Машины создания

Также стоит посмотреть, до какой степени Михельсон был прав. Законы, о которых он говорил включали законы Ньютона о гравитации и движении, и законы Максвелла об электромагнетизме. И действительно, при обычных условиях в конструировании эти законы были изменены только "в шестом знаке после запятой." Законы Эйнштейна гравитации и движения соответствуют законам Ньютона близко, за исключением предельных условий гравитации и скорости; законы квантовой электродинамики Феймана, Швингера и Томонага близко соответствуют Законам Максвелла кроме как при экстремальных значениях размера и энергии.

Дальнейшие революции, вне сомнения, притаились где-то на крайних значениях этих теорий. Но эти края кажутся далёкими от мира живых существ и машин, которые мы строим. Революции относительности и квантовой механики изменили наше знание о материи и энергии, но сами материя и энергия остались неизменными – они реальны и им нет никакого дела до наших теорий. Физики сейчас используют единый набор законов, чтобы описать, как ядра атомов и электроны взаимодействуют в атомах, молекулах, молекулярных машинах, живых существах, планетах и звёздах. Эти законы пока не окончательно общие; поиск универсальной теории всех физических явлений продолжается. Но как утверждает физик Стефан В. Хокинг, "На настоящий момент мы обладаем набором частных законов, которые управляют поведением вселенной при всех, кроме наиболее экстремальных условий." И по инженерным стандартам, эти условия просто необычайно экстремальны.

Физики постоянно объявляют новые частицы, наблюдаемые в осколках из столкновений частиц с крайне высокой энергией, но вы не можете купить одну из этих частиц в коробочке. И это важно понимать, потому что если частица не может быть сохранена, то она не может служить компонентом стабильной машины. Коробочки и их содержимое состоят из электронов и ядер. Ядра, в свою очередь, состоят из протонов и нейтронов. Атомы водорода имеют в своих ядрах только один протон; атомы свинца имеют восемьдесят два протона и более сотни нейтронов. Изолированные нейтроны распадаются за несколько минут. Некоторые другие стабильные частицы известны: фотоны – частицы света, полезны и могут быть на некоторое время пойманы; нейтрино – почти неопределяемые и не могут быть пойманы. Эти частицы (кроме фотона) имеют соответствующие античастицы. Все остальные известные частицы распадаются за несколько миллионных секунды или быстрее. Таким образом единственные известные строительные блоки для аппаратных средств – это электроны и ядра (или их частицы, для некоторых особых приложений); эти строительные блоки обычно комбинируются и образуют атомы и молекулы.

Однако вопреки мощи современной физики, наше знание всё ещё содержит очевидные пробелы. Неустойчивое основание теории элементарных частиц оставляет некоторые пределы неопределёнными. Мы можем обнаружить новые стабильные частицы, которые "можно поместить в коробочку", такие как магнитные монополи или свободные кварки; если это так, они несомненно найдут себе применение. Мы можем даже найти поля дальнего действия или форму радиации, хотя это кажется всё более маловероятным. Наконец, некоторые новые способы сталкивания частиц могут улучшить нашу способность превращать известные частицы в другие известные частицы.

Но в целом, сложные аппаратные средства будут требовать сложных, устойчивых структур из частиц. Вне среды колапсирующей звезды, это значит структуры из атомов, которые хорошо описываются релятивистской квантовой механикой. Границы физики передвинулись. На теоретическом уровне физики ищут универсальное описание взаимодействий всех возможных частиц, даже частиц с наименьшим сроком жизни. На экспериментальном уровне они изучают структуры осколков атомов, создаваемых столкновениями с высокими энергиями в ускорителях частиц. Пока никакие новые устойчивые и полезные частицы не выходят из таких столкновений, или возникают как остатки прошлых космических потрясений, атомы будут оставаться единственными строительными блоками устойчивых аппаратных средств. И конструирование будет оставаться игрой, в которую играют с помощью уже известных фигур по уже известным правилам. Новые частицы добавили бы новые фигуры, но не отменили бы правил.

Границы аппаратных средств

Действительно ли молекулярные машины – конец на пути миниатюризации? Идея, что молекулярные машины могли бы стать шагом на пути ещё более маленьких "ядерных машин" кажется достаточно естественной. Один молодой человек (студент последнего курса по экономике в Колумбийском университете) слышал о молекулярной технологии и её способности манипулировать атомами и сразу заключил, что молекулярная технология могла бы делать всё что угодно, даже разлагать ядерные бомбы на безопасные свинцовые кирпичики на расстоянии.