Alguém já leu alguma coisa sobre Richard Feynman?
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RioBORG
Esta é a transcrição de uma conferência dada pelo físico norte-americano
Richard Feynman em 29 de dezembro de 1959, no encontro anual da
Sociedade Americana de Física (APS) no Instituto de Tecnologia da
Califórnia (Caltech). Foi publicado pela primeira vez na edição de
fevereiro de 1960 do Caltech's Engineering and Science.
Há mais espaços lá embaixo
Um convite para penetrar em um novo campo da física
Eu imagino que um físico experimental deva freqüentemente olhar com
inveja para homens como Kamerlingh Onnes, que descobriu o campo das
baixas temperaturas, que parece não ter fim e no qual pode-se sempre ir
mais e mais fundo. Um homem assim é um líder e tem um certo monopólio
temporário na aventura científica. Percy Bridgman, ao projetar um meio
de obter altas pressões, abriu outro novo campo e foi capaz de penetrar
nele e de orientar-nos nesse novo percurso. O desenvolvimento de vácuos
mais e mais perfeitos foi um desenvolvimento contínuo do mesmo tipo. Eu
gostaria de descrever um campo no qual pouco tem sido feito, mas no
qual, em princípio, uma enormidade pode ser conseguida. Esse campo não é
exatamente do mesmo tipo que os outros, no sentido em que não nos dirá
muito sobre a física fundamental (na linha de "o que são as partículas
estranhas?"), mas assemelha-se mais com a física do estado sólido, no
sentido em que pode dizer-nos muitas coisas de grande interesse sobre os
estranhos fenômenos que ocorrem em situações complexas; além disso, um
aspecto muito importante é que esse campo terá um enorme número de
aplicações técnicas.
O que eu quero falar é sobre o problema de manipular e controlar coisas
em escala atômica.
Tão logo eu menciono isto, as pessoas me falam sobre miniaturização e o
quanto ela tem progredido nos dias de hoje. Elas contam-me sobre motores
elétricos com o tamanho de uma unha do seu dedo mindinho. E que há um
dispositivo no mercado, dizem elas, com o qual pode-se escrever o Pai
Nosso na cabeça de um alfinete. Mas isso não é nada: é o passo mais
primitivo e hesitante na direção que eu pretendo discutir. É um novo
mundo surpreendentemente pequeno. No ano 2000, quando olharem para esta
época, elas se perguntarão por que só no ano de 1960 que alguém começou
a se movimentar seriamente nessa direção.
Por que não podemos escrever os 24 volumes inteiros da Enciclopédia
Britânica na cabeça de um alfinete?
Vamos ver o que estaria envolvido nisso. A cabeça de um alfinete tem um
dezesseis avos de polegada de largura. Se você aumentar seu diâmetro
25.000 vezes, a área da cabeça do alfinete será igual a área de todas as
páginas da Enciclopédia Britânica. Assim, tudo o que se precisa fazer é
reduzir 25.000 vezes em tamanho todo o texto da Enciclopédia. Isso é
possível? O poder de resolução do olho é de cerca de 1/120 de uma
polegada - aproximadamente, o diâmetro de um dos pequenos pontos em uma
das boas e vetustas edições da Enciclopédia. Isto, quando você diminui
em 25.000 vezes, ainda tem 80 angstroms de diâmetro - 32 átomos de
largura, em um metal ordinário. Em outras palavras, um daqueles pontos
ainda poderá conter em sua área 1.000 átomos. Assim, cada ponto pode ter
seu tamanho facilmente ajustado segundo o requerido pela gravação, e não
resta dúvida sobre se há espaço suficiente na cabeça de um alfinete para
toda a Enciclopédia Britânica.
Além disso, ela poderá ser lida se puder ser escrita dessa forma.
Imaginemos que ela seja escrita em letras em alto-relevo de metal; ou
seja, onde existe o preto na Enciclopédia, fazemos letras de metal em
alto-relevo com 1/25.000 do seu tamanho ordinário. Como leríamos isso?
Se tivéssemos algo escrito dessa forma, poderíamos lê-lo usando técnicas
hoje comuns. (Eles indubitavelmente encontrarão um meio melhor quando o
tivermos de fato escrito, mas, para sermos realistas, vou considerar
apenas técnicas conhecidas hoje.) Pressionaríamos o metal sobre um
material plástico e faríamos um molde; então, tiraríamos muito
cuidadosamente o plástico; vaporizaríamos sílica sobre o plástico para
obter um filme bem fino; depois, sombrearíamos a sílica, vaporizando
ouro em ângulo contra ela, de forma que todas as letras apareçam
claramente; dissolveríamos o plástico do filme de sílica; e então
olharíamos através do filme com um microscópio eletrônico!
Não há dúvida de que, se tudo fosse reduzido 25.000 vezes na forma de
letras em alto-relevo no alfinete, hoje seria fácil para nós lermo-las.
Além disso, não há dúvida de que acharíamos fácil fazer cópias da
matriz; precisaríamos apenas de prensar a mesma placa de metal contra o
plástico e teríamos outra cópia.
Como escrevemos pequeno?
A próxima questão é: como escrevemos isso? Não temos nenhuma técnica
padrão para fazê-lo agora. Mas deixem-me argumentar que não é tão
difícil como pode parecer à primeira vista. Podemos inverter as lentes
de um microscópio eletrônico, de forma que ele passe a reduzir tão bem
quando amplie. Uma fonte de íons, enviada através das lentes de um
microscópio invertido, poderia ser focalizada em um ponto muito pequeno.
Poderíamos escrever com esse ponto, como escrevemos com um osciloscópio
de raios catódicos de TV, caminhando por linhas, e com um ajuste que
determinaria a quantidade de material que seria depositada enquanto
corremos sobre as linhas.
Este método pode ser muito lento, por causa das limitações de espaço
para carga. Haverá métodos mais rápidos. Poderíamos primeiro fazer,
talvez através de algum processo fotográfico, um anteparo com orifícios
em forma de letras. Então, dispararíamos um arco elétrico atrás dos
buracos e faríamos passar íons metálicos através deles; depois,
poderíamos novamente usar nosso sistema de lentes e fazer uma imagem
pequena na forma de íons, que depositariam o metal no alfinete.
Uma maneira mais simples poderia ser esta (ainda que eu não esteja certo
de que funcionaria): Através de um microscópio óptico invertido,
focalizamos luz sobre uma superfície fotoelétrica muito pequena. Então,
os elétrons escapam da superfície, a partir do ponto que a luz está
iluminando. Esses elétrons são focalizados pelas lentes de um
microscópio eletrônico, para chocar-se diretamente contra a superfície
do metal. Tal feixe escavará o metal se funcionar por tempo suficiente?
Eu não sei. Se não funcionar para uma superfície metálica, pode ser
possível encontrar uma superfície com a qual se cubra o alfinete
original e tal que, quando os elétrons a bombardeiem, ocorra alguma
mudança que possamos reconhecer mais tarde.
Não há problema nesses dispositivos com relação à intensidade - ao
contrário do que você está acostumado na ampliação, onde você tem que
pegar uns poucos elétrons e espalhá-los sobre um anteparo cada vez
maior; é justamente o contrário. A luz que obtemos de uma página é
concentrada em uma área muito pequena, e por isso é muito intensa. Os
poucos elétrons que vêm da superfície fotoelétrica são reduzidos a uma
área bem diminuta, de forma que, novamente, são muito intensos. Não sei
por que isso não foi feito antes!
Isso quanto à Enciclopédia Britânica na cabeça de um alfinete; mas vamos
considerar todos os livros do mundo. A Biblioteca do Congresso
[norte-americano] tem aproximadamente 9 milhões de volumes; a Biblioteca
do Museu Britânico tem 5 milhões de volumes; há também 5 milhões de
volumes na Biblioteca Nacional na França. Indubitavelmente, há
duplicações; portanto, digamos que há cerca de 24 milhões de volumes de
interesse no mundo.
O que aconteceria se eu imprimisse tudo isso na escala sobre a qual
vimos discutindo? Quanto espaço vai ocupar? Ocuparia, claro, a área de
cerca de um milhão de alfinetes, porque, ao invés de haver apenas os 24
volumes da Enciclopédia, haveria 24 milhões de volumes. Um milhão de
cabeças de alfinete podem ser postas em um quadrado de mil alfinetes de
lado, ou uma área de cerca de 3 jardas quadradas [cerca de 2,5 metros
quadrados]. Ou seja, a réplica de sílica com o recobrimento de plástico
da espessura de um papel, com a qual fizemos as cópias, com toda essa
informação, está em uma área de aproximadamente o tamanho de 35 páginas
da Enciclopédia. Isto é cerca de metade da quantidade de páginas que há
nesta revista. Toda a informação que toda a humanidade já registrou em
livros pode ser transferida para um panfleto em sua mão - e não escrita
em código, mas uma simples reprodução das imagens e estampas originais e
tudo o mais em uma escala pequena, sem perda de resolução.
O que diria nossa bibliotecária no Caltech, enquanto ela circula pelo
acervo, se eu lhe disser que daqui a dez anos toda a informação que ela
está lutando para não perder de vista - 120.000 volumes, empilhados do
chão até o teto, gavetas cheias de fichas, depósitos cheios de livros
antigos - poderá ser armazenado em uma única ficha! Quando a
Universidade do Brasil, por exemplo, descobrir que sua biblioteca foi
incendiada, podemos enviar-lhes uma cópia de cada livro em nossa
biblioteca tirando uma réplica da placa-matriz em umas poucas horas e
enviando-a em um envelope não maior nem mais pesado do que qualquer
outra carta comum por via aérea.
Agora, o título dessa palestra é "Há muito espaço lá embaixo" - não
apenas "Há espaço lá embaixo". O que eu demonstrei é que há espaço - que
você pode diminuir o tamanho das coisas de uma maneira prática. Eu agora
quero mostrar que há muito espaço. Não vou discutir agora como faremos
isso, mas somente o que é possível em princípio - em outras palavras, o
que é possível de acordo com as leis da física. Não estou inventando a
anti-gravidade, que será possível um dia apenas se as leis não sejam as
que nós pensamos. Estou dizendo a vocês o que poderíamos fazer se as
leis fossem as que pensamos; ainda não o estamos fazendo simplesmente
porque ainda não chegamos lá.
Informação em escala pequena
Suponha que, ao invés de tentarmos reproduzir as imagens e toda a
informação diretamente em sua forma presente, escrevamos apenas o
conteúdo de informação em um código de pontos e traços ou algo do tipo,
para representar as várias letras. Cada letra representa seis ou sete
"bits" de informação; isto é, você precisa de apenas cerca de seis ou
sete pontos ou traços para cada letra. Agora, ao invés de escrever tudo
na superfície da cabeça de um alfinete, como fizemos antes, vou usar
também o interior do material. Representemos um ponto por uma pequena
marca de metal, o próximo traço por uma marca adjacente feita de outro
metal, e assim por diante. Suponha, para mantermos os pés no chão, que
um bit de informação necessitará de um pequeno cubo de 5 por 5 por 5
átomos - ou seja, 125 átomos. Talvez precisemos de uns cento e poucos
átomos para termos certeza de que a informação não foi perdida por
difusão ou algum outro processo.
Eu estimei quantas letras existem na Enciclopédia e supus que cada um
dos meus 24 milhões de livros é tão grande quanto um de seus volumes, e
calculei, então, quantos bits de informação existem (10^15). Para cada
bit, eu deixo 100 átomos. E o resultado é que toda a informação que o
homem cuidadosamente acumulou em todos os livros do mundo pode ser
escrita desta forma em um cubo de material com um ducentésimo de
polegada de largura - que é a menor partícula de poeira que pode ser
distinguida pelo olho humano. Assim, há muito espaço lá embaixo! Não me
falem de microfilmes!
Este fato - que quantidades enormes de informação podem ser colocadas em
um espaço extraordinariamente pequeno - é, evidentemente, bem conhecido
dos biólogos, e resolve o mistério que existia antes de compreendermos
tudo isso claramente, ou seja, como podia ser que, na mais diminuta
célula, toda a informação para a organização de uma criatura complexa
como nós mesmos podia estar armazenada. Toda essa informação - se temos
olhos castanhos, se raciocinamos, ou que no embrião o osso da mandíbula
deveria se desenvolver inicialmente com um pequeno orifício do lado, de
forma que mais tarde um nervo poderia crescer através dele - toda essa
informação está contida em uma fração minúscula da célula, em forma de
uma longa cadeia de moléculas de DNA, na qual aproximadamente 50 átomos
são usados para cada bit de informação sobre a célula.
Melhores microscópios eletrônicos
Se eu escrevi em código, usando 5 por 5 por 5 átomos para um bit, a
pergunta é: como eu poderia ler isso hoje? O microscópio eletrônico não
é bom o suficiente; com o maior cuidado e esforço, ele pode resolver
apenas até cerca de 10 angstroms. Eu gostaria de tentar e transmitir a
vocês, enquanto estou falando de todas essas coisas em escala pequena, a
importância de melhorar o microscópio eletrônico cem vezes. Não é
impossível; não está contra as leis da difração do elétron. O
comprimento de onda do elétron em um tal microscópio é de apenas 1/20 de
um angstrom. Assim, deveria ser possível ver os átomos individuais. Que
vantagem haveria em distinguir os átomos individuais?
Temos amigos em outros campos - em biologia, por exemplo. Nós, físicos,
freqüentemente os vemos e dizemos: "Vocês sabem a razão pela qual seus
camaradas estão fazendo tão pouco progresso?" (Na verdade, não conheço
nenhum campo onde estão progredindo mais rápido que na biologia hoje.)
"Vocês deveriam usar mais matemática, como nós." Eles poderiam responder
- mas eles são educados, então eu vou responder por eles: "O que vocês
poderiam fazer por nós para progredirmos mais rapidamente é fazer um
microscópio eletrônico 100 vezes melhor."
Quais são os problemas mais centrais e fundamentais da biologia hoje? Há
perguntas do tipo: qual é a seqüência de bases no DNA? O que acontece
quando há uma mutação? Como a ordem das bases no DNA está relacionada
com a ordem dos aminoácidos nas proteínas? Qual é a estrutura do RNA; é
uma cadeia simples ou dupla, e como a ordem de suas bases está
relacionada ao DNA? Qual é a organização dos microssomos? Como as
proteínas são sintetizadas? Onde entra o RNA? Como atua? Onde entram as
proteínas? Qual o papel dos aminoácidos? Na fotossíntese, onde entra a
clorofila; como está diposta; onde estão os carotenóides envolvidos?
Qual é o sistema de conversão da luz em energia química?
É fácil responder a muitas dessas questões biológicas fundamentais; você
simplesmente olha para a coisa! Você verá a ordem de bases na cadeia;
você verá a estrutura do microssomo. Infelizmente, os microscópios
atuais vêem em uma escala apenas um pouco tosca demais. Faça-se um
microscópio cem vezes mais poderoso e muitos problemas da biologia se
tornariam muito mais fáceis. Eu exagero, claro, mas os biólogos estariam
certamente muito agradecidos a vocês - e eles prefeririam isso do que a
crítica de que deveriam usar mais matemática.
A teoria atual dos processos químicos é baseada na física teórica. Neste
sentido, a física provê o fundamento da química. Mas a química também
tem análise. Se você tem uma substância estranha e você quer saber o que
é, você passa por um longo e complicado processo de análise química.
Hoje você pode analisar quase qualquer coisa; então, estou um pouco
atrasado com minha idéia. Mas, se os físicos quisessem, eles poderiam
também "cutucar" o problema da análise química. Seria muito fácil fazer
uma análise de qualquer substância química complexa; tudo o que teria
que se fazer seria olhá-la e ver onde os átomos estão. O único problema
é que o microscópio eletrônico é cem vezes pobre demais. (Depois, eu
gostaria de colocar a questão: poderão os físicos fazer algo a respeito
do terceiro problema da química - a síntese? Há algum meio físico para
sintetizar uma substância química?)
A razão pela qual o microscópio eletrônico é tão fraco é que o número f
das lentes é apenas de uma parte em 1000; você não tem uma abertura
grande o suficiente. E eu sei que há teoremas que provam que é
impossível, com lentes de campo estacionário axialmente simétricas,
produzir um número f maior do que isso; e, portanto, o poder de
resolução hoje está no seu máximo teórico. Mas em qualquer teorema há
suposições. Por que o campo deveria ser simétrico? Eu coloco isso como
um desafio: Não há nenhuma maneira de fazer um microscópio eletrônico
mais poderoso?
O maravilhoso sistema biológico
O exemplo biológico de escrever informação em uma escala pequena
inspirou-me a pensar em algo que pudesse ser possível. A biologia não é
simplesmente escrever informação; é fazer algo com ela. Várias das
células são muito pequenas, mas podem ser muito ativas; elas fabricam
várias substâncias; deslocam-se; vibram; e fazem todos os tipos de
coisas maravilhosas - tudo em uma escala muito pequena. Além disso,
armazenam informação. Considerem a possibilidade de que nós também
possamos construir algo muito pequeno que faça o que queiramos - que
possamos fabricar um objeto que manobra naquele nível!
Pode haver inclusive aspectos econômicos com relação a essa atividade de
fazer coisas muito pequenas. Deixem-me lembrá-los de alguns problemas
dos computadores. Nessas máquinas, temos que armazenar uma enorme
quantidade de informação. O tipo de escrita que eu mencionava antes, na
qual eu tinha tudo como uma configuração de metal, é permanente. Muito
mais interessante para um computador é uma forma de escrever, apagar e
escrever outra coisa. (Isso, em geral porque não queremos desperdiçar o
material sobre o qual já escrevemos. Mesmo que pudéssemos escrevê-lo em
um espaço muito pequeno, não faria nenhuma diferença; poderia
simplesmente ser jogado fora depois que lido. Não custa muito para o
material).
Miniaturizando o computador
Eu não sei como fazer isso em uma escala pequena de uma maneira prática,
mas eu sei que os computadores são bem grandes; eles preenchem cômodos
inteiros. Por que não poderíamos fazê-los muito pequenos, fazê-los de
pequenos fios, pequenos elementos - e, por pequeno, eu quero dizer
pequeno. Por exemplo, os fios deveriam ter 10 ou 100 átomos de diâmetro,
e os circuitos deveriam ter uns poucos milhares de angstroms de largura.
Todo mundo que já tenha analisado a teoria lógica dos computadores já
chegou à conclusão de que as possibilidades dos computadores são muito
interessantes - se eles puderem tornar-se mais complexos em várias
ordens de grandeza. Se eles tivessem milhões de vezes mais elementos,
poderiam fazer julgamentos. Teriam tempo para calcular qual é o melhor
caminho para fazer um cálculo que estejam prestes a executar.
Selecionariam o método de análise que, de sua experiência, seja melhor
do que o que lhes fornecemos. E, de muitas outras formas, eles teriam
muitos aspectos qualitativos novos. Se eu olho para a sua face, eu
reconheço imediatamente o que eu havia visto antes. (Na verdade, meus
amigos diriam que eu escolhi um exemplo ruim como ilustração. Pelo
menos, eu reconheço que é um homem e não uma maçã.) Mas não há nenhuma
máquina que, com essa velocidade, possa pegar a imagem de uma face e
dizer nem mesmo que é um homem; e muito menos que é o mesmo homem que
você mostrou antes - a menos que seja exatamente a mesma imagem. Se a
face é alterada; se estou mais perto da face; se estou mais longe; se
muda a luz - eu reconheço-a. Agora, este pequeno computador que eu
carrego em minha cabeça é facilmente capaz de fazer isso. Já os
computadores que construímos não são. O número de elementos nesta minha
caixa óssea é enormemente maior do que o número de elementos em nossos
computadores "maravilhosos". Mas nossos computadores mecânicos são muito
grandes; os elementos nesta caixa são microscópicos. Eu quero fazer
alguns submicroscópicos.
Se quiséssemos fazer um computador que tivesse todas essas maravilhosas
habilidades qualitativas extras, teríamos que fazê-lo, talvez, do
tamanho do Pentágono. Isso tem várias desvantagens. Primeiro, precisa de
muito material; pode não haver germânio suficiente no mundo para todos
os transístores que teriam que ser colocados nessa coisa enorme. Há
também o problema da geração de calor e consumo de potência; seria
necessário TVA para fazer o computador funcionar. Mais uma dificuldade
ainda mais prática é que o computador seria limitado a uma certa
velocidade. Por causa de seu grande tamanho, é requerido um tempo finito
para levar a informação de um lugar a outro. A informação não pode
viajar mais rápido do que a velocidade da luz - assim, em última
análise, à medida que nossos computadores tornam-se mais e mais rápidos
e mais e mais elaborados, teremos que fazê-los menores e menores.
Mas há muito espaço para fazê-los menores. Não há nada que eu possa ver
nas leis físicas que diga que os elementos dos computadores não possam
ser feitos enormemente menores que são atualmente. Na verdade, pode
haver certas vantagens.
Miniaturização e evaporação
Como faríamos um equipamento assim? Que tipo de processo de fabricação
usaríamos? Uma possibilidade que poderíamos considerar, desde que
conversamos sobre escrever e colocar átomos em uma certa disposição,
seria vaporizar o material, e então vaporizar o isolante ao seu lado.
Então, para a próxima camada, vaporizar outro fio em outra posição,
outro isolante, e assim por diante. Assim, você simplesmente vaporiza
até que você tenha um bloco que contenha os elementos - bobinas e
condensadores, transístores, etc. - com dimensões extraordinariamente
minúsculas.
Mas eu gostaria de discutir, só para nos divertirmos, que existem ainda
outras possiblidades. Por que não podemos fabricar esses pequenos
computadores da mesma forma que fabricamos os grandes? Por que não
podemos furar buracos, cortar, soldar ou estampar coisas, modelar
diferentes formas, tudo em um nível infinitesimal? Quais as limitações
em relação a quão pequeno algo tem de ser antes que você não consiga
mais modelá-la? Quantas vezes, quando você está trabalhando em algo tão
frustrantemente minúsculo como o relógio de pulso de sua esposa, você
disse a si mesmo: "Ah! se eu pudesse treinar uma formiga para fazer
isso!" O que eu gostaria de sugerir é a possibilidade de treinar uma
formiga para treinar um ácaro para fazer isso. Quais as possibilidades
para máquinas diminutas, porém móveis? Elas podem ou não ser úteis, mas
certamente seria muito divertido fazê-las.
Considerem qualquer máquina - por exemplo, um automóvel - e perguntem-se
sobre os problemas de se replicar uma tal máquina em escala
infinitesimal. Suponham, no design particular de um automóvel, que nós
precisemos de uma certa precisão em relação aos componentes; precisamos
de uma exatidão de, digamos, 4/10.000 de polegada. Se as coisas forem
mais imprecisas do que isso na forma de um cilindro ou outras formas,
não vai funcionar muito bem. Se eu faço muito pequeno, eu tenho de me
preocupar com o tamanho dos átomos; não posso fazer um círculo de
"bolas", por assim dizer, se o círculo é muito pequeno. Assim, se eu
cometer um erro correspondente a 4/10.000 de polegada, que corresponderá
a um erro de 10 átomos, resulta que eu posso reduzir as dimensões de um
automóvel em aproximadamente 4.000 vezes - de forma que ele fica com um
milímetro de comprimento. Obviamente, se você redesenha o carro de modo
que ele funcione dentro de uma faixa de tolerância muito maior, o que
não é de todo impossível, você poderia obter um equipamento muito menor.
É interessante considerar quais seriam os problemas em máquinas tão
pequenas. Primeiramente, em componentes tensionadas no mesmo grau, as
forças crescem como a área que você está reduzindo, de forma que coisas
como peso ou inércia são relativamente sem importância. A resistência do
material, em outras palavras, é proporcionalmente muito maior. As
tensões e a expansão do volante do motor sob as forças centrífugas, por
exemplo, estariam na mesma proporção apenas se a velocidade de rotação
aumentasse na mesma proporção em que diminuímos o tamanho. Por outro
lado, os metais que usamos têm uma estrutura granular, e isso causaria
muitos aborrecimentos em uma escala pequena, já que o material não é
homogêneo. Plásticos, vidros e coisas de natureza amorfa semelhante são
muito mais homogêneos e, assim, teríamos de fazer nossas máquinas a
partir de tais materiais.
Há problemas associados com as partes elétricas do sistema - com os fios
de cobre e os componentes magnéticos. As propriedades magnéticas, em uma
escala muito pequena, não são as mesmas que em uma escala maior; há o
problema do "domínio" envolvido. Um grande magneto feito de milhões de
domínios pode ser reproduzido em escala pequena com até um único
domínio, apenas. O equipamento elétrico não será só redimensionado; terá
de ser redesenhado. Mas eu não vejo razão por que ele não possa ser
redesenhado de forma a poder funcionar novamente.
Problemas de lubrificação
A lubrificação envolve algumas questões interessantes. A viscosidade
efetiva do óleo seria cada vez mais alta à medida que diminuímos a
escala (e se aumentamos a velocidade tanto quanto possamos). Se não
aumentamos tanto a velocidade, e substituímos o óleo por querosene ou
outro fluido, o problema não parece tão ruim. Mas, na verdade, nós
talvez não tenhamos de lubrificá-lo! Temos muita força extra. Deixemos
os mancais secos; eles não se aquecerão, porque o calor escapa de
dispositivos tão pequenos muito, muito rapidamente.
Esta perda rápida de calor impediria que a gasolina explodisse; assim,
seria impossível utilizarmos um motor de combustão interna. Outras
reações químicas, que liberem energia a frio, poderiam ser usadas.
Provavelmente, uma fonte externa de eletricidade seria mais conveniente
para máquinas tão pequenas.
Qual seria a utilidade de tais máquinas? Quem sabe? Naturalmente, um
pequeno automóvel seria útil apenas para os ácaros passearem, e eu
suponho que nossas inclinações de bom samaritano não cheguem a tanto.
Entretanto, nós enfatizamos a possibilidade da fabricação de pequenos
elementos para computadores em fábricas totalmente automatizadas,
contendo tornos e outras ferramentas em escala muito pequena. O pequeno
torno não precisaria ser exatamente como o nosso grande torno. Deixo
para sua imaginação os aperfeiçoamentos do design que possam ser mais
vantajosos para as propriedades de objetos em pequena escala, e de forma
que fique mais fácil dar conta da necessidade de automatização.
Um amigo meu (Albert R. Hibbs) sugere uma possibilidade muito
interessante para máquinas relativamente pequenas. Ele diz que, embora
seja uma idéia bastante selvagem, seria interessante se, numa cirurgia,
você pudesse engolir o cirurgião. Você coloca o cirurgião mecânico
dentro da veia, e ele vai até o coração e "dá uma olhada" em torno.
(Naturalmente, a informação tem que ser transmitida para fora.) Ele
descobre qual é a válvula defeituosa, saca uma pequena faca e corta-a
fora. Outras máquinas pequenas poderiam ser permanentemente incorporadas
ao organismo para assistir algum órgão deficiente.
Agora vem a questão interessante: como fazemos um mecanismo tão pequeno?
Deixo isso para vocês. Entretanto, deixem-me sugerir uma possibilidade
estranha. Você sabe, nas usinas atômicas eles têm materiais e máquinas
que não podem ser manuseadas diretamente, porque tornaram-se
radioativos. Para desparafusar porcas, colocar parafusos, etc., eles têm
um conjunto de mãos mestres e servas, de forma que, operando um conjunto
de alavancas aqui, você controla as "mãos" lá, pode virá-las para lá e
para cá, e assim você pode manusear as coisas confortavelmente.
Grande parte desses dispositivos são, na verdade, feitos de modo
bastante simples, no sentido de que há um cabo específico, como um
cordão de marionete, que vai diretamente dos controles até as "mãos".
Mas, é claro, eles também fizeram isso usando servomotores, de forma que
a conexão entre uma coisa e outra fosse mais elétrica que mecânica.
Quando você manuseia as alavancas, elas acionam um servomotor, o que
altera as correntes elétricas nos fios, que reposicionam um motor na
outra extremidade.
Agora, eu quero fazer reproduzir o mesmo dispositivo - um sistema
servo-mestre que opera eletricamente. Mas eu quero que os servos sejam
feitos de forma particularmente cuidadosa por operadores modernos em
escala grande, de forma que eles tenham um quarto do tamanho das "mãos"
que você normalmente manobra. Assim, você tem um esquema com o qual você
pode produzir coisas numa escala reduzida em quatro vezes - os pequenos
servomotores com pequenas mãos operam com pequenas porcas e parafusos;
fazem pequenos buracos; eles são quatro vezes menores. Ahá! Assim, eu
produzo um torno quatro vezes menor; ferramentas quatro vezes menores; e
produzo, em escala quatro vezes menor, ainda outro conjunto de mãos, por
sua vez mais quatro vezes menores. Isso dá um dezesseis avos do tamanho,
do meu ponto de vista. Depois de acabar isso, eu passo diretamente do
meu sistema em escala grande, talvez usando transformadores, para os
servomotores 16 vezes menores. Logo, eu posso manipular as mãos 16 vezes
menores.
Bem, a partir disso, vocês têm os princípios. É um programa um tanto
difícil, mas é uma possibilidade. Você poderia dizer que pode-se ir mais
longe em um único estágio do que por etapas. Naturalmente, tudo isso
deve ser desenhado de forma muito cuidadosa, e não é necessário fazê-lo
apenas como mãos. Se você pensar sobre isso com cuidado, você
provavelmente chegaria em um sistema muito melhor.
Se você trabalhar com um pantógrafo, mesmo hoje, você pode conseguir um
fator muito melhor do que quatro em um único passo. Mas você não pode
trabalhar diretamente com um pantógrafo que faz um pantógrafo menor, que
então faz um pantógrafo ainda menor - por causa da imprecisão dos
buracos e irregularidades da construção. A extremidade do pantógrafo
oscila de forma relativamente mais irregular do que o movimento de suas
mãos. Diminuindo essa escala, eu veria a extremidade do pantógrafo na
extremidade do pantógrafo na extremidade do pantógrafo sacudindo tanto
que não estaria fazendo nada de aproveitável.
Em cada etapa, é necessário aumentar a precisão do equipamento. Se, por
exemplo, tendo feito um pequeno torno com um pantógrafo, constatarmos
que seu parafuso está irregular - mais irregular do que o na escala
grande - poderíamos pegar o parafuso e uma porca e lapidá-los um contra
o outro, virando para a frente e para trás da maneira usual, até que o
parafuso esteja, em sua escala, tão preciso quanto nossos parafusos
originais na nossa escala.
Podemos fazer superfícies planas esfregando superfícies não-planas três
a três, e as superfícies se tornariam mais planas que a original. Assim,
não é impossível melhorar a precisão em escala pequena usando as
operações adequadas. Desta forma, quando construímos esses dispositivos,
é necessário, em cada passo, aumentar a precisão do equipamento,
trabalhando por algum tempo em escala pequena, produzindo parafusos
precisos, blocos de Johansen e todos os demais materiais que usamos em
trabalhos de precisão no nível grande. Temos que parar em cada nível e
fabricar todas as peças para chegar ao próximo nível - um programa muito
longo e difícil. Talvez você possa imaginar uma maneira melhor para
chegar mais depressa à escala pequena.
Ainda assim, depois de tudo isso, você apenas obteve um pequeno
torno-bebê quatro mil vezes menor do que o normal. Mas estávamos
pensando em fazer um computador enorme, que construiríamos fazendo
buracos com esse torno, para fazer pequenas arruelas para o computador.
Quantas arruelas você poderia fabricar com esse único torno?
Mil pequenas mãos
Quando eu faço meu primeiro conjunto de "mãos" servas na escala quatro
vezes menor, vou fazer dez conjuntos. Faço dez conjuntos de "mãos" e eu
as conecto às minhas alavancas originais, de forma que cada uma delas
faça exatamente a mesma coisa ao mesmo tempo e em paralelo. Agora,
quando estou fazendo meus novos dispositivos novamente quatro vezes
menores, deixo cada um deles produzir dez cópias, e assim terei cem
"mãos" em uma escala de 1/16. Onde colocarei o milhão de tornos que
terei? Por que, não tem nada de mais; o volume é muito menor do que o de
um único torno em escala normal. Por exemplo, se eu fiz um bilhão de
pequenos tornos, cada um deles em uma escala de 1/4.000 do torno normal,
haverá considerável quantidade de materiais e espaço disponíveis,
porque, no bilhão de pequenos tornos, há menos do que 2 por cento do
material usados no grande.
Não custa nada em termos de materiais, vocês podem ver. Assim, quero
construir um bilhão de pequenas fábricas, modelos umas das outras, que
estão simultaneamente produzindo, fazendo buracos, juntando componentes,
etc.
À medida que diminuímos o tamanho, há um número de problemas
interessantes que vão surgindo. As coisas não reduzem a escala
simplesmente de forma proporcional. Há o problema de que os materiais
unem-se pelas atrações intermoleculares (van der Waals). Seria algo como
isso: depois que você fabrica um componente e desparafusa uma porca, ele
não cairá, porque a gravidade não é apreciável; seria mesmo mais difícil
tirá-lo do parafuso. Seria como aqueles velhos filmes com um homem
tentando se livrar de um copo d'água com mãos cheias de melaço. Haverá
vários problemas dessa natureza com os quais deveremos estar prontos
para lidar.
Rearranjando os átomos
Mas não tenho medo de considerar a questão final em relação a se, em
última análise - no futuro longínquo -, poderemos arranjar os átomos da
maneira que queremos; os próprios átomos, no último nível de
miniaturização! O que aconteceria se pudéssemos dispor os átomos um por
um da forma como desejamos (dentro do razoável, é claro; você não pode
dispô-los de forma que, por exemplo, sejam quimicamente instáveis).
Até agora, nós nos contentamos em escavar o chão para encontrar
minerais. Nós os aquecemos e fazemos coisas com eles em escala grande, e
esperamos obter uma substância pura a partir de tanta impureza, e assim
por diante. Mas temos sempre de aceitar alguns arranjos atômicos que a
natureza nos dá. Não temos nada como, digamos, um arranjo do tipo
"tabuleiro de damas", com os átomos de impureza dispostos exatamente
1.000 angstroms uns dos outros, ou em algum outro padrão específico.
O que poderíamos fazer com estruturas em camadas se tivéssemos
exatamente as camadas corretas? Quais seriam as propriedades dos
materiais se pudéssemos realmente arranjar os átomos como bem
entendêssemos? Elas seriam muito interessantes de se investigar
teoricamente. Não posso ver exatamente o que aconteceria, mas
dificilmente posso duvidar que, quando tivermos algum controle sobre a
disposição das coisas na escala pequena, teremos um leque enormemente
maior de propriedades possíveis para as substâncias, e de diferentes
coisas que poderíamos fazer.
Considere, por exemplo, um pedaço de material no qual fazemos pequenas
bobinas e condensadores (ou seus análogos do estado sólido) de 1.000 ou
10.000 angstroms em um circuito, um exatamente ao lado do outro, sobre
uma área extensa, com pequenas antenas espetadas na outra extremidade -
toda uma série de circuitos. É possível, por exemplo, emitir luz de todo
um conjunto de antenas, como emitimos ondas de rádio de um conjunto
organizado de antenas para transmitir programas para a Europa? O mesmo
aconteceria para transmitir luz de intensidade muito alta em uma direção
definida. (Talvez tal transmissão não seja muito útil técnica ou
economicamente).
Tenho pensado sobre alguns dos problemas relativos à construção de
circuitos elétricos em escala pequena, e o problema da resistência é
sério. Se você faz um circuito correspondente em escala pequena, sua
freqüência natural aumenta, uma vez que o comprimento de onda diminui
com a escala; mas a profundidade de penetração do campo eletromagnético
decresce só com a raiz quadrada da escala e, assim, os problemas de
resistência apresentam dificuldade crescente. Possivelmente, podemos dar
conta da resistência usando a supercondutividade, se a freqüência não é
demasiadamente alta, ou por outros artifícios.
Átomos no mundo pequeno
Quando vamos ao mundo muito, muito pequeno - digamos, circuitos de sete
átomos -, acontecem uma série de coisas novas que significam
oportunidades completamente novas para design. Átomos na escala pequena
não se comportam como nada na escala grande, pois eles seguem as leis da
mecânica quântica. Assim, à medida em que descemos de escala e brincamos
com os átomos, estaremos trabalhando com leis diferentes, e poderemos
esperar fazer coisas diferentes. Podemos produzir de formas diferentes.
Podemos usar não apenas circuitos, mas algum sistema envolvendo os
níveis quantizados de energia, ou as interações entre spins quantizados,
etc.
Outra coisa que constataremos é que, se formos longe o bastante, todos
os nossos dispositivos poderão ser produzidos em massa, de forma que
serão réplicas absolutamente perfeitas uns dos outros. Não podemos fazer
duas máquinas grandes de forma a que as dimensões sejam exatamente as
mesmas. Mas, se a sua máquina tem apenas 100 átomos de altura, você tem
de torná-la precisa em apenas meio por cento para ter certeza de que a
outra máquina tenha exatamente o mesmo tamanho - ou seja, 100 átomos de
altura!
No nível atômico, temos novos tipos de forças e novos tipos de
possibilidades, novos tipos de efeitos. Os problemas de fabricação e
reprodução de materiais serão bem diferentes. Minha inspiração, como eu
disse, vem de fenômenos biológicos, nos quais as forças químicas são
usadas de uma forma repetitiva para produzir todo tipo de efeitos
estranhos (um dos quais é este autor).
Os princípios da física, tanto quanto podemos perceber, não implicam na
impossibilidade de manipular coisas átomo por átomo. Não se trata de uma
tentativa de violar quaisquer leis; é algo que, em princípio, pode ser
feito, mas, na prática, ainda não o foi, porque nós somos grandes demais.
Em última análise, podemos fazer sínteses químicas. Um químico vem e nos
diz: "Olhe, eu quero uma molécula que tenha os átomos dispostos assim e
assim; faça-me essa molécula." O químico faz uma coisa misteriosa quando
ele quer obter uma molécula. Ele vê que ela tem tal forma; então ele
mistura isso e aquilo, chacoalha e brinca um pouco com aquilo. E, no
final de um processo difícil, em geral ele obtém sucesso em sintetizar o
que quer. Na altura em que eu conseguir meus dispositivos funcionando,
de modo a podermos fazer isso com a física, ele terá descoberto como
sintetizar absolutamente qualquer coisa, de forma que isso será
completamente inútil.
Mas é interessante que seria possível, em princípio (eu acho), para um
físico, sintetizar qualquer substância química que o químico escreva. Dê
as ordens e o físico sintetiza. Como? Coloque os átomos ali onde o
químico diz; assim, você faz a substância. Os problemas de química e
biologia poderão ser bastante reduzidos se nossa habilidade de ver o que
estamos fazendo, e de fazer as coisas em nível atômico, for finalmente
desenvolvida - um avanço que, penso, não pode ser evitado.
Agora, você pode dizer: "Quem deveria fazer isso e por que deveriam
fazê-lo?" Bem, eu mostrei algumas das aplicações econômicas, mas eu sei
que a razão pela qual você o faria seria por pura diversão. Mas
divirta-se! Vamos fazer uma competição entre laboratórios. Um
laboratório faz um pequeno motor, que manda para um outro laboratório,
que manda-o de volta com uma coisa que se encaixa no eixo do primeiro motor.
Competição escolar
Apenas por diversão, e para provocar interesse por esse campo nas
crianças, eu proporia que alguém que tenha algum contato com escolas de
ensino médio pensasse em fazer algum tipo de competição escolar. Afinal,
nós ainda nem começamos nesse campo, e até mesmo as crianças podem
escrever menor do que jamais foi escrito antes. Elas poderiam fazer
concursos nas escolas. A escola de Los Angeles poderia enviar um
alfinete para uma escola de Veneza, onde estaria escrito: "Como vão as
coisas?" Eles recebem de volta o alfinete e, no pingo do "i" está
escrito: "Não muito quente".
Talvez isso não o motive a fazer isso, e apenas a economia poderia
fazê-lo. Então, eu gostaria de fazer alguma coisa; mas eu não posso
fazê-la agora, pois ainda não preparei o terreno. Pretendo então
oferecer um prêmio de US$ 1.000 para a primeira pessoa que possa pegar a
informação na página de um livro e colocá-la em uma área 25.000 vezes
menor, em escala linear, de tal forma que ela possa ser lida com um
microscópio eletrônico.
E eu gostaria de oferecer um outro prêmio - se eu puder encontrar um
jeito de enunciar isso de forma a não me meter em uma confusão de
discussões sobre definições - de outros US$ 1.000 para a primeira pessoa
que fizer um motor elétrico funcional - um motor elétrico rotativo que
possa ser controlado de fora e, sem contar os cabos de entrada, tenha
1/64 de polegada cúbica.
Eu não acho que esses prêmios tenham que esperar muito para os
candidatos aparecerem.
Nota do editor da Journal of Microelectromechanical Systems: O prêmio
acima foi apresentado pelo dr. Feynman em 28 de novembro de 1960 para
William McLellan, que construiu um motor elétrico com o tamanho de um
grão de poeira. O outro prêmio ainda está em aberto.
Texto traduzido por Roberto Belisário e Elizabeth Gigliotti de Sousa
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Não leve nada pro lado pessoal. Apenas divirta-se.
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