Det finns gott om plats längst ner

Richard Feynman

Detta visionära tal som Richard Feynman höll den 29 december 1959 vid ”American Physical Societys” årliga möte vid ”California Institute of Technology” hjälpte till att föda det nu exploderande området av nanoteknik.

Richard Feynman

Jag föreställer mig att experimentfysiker ofta måste se med avundsjuka på män som Kamerlingh Onnes, som upptäckte ett fält med låg temperatur, som verkar vara bottenlöst och där man kan gå ner och ner. En sådan man är då en ledare och har ett visst tillfälligt monopol på ett vetenskapligt äventyr. Percy Bridgman, när han utformade ett sätt att få högre tryck, öppnade upp ett annat nytt fält och kunde flytta in i det och leda oss hela tiden. Utvecklingen av allt högre vakuum var en fortsatt utveckling av samma slag.

Jag skulle vilja beskriva ett område där lite har gjorts men där man i princip kan göra oerhört mycket. Det här fältet är inte riktigt detsamma som de andra eftersom det inte kommer att berätta mycket om fundamental fysik (i betydelsen ”Vad är de konstiga partiklarna?”) men det är mer som fasta tillståndets fysik i den meningen att det kan berätta mycket av stort intresse om de märkliga fenomen som uppstår i komplexa situationer. Dessutom är en punkt som är viktig, att det skulle ha ett enormt antal tekniska tillämpningar.

Det jag vill prata om är problemet med att manipulera och kontrollera saker i liten skala.

Så fort jag nämner detta berättar folk för mig om miniatyrisering och hur långt det har kommit idag. De berättar för mig om elmotorer som är lika stora som nageln på ditt lillfinger. Och att det finns en anordning på marknaden, säger de till mig, med vilken man kan skriva Herrens bön på huvudet av en nål. Men det är ingenting; det är det mest primitiva, stapplande steget i den riktning jag tänker diskutera. Det är en svindlande liten värld som ligger nedanför det. År 2000, när de ser tillbaka på denna tidsålder, kommer de att undra varför det inte var förrän år 1960 som någon på allvar började röra sig i denna riktning.

Varför kan vi inte skriva alla de 24 volymerna av Encyclopedia Brittanica på en nål?

Låt oss se vad som skulle vara inblandat. Huvudet på en nål är en sextondels tum tvärs över. Om du förstorar den med 25 000 diametrar är arean av stiftets huvud då lika med arean på alla sidorna i Encyclopaedia Brittanica. Därför är allt som behövs göras att minska i storlek all skrift i uppslagsverket med 25 000 gånger. Är det möjligt? Ögats upplösningsförmåga är ungefär 1/120 av en tum – det är ungefär diametern på en av de små prickarna på de fina halvtonsreproduktionerna i Encyclopaedia.

Detta, när du förminskar det med 25 000 gånger, är fortfarande 80 ångström i diameter – 32 atomer tvärs över, i en vanlig metall. Med andra ord, en av dessa prickar skulle fortfarande innehålla 1 000 atomer inom sitt område. Så varje prick kan enkelt justeras i storlek som krävs av fotograveringen, och det är ingen tvekan om att det finns tillräckligt med utrymme på huvudet av en nål för att placera hela Encyclopaedia Brittanica.

Vidare kan den läsas om den är så skriven. Låt oss föreställa oss att det är skrivet med upphöjda bokstäver av metall; det vill säga där det svarta är i uppslagsverket har vi tagit upp bokstäver av metall som faktiskt är 1/25 000 av sin vanliga storlek.

Hur skulle vi läsa det?

Om vi hade något skrivet på ett sådant sätt, skulle vi kunna läsa det med tekniker som används idag. (De kommer utan tvekan att hitta ett bättre sätt när vi faktiskt har det skrivet, men för att göra min poäng konservativt ska jag bara ta tekniker vi känner till idag.) Vi skulle pressa metallen i ett plastmaterial och göra en form av den och sedan skala av plasten mycket försiktigt, indunsta kiseldioxid i plasten för att få en mycket tunn film, skugga den sedan genom att avdunsta guld i en vinkel mot kiseldioxiden så att alla små bokstäver kommer att synas tydligt, lös upp plasten bort från kiseldioxidfilmen, och titta sedan igenom det med ett elektronmikroskop!

Det råder ingen tvekan om att om saken reducerades med 25 000 gånger i form av upphöjda bokstäver på nålen skulle det vara lätt för oss att läsa det idag. Dessutom; det råder ingen tvekan om att vi skulle finna det lätt att göra kopior av det; vi skulle bara behöva trycka in samma metallplatta igen i plast och vi skulle ha ett exemplar till.

Hur skriver vi litet?

Nästa fråga är: Hur skriver vi det? Vi har ingen standardteknik för att göra detta nu. Men låt mig hävda att det inte är så svårt som det först verkar vara. Vi kan vända om linserna i elektronmikroskopet för att förminska såväl som förstora. En jonkälla, som skickas genom mikroskoplinserna i omvänd riktning, kunde fokuseras till en mycket liten fläck. Vi skulle kunna skriva med den punkten som vi skriver i ett TV-katodstråleoscilloskop, genom att gå tvärs över i linjer och ha en justering som bestämmer mängden material som kommer att avsättas när vi skannar i linjer.

Denna metod kan vara mycket långsam på grund av utrymmesladdningsbegränsningar. Det kommer att finnas snabbare metoder. Vi skulle först kunna göra, kanske genom någon fotoprocess, en skärm som har hål i formen av bokstäverna. Sedan skulle vi slå en båge bakom hålen och dra metalljoner genom hålen; då kunde vi återigen använda vårt linssystem och göra en liten bild i form av joner, som skulle avsätta metallen på nålen.

Ett enklare sätt kan vara detta (även om jag inte är säker på att det skulle fungera): Vi tar ljus och genom ett optiskt mikroskop som går bakåt fokuserar vi det på en mycket liten fotoelektrisk skärm. Sedan kommer elektroner bort från skärmen där ljuset lyser. Dessa elektroner fokuseras ner i storlek av elektronmikroskoplinserna för att träffa direkt på metallens yta.

Kommer en sådan stråle att etsa bort metallen om den körs tillräckligt länge? jag vet inte. Om det inte fungerar för en metallyta måste det vara möjligt att hitta någon yta att belägga den ursprungliga nålen med så att där elektronerna bombarderar görs en förändring som vi kunde känna igen senare.

Det finns inga intensitetsproblem i dessa enheter – inte vad du är van vid i förstoring, där du måste ta några elektroner och sprida dem över en större och större skärm; det är precis tvärtom. Ljuset som vi får från en sida är koncentrerat till ett mycket litet område så det är väldigt intensivt. De få elektroner som kommer från den fotoelektriska skärmen förminskas ner till ett mycket litet område så att de återigen är väldigt intensiva. Jag vet inte varför detta inte har gjorts än!

Det är Encyclopaedia Brittanica på huvudet av en nål, men låt oss överväga alla böcker i världen. ”The Library of Congress” har cirka 9 miljoner volymer; ”British Museum Library” har 5 miljoner volymer; det finns också 5 miljoner volymer i Nationalbiblioteket i Frankrike. Utan tvekan finns det dubbletter, så låt oss säga att det finns cirka 24 miljoner volymer av intresse i världen.

Vad skulle hända om jag skriver ut allt detta i den skala vi har diskuterat? Hur mycket plats skulle det ta? Det skulle naturligtvis ta en yta på omkring en miljon knappnålshuvuden, för istället för att det bara finns de 24 volymerna av Encyclopaedia, finns det 24 miljoner volymer. Miljonnålshuvudena kan sättas i en kvadrat med tusen nålar på en sida, eller en yta på cirka 3 kvadratmeter.

Det vill säga, kiseldioxidreplikan med den papperstunna baksidan av plast, som vi har gjort kopiorna med, med all denna information, finns på en yta av ungefär 35 sidor av Encyclopaedia. Det är ungefär hälften så många sidor som det finns i den här tidningen. All information som hela mänskligheten har registrerat i böcker kan bäras runt i en broschyr i din hand – och inte skriven i kod, utan en enkel reproduktion av originalbilderna, gravyrerna och allt annat i liten skala utan förlust av upplösning.

Vad skulle vår bibliotekarie på Caltech säga, när hon springer över från en byggnad till en annan, om jag berättar för henne att om tio år kommer all information som hon kämpar för att hålla reda på – 120 000 volymer, staplade från golv till tak, lådor fulla med kort, förvaringsrum fulla av de äldre böckerna – kan förvaras på bara ett bibliotekskort! När universitetet i Brasilien, till exempel, upptäcker att deras bibliotek är nerbränt, kan vi skicka dem en kopia av varje bok i vårt bibliotek genom att ta en kopia från varje bok inom några timmar och posta den i ett kuvert som inte är större eller tyngre än något annat vanligt flygpostbrev.

Nu, namnet på detta föredrag är;

”Det finns gott om plats längst ner”

…inte bara;

”Det finns plats längst ner.”

Vad jag har visat är att det finns utrymme – att du kan minska storleken på saker på ett praktiskt sätt. Jag vill nu visa att det finns gott om plats. Jag ska nu inte diskutera hur vi ska göra det, utan bara vad som är möjligt i princip – med andra ord vad som är möjligt enligt fysikens lagar. Jag uppfinner inte antigravitationen, vilket är möjligt en dag bara om lagarna inte är vad vi tror. Jag berättar för dig vad som skulle kunna göras om lagarna är vad vi tror; vi gör det inte bara för att vi ännu inte har kommit till det.

Information i liten skala

Anta att vi istället för att försöka återge bilderna och all information direkt i dess nuvarande form, bara skriver informationsinnehållet i en kod av punkter och streck, eller något liknande, för att representera de olika bokstäverna. Varje bokstav representerar sex eller sju ”bitar” av information; det vill säga du behöver bara ungefär sex eller sju punkter eller streck för varje bokstav. Nu, istället för att skriva allt, som jag gjorde tidigare, på ytan av ett stifts huvud, ska jag också använda materialets insida.

Låt oss representera en prick med en liten fläck av en metall, nästa streck, av en intilliggande fläck av en annan metall, och så vidare. Antag, för att vara konservativ, att lite information kommer att kräva en liten kub av atomer 5 gånger 5 gånger 5 – det vill säga 125 atomer. Kanske behöver vi hundra och några udda atomer för att se till att informationen inte går förlorad genom diffusion, eller genom någon annan process.

Jag har uppskattat hur många bokstäver det finns i uppslagsverket, och jag har antagit att var och en av mina 24 miljoner böcker är lika stor som en uppslagsverksvolym, och har då räknat ut hur många informationsbitar det finns (1015). För varje bit tillåter jag 100 atomer. Och det visar sig att all information som människan noggrant har samlat på sig i alla böcker i världen kan skrivas i denna form i en kub av material som är en tvåhundradels tum bred – vilket är den minsta dammbiten som kan urskiljas av det mänskliga ögat. Så det finns gott om plats! Berätta inte för mig om mikrofilm!

Detta faktum – att enorma mängder information kan bäras i ett ytterst litet utrymme – är naturligtvis välkänt för biologerna och löser mysteriet som fanns innan vi förstod allt detta klart, om hur det kunde vara så, i den minsta cellen kan all information för organisationen av en komplex varelse som vi lagras.

All denna information – oavsett om vi har bruna ögon, eller om vi alls tänker, eller att käkbenet i embryot först ska utvecklas med ett litet hål i sidan så att en nerv senare kan växa genom det – all denna information som finns i en mycket liten del av cellen i form av långkedjiga DNA-molekyler där cirka 50 atomer används för en bit information om cellen.

Bättre elektronmikroskop

Om jag har skrivit in en kod, med 5 gånger 5 gånger 5 atomer till en bit, är frågan: Hur skulle jag kunna läsa den idag? Elektronmikroskopet är inte riktigt tillräckligt bra, med största omsorg och ansträngning kan det bara lösa cirka 10 ångström. Jag skulle vilja försöka imponera på er medan jag pratar om alla dessa saker i liten skala, vikten av att förbättra elektronmikroskopet hundra gånger.

Det är inte omöjligt; det strider inte mot lagarna för elektronens diffraktion. Våglängden på elektronen i ett sådant mikroskop är bara 1/20 av en ångström. Så det borde vara möjligt att se de enskilda atomerna. Vilken nytta skulle det vara att se enskilda atomer distinkt?

Vi har vänner inom andra områden – inom biologi, till exempel.

Vi fysiker tittar ofta på dem och säger;

Vet du varför ni gör så små framsteg?

(Jag känner faktiskt inte till något område där de gör snabbare framsteg än vad de gör inom biologin idag.)

”Du borde använda mer matematik, som vi gör.”

De skulle kunna svara oss – men de är artiga, så jag ska svara för dem;

”Vad du bör göra för att vi ska kunna göra snabbare framsteg är att göra elektronmikroskopet 100 gånger bättre.”

Vilka är biologins mest centrala och grundläggande problem idag? Det är frågor som: Vilken är sekvensen av baser i DNA? Vad händer när man har en mutation? Hur är basordningen i DNA:t kopplad till ordningen på aminosyrorna i proteinet? Vad är strukturen för RNA:t; är det enkelkedja eller dubbelkedja, och hur är den relaterad i sin basordning till DNA:t?

Hur är organiseringen av mikrosomerna? Hur syntetiseras proteiner? Vart tar RNA vägen? Hur sitter den? Var sitter proteinerna? Var går aminosyrorna in? I fotosyntesen, var är klorofyllet; hur är det ordnat; var är karotenoiderna inblandade i det här? Vad är systemet för omvandling av ljus till kemisk energi?

Det är mycket lätt att svara på många av dessa grundläggande biologiska frågor; du bara tittar på saken! Du kommer att se ordningen på baserna i kedjan; du kommer att se strukturen på mikrosomen. Tyvärr ser det nuvarande mikroskopet i en skala som bara är lite för grov. Gör mikroskopet hundra gånger kraftfullare, och många biologiproblem skulle göras mycket lättare. Jag överdriver, naturligtvis, men biologerna skulle säkert vara mycket tacksamma mot dig – och de skulle föredra det framför kritiken att de borde använda mer matematik.

Teorin om kemiska processer idag bygger på teoretisk fysik. I denna mening tillhandahåller fysiken grunden för kemin. Men kemi har också analys. Om du har ett konstigt ämne och du vill veta vad det är, går du igenom en lång och komplicerad process av kemisk analys. Du kan analysera nästan vad som helst idag, så jag är lite sen med min idé. Men om fysikerna ville kunde de också gräva under kemisterna i problemet med kemisk analys.

Det skulle vara mycket lätt att göra en analys av något komplicerat kemiskt ämne; allt man skulle behöva göra är att titta på det och se var atomerna finns. Det enda problemet är att elektronmikroskopet är hundra gånger för dåligt. (Senare skulle jag vilja ställa frågan: Kan fysikerna göra något åt det tredje problemet med kemi – nämligen syntes? Finns det ett fysikaliskt sätt att syntetisera någon kemisk substans?

Anledningen till att elektronmikroskopet är så dåligt är att linsernas f-värde bara är 1 del till 1 000; du har inte tillräckligt stor numerisk bländare. Och jag vet att det finns teorem som bevisar att det är omöjligt, med axiellt symmetriska stationära fältlinser, att producera ett f-värde som är större än si och så; och därför är upplösningsförmågan för närvarande vid sitt teoretiska maximum. Men i varje teorem finns det antaganden. Varför måste fältet vara symmetriskt? Jag uttryckte detta som en utmaning: Finns det inget sätt att göra elektronmikroskopet mer kraftfullt?

Det fantastiska biologiska systemet

Det biologiska exemplet med att skriva information i liten skala har inspirerat mig att tänka på något som borde vara möjligt. Biologi är inte bara att skriva information; det gör något åt det. Ett biologiskt system kan vara oerhört litet. Många av cellerna är mycket små, men de är mycket aktiva; de tillverkar olika ämnen; de går omkring; de vickar; och de gör alla möjliga fantastiska saker – allt i mycket liten skala. Dessutom lagrar de information. Tänk på möjligheten att vi också kan göra en sak väldigt liten som gör vad vi vill – att vi kan tillverka ett föremål som manövrerar på den nivån!

Det kan till och med finnas en ekonomisk poäng med denna verksamhet att göra saker väldigt små. Låt mig påminna dig om några av problemen med datormaskiner. I datorer måste vi lagra en enorm mängd information. Den typ av skrift som jag nämnde tidigare, där jag hade allt som en distribution av metall, är permanent. Mycket mer intressant för en dator är ett sätt att skriva, radera och skriva något annat. (Detta beror vanligtvis på att vi inte vill slösa bort materialet som vi just har skrivit på. Men om vi kunde skriva det på ett väldigt litet utrymme skulle det inte göra någon skillnad; det kan bara slängas efter att det var läst. Det kostar inte särskilt mycket för materialet).

Miniatyrisera datorn

Jag vet inte hur man gör det här i liten skala på ett praktiskt sätt, men jag vet att datorer är väldigt stora; de fyller rum. Varför kan vi inte göra dem väldigt små, göra dem av små trådar, små element – och med lite menar jag lite. Till exempel bör ledningarna vara 10 eller 100 atomer i diameter, och kretsarna bör vara några tusen ångström rakt över.

Alla som har analyserat den logiska teorin om datorer har kommit till slutsatsen att datorernas möjligheter är mycket intressanta – om de kunde göras mer komplicerade i flera storleksordningar. Om de hade miljontals gånger så många element skulle de kunna göra bedömningar. De skulle ha tid att räkna ut vad som är det bästa sättet att göra den beräkning som de ska göra. De kunde välja den analysmetod som, utifrån deras erfarenhet, är bättre än den vi skulle ge dem. Och på många andra sätt skulle de få nya kvalitativa egenskaper.

Om jag tittar på ditt ansikte känner jag direkt att jag har sett det förut. (Faktiskt kommer mina vänner att säga att jag har valt ett olyckligt exempel här för ämnet för denna illustration. Åtminstone inser jag att det är en man och inte ett äpple.) Ändå finns det ingen maskin som med den hastigheten kan ta en bild av ett ansikte och säg till och med att det är en man; och mycket mindre att det är samma man som du visade det förut – om det inte är exakt samma bild. Om ansiktet ändras; om jag är närmare ansiktet; om jag är längre från ansiktet; om ljuset ändras – jag känner igen det i alla fall.

Nu kan den här lilla datorn jag har i huvudet lätt göra det. Datorerna som vi bygger klarar inte av det. Antalet element i min benlåda är enormt mycket större än antalet element i våra ”underbara” datorer. Men våra mekaniska datorer är för stora; elementen i denna låda är mikroskopiska. Jag vill göra några som är submikroskopiska.

Om vi ville göra en dator som hade alla dessa fantastiska extra kvalitativa förmågor, skulle vi kanske behöva göra den till storleken på Pentagon. Detta har flera nackdelar. För det första kräver det för mycket material; det kanske inte finns tillräckligt med germanium i världen för alla transistorer som skulle behöva läggas i denna enorma sak. Det finns också problemet med värmealstring och energiförbrukning; TVA skulle behövas för att köra datorn.

Men en ännu mer praktisk svårighet är att datorn skulle begränsas till en viss hastighet. På grund av dess stora storlek krävs det begränsad tid för att få informationen från en plats till en annan. Informationen kan inte gå snabbare än ljusets hastighet – så i slutändan, när våra datorer blir snabbare och snabbare och mer och mer utarbetade, måste vi göra dem mindre och mindre.

Men det finns gott om plats att göra dem mindre. Det finns ingenting som jag kan se i de fysiska lagarna som säger att datorelementen inte kan göras enormt mycket mindre än de är nu. Faktum är att det kan finnas vissa fördelar.

Miniatyrisering genom avdunstning

Hur kan vi göra en sådan enhet? Vilken typ av tillverkningsprocesser skulle vi använda? En möjlighet vi kan överväga, eftersom vi har pratat om att skriva genom att lägga ner atomer i ett visst arrangemang, skulle vara att förånga materialet och sedan förånga isolatorn bredvid. Sedan, för nästa lager, avdunsta en annan position av en tråd, en annan isolator och så vidare. Så du avdunstar helt enkelt tills du har ett block med saker som har elementen – spolar och kondensorer, transistorer och så vidare – av mycket fina dimensioner.

Men jag skulle vilja diskutera, bara för nöjes skull, att det finns andra möjligheter. Varför kan vi inte tillverka dessa små datorer på samma sätt som vi tillverkar de stora? Varför kan vi inte borra hål, skära saker, löda saker, stansa ut saker, forma olika former allt på en oändlig nivå? Vilka är begränsningarna för hur liten en sak måste vara innan du inte längre kan forma den?

Hur många gånger när du arbetar med något frustrerande litet som din frus armbandsur, har du sagt till dig själv;

”Om jag bara kunde träna en myra att göra det här!”

Det jag skulle vilja tipsa om är möjligheten att träna en myra att träna ett kvalster att göra detta. Vilka är möjligheterna med små men rörliga maskiner? De kan vara användbara eller inte, men de skulle säkert vara roliga att göra.

Tänk på vilken maskin som helst – till exempel en bil – och fråga om problemen med att göra en oändligt liten maskin som den. Antag att vi i bilens speciella design behöver en viss precision hos delarna; vi behöver en noggrannhet, låt oss anta, på 4/10 000 av en tum. Om saker och ting är mer felaktiga än så i formen på cylindern och så vidare, kommer det inte att fungera särskilt bra.

Om jag gör saken för liten måste jag oroa mig för storleken på atomerna; Jag kan inte göra en cirkel av ”bollar” så att säga, om cirkeln är för liten. Så om jag gör felet, motsvarande 4/10 000 av en tum, motsvarar ett fel på 10 atomer, visar det sig att jag kan minska dimensionerna på en bil 4 000 gånger, ungefär – så att den blir 1 mm tvärs över. Självklart, om du designar om bilen så att den skulle fungera med en mycket större tolerans, vilket inte alls är omöjligt, så skulle du kunna göra en mycket mindre enhet.

Det är intressant att fundera över vilka problem som finns i så små maskiner. För det första, med delar belastade i samma grad, går krafterna som det område du reducerar, så att saker som vikt och tröghet har relativt ingen betydelse. Materialets styrka är med andra ord mycket större i proportion. Spänningarna och expansionen av svänghjulet från centrifugalkraft, till exempel, skulle vara samma proportion endast om rotationshastigheten ökas i samma proportion som vi minskar storleken.

Å andra sidan har metallerna som vi använder en kornstruktur, och det skulle vara väldigt irriterande i liten skala eftersom materialet inte är homogent. Plast och glas och saker av denna amorfa natur är mycket mer homogena, och därför måste vi tillverka våra maskiner av sådana material.

Det finns problem förknippade med den elektriska delen av systemet – med koppartrådarna och de magnetiska delarna. De magnetiska egenskaperna i mycket liten skala är inte desamma som i stor skala; det är ”domän”-problemet inblandat. En stor magnet gjord av miljontals domäner kan bara göras i liten skala med en domän. Den elektriska utrustningen kommer inte bara att skalas ner; det måste göras om. Men jag kan inte se någon anledning till att det inte kan göras om för att fungera igen.

Problem med smörjning

Smörjning involverar några intressanta punkter. Oljans effektiva viskositet skulle vara högre och högre i proportion när vi gick ner (och om vi ökar hastigheten så mycket vi kan). Om vi inte ökar hastigheten så mycket, och byter från olja till fotogen eller någon annan vätska, är problemet inte så värst stort. Men egentligen behöver vi kanske inte smörja alls! Vi har mycket extra kraft. Låt lagren torka; de blir inte varma eftersom värmen försvinner från en så liten enhet väldigt, väldigt snabbt.

Denna snabba värmeförlust skulle förhindra att bensinen exploderar, så en förbränningsmotor är omöjlig. Andra kemiska reaktioner, som frigör energi när det är kallt, kan användas. Förmodligen skulle en extern strömförsörjning vara lämpligast för så små maskiner.

Vilken nytta skulle sådana maskiner ha? Vem vet? Naturligtvis skulle en liten bil bara vara användbar för kvalstren att köra omkring i, och jag antar att våra kristna intressen inte går så långt. Vi noterade dock möjligheten att tillverka små element för datorer i helt automatiska fabriker, innehållande svarvar och andra verktygsmaskiner på den mycket lilla nivån. Den lilla svarven skulle inte behöva vara exakt som vår stora svarv. Jag överlåter till din fantasi att förbättra designen för att dra full nytta av sakers egenskaper i liten skala, och på ett sådant sätt att den helautomatiska aspekten skulle vara lättast att hantera.

En vän till mig (Albert R. Hibbs) föreslår en mycket intressant möjlighet för relativt små maskiner. Han säger att även om det är en väldigt vild idé skulle det vara intressant inom operation om man kunde svälja kirurgen. Man stoppar in den mekaniska kirurgen i blodkärlet och den går in i hjärtat och ”tittar” sig omkring. (Självklart måste informationen matas ut.) Den tar reda på vilken ventil som är den felaktiga och tar en liten kniv och skär ut den. Andra små maskiner kan vara permanent inbyggda i kroppen för att hjälpa något otillräckligt fungerande organ.

Nu kommer den intressanta frågan: Hur gör vi en så liten mekanism? Jag lämnar det till dig. Men låt mig föreslå en konstig möjlighet. Du vet, i atomenergianläggningarna har de material och maskiner som de inte kan hantera direkt eftersom de har blivit radioaktiva. För att skruva loss muttrar och sätta på bultar och så vidare, de har en uppsättning mästare och slavhänder, så att genom att manövrera en uppsättning spakar här, styr du ”händerna” där, och kan vrida dem åt det här och det där så att du kan hantera saker ganska så bra.

De flesta av dessa enheter är faktiskt gjorda ganska enkelt, eftersom det finns en speciell kabel, som en marionettsträng, som går direkt från kontrollerna till ”händerna”. Men naturligtvis har saker också gjorts med servomotorer, så att kopplingen mellan det ena och det andra är elektriskt snarare än mekaniskt. När du vrider spakarna vrider de en servomotor, och den ändrar de elektriska strömmarna i ledningarna, vilket omplacerar en motor i andra änden.

Nu vill jag bygga ungefär samma enhet – ett master-slave-system som fungerar elektriskt. Men jag vill att slavarna ska tillverkas särskilt noggrant av moderna storskaliga maskinister så att de är en fjärdedel av skalan av de ”händer” som man vanligtvis manövrerar. Så du har ett schema med vilket du kan göra saker i en fjärdedels skala ändå – de små servomotorerna med små händer leker med små muttrar och bultar; de borrar små hål; de är fyra gånger mindre. A ha!

Så jag tillverkar en kvartsstor svarv; Jag tillverkar verktyg i kvartsstorlek; och jag gör, på en fjärdedels skala, ytterligare en uppsättning händer igen relativt en fjärdedels storlek! Detta är en sextondels storlek, ur min synvinkel. Och när jag är klar med det här kopplar jag direkt från mitt storskaliga system, genom transformatorer kanske, till servomotorerna av en sextondels storlek. Således kan jag nu manipulera händerna i en sextondels storlek.

Tja, du får principen därifrån. Det är ett ganska svårt program, men det är en möjlighet. Man kan säga att man kan gå mycket längre i ett steg än från ett till fyra. Naturligtvis måste allt utformas mycket noggrant och det är inte nödvändigt att bara göra det som händer. Om du tänkte på det mycket noga, skulle du förmodligen kunna komma fram till ett mycket bättre system för att göra sådana saker.

Arbetar du genom en pantograf, även idag, kan du få mycket mer än en faktor fyra i ett steg. Men du kan inte arbeta direkt genom en pantograf som gör en mindre pantograf som sedan gör en mindre pantograf – på grund av hålens löshet och ojämnheter i konstruktionen. Änden på pantografen vickar med en relativt större oregelbundenhet än den oregelbundenhet som du rör dina händer med. När jag gick ner på den här skalan, skulle jag märka att änden av pantografen på änden av pantografen i änden av pantografen skakade så illa att den inte gjorde något vettigt alls.

I varje steg är det nödvändigt att förbättra apparatens precision. Om vi till exempel efter att ha gjort en liten svarv med en pantograf finner dess ledskruv oregelbunden – mer oregelbunden än den storskaliga – vi skulle kunna varva ledskruven mot brytbara muttrar som du kan vända tillbaka på vanligt sätt och framåt tills denna ledskruv är, i sin skala, lika exakt som våra ursprungliga ledskruvar, i vår skala.

Vi kan göra plattor genom att gnida ihop oplatta ytor i tre exemplar – i tre par – och plattorna blir sedan plattare än det du började med. Det är alltså inte omöjligt att förbättra precisionen i liten skala genom korrekta operationer. Så när vi bygger den här grejjen är det nödvändigt att vid varje steg förbättra utrustningens noggrannhet genom att arbeta ett tag där nere, göra exakta ledskruvar, Johansen-block och alla andra material som vi använder i exakt maskinarbete på högre nivå. Vi måste stanna vid varje nivå och tillverka alla grejer för att gå till nästa nivå – ett mycket långt och mycket svårt program. Kanske kan du hitta ett bättre sätt än så för att snabbare komma ner till småskalighet.

Men efter allt detta har du precis fått en liten babysvarv fyra tusen gånger mindre än vanligt. Men vi tänkte göra en enorm dator, som vi skulle bygga genom att borra hål med denna svarv för att göra små brickor till datorn. Hur många brickor kan du tillverka på den här svarven?

Hundra små händer

När jag gör min första uppsättning slav-händer med en fjärdedels skala, kommer jag att göra tio set. Jag gör tio uppsättningar av ”händer”, och jag kopplar dem till mina ursprungliga spakar så att de gör exakt samma sak samtidigt parallellt. Nu, när jag gör mina nya enheter till en fjärdedel igen så små, låter jag var och en tillverka tio exemplar, så att jag skulle ha hundra ”händer” i storleken 1/16.

Var ska jag lägga de miljoner svarvar som jag ska ha? Det finns inget med det; volymen är mycket mindre än för ens en fullskalig svarv. Till exempel, om jag gjorde en miljard små svarvar, var och en 1/4000 av skalan för en vanlig svarv, så finns det gott om material och utrymme tillgängligt eftersom i miljarden små finns det mindre än 2 procent av materialen i en stor svarv .

Det kostar inget av material, förstår du. Så jag vill bygga en miljard små fabriker, modeller av varandra, som tillverkar samtidigt, borrar hål, stämplar delar och så vidare.

När vi går ner i storlek finns det ett antal intressanta problem som uppstår. Alla saker skalar inte bara ner i proportion. Det finns problemet att material håller ihop av de molekylära (Van der Waals) attraktionerna. Det skulle vara så här: När du har gjort en del och du skruvar loss muttern från en bult, kommer den inte att falla ner eftersom tyngdkraften inte är märkbar; det skulle till och med vara svårt att få bort den från bulten. Det skulle vara som de där gamla filmerna av en man med händerna fulla av melass som försöker bli av med ett glas vatten. Det kommer att finnas flera problem av detta slag som vi måste vara redo att designa för.

Ordna om atomerna

Men jag är inte rädd att överväga den sista frågan om huruvida vi i slutändan – i den stora framtiden – kan ordna atomerna som vi vill; själva atomerna, hela vägen ner! Vad skulle hända om vi kunde ordna atomerna en efter en som vi vill ha dem (inom rimliga gränser förstås; man kan inte sätta dem så att de är kemiskt instabila till exempel).

Hittills har vi nöjt oss med att gräva i marken för att hitta mineraler. Vi värmer dem och vi gör saker i stor skala med dem, och vi hoppas få ett rent ämne med precis så mycket orenhet osv. Men vi måste alltid acceptera något atomarrangemang som naturen ger oss. Vi har ingenting, säg, med ett ”rutbräde”-arrangemang, med föroreningsatomerna exakt arrangerade 1 000 ångström från varandra, eller i något annat speciellt mönster.

Vad skulle vi kunna göra med skiktade strukturer med precis rätt skikt? Vad skulle materialens egenskaper vara om vi verkligen kunde ordna atomerna som vi vill ha dem? De skulle vara mycket intressanta att undersöka teoretiskt. Jag kan inte se exakt vad som skulle hända, men jag kan knappast tvivla på att när vi har lite kontroll över sakers arrangemang i liten skala kommer vi att få ett enormt större utbud av möjliga egenskaper som ämnen kan ha, och av olika saker som vi kan göra.

Betrakta till exempel en bit material där vi gör små spolar och kondensorer (eller deras solida analoger) 1 000 eller 10 000 ångström i en krets, den ena bredvid den andra, över ett stort område, med små antenner som sticker ut vid den andra änden – en hel serie kretsar. Är det till exempel möjligt att sända ut ljus från en hel uppsättning antenner, som vi sänder ut radiovågor från en organiserad uppsättning antenner för att sända radioprogrammen till Europa? Samma sak skulle vara att stråla ut ljuset i en bestämd riktning med mycket hög intensitet. (Kanske är en sådan stråle inte särskilt användbar tekniskt eller ekonomiskt.)

Jag har tänkt på några av problemen med att bygga elektriska kretsar i liten skala, och problemet med motstånd är allvarligt. Om du bygger en motsvarande krets i liten skala, går dess naturliga frekvens upp, eftersom våglängden går ner som skalan; men huddjupet minskar bara med kvadratroten av skalförhållandet, och så resistiva problem är av ökande svårighet. Möjligen kan vi slå motstånd genom att använda supraledning om frekvensen inte är för hög, eller genom andra knep.

Atomer i en liten värld

När vi kommer till den mycket, mycket lilla världen – säg kretsar med sju atomer – har vi många nya saker som skulle hända som representerar helt nya möjligheter för design. Atomer i liten skala beter sig som ingenting i stor skala, för de uppfyller kvantmekanikens lagar. Så när vi går ner och pillar med atomerna där nere, arbetar vi med olika lagar, och vi kan förvänta oss att göra olika saker. Vi kan tillverka på olika sätt. Vi kan använda, inte bara kretsar, utan något system som involverar de kvantiserade energinivåerna, eller interaktionerna av kvantiserade spinn, etc.

En annan sak vi kommer att märka är att om vi går tillräckligt långt ner kan alla våra enheter massproduceras så att de är helt perfekta kopior av varandra. Vi kan inte bygga två stora maskiner så att måtten blir exakt likadana. Men om din maskin bara är 100 atomer hög, behöver du bara få den korrekt till en halv procent för att se till att den andra maskinen är exakt lika stor – nämligen 100 atomer hög!

På atomnivå har vi nya typer av krafter och nya sorters möjligheter, nya sorters effekter. Problemen med tillverkning och reproduktion av material kommer att vara helt annorlunda. Jag är, som sagt, inspirerad av de biologiska fenomen där kemiska krafter används på upprepade sätt för att producera alla möjliga konstiga effekter (varav en är författaren).

Fysikens principer talar, så vitt jag kan se, inte mot möjligheten att manövrera saker atom för atom. Det är inte ett försök att bryta mot några lagar; det är något i princip som kan göras; men i praktiken har det inte gjorts eftersom vi är för stora.

I slutändan kan vi göra kemisk syntes.

En kemist kommer till oss och säger;

”Titta, jag vill ha en molekyl som har atomerna ordnade så och så; gör mig den där molekylen.”

Kemisten gör en mystisk sak när han vill göra en molekyl. Han ser att den har fått den ringen, så han blandar den och den, och han skakar den, och han pillar runt. Och i slutet av en svår process lyckas han vanligtvis syntetisera vad han vill. När jag får mina enheter att fungera, så att vi kan göra det med fysik, kommer han att ha kommit på hur man syntetiserar absolut vad som helst, så att detta verkligen kommer att vara värdelöst.

Men det är intressant att det i princip skulle vara möjligt (tror jag) för en fysiker att syntetisera vilken kemisk substans som helst som kemisten skriver ner. Ge orderna och fysikern syntetiserar det. Hur? Lägg ner atomerna där kemisten säger, så gör du ämnet. Problemen med kemi och biologi kan bli mycket avhjälpta om vår förmåga att se vad vi gör, och att göra saker på atomär nivå, i slutändan utvecklas – en utveckling som jag tror inte kan undvikas.

Nu kan du säga;

”Vem ska göra detta och varför ska de göra det?”

Tja, jag pekade ut några av de ekonomiska tillämpningarna, men jag vet att anledningen till att du skulle göra det kanske bara är för skojs skull. För ha lite kul! Låt oss ha en konkurrens mellan laboratorier. Låt ett laboratorium göra en liten motor som den skickar till ett annat labb som skickar tillbaka den med en sak som passar in i axeln på den första motorn.

Gymnasietävling

Bara för skojs skull, och för att få barnen intresserade av det här området, skulle jag föreslå att någon som har lite kontakt med gymnasieskolorna funderar på att göra någon form av gymnasietävling. När allt kommer omkring har vi inte ens börjat inom det här området, och även barnen kan skriva mindre än vad som någonsin har skrivits förut. De skulle kunna ha konkurrens på gymnasierna.

Gymnasiet i Los Angeles skulle kunna skicka en nål till gymnasiet i Venedig där det står;

”Hur är det där?”

De får tillbaka nålen, och i pricken i ”i” står det;

”Inte så varmt.”

Det här kanske inte lockar dig att göra, och bara ekonomi kommer att göra det svårt. Då vill jag göra något; men jag kan inte göra det just nu, eftersom jag inte har förberett marken. Det är min avsikt att erbjuda ett pris på 1 000 $ till den första killen som kan ta informationen på sidan i en bok och lägga den på en yta 1/25 000 mindre i linjär skala på ett sådant sätt att den kan läsas av ett elektronmikroskop .

Och jag vill erbjuda ett annat pris – om jag kan komma på hur jag ska formulera det så att jag inte hamnar i en röra av argument om definitioner – på ytterligare 1 000 $ till den första killen som gör en elektrisk motor i drift – en roterande elmotor som kan styras från utsidan och, utan att räkna in ledningarna, är endast en 1/64 tums kub.

Jag förväntar mig inte att sådana priser kommer att behöva vänta särskilt länge för sökande.

Denna utskrift av talet som Richard Feynman höll den 29 december 1959 vid ”American Physical Societys” årliga möte vid ”California Institute of Technology” (Caltech) publicerades först i februarinumret 1960 av ”Caltech’s Engineering and Science”, som äger upphovsrätten. Den har gjorts tillgänglig med deras vänliga tillstånd.

Lämna ett svar

Din e-postadress kommer inte publiceras.