Физика будущего - Мичио Каку

Я спросил, как можно дать подробные инструкции миллиардам и миллиардам катомов, чтобы, скажем, холодильник мгновенно превратился в кухонную плиту. На первый взгляд такая задача кажется кошмаром программиста. Но он ответил, что не обязательно давать подробные инструкции каждому отдельному катому. Каждый из них должен знать только своих непосредственных соседей, этого достаточно. Таким образом, каждый катом получает задание связаться с небольшой группой соседних катомов — и вся сложнейшая структура волшебным образом преображается (примерно так же нейронам мозга младенца для развития достаточно узнать только, как связаться с соседними нейронами).

Если предположить, что проблемы программирования и стабильности решаемы, то существует вероятность, что к концу столетия по нажатию кнопки будут возводиться целые здания и даже города. Достаточно будет задать место расположения домов, выкопать котлованы для фундаментов — и триллионы катомов сами возведут в пустыне или девственном лесу целые города.

Надо сказать, инженеры Intel предвидят и такой день, когда катомы смогут принять человеческую форму. «Почему нет? Об этом интересно порассуждать», — говорит Раттнер. (Тогда, возможно, и робот Т-1000 может стать реальностью.)

Далекое будущее

(2070–2100 гг.)

Священный Грааль: репликатор

К 2100 г. самые смелые сторонники нанотехнологий предсказывают появление еще более мощной машины: речь идет о молекулярном сборщике, или «репликаторе», способном сотворить любую вещь. Это будет машина размером, скажем, со стиральную. В нее надо будет заложить сырье и нажать на кнопку. Многие триллионы наноботов тут же набросятся на сырье и разберут его на молекулы, а затем соберут из этих молекул совершенно новый объект. Репликатор сможет изготовить любую вещь; он станет высшим достижением науки и инженерной мысли, достойным завершением усилий, начатых в доисторические времена, когда человек поднял с земли палку и впервые использовал ее как орудие труда.

Одна из проблем создания репликатора — громадное число атомов, которые надо будет расставить по местам, чтобы скопировать даже небольшой объект. В человеческом теле, к примеру, более 50 трлн клеток и более 1026 атомов. Это колоссальное число, даже для простого хранения информации о местоположении всех этих атомов потребуется огромный объем памяти.

Эту проблему могло бы решить создание специального нанобота — гипотетического на данный момент молекулярного робота, обладающего несколькими ключевыми свойствами. Во-первых, он должен быть способен воспроизводить себя. Если робот может воспроизвести себя один раз, он в принципе может и создать неограниченное число собственных копий. Так что главное — создать первого наноробота. Во-вторых, этот робот должен уметь распознавать молекулы и разрезать их в нужных местах. В-третьих, он должен уметь собирать из атомов новые молекулы по заданной схеме. Таким образом, задача реорганизации 1026 атомов сводится к изготовлению такого же количества наноботов, запрограммированных на работу с отдельным атомом. Если это удастся сделать, огромное число атомов в теле или объекте уже не будет непреодолимым препятствием. Настоящая проблема — создать всего одного мифического нанобота с перечисленными свойствами и позволить ему размножиться самостоятельно.

Однако научное сообщество пока не пришло к единому выводу относительно физической реализуемости этой великолепной мечты — нанофабрикатора. Немногие, такие как Эрик Дрекслер (Eric Drexler), пионер нанотехнологий и автор книги «Двигатели созидания», считают, что в будущем все вещи будут производиться на молекулярном уровне. Практически нужные вещи, даже те, о которых сегодня мы можем только мечтать, будут сыпаться как из рога изобилия. Создание машины, способной сделать все что угодно, перевернет устои общества с ног на голову. Однако другие ученые настроены более скептично.

К примеру, нобелевский лауреат Ричард Смолли, ныне покойный, в статье в журнале Scientific American в 2001 г. поднял вопрос о «липких» и «толстых» пальцах. Ключевой вопрос здесь такой: можно ли построить молекулярный нанобот, достаточно ловкий, чтобы произвольно переставлять молекулы? По мнению Смолли, ответ на этот вопрос должен быть отрицательным.

Дебаты на данную тему выплеснулись наружу и стали публичными, а их отголоски слышны и сегодня. Смолли обменялся с Дрекслером серией писем, которые в 2003 и 2004 гг. были перепечатаны на страницах журнала Chemical and Engineering News. Позиция Смолли состояла в том, что «пальцы» молекулярной машины не смогут выполнять требуемые тонкие операции по двум причинам.

Во-первых, на «пальцы» будут действовать слабые силы притяжения, из-за которых инструмент будет прилипать к молекулам. Вообще, атомы липнут друг к другу, в частности, из-за слабых электрических сил, таких как сила Ван-дер-Ваальса, существующая между их электронами. Представьте себе процедуру починки наручных часов при помощи пинцета, смазанного медом. Собрать подобным инструментом такую тонкую вещь, как механизм часов, попросту невозможно. А теперь представьте процедуру сборки еще более сложной и тонкой вещи, такой как молекула, из «деталей», которые постоянно липнут к инструменту.

Во-вторых, «пальцы» нанобота могут оказаться слишком «толстыми» для манипуляций с атомами. Представьте себе ремонт все тех же часов в толстых рабочих перчатках строителя. «Пальцы» нанобота, как и объекты, которыми предполагается манипулировать, сделаны из отдельных атомов, и инструмент может оказаться слишком толстым и грубым для проведения необходимых тонких операций.

Смолли завершил свои аргументы так: «Примерно так же, как нельзя заставить юношу и девушку полюбить друг друга, просто сведя их вместе, невозможно заставить тонкий химический процесс между двумя молекулярными объектами протекать желаемым образом при помощи простого механического действия… Химия, как и любовь, дело тонкое».

Этот спор затрагивает самую суть вопроса о том, станет ли когда-нибудь репликатор революционной вехой в истории общества либо останется любопытной диковинкой и отправится рано или поздно на свалку нереализуемых технических идей. Как мы уже видели, физические законы нашего мира не так-то просто перевести на язык физики наномира. Эффекты, которыми мы с легкостью пренебрегаем, такие как сила Ван-дер-Ваальса, поверхностное натяжение жидкости, принцип неопределенности Гейзенберга и т. д., в наномире становятся главными.

Чтобы представить себе масштабы проблемы, вообразите атомы размером с шарик для детской игры и бассейн, полный таких шариков-атомов. Погружение в подобный бассейн будет совсем не похоже на погружение в воду. «Шарики» станут непрерывно вибрировать и биться о ваше тело со всех сторон — результат броуновского движения. Плавать в таком бассейне будет почти невозможно, все равно что плавать в патоке. При попытке схватить один из шариков он, из-за сложной комбинации различных сил, либо ускользнет от ваших пальцев, либо прочно прилипнет к ним.

В конце концов ученые согласились остаться каждый при своем мнении. Смолли не удалось отправить идею молекулярного репликатора в нокаут, но после этой научной схватки, когда пыль немного улеглась, кое-что все же прояснилось. Во-первых, стороны согласились, что наивная идея о наноботе, разрезающем и склеивающем молекулы при помощи молекулярного пинцета, нуждается в переработке. На атомном уровне главенство переходит к новым квантовым силам.

Во-вторых, хотя репликатор, или универсальный производитель, на сегодняшний день остается фантастикой, в реальности-то он существует! К примеру, мать-природа умеет превратить съеденные гамбургеры и овощи в младенца всего за девять месяцев. Занимаются этим ДНК-молекулы (в которых хранится «чертеж» младенца); они управляют действиями рибосом (которые, собственно, режут и склеивают молекулы в заданном порядке) и используют в качестве строительного материала белки и аминокислоты, поступающие с пищей.

И в-третьих, молекулярный сборщик мог бы, в принципе, работать, но в более сложном варианте. К примеру, Смолли указывал, что сблизить два атома не означает добиться реакции между ними. Природа для решения этой проблемы часто привлекает третью силу — водный раствор фермента, способного стимулировать нужную химическую реакцию. Смолли указывал также, что многие химические вещества, используемые в компьютерах и электронной промышленности, не растворяются в воде. Но Дрекслер в ответ возражал, что не для всех химических реакций нужны ферменты или вода.

К примеру, один из возможных вариантов получил название самосборки; в робототехнике он соответствует подходу «снизу вверх». Человек с глубокой древности использовал в строительстве противоположный подход — «сверху вниз». Он брал инструменты, такие как молоток или пила, и начинал заготавливать дерево: рубить, пилить, тесать; затем из заготовленных материалов собирал по плану более крупные структуры, такие как дом. Этот процесс требует тщательного контроля на каждом этапе.