Знание-сила, 2002 №05 (899) - Страница 18
«Всю популяцию из тридцати триллионов щипчиков ДНК, притаившуюся в нескольких каплях раствора, можно последовательно открыть и закрыть, добавляя топливные спирали», – говорит Эндрю Терблфилж, еще один физик из Bell Labs.
По словам Бернарда Юрке, прототипом ДНК-моторов стали для него молекулярные белковые моторы в живых организмах, отвечающие за сокращение мышц и перемещение веществ в клетках.
Сейчас ученые лаборатории Белла пробуют присоединять к ДНК электропроводящие молекулы, чтобы собирать молекулярные электрические контуры.
Важно, что усиленный пучок атомов действительно согласован, то есть когерентен. Такие (и только такие) пучки можно применять в физических, геодезических и других сверхточных измерениях, основанных на принципе интерференции когерентных пучков. Видимо, здесь они и найдут свое применение, но для этого, как и в случае первых лазеров, понадобятся еще годы работы.
Пока же налицо выдающийся экспериментальный результат – реальное умножение атомов. И, как видите, без нарушения закона сохранения вещества.
И раз уж мы заговорили о кажущемся нарушении, а наделе – хитроумном использовании законов природы, расскажем еще об одном способе «запрягания» хаотически движущихся атомов в согласованную полезную работу – о создании так называемых броуновских молекулярных моторов. Они сходны с атомными умножителями в том, что тоже на первый взгляд нарушают некий закон природы, в данном случае второй закон термодинамики.
Когда-то, еще в позапрошлом веке, Джеймс Максвелл (тот, кто создал теорию электромагнитного поля) придумал мысленный эксперимент, как будто бы опровергающий второй закон даже в замкнутых системах. Вообразите себе закрытый яшик с внутренней перегородкой в нем, причем в ней сделана микроскопическая форточка, около кс/юрой дежурит столь же микроскопический демон, способный различать атомы и сортировать их по скорости.
Со временем в ящике должно произойти разделение атомов: все быстрые соберутся слева, медленные – справа, то есть в системе «само собой» произойдет увеличение порядка системы. Однако кавычки здесь не случайны. На самом деле, демон в силу своих микроразмеров и сам будет ощущать тепловые улары отдельных атомов, и, как показывает расчет, постепенное изменение его состояния в результате этих ударов в конечном счете с лихвой перекроет весь выигрыш в упорядоченности.
Опыт Максвелла – чисто учебный, методологический. Куда практичнее устройство того же рода, предложенное лет примерно через сто после Максвелла другим знаменитым физиком, Ричардом Фейнманом. В «опыте» Фейнмана микроскопических размеров зубчатое колесико, насаженное на одну ось с таких же размеров пропеллером, помещалось в водную среду. Колесико это могло вращаться только по часовой стрелке: вращению в противоположную сторону препятствовала этакая «собачка» – клинышек на пружинке, входивший между зубцами колеса. Поскольку лопасти пропеллера испытывали непрерывные удары атомов жидкости с разных сторон, эти удары должны были поворачивать колесико то в одну, то в другую сторону. Однако благодаря «собачке» результирующей всех этих ударов могло быть только вращение по часовой стрелке. И таким образом возникал вроде бы безупречный механизм превращения неупорядоченного, хаотического теплового движения атомов воды в непрерывное упорядоченное (только в одну сторону) вращение колеса. А поскольку колесико может при этом худо-бедно производить некую работенку, то все это устройство должно представлять собой к тому же еще и «вечный двигатель». Что бы это значило?
Фейнман сам разъяснил, где туг зарыта собака. В «собачке», конечно. Она и ее пружинка тоже ведь должны быть микроскопических размеров, а потому удары атомов на них также должны влиять. Суммарным итогом таких ударов как по пропеллеру, так и по пружинке окажется хаотическое дерганье колесика то в одну, то в другую сторону, и никакого нарушения второго закона термодинамики не произойдет. И «вечного двигателя» тоже не будет, поскольку при каждом очередном заскакивании «собачки» между зубцами пропеллер будет дергаться от этого удара и передавать его энергию в окружающую среду в виде тепла.
Футуролог Эрик Дрекслер, автор книг «Engines of Creation» («Машины становятся творцами») и «Nanosystems» («Наносистемы») – несколько лет назад журнал «Newsweek» включил его в число ста человек, чьи идеи будут определять судьбы XXI века, – описывает мир, в котором миллионы крохотных машин – «ассемблеров» – размером с пылинку творят невероятное. Сперва – по примеру промышленных роботов – они создают свои собственные копии, а затем мастерят такие удивительные вещи, как подводные лодки, которые странствуют по кровеносным сосудам и разрушают раковые клетки, или же космические ракеты, что вместе со всеми запасами топлива весят всего лишь четыре тонны, или же компьютеры размером с молекулу протеина. Сырьем служат отдельные атомы – главным образом углерод и кремний, – а также органические молекулы.
По мнению критиков этой идеи, полагаться на добрый разум незримых роботов все равно, что выпускать на свободу микробы из бактериологических лабораторий. Одни будут сами проникать в человеческие клетки; другие примутся мастерить аппараты, способные на это. Что ж, хранителями знаний станут они – роботы; мы же – «мертвой Природой», полем деятельности для их опытов, их «собаками Павлова».
Неизбежно, как уже отмечал наш журнал (см. № 9 за 2001 год), появление и нанооружия. Сколько люди себя помнят, они воюют друг с другом. Древние битвы были скорее единоборствами ратников. Появление артиллерии превратило в передовую линию армейский тыл. Авиация стала истреблять целые поселения и части городов. Атомное оружие способно сжигать города и местности. Возможно, нанооружие может уничтожать огромные общности людей, объединенные каким-либо одним генетическим признаком. На новом витке вооружений человек становится еще обреченнее на смерть. Умные машины могут охотиться на него, как индейцы и янки – на стада бизонов, сводя к нулю миллионные поголовья людей.
Одна из идей самого Дрекслера – вопреки его оптимизму – наглядно показывает, что человек в мире роботов станет всего лишь «одной из самых слабых машин», которую можно так же бесцеременно чинить, как мы чиним и переделываем какой-нибудь «Жигуленок». Так, Дрекслер распорядился, чтобы его голову после кончины заморозили. Его мозг будет жить; с этим нет никаких проблем, полагает ученый-душеприказчик. Впоследствии же милейшие душки-ассемблеры быстренько восстановят потраченное морозом тело.
Тем не менее физики, приглядевшись к «колесику Фейнмана», быстро сообразили, что на его основе можно и впрямь создать реальный микроскопический мотор, который будет превращать тепловое движение атомов во вращение ротора – только за счет внешней энергии. Если, например, каким-то внешним образом (скажем, с помощью электрического поля или лазерного луча) периодически поднимать и опускать «собачку», то «колесико Фейнмана» будет в итоге вращаться против часовой стрелки. Это будет настоящий, вполне обычный мотор с той существенной разницей, что размеры его будут микроскопическими, молекулярными, а потому его сможет приводить в действие хаотическое (или, как говорят в физике, – броуновское) движение атомов окружающей среды. Область применения таких «броуновских» микромоторов поистине необозрима, и потому сегодня сразу две группы исследователей энергично заняты их практическим осуществлением.
Группа Росс Келли в Бостоне уже синтезировала одно такое устройство. Как и надлежит «молекулярному» мотору, оно состоит из трех молекул бензена (трех сцепленных друг с другом колец), действующих одновременно и как пропеллер, и как зубчатка, и четырех дополнительных бензеновых молекул, которые входят между первыми как зубцы. В таком виде «пропеллер», как и положено, вращается в обе стороны. Но Келли пытается присоединить к кольцам «пропеллера» такие дополнительные атомы, которые провоцировали бы определенные химические реакции, способные вызвать освобождение «пропеллера» в нужные моменты цикла. Вторая группа под руководством Джеймса Гимжевского из Цюриха надеется добиться того же эффекта, используя так называемый туннельный атомный микроскоп для подачи на мотор периодического электрического поля.