اتمی احتیاج دارد. شاید ما به صد و چند اتم منفرد احتیاج داریم تا در مرحلۀ انتشار یا مرحلۀ دیگر، مطمئن گردیم که اطلاعاتی از بین نرفته است. من تعداد حروف موجود در دایرة المعارف را تخمین زده ام و فرض کرده ام که هر 24 میلیون کتاب من، معادل با یک جلد دایرة المعارف است و خانه های اطلاعاتی موجود 10 به توان 15 است. در هر قسمت 100 اتم مجاز است، و به این نتیجه می رسیم که همۀ اطلاعاتی که انسان در تمام کتابهای جهان گردآوری کرده است، با این فرم به صورت مکعبی ساخته شده از ماده ای با عرض دو هزارم اینچ قرار می گیرد که همان آشکارترین گرد و خاکی است که آن را می توان با چشم دید. پس فضای بسیاری در سطوح زیرین وجود دارد. زیست شناسان این حقیقت را که اطلاعات زیادی را می توان در فضای کمی گردآوری کرد، می دانند و این مشکلات پیش آمدۀ قبلی را برطرف می سازد. چطور در کوچکترین سلولها همۀ اطلاعات برای بافت یک مخلوق پیچیده همانند خودمان ذخیره می شود؟ اطلاعاتی همانند اینکه: آیا چشمانی قهوه ای داریم؟ آیا صفت متفکر بودن را داریم؟ یا اینکه ابتدا باید استخوان فک جنین با یک سوراخ کوچک در کنارش رشد کند تا بعدها یک رشتۀ عصبی از میان آن رشد نماید؟ همۀ این اطلاعات در بخش کوچکی از سلول که به صورت رشته های دراز مولکولی DNA است، وجود دارد و برای هر خانۀ اطلاعاتی سلول، 50 اتم استفاده شده است. میکروسکوپهای الکترونی پیشرفته تر: چگونه امروزه کدی با 125 اتم در هر قسمت را می توانیم بخوانیم؟ میکروسکوپهای الکترونی به اندازۀ کافی خوب نیست. بیشترین دقت آنها در حدود ˚A 10 است. زمانیکه بر روی موارد مقیاس کوچک صحبت می کنیم، بهبود دقت میکروسکوپها تا 100 مرتبه نیاز است. طول موج الکترون در چنین میکروسکوپی یک بیستم ˚A است. پس با قوانین پراش الکترونی تناقضی ندارد و می توان با آنها اتمهای منفرد را دید. ما دوستانی در زمینه های دیگر همانند زیست شناسی داریم، فیزیکدانان اغلب به آنها می گویند: " آیا شما دلیل اینکه تلاشهایتان پیشرفت کمی در بر دارد را می دانید؟ " " شما باید همانند ما از ریاضیات بیشتر استفاده کنید." و پاسخ آنها چنین است: " شما فیزیکدانان باید میکروسکوپهای الکترونیک با دقت 100 مرتبه بهتر بسازید تا پیشرفتهای ما افزایش یابد." مرکزی ترین و اساسی ترین مسائل زیست شناسی امروزه چه هستند؟ سوالاتی همانند اینکه: رشتۀ اصلی DNA چیست؟ در زمان یک تغییر ناگهانی، در بدن شما چه اتفاقی می افتد؟ ارتباط آرایش ساختار DNA با آرایش آمینواسیدها در پروتئین چیست؟ ساختار RNA چیست؟ یک رشته ای است یا دو رشته ای؟ چطور در آرایش ساختاری اصلی اش به DNA مرتبط شده است؟ ساختار چیزهای کوچک و ریز چگونه است؟ ترکیب پروتئین ها چیست؟ RNA به کجا مرتبط می گردد؟ در چه وضعیتی قرار می گیرد؟ پروتئین ها در کجا قرار می گیرند؟ آمینواسیدها به کجا داخل می شوند؟ در پدیدۀ فتوسنتز کلروفرم کجاست؟ ترتیب ساختاری آن چگونه است؟ در کدام مرحلۀ این پدیده، رنگدانه ها استفاده می گردند؟ چه سیستمی در تبدیل نور به انرژی شیمیایی دخیل است؟ پاسخ بسیاری از این مسائل زیست شناسی آسان است. فقط به آنها نگاه کنید! شما ساختاری از ذرات ریز خواهید دید. با میکروسکوپهای کنونی فقط ذرات ساده ای را می بینید. ساختن میکروسکوپهای با دقت 100 مرتبه بیشتر، مشکلات زیست شناسی را تا حد زیادی حل می نماید. امروزه نظریۀ فرآیندهای شیمیایی بر مبنای فیزیک تئوری است، بدین معنی که فیزیک، اساس شیمی را محیا می سازد؛ اما در شیمی تجزیه و تحلیل نیز وجود دارد. اگر شما یک مادۀ ناشناس دارید و می خواهید ماهیت آن را تشخیص دهید، باید از مراحل پیچیده و طولانی تجزیۀ شیمیایی استفاده کنید. اگر فیزیکدانها بخواهند، می توانند زیر نظر شیمیدانها در موارد تجزیۀ شیمیایی کاوش نمایند. تجزیۀ مواد شیمیایی بسیار آسان می باشد، فقط باید ببینید که اتمها در کجا قرار می گیرند. تنها مشکل اینست که میکروسکوپهای الکترونی 100 مرتبه ضعیف ترند. (سوال بعدی من این است که آیا فیزیکدانها می توانند کاری درباۀ موضوع سوم علم شیمی، یعنی ترکیب، انجام دهند؟ آیا راهی فیزیکی برای ترکیب مواد شیمیایی وجود دارد؟) دلیل اینکه میکروسکوپهای الکترونی ضعیف عمل می کنند، اینست که فاصلۀ کانونی عدسیهای آنها فقط یک صدم است، گشادگی دهانۀ عدسی به اندازۀ کافی نیست و برهانهایی وجود دارد که اثبات می کند بهبودی اوضاع، فعلاً غیرممکن است. آیا راهی وجود ندارد که میکروسکوپ الکترونی با قدرت بیشتر بسازیم؟ سیستم های حیاتی حیرت آور: نمونۀ زیست شناسی اطلاعات در مقیاس کوچک، به من دربارۀ چیزهای دیگری الهام بخشیده است. یک سیستم زیست شناسی تا حد زیادی می تواند کوچک باشد. سلولها بسیار ریز هستند، اما بسیار فعالند. آنها ذرات مختلفی تولید می کنند، می چرخند، تکان می خورند و انواع کارهای حیرت آور را انجام می دهند و همۀ اینها در مقیاس کوچک است، همچنین اطلاعات ذخیره می کنند. یک سوال قابل توجه مطرح است: " آیا چیز بسیار کوچکی می توانیم بسازیم که آنچه ما می خواهیم را انجام دهد؟ آیا می توانیم شیء ای را که در آن سطح نمود داشته باشد، تولید کنیم؟" اشتغال به ساخت چیزهای بسیار کوچک، فواید اقتصادی نیز به همراه دارد، مثلاً در کامپیوترها اطلاعات زیادی باید ذخیره کنیم، نوشتن بر روی فلز که قبلاً به آن اشاره کرده ام، موردی دائمی است. روش کامپیوتر چنین است که برای هر بار نوشتن، مطالب قبلی را پاک می کند (زیرا ما نمی خواهیم مواد را فقط برای نوشتن تلف کنیم. زمانیکه در فضای کوچک می نویسیم، تفاوت زیادی وجود ندارد؛ فقط بعد از خواندن دور انداخته می شود و مادۀ زیادی مصرف نمی کند.) کامپیوتر مینیاتوری: من نمی دانم چگونه این را عملی سازم، اما می دانم که ماشینهای محاسبه گر، بسیار بزرگ هستند و فضای زیادی را اشغال می کنند. چرا ما نمی توانیم آنها را بسیار کوچک بسازیم؟ سیمهای کوچک، مواد کم و وسایل کوچک، برای مثال سیمها دارای قطری برابر با 10 یا 100 اتم و مدارها چند هزار آنگستروم خواهند شد. هر فردی که تئوری منطقی کامپیوترها را تجزیه و تحلیل کرده است، امکانات کامپیوترها را بسیار عالی می داند. اگر آنها از مواد زیادی و به طور پیجیده تری با روشهای مختلف ساخته می شدند، می توانستند هوشمند باشند. آنها می توانستند بهترین روش محاسبه را بکار گیرند. آنها روشی تحلیلی را انتخاب می کردند که از آنچه به آنها داده شده است، بهتر باشد و در زمینه های دیگر هم قابلیت های جدیدی می یافتند. اگر من در صورت شما نگاه کنم، فوراً متوجه می شوم که آن را قبلاً دیده ام. (به عقیدۀ دوستان، بدترین مثال را انتخاب کرده ام. زیرا در انتها تشخیص می دهم که صورت شما مربوط به انسان است یا به یک سیب). هنوز ماشینی وجود ندارد که با این سرعت تصویری از صورت بگیرد و حتی بگوید که انسان است و یا همانی است که قبلاً دیده است. مگراینکه دقیقاً یک تصویر باشد. اگر صورت تغییر کرده است، اگر من نزدیکتر یا دورتر هستم، به هر جهت آن را تشخیص می دهم. کامپیوتر کوچک داخل سرمان به سادگی قادر به انجام آن می باشد؛ اما کامپیوتر ساخت بشر، چنین توانایی را ندارد. عناصر موجود در جعبۀ استخوانی سر من بسیار بیشتر از عناصر عجیب کامپیوتر هستند. عناصر این جعبه میکروسکوپی هستند، من چیزی کوچکتر از مقیاس میکروسکوپی می خواهم. کامپیوتری با چنین تواناییهای فوق العاده باید اندازۀ ارتش آمریکا باشد. از مضرات آن نیاز به مواد زیاد می باشد. ممکن است ژرمانیم کافی برای ترانزیستورها در جهان وجود نداشته باشد، تأمین نیروی گرمای مصرفی، TVA به اجرای کامپیوتر نیاز داشته باشد و اینکه کامپیوتر محدود به سرعت معینی باشد. به دلیل سایز بزرگ آن، زمان برای فرستادن اطلاعات از یک مکان به مکانی دیگر نیاز است و فرستادن اطلاعات بدون جزئیات است؛ پس کوچک سازی آن الزامی است. فضای زیادی برای نوع کوچک آن وجود دارد و هیچ قانون نقض کنندۀ فیزیکی در رابطه با ساخت کوچکتر کامپیوترها وجود ندارد. استفاده از تبخیر در جهت کوچک سازی مواد: چگونه ما می توانیم چنین وسیله ای بسازیم؟ چه مراحل تولیدی را استفاده می کنیم؟ نکتۀ قابل توجه، اینست که از زمانیکه ما دربارۀ قرار گرفتن اتمها در یک موقعیت منظم و معین تحقیق نمودیم، مسئلۀ تبخیر مواد قابل تأمل شده است. بدین صورت که ابتدا خشک کردن ماده، سپس قرار گرفتن مادۀ نارسانا روی آن و برای لایۀ بعدی نیز خشک کردن ماده و سپس قرار گرفتن مادۀ نارسانا بر روی قسمت دیگر آن سیم؛ و این مراحل همچنان ادامه می یابد تا زمانیکه یک واحد از ماده در اختیار شما قرار می گیرد. برای نمونه می توان به مارپیج ها، ترانزیستورها و متراکم کننده ها و مانند آنها اشاره نمود که تا حد زیادی ابعاد آن را کوچک می سازند. چرا ما نمی توانیم این کامپیوترهای کوچک را شبیه به کامپیوترهای بزرگ تولید نماییم؟ چرا ما نمی توانیم سوراخها را ایجاد کرده و اشیاء را ببریم و آنها را لحیم کنیم؟ یا اشیاء را از خارج منگنه نماییم و حالتهای مختلف آنها را در سطوح بسیار کوچک قالب بزنیم؟ چه محدودیتهایی برای کوچک بودن یک شیء باید وجود داشته باشد، قبل از آنکه ساخت قالب بزرگ آن صورت پذیرد؟ چند بار پیش آمده که شما روی یک شیء کوچک مانند ساعت مچی همسرتان کار می کرده اید و با خود گفته اید: "کاش من می توانستم فقط یک مورچه برای این کار تربیت کنم." آنچه من تمایل دارم پیشنهاد کنم، امکان تربیت یک مورچه یا یک کرم ریز برای انجام آن کار است، وسایلی که کوچک می باشند در حالیکه متحرکند و می توانند مفید یا غیر مفید باشند. در حالیکه من فکر می کنم مطمئناً ساختار جالبی دارند. به همۀ ماشینها توجه کنید، برای مثال یک اتومبیل، و دربارۀ ساخت یک مدل کوچک از روی آن فکر کنید. در طرح یک اتومبیل، ما به ظرافت قطعات و دقت کافی نیاز داریم. مثلاً در حدود چهار هزارم اینچ. اگر در اکثر موارد در ساخت سیلندر و مانند آن دقیق عمل نکنیم، آن وسیله خوب کار نخواهد کرد. اگر شیء کوچکی بسازیم، باید در مورد اندازۀ اتمها نگران باشیم. نمی توانیم یک دایره از گویهایی که صحبت شد بسازیم، زیرا بسیار کوچک است. بنابراین اگر آن را با خطایی برابر چهار هزارم اینچ در حدود یک خطای 10 اتمی بسازیم، این مسئله سبب می شود که بتوانیم ابعاد یک اتومبیل را 4000 مرتبه کاهش دهیم، بطوریکه در حدود mm1 عرض داشته باشد. واضح است اگر شما یک ماشین را به منظور بهره برداری از قدرت بیشتر طراحی کنید که به هیچ وجه غیر ممکن نمی باشد، شما می توانید یک دستگاه بسیار کوچک بسازید. نکات قابل توجه بسیاری در مورد این ماشینهای کوچک وجود دارد. نخست اینکه با فشار قسمتهای هم درجه، نیرو به سطحی که شما در حال کاهش آن هستید، وارد می گردد. به طور نسبی قدرت مواد، بسیار بیشتر است. بطور مثال در اثر نیروی گریز از مرکز و انقباض و انبساط چرخ پره ها، به همان نسبت که ما سایز را کاهش می دهیم، سرعتی ایجاد می گردد که مدام در حال افزایش است. همچنین فلزاتی که ما استفاده می کنیم، ساختار ذره ای دارند و در مقیاس کم سبب اختلال می گردند؛ زیرا مواد همگن نیستند. پلاستیکها و چیزهایی از این قبیل، به طور طبیعی بی نظم هستند. بنابراین ما باید ماشینهایمان را خارج از حیطۀ این قبیل مواد بسازیم. پیوسته مسائلی در ارتباط با قسمتهای الکتریکی سیستم، سیمهای مسی و قسمتهای آهنربایی وجود دارد. متعلقات و خواص آهنربایی در مقیاس کوچک با سایز بزرگ آن بسیار متفاوت می باشد. در رابطه با حوزۀ میدان، مسائلی وجود دارد. یک آهنربای بزرگ از میلیونها میدان ساخته شده است، در صورتیکه در مقیاس کوچک فقط یک میدان وجود دارد. تجهیزات الکتریکی به سادگی کوچک نخواهند شد و آنها باید دوباره طراحی شوند. مشکلات روغن کاری سیستم: روغن کاری با نکات جالبی سر و کار دارد. چسبناکی مؤثر مواد روغنی، همانطور که از سطح به عمق پیش می رویم، به نسبت بالا و بالاتر می رود (اگر تا اندازه ای که می توانیم سرعت را افزایش دهیم). اگر سرعت را به میزان کافی افزایش ندهیم، و از روغن به نفت سفید یا سیالاتی دیگر متمایل گردیم، مسئله آنقدرها هم بد نیست. اما امکان روغن کاری وجود ندارد! زیرا نیروهای فوق العاده زیادی وارد می شود و اگر اطراف بلبرینگ را خشک نگه داریم، گرما را پخش نمی کنند زیرا حرارت به دلیل سرعت و کوچکی وسیله خارج می گردد. این سرعت در از دست دادن گرما، از انفجار گاز جلوگیری می کند. بنابراین امکان ایجاد موتور احتراق داخلی غیرممکن است. بنابراین از واکنش شیمیایی دیگری چون آزاد کردن انرژی در سرما، می توان استفاده نمود. احتمالاً منبع خارجی قدرت الکتریکی برای چنین ماشین کوچکی قابل استفاده است. فایدۀ چنین ماشینی چه می باشد؟ چه کسی می داند؟ البته یک اتومبیل کوچک فقط برای کرمهای ریز مفید می باشد که با آن رانندگی کنند. البته امکان تولید وسایل کوچکی برای کامپیوترها شامل تراشه ها و ... در سطحی بسیار کوچک در کارخانه های کاملاً اتوماتیک وجود دارد. تراشه های کوچک نباید دقیقاً مانند نوع بزرگ آن باشند. دوست من آلبرت هیبس، امکان بسیار جالب ولی در ظاهر دیوانه کننده ای را پیش بینی می کند. مثلاً اگر برای جراحی، جراح را ببلعید. شما جراح مکانیکی را داخل رگ خونی قرار می دهید و آن به طرف قلب می رود و آن حوالی را بررسی می کند (البته با بیرون تبادل اطلاعاتی برقرار می کند). میزان نقص را تعیین می کند و با چاقو قسمتهای اضافی را درمی آورد. ماشینهای کوچک دیگری ممکن است دائماً داخل بدن بگردند تا به بخشهایی که به خوبی کار نمی کنند، کمک کنند. حال سؤال جالبی مطرح می شود: چطور ما چنین مکانیزم کوچکی بسازیم؟ اجازه دهید امکان خارق العا ده ای را توصیف کنم. درکارخانه های انرژی اتمی نمی توانند مستقیماً با مواد و ماشینها سروکار داشته باشند، زیرا رادیواکتیو هستند. برای بازکردن پیچها و درآوردن آنها از مهره ها و ... آنها دستگاهی متشکل از دستهای کاردان و ماهر دارند که بوسیلۀ اهرمی آنها را کنترل می کنند و همه چیز را نسبتاً در دسترس خود قرار می دهند. در چنین دستگاههایی یک کابل ضخیم وجود دارد که مانند نخ عروسک خیمه شب بازی از مرکز کنترل به دستها متصل است. البته موتورهای خود تنظیم هم ساخته شده اند که ارتباط قسمت الکتریکی و مکانیکی را برقرار می سازند. زمانیکه شما اهرمها را حرکت می دهید، آنها موتور خود تنظیم را می چرخانند و سبب تغییر جریان الکتریکی در سیمها می شوند که دستها را حرکت می دهند. اکنون من می خواهم همان دستگاه را بسازم، اما می خواهم سازندگان ماشینهای مقیاس بزرگ، دستهایی با یک چهارم سایز مورد بحث قبلی مان بوجود آورند که با دقت کار می کنند. پس ما با مقیاس ربعی سر و کار داریم، موتورهای خود تنظیم کوچک که با دستهای کوچک کار می کنند و پیچ و مهره های کوچکی دارند. آنها سوراخهای کوچکی ایجاد می کنند، که چهار مرتبه کوچکترند. بنابراین من تراشه هایی با یک چهارم سایز تولید می کنم و من دوباره مقیاس را یک چهارم می نمایم، تا دستهایی با یک شانزدهم سایز اولیه شان داشته باشم و بعد، از میان ترانسفورماتورها، سیستم اصلی بزرگ را توسط سیم کشی به موتورهای خود تنظیم یک شانزدهم متصل می کنم. بنابراین دستهای کاردان یک شانزدهم سایز داریم. ما می توانیم با مالش سطوح ناصاف، سطوحی صاف ایجاد کنیم و ...، پس غیرممکن نیست که بتوانیم دقت دستگاهها در مقیاس کوچک را با عملیات درست بهبود بخشیم. بنابراین ضروری است که در هر مرحله با کار روی تجهیزات، دقت را بالا ببریم. مثلاً با ساخت دقیق پیچها، موتورهای خود تنظیم و غیره در سطوح بالاتر. در هر سطح باید توقف کنیم و تمام مواد مورد نیاز مرحلۀ بعد را تهیه کرده و به همین ترتیب به سطوح مقیاس کوچک پیشروی نماییم. بعد از این همه، فقط تراشه ای چهار هزار بار کوچکتر از معمول ساخته ایم. اما ما در فکر ساخت کامپیوتر بزرگی بوده ایم که تراشه های کوچک آن دارای سوراخهایی هستند و به عنوان سازندۀ واشرهای کوچک، این کامپیوترها استفاده می شوند. چند واشر با یک تراشه تولید می گردد؟ یکصد دست کوچک: زمانیکه دستهای کاردان یک چهارم مقیاسی را بسازم، قصد دارم تعداد ده تای آن را فراهم سازم و همۀ آنها را به اهرم اصلی سیم کشی کنم. بنابراین در یک زمان همه یک کار یکسان را انجام می دهند. بعد از این، وقتی در حال ساخت دستگاههای جدید یک شانزدهم مقیاسی هستم، دوباره اجازه می دهم که هر یک 10 کپی تولید کنند. بنابراین یکصد دست کوچک یک شانزدهم سایز اولیه خواهیم داشت. کجا قصد دارم میلیونها تراشۀ کوچک را قرار دهم؟ حجم آنقدرکم است که حتی به اندازۀ یک ماشین برش بزرگ هم نمی شود. برای مثال اگر یک بیلیون تراشۀ کوچک بسازیم، هرکدام یک چهار هزارم مقیاس تراشۀ معمولی است، پس ماده و فضای کافی در دسترس می باشد، زیرا بیلیونها نوع کوچک، کمتر از 2% یک تراشۀ بزرگ حجم اشغا ل می کند. همانطور که مقیاس را کاهش می دهیم، مسا ئل جا لب توجهی ایجاد می گردد. مسئلۀ چسبندگی مواد به هم توسط جذب مولکولی (نیروی واندروالس) وجود دارد. برای مثال: پس از ساخت یک قسمت، با اینکه مهره را دور پیچ نمی پیچانید، پایین نمی افتد؛ زیرا جاذبۀ زمین محبوس نیست. حتی به سختی می توانید پیچ را در آورید. شبیه به حرکات آشنای آدمی با دستهای پر از شهد که برای خلاصی از آن، به شیشه ای آب نیاز دارد. پس باید برای ارائۀ طرحی در جهت رفع آن بکوشیم. بازسازی ترکیبات اتمی: چه اتفاقی می افتد اگر بتوانیم اتمها را به صورتی که می خواهیم یکی بعد از دیگری مرتب سازیم؟ (البته شما نمی توانید اینگونه عمل کنید، زیرا برای مثال، آنها بطور شیمیایی نااستوار هستند). ما با حفر زمین، مواد معدنی را می یابیم و آنها را گرم می کنیم، و کارهایی در مقیاس معمولی انجام می دهیم تا شاید از مقداری مادۀ ناخالص به ماده ای خالص برسیم. اما با استفاده از یک "تختۀ کنترل" ترتیب دقیق اتمهای ناخالص به هم می ریزد و A˚ 1000 از یکدیگر جدا می شوند و در الگوهای ویژه ای قرار می گیرند. در صورتیکه اگر انتظار ترتیب اتمی خاصی در طبیعت داشته باشیم، هیچ بدست نیاورده ایم. اگر می توانستیم واقعاً اتمها را مرتب سازیم، مواد چه خواصی بدست می آورند؟ تحقیق تئوری آن بسیار جالب است. دقیقاً نمی توانم آن را پیش بینی کنم، ولی تصور می کنم که با کنترل ترتیب اتمی در مقیاس کوچک، خواص مواد بطور منظم تری ایجاد می گردد. اتمها در جهانی کوچک: زمانیکه به جهانی بسیار کوچک می رسیم، آن را دور هفت اتمی می نامیم. مسائل جدیدی اتفاق می افتد که کاملاً فرصتهای جدید طراحی را ایجاد می کند. اتمها در مقیاس کوچک مانند هیچ موردی در مقیاس بزرگ رفتار نمی کنند، چرا که از قوانین مکانیک کوانتومی پیروی می کنند. ما نه تنها می توانیم از سیم پیچها استفاده کنیم، بلکه تعدادی سطوح درگیر انرژی جدا شده با اسپینهای عمل درونی را مورد بهره برداری قرار می دهیم. مسئلۀ دیگری که باید توجه کنیم، اینست که اگر به اندازۀ کافی پایین برویم، وسایلی که بطور جمعی تولید می شود، به طور کاملاً مشابه دیگران هستند. در صورتیکه ما نمی توانیم دو ماشین بزرگ را دقیقاً مانند هم بسازیم. اما اگر ماشین شما فقط دارای 100 اتم باشد، باید 50% آن را دقیقاً همانند ماشین دیگر بسازیم! مطالب اساسی فیزیکی در مورد امکان نمایش موارد اتمی توسط اتمها صحبت نمی کند. برای نقض هیچ قانونی، اصراری نیست. چیزی که بطور عمده مطرح است، امکان انجام آن است، در صورتیکه تمرین عملی آن صورت نگرفته است، چرا که ما بسیار بزرگیم. و سرانجام ما می توانیم ترکیب شیمیایی انجام دهیم. شیمیدان به ما می گوید: "نگاه کنید! من می خواهم مولکولی با اتمهای مرتب شده بسازم." او زمانیکه مولکولی را می سازد، عمل سری را انجام می دهد. او مواد مختلفی را مخلوط می کند و در انتهای این فرآیند مشکل، معمولاً موفق است و ترکیب آنچه را که می خواهد بدست می آورد. تا زمانیکه من وسایل کار را بدست آورم، تا آن را با فیزیک بتوانیم انجام دهیم، او کشف خواهد کرد چطور کاملاً هر چیزی را ترکیب کند، به صورتیکه واقعاً مفید باشد. اما جالب است که امکان ترکیب هر مادۀ شیمیایی که شیمیدان ذکر می کند، برای فیزیکدان وجود دارد. دستورات را بدهید و آن را فیزیکدان انجام می دهد. چطور؟ اتمها را کنار هم در جاییکه شیمیدان می خواهد، بگذارید و بنابراین مادۀ مرکب را ساخته اید. مسائل وافری می تواند از شیمی و زیست مورد بهره برداری قرار گیرد، اما ما قادر به دیدن آنچه در حال انجام آن در سطح اتمی هستیم، باشیم. چنین پیشرفتی اجتناب ناپذیر است. حال ممکن است شما بگویید که: "چه کسی این را باید انجام دهد و چرا؟" خوب، من تعداد کمی از کاربردهای تخصصی آن را یافتم، ولی می دانم که دلیل اینکه شما آن را انجام میدهید، فقط برای تفریح است. اما مقدار کمی تفریح در بر دارد! بیایید رقابتی بین آزمایشگاهها داشته باشیم، به صورتی که یک آزمایشگاه موتور کوچک را بفرستد و آزمایشگاه دیگر آن را با چیزی داخل استوانه اش برگرداند.