Радость познания

Фейнман Ричард Филлипс

Что скажет наша библиотекарь в Калтехе, бегающая из одного здания в другое, если я сообщу ей, что через десять лет вся информация, которую она с таким трудом стремится сохранить, — все 120 000 томов, занимающих место от пола до потолка, с ящиками картотеки, хранилищами, заполненными старыми книгами, — все это можно будет уместить на одной библиотечной карточке! Если бы, например, в университете Бразилии сгорела библиотека, мы сняли бы копию каждой книги из нашей библиотеки, сделав их за несколько часов с помощью контрольной печатной формы, и послали бы им в конверте, не больше и не тяжелее, чем письмо обычной авиапочты.

Теперь о названии

лекции «Как много места в глубине» (или более развернуто: «Как много возможностей в глубинах материи») — заметьте, это не просто «возможность погрузиться в глубины». Пока я продемонстрировал только, что принципиальная возможность существует — вы на практике можете уменьшить размер вещей. Теперь я хочу показать, что существует много возможностей. Я не буду обсуждать, как мы собираемся это сделать — только то, что в принципе можно сделать; иначе говоря, что возможно в соответствии с законами физики. Я не изобретаю антигравитацию, которая, может быть, допустима, если законы физики не такие, какими мы их представляем. Я рассказываю о том, что допустимо, если законы физики такие, какими мы их представляем. Мы не переделываем их просто потому, что не собираемся действовать в обход них.

Информация на носителях малого масштаба

Предположим, что вместо попыток воспроизвести картинки и всю информацию непосредственно в существующей форме мы записываем только информационное содержимое, представляя различные буквы в коде точек и тире или еще как-нибудь в том же роде. Каждая буква представляется шестью или семью битами информации; то есть вам нужно только около шести или семи точек или тире для каждой буквы. Теперь, вместо того чтобы записывать все, как я делал раньше, на поверхности булавочной головки, я собираюсь использовать также внутреннюю часть материала.

Давайте представим точку маленьким пятнышком одного металла, а следующее тире — соседним пятнышком другого металла и так далее. Предположим, оставаясь консерваторами, что для бита информации требуется маленький кубик из атомов 5x5x5 — всего 125 атомов. Возможно, нам нужна сотня или некоторое нечетное число атомов, чтобы убедиться, что информация не потеряется из-за диффузии или некоторого другого процесса.

Я оценил, сколько букв в энциклопедии, и предположил, что каждая из 24 миллионов книг такая же толстая, как энциклопедия, и вычислил, сколько в них содержится битов информации (1015). Для каждого бита я выделил 100 атомов. И оказалось, что всю информацию, которую человек тщательно накапливал во всех книгах мира, можно записать в такой форме в кубике материала с ребром 1/200 дюйма — это крошечная пылинка, попавшая в глаз, от которой мы стараемся избавиться. Итак, существует множествовозможностей в глубине материи! Только не рассказывайте мне о микрофильмах!

Тот факт, что гигантский объем информации можно хранить в чрезвычайно малом пространстве, хорошо известен биологам; так решилась старая головоломка — мы отчетливо поняли, как в крошечной клетке хранится информация об организме сложнейшего создания — человека. Вся эта информация — почему у вас карие глаза, почему вы вообще мыслите, почему у эмбриона сначала развивается челюстная кость с маленьким отверстием сбоку, через которое позже прорастают нервы, — вся эта информация содержится в очень маленькой части клетки в форме длинной цепочки молекул ДНК, в которой приблизительно 50 атомов используются для одного бита информации о клетке.

Электронные микроскопы с лучшим разрешением

Если я все записал в закодированной форме, с битом, составляющим 5x5x5 атомов, то возникает вопрос: как это можно сегодня прочитать? Электронный микроскоп недостаточно хорош — при тщательном обращении с огромными усилиями он может разрешить только длину в 10 ангстрем. Я хотел бы в ходе своего рассказа об этих вещичках малого масштаба убедить вас, как важно улучшить разрешающую способность электронного микроскопа в сотню раз. Это не так уж невозможно, это не противоречит законам дифракции электронов. Длина волны электрона в таком микроскопе составляет всего 1/20 ангстрема. Поэтому он позволяет видеть отдельные атомы. Что произойдет, если мы четко увидим каждый отдельный атом?

У нас есть друзья в других областях — в биологии, например. Мы, физики, часто спрашиваем у них: «Знаете, коллеги, по какой причине вы достигли весьма скромных успехов?» (В действительности я не знаю другой области, кроме биологии, где прогресс был бы более ощутим.) «Вы должны брать с нас пример и чаще пользоваться математикой». Они могли бы возразить, но тактично и вежливо отмалчиваются, поэтому за них отвечаю я: «Чтобы добиться быстрого прогресса, вы должны сделать для нас электронный микроскоп с разрешением в 100 раз лучше».

Каковы наиболее важные и фундаментальные проблемы биологии на сегодняшний день? Я приблизительно перечислю первоочередные вопросы. Какова последовательность оснований в молекуле ДНК? Что происходит при мутации? Как последовательность оснований в молекуле ДНК связана с последовательностью аминокислот в протеине? Какова структура РНК — она однонитевая или двухнитиевая и как она связана с последовательностью оснований ДНК? Какова структура микросом? Как синтезируются протеины? Откуда берется молекула РНК? Как она расположена? Где расположены протеины? Куда входят аминокислоты? При фотосинтезе — где находится хлорофилл; как он располагается; где находятся каротиноиды, связанные с этим процессом? Что представляет система преобразования света в химическую энергию?

Очень легко ответить на многие из этих фундаментальных биологических вопросов; стоит только взглянуть на предмет исследования! И вы увидите порядок чередования оснований в цепочке; вы увидите структуру микросомы. К сожалению, современные микроскопы видят слишком грубые, ограниченные масштабы. Сделайте микроскоп в сто раз более мощным, и многие проблемы биологов уйдут сами собой. Я, конечно, преувеличиваю, но биологи будут очень благодарны — и они предпочтут вместо критики использовать больше математики.

Сегодня теория химических процессов основывается на теоретической физике. В том смысле, что физика создает фундамент химии. Но химия также проводит свой анализ. Если у вас в руках странная субстанция и вы хотите знать, что это, вы проводите длинный и сложный процесс химического анализа. Сегодня можно анализировать почти все, моя идея немного запоздала. Но если физики захотят, они могут также подкопаться под химиков в вопросах химического анализа. Очень легко провести анализ любого химического вещества; надо только посмотреть на него и увидеть, где находятся атомы. Единственную неприятность доставит электронный микроскоп — он в сто раз хуже, чем надо. (Потом я хотел бы задать вопрос: могут ли физики сделать что-нибудь с третьей проблемой химии — а именно с синтезом? Есть ли физический метод синтеза любой химической субстанции?)