سالروز تولد فیزیکدان آینده‌‌بین: ریچارد فاینمن

ریچارد فاینمن در ۱۱ مه ۱۹۱۸در فار راکوی چشم به جهان گشود.مادر وی- لوسی- خانه دار و پدر او، ملویل آرتور فاینمن،یک بازرگان بود. اصل و نسب پدر و مادر او از روسیه و لهستان بود. ریچارد در دوران کودکی استعداد ذاتی خود را در علوم مهندسی نشان داد؛در آزمایشگاه خانگی شان می‌ماند و از تعمیر وسایل برقی سرشار از شور و شعف می شد.

او از تأثیرگذارترین فیزیکدان‌های آمریکایی قرن بیستم بود. وی نظریهٔ الکترودینامیک کوانتومی را تا حد زیادی گسترش داد. او همچنین مدرسی تأثیرگذار، نوازندهٔ غیرحرفه‌ای موسیقی و از بسیاری جهات فردی خاص و آزاداندیش به‌شمار می‌آمد.

وی در پروژهٔ ساخت بمب اتم مشارکت داشت و بعدها یکی از افراد گروهی بود که به بررسی واقعهٔ انفجار فضاپیمای چلنجر پرداخت.

وی در سال ۱۹۶۵ بدلیل پژوهش‌هایش در زمینهٔ الکترودینامیک کوانتومی، جایزه نوبل فیزیک را به همراه جولیان شووینگر و سین‌ایترو تومونوجا دریافت کرد.

همچینین وی به دلیل ماجراجویی‌های فراوانش که در کتاب‌های «حتماً شوخی می‌کنید آقای فاینمن؟» و «چه اهمیتی می‌دهید که مردم دیگر چه فکر می‌کنند؟» به تفصیل راجع به آن‌ها صحبت شده، مشهور است.

سخنرانی تاریخی فاینمن

در حدود نیم قرن پیش، ریچارد فاینمن در یکی از سخنرانی‌های خود با دوراندیشی بسیاری از پیشرفت‌های امروزى فناوری در مقیاسی نانومترى – یا نانوتکنولوژی و پیامدهای کاربردی آن را پیش بینی کرد.

وقتی ریچارد فاینمن، فیزیکدان انستیتو تکنولوژی کالیفرنیا، در ۲۹ دسامبر ۱۹۵۹ خواست در گردهمایی سالانه انجمن فیزیک امریکا سخنرانی کند، دنیا هنوز جای بزرگی بود. مهندسان برق می کوشیدند اجزای بیشتری را بر تراشه‌های کامپیوتر جای دهند، کوچکترین وسیله برای ذخیره اطلاعات هنوز میکروفیلم بود، و اتمها هنوز هم ورای میدان دید میکروسکوپ‌ها بودند. اما این مانع از آن نشد که فاینمن تصور کند در مقیاس اتم‌ها و مولکول‌ها چه فرصت‌هایی برای فناوری نهفته است. صحت و صراحت این پیش بینی‌ها باعت شده است سخنرانی او در بین مهندسان رشته نانوتکنولوژی به عنوان یک اثر کلاسیک شناخته شود.

عنوان سخنرانی‌اش هم این بود: «آن پایین‌ها جا فراوان است.» There’s Plenty of Room at the Bottom

جان هاپفیلد، متخصص زیست فیزیک که تا هنگام درگذشت فاینمن در ۱۹۸۸ همکار این برندهٔ جایزهٔ نوبل در انستیتو تکنولوژی کالیفرنیا بود، به خاطر می آورد:

«فاینمن همیشه علاقه داشت بداند فیزیک تا چه حد برای آنچه می‌خواهیم انجام دهیم، محدودیت ایجاد می کند.»

وقتی فاینمن در این مرزها به کاوش ذهنی پرداخت، دریافت کارهای مختلفی می توان انجام داد که اکنون دیگر انجامشان برای پژوهشگران تقریبا عادی شده است. به طوری که سخنرانی او در حقیقت فهرستی از پیشرفتهایی است که امروزه در این زمینه به ارمغان آمده. از جمله پیشنهادهای تخیلی او که پس از گذشت دهه‌ها، به سرعت صورت واقعی به خود می گیرند، مواردی است همچون: تراشیدن خطوطی به پهنای چند اتم با استفاده از باریکه‌هایی از الکترون‌ها، ساخت مدارهایی در مقیاسی انگستروم برای تهیه کامپیوترهای جدید، و دستکاری اتمها برای ایجاد تغییرات دلخواه در ویژگیهای مواد.

فاینمن همچون بسیاری از نانوتکنولوژیست‌های امروزی، ابتکارات ذهنی خود را مرهون ماشین‌ها و نظام‌های اطلاعاتی می‌دانست که در سطح مولکولی در موجودات زنده وجود دارند. اما اگر می‌بینید بسیاری از اندیشه‌های فاینمن اکنون به حقیقت پیوسته‌اند، بدین معنی نیست که در آن زمان هم بی‌درنگ پذیرفته شدند.

پل شلیکتا که در آن هنگام دانشمند علم مواد – آزمایشگاه پیشرانشی جت بود، در این سخنرانی حضور داشت و به یاد می آورد:

« واکنش عمومی شنوندگان این بود که آن را به شوخی گرفتند. بیشتر حاضران فکر می کردند دارد سعی می کند انها را بخنداند. به عبارتی ساده تر هیچ کس آمادگی شنیدن آن را نداشت.»

رالف مرکل از مرکز پژوهشی زیراکس در پالو آلتو می‌گوید وقتی به گذشته نگریم، سخنرانی فاینمن »آن قدر دوراندیشانه بود که افراد تا هنگامی که پیشرفت تکنولوژی به آن حد نرسیده بود، نمی‌توانستند منظورش را درک کنند.»

شاید به همین دلیل است که بسیاری از پژوهشگران نسل امروز، تنها وقتی از این سخنرانی خبردار شدند که خودشان دقیقا آنچه را که فاینمن مدتها پیش ترسیم کرده انجام می‌دادند.

دان ایگلر از مرکز پژوهشی IBM در سن خوزه کالیفرنیا که اکنون با استفاده از میکروسکوپ جاروبی تونلی، قادر است اتم‌ها را جا به جا کند، می‌گوید: «تازه بعد از مشغول شدن به کار جابه جا کردن اتم‌ها بود که از این سخنرانی اطلاع پیدا کردم.»

اما ایگلر به خاطر می آورد وقتی بالاخره متن سخنرانی را دیدم: «همچنان که می خواندم، احساس می‌کردم روح فاینمن پشت سرم ایستاده است و می‌گوید: می‌بینی، من ۳۰ سال پیش به فکر این چیزها افتاده بودم.»

در ادامه این پست، خلاصه‌ای از آن سخنرانی تاریخی را با هم می‌خوانیم:

آن پایین‌ها جا فراوان است

می‌خواهم زمین‌ ای را توصیف کنم که کار زیادی درباره آن انجام نشده است، اما اصولاً می‌توان کارهای بسیار زیادی در این زمینه انجام داد. البته این زمینه آنقدر هم مثل زمینه‌های دیگر نیست، چون مطلب آنچنانی درباره فیزیک بنیادی برایمان روشن نخواهد کرد، از قبیل این که «ذرات شگفت» چیستند، بلکه از آنجا که امکان دارد بسیاری مطالب جالب درباره پدیده‌های شگفت‌انگیزی که در شرایط پیچیده رخ می‌دهند بیان کند، بیشتر به فیزیک حالت جامد شباهت دارد.

بعلاوه، نکتهای که از همه مهم‌تر است اینکه تعداد بی‌شماری کاربرد فنی هم خواهد داشت. چیزی که می‌خواهیم درباره‌اش صحبت کنم، مسئله کنترل و دستکاری چیزها در مقیاس ریز است.

همین که این را بگویم، افراد درباره تکنولوژیهای ریز برایم تعریف خواهند کرد، و اینکه امروز چقدر این رشته پیشرفت کرده است. با من از موتورهای الکتریکی سخن خواهند گفت که به اندازه ناخن انگشت کوچک شما هستند. همین طور به من خواهند گفت وسیله‌ای به بازار آمده که با آن می توانید دعای پروردگار را روی سر سوزنی بنویسید. اما اینها چیزی نیست؛ در مسیری که من می‌خواهم صحبت کنم، این ابتدایی‌ترین و ناقص‌ترین قدم است. می خواهم درباره دنیای بی‌اندازه کوچکی که آن پایین‌ها هست صحبت کنم.

چگونه دایرهالمعارف بریتانیکا را روی سرسوزنی بنویسیم؟

شاید یک راهش، این باشد (گرچه مطمئن درست باشد): نوری را اختیار می‌کنیم، و از طریق یک میکروسکوپ نوری که در جهت عکس کار می‌کند، آن را بر صفحه فوتوالکتریکی بسیار کوچکی کانونی می‌کنیم. آن گاه الکترون‌ها از جایی که نور به آن می‌تابد از صفحه جدا می‌شوند. این الکترون‌ها با استفاده از عدسی‌های میکروسکوپ الکترونی آن قدر کانونی می‌شوند تا مستقیماً به سطح ماده مورد نظر برخورد کنند. اما اگر چنین باریکه ای به مدت کافی تابانیده شود، ماده را خواهد تراشید؟ نمی دانم. اما اگر این روش برای سطوح فلزی مفید نبود، قاعدتاً باید بتوان سطحی پیدا کرد که سوزن را با آن بپوشانیم، تا در جاهایی که الکترون ها بمباران می کنند، تغییری به وجود آید که بعدا بتوانیم تشخیص دهیم.

حتی از آن هم کوچکتر

مسلما این واقعیت – که مقادیر عظیمی اطلاعات را می توان در فضای بسیار کمی جای داد- برای زیست‌شناسان امری شناخته شده است، و معمایی را که تا پیش از روشن شدن اینها برای ما مطرح بود، حل می کند. یعنی این معما که چگونه در کوچک‌ترین باخته، می‌توان همه اطلاعات لازم برای سازماندهی موجود پیچیده‌ای همچون خودمان را ذخیره کرد…

این نمونهٔ زیست شناختی درباره نحوه نوشتن اطلاعات در مقیاس کوچک باعت شده است چیزی به من الهام شود که قاعدتاً انجامش باید مقدور باشد. در زیست شناسی اطلاعات فقط نوشته نمی‌شود، بلکه کاری هم درباره‌اش انجام می شود. هر مجموعه زیست‌شناختی ممکن است بسیار کوچک باشد. بسیاری از یاخته‌ها خیلی ریزند. اما در عین حال خیلی هم فعال هستند؛ مواد گوناگونی تولید می‌کنند، به این طرف و آن طرف می‌روند: جنب و جوش دارند، و انواع کارهای حیرت‌انگیز می‌کنند. در حالی که همه اینها در مقیاس بسیار کوچکی انجام می‌شود. همین طور، اطلاعات را هم ذخیره می کنند.

این احتمال را در نظر بگیرید که شاید ما هم بتوانیم چیز بسیار کوچکی بسازیم که هر کار بخواهیم انجام بدهد، اینکه بتوانیم شیئی تولید کنیم که در آن سطح عمل کند!

شاید حتی این کوچک کردن چیزها فایده اقتصادی هم داشته باشد. بگذارید برخی از مشکلات ماشین‌های محاسبه گر را به شما خاطرنشان کنم…

کوچک کردن کامپیوتر

نمی دانم این یکی را چگونه می توان به طور عملی در مقیاس کوچک انجام داد، اما این قدر می‌دانم که امروزه ماشین‌های محاسبه‌گر بسیار بزرگ‌اند، حتی اتاق‌ها را پر می‌کنند. چرا نمی‌توانیم آنها را خیلی کوچک بسازیم، آنها را از سیم‌های ریز بسازیم، از اجزای ریز – و وقتی می‌گویم ریز، منظورم واقعا ریز است. مثلا قطر سی‌مها باید ۱۰ یا 100 اتم باشد، و مدارها باید تنها چند هزارم انگستروم پهنا داشته باشند. هر کسی نظریه منطقی کامپیوترها را تحلیل کرده است به این نتیجه رسیده که کامپیوترها امکانات بالقوه بسیار جالبی دارند به شرط آنکه بتوان آنها را به نحوی ساخت که چندین برابر پیچیده‌تر باشند. اگر اجزایشان میلیون‌ها برابر بیشتر بود، می‌توانستند تصمیم‌گیری کنند …

در نهایت، وقتی کامپیوترهایمان سریع و سریع‌تر، و بیش از پیشی پیچیده‌تر شوند، باید آنها را کوچک و کوچک‌تر کنیم. و اما برای کوچک کردنشان جا فراوان است. من در قوانین فیزیک چیزی نمی‌بینم که بگوید اجزای کامپیوتر را نمی توان از آنچه در حال حاضر هستند بسیار کوچک‌تر کرد. در واقع ممکن است این کار مزایایی هم داشته باشد.

چگونه می‌توانیم چنین وسیله‌ای بسازیم؟از چه فرایندهای تولیدی باید بهره بگیریم؟ چون درباره نوشتن از طریق قرار دادن اتم‌ها به صورت آرایشی خاص، صحبت کرده‌ایم، یکی از احتمالاتی که می‌توانیم مد نظر داشته باشیم این است که ماده را تبخیر کنیم، و بعد عایق کنارش را. سپس در لایه بعد، محل سیم دیگری را تبخیر کنیم، بعد عایق دیگری، الی آخر. بنابراین، کافی است آن قدر تبخیر کنیم تا مجموعه‌ای به دست آید که همه اجزا را در خود دارد- سیم پیچها و خازنها، ترانزیستورها و غیره – اما در ابعاد بسیار ظریف.

بازآرایی اتم‌ها

البته نمی‌ترسم به این پرسش نهایی بپردازم آیا سرانجام در آینده دور – خواهیم توانست اتمها را به صورتی که می‌خواهیم مرتب کنیم: یعنی آنقدر پایین برویم تا به خود اتم‌ها برسیم! چه می‌شد اگر می‌توانستیم اتم‌ها را هر طور که می‌خواستیم یکی یکی کنار هم مرتب کنیم؟ تا به حال برای یافتن مواد معدنی به این قانع بوده‌ایم که در زمین حفاری کنیم. گرمشان می‌کنیم و در مقیاس بزرگ کارهایی با آنها می‌کنیم، و امیدواریم ماده خالصی به دست آموریم که فقط فلان قدر ناخالصی داشته باشد و غیره.

اما همیشه باید هر آرایش اتمی را که طبیعت به ما تحویل می‌دهد، بپذیریم. چیزی نداریم که مثلا آرایش «شطرنجی» داشته باشد، یا در آن اتم‌های ناخالصی دقیقاً در فاصله ۱۰۰۰ انگسترومی از یکدیگر آرایش یافته باشند.

چه کارهایی می توانیم با ساختارهای لایه لایه ای که تعداد مناسبی لایه داشته انجام دهیم؟ اگر واقعا بتوانیم اتم‌ها طور که می خواهیم مرتب کنیم، چنین موادی چه ویژگی‌هایی خواهند داشت؟ بررسی اینها از لحاظ نظری بسیار جالب خواهد بود. نمیتوانم دقیقا پیشبینی کنم چه خواهد شد، ولی تقریبا تردید ندارم که وقتی بر آرایش همه چیز در مقیاس کوچک تا حدودی تسلط داشته باشیم، به طیف بسیار گسترده‌تری از ویژگیهای احتمالی برای مواد و کارهای مختلفی که می توانیم با آنها انجام دهیم، دست خواهیم یافت.

اتم‌ها در دنیایی کوچک

وقتی به دنیای بسیار بسیار کوچک می‌رسیم – مثلا مدارهایی که از هفت اتم تشکیل شده‌اند- بسیاری اتفاقات جدید رخ می دهند که نمایانگر فرصت‌های کاملاً نوینی برای ارائه طرح‌های تازه هستند.

رفتار اتم‌ها در مقایس کوچک، هیچ شباهنی به رفتارشان در مقیاس بزرگ ندارد، چون تابع قوانین مکانیک کوانتومی هستند. بنابراین همین طور که پایین‌تر می‌رویم و با اتم‌هایی که آن پایین هستند ور می‌رویم، با قوانین متفاوتی سروکار داریم، و می‌توانیم انتظار داشته باشیم که کارهای متفاوتی
بکنیم. می‌توانیم از راههای دیگری تولید کنیم. نه‌تنها می‌توانیم از مدارها استفاده کنیم، بلکه می‌توانیم از نوعی دستگاه که در آن سطوح انرژی کوانتومی و غیره به کار رفته باشند، بهره بگیریم…

در سطح اتمی، انواع تازه‌ای از نیروها وجود دارند و انواع تازه ای از امکانات، با انواع تازه ای از اثرها. مسائل تولید و همانند سازی مواد بسیار متفاوت خواهند بود.

من همان طور که گفتم از آن دسته از پدیده‌های زیست‌شناختی الهام گرفته ام که در آنها نیروی شیمیایی به صورت تکراری به کار گرفته می شوند تا انواع گوناگونی آثار عجیب و غریب را به بار آورند. (که یکی از آنها نویسنده همین سطور است!)

متن انگلیسی این سخنرانی.

منبع: مجله دانشمند اردیبهشت 72