Радость познания

В принципе мы добились некоторых успехов. Это весьма трудная программа — но это возможно. Вы можете возразить, что мы продвинулись бы значительно дальше одним махом, а не уменьшая масштаб от одного до четырех. Конечно, все должно быть сконструировано очень тщательно, не нужно делать эти устройства похожими на «руки». Если вы тщательно продумали устройство, возможно, вы сумеете построить значительно лучшую систему манипулирования.

Если вы работаете через пантограф, можно получить фактор гораздо больше четырех даже за один этап. Из-за неточности отверстий и нерегулярностей конструкции нельзя работать прямо через пантограф, создавая пантографы все меньшего размера. Конец пантографа покачивается с относительно большей нерегулярностью, чем нерегулярность, с которой вы передвигаете «руки». Уменьшая масштаб, я бы обнаружил, что конец пантографа так сильно дрожит, что уже не может выполнять свои функции.

На каждой стадии необходимо улучшать точность аппаратуры. Если, например, сделать маленький токарный станок с пантографом, то его подающий винт будет двигаться нерегулярно. Мы могли бы завинтить подающий винт разрывными гайками, чтобы можно было обычным образом поворачивать винт вперед и назад в своем масштабе так же точно, как в случае обычного масштаба.

Можно изготовить плоские поверхности, шлифуя совместно три неплоские поверхности — по три пары, — и поверхности станут более плоскими, чем вначале. Таким образом, не так уж невозможно улучшить точность на малых масштабах. Когда мы создадим подобное устройство, необходимо на каждом этапе улучшать точность временно работающего оборудования, получая точные подающие винты, проверочные плиты и все прочие материалы, которые используются для правильной работы машин на высоком уровне. Следует останавливаться на каждом уровне и проверять точность работы всей аппаратуры, прежде чем перейти к следующему уровню — очень длинная и очень сложная программа. Возможно, вы найдете более оптимальный и быстрый способ перехода к малым масштабам.

В заключение вы получите крошечный токарный станок-малютку в четыре тысячи раз меньше обычного. Но мы задумали создать огромный компьютер, а сверлим на крошечном токарном станке отверстия, чтобы создать для этого компьютера маленькие шайбы. Прикиньте, сколько таких шайб можно создать на одном крошечном станке?

Сто крошечных рук

Когда я создавал первый набор ведомых «рук» в масштабе один к четырем, я собирался сделать десять наборов. Я сделал десять наборов и соединил их проводами с первоначальными рычагами, и каждая из «рук» будет теперь выполнять параллельно точно такие же действия за одинаковое время. Теперь, когда я строю новые устройства в малом масштабе один к четырем, я изготавливаю каждую деталь в десяти копиях, то есть у меня будет в наличии сто «рук» с размером 1/16.

Где мне разместить миллион токарных станков? При этом мой объем много меньше, чем требуется даже для одного полномасштабного станка. Например, если я сделаю миллиард маленьких станков, каждый в масштабе 1/4000 от масштаба обычного станка, на который уйдет масса материалов и пространства, то на миллиард маленьких станков уйдет менее 2 % от материалов, требуемых для одного большого станка. Видите, затраты уменьшаются многократно. Теперь я хочу построить миллиард похожих крошечных фабрик, которые работают одновременно, сверлят отверстия, штампуют детали и прочее.

По мере уменьшения размера возникает ряд интересных проблем. Все детали не просто уменьшаются в размере пропорционально. Существует вероятность того, что материалы будут прилипать друг к другу благодаря молекулярному притяжению (Ван-дер-Ваальс [22]). На практике это выглядит следующим образом: после того как вы сделали маленькую деталь и вывинтили гайку из болта, она не падает вниз, поскольку здесь несущественна гравитация; деталь трудно отделить от болта. Это напоминает движения человека с руками, испачканными патокой, пытающегося избавиться от стакана воды. Возникнут определенные проблемы такого характера, к которым следует быть готовыми при конструировании.

Перегруппировка атомов

Теперь я отважусь рассмотреть заключительный вопрос, самый важный для будущего — можем ли мы располагать атомы по своему усмотрению — именно атомы — всеми допустимыми способами? Что произойдет, если мы расположим атомы один за другим каким угодно способом (в пределах разумного, конечно; нельзя расположить их так, чтобы они были химически нестабильными)?

До сих пор мы удовлетворялись тем, что копали землю в поисках минералов. Мы их нагревали, производили всякие крупномасштабные операции, мы надеялись получить чистую субстанцию методами очистки и тому подобными действиями. Но мы всегда принимали то расположение атомов, которое нам дала природа. Мы не получали, скажем, расположения в виде «шахматной доски», с примесными атомами, расположенными точно на расстоянии 1000 ангстрем, или какого-либо другого рисунка.

Что нам делать со слоистыми структурами с правильно расположенными слоями? Каковы будут свойства материалов, если расположить атомы в том порядке, который нам нужен? Это исключительно интересно исследовать теоретически. Я не смогу увидеть точно, что произойдет, но я почти не сомневаюсь, что, научившись контролировать расположение предметов в малых масштабах, мы получаем огромное количество возможных свойств материи и огромное разнообразие вариантов конструирования.

Рассмотрим, например, кусок материала, в котором мы построили схемы размером 1000 или 10 000 ангстрем с маленькими индуктивными катушками и конденсаторами (или их твердотельными аналогами), расположили схемы одну за другой в большой области, поместив маленькие антенны у другого конца — целая серия схем. Например, пусть набор антенн излучает свет, как излучаются радиоволны от упорядоченной системы антенн, транслирующих радиопрограммы на Европу. То же будет происходить, если направить свет с очень высокой интенсивностью в определенном направлении. (Возможно, такой пучок не имеет особенной технической или экономической пользы.)

Я думал о некоторых проблемах создания электрических схем в малых масштабах — в них достаточно серьезной выглядит проблема сопротивления. Если построить соответствующую схему в малых масштабах, присущая ей частота увеличивается, так как с уменьшением масштаба уменьшится длина волны, однако глубина поверхностного слоя (скин-слоя) уменьшится только как корень квадратный из отношения масштабов, поэтому проблемы с сопротивлением резко возрастут. Возможно, мы сможем бороться с сопротивлением, используя сверхпроводимость, если частота не слишком велика, или найдем другие хитроумные способы.

Атомы в мире малого

Когда мы вторгаемся в мир очень-очень малого — пусть это будет цепочка из семи атомов, — у нас возникает масса новых явлений, которые предоставляют совершенно новые возможности для дизайна. Поведение атомов на малых масштабах не имеет ничего общего с их поведением на больших размерах, поскольку они подчиняются законам квантовой механики. Когда мы «спускаемся вниз» и «заигрываем» с атомами, мы работаем с другими законами и ждем иного поведения. Мы можем создавать вещи различными способами. Можно использовать не просто электрические контуры, но и системы, содержащие квантованные уровни энергии или взаимодействие квантово-механических спинов и тому подобное. Если мы продвинемся в уменьшении размеров достаточно далеко, обнаружим, что при серийном производстве все наши устройства становятся абсолютными копиями друг друга. Нельзя построить две совершенно одинаковые большие машины. Но если высота вашей машины составляет только 100 атомов, вам нужно построить ее лишь с точностью до 0,5 %, чтобы убедиться, что другие машины точно того же размера — то есть 100 атомов в высоту!

На атомном уровне мы имеем дело с новыми видами сил, возможностей и эффектов. Проблемы создания и воспроизводства новых материалов будут совершенно другими. Как я уже говорил, меня воодушевляют биологические явления, в которых химические силы используются в повторяющейся форме для создания всех видов фантастических и непонятных эффектов, например человека (один из которых — автор этих строк). Принципы физики, насколько я их вижу, не противоречат возможности маневрирования положением — атом за атомом. Мы не пытаемся здесь нарушить какой-нибудь закон; такое расположение атомов принципиально возможно, но практически не осуществлено — мы, люди, слишком большие создания!