Miniaturisation | Dr. Goulu

Anticythère version suisse

Sat, 03 Dec 2011 00:00:00 +0000

A l’occasion de la reconstitution de la par et son à Paris jusqu’en juillet 2012), je voulais écrire un billet à la gloire de l’astronomie, de l’horlogerie suisse, et de la science contre l’ufologie. Puis je suis tombé sur le d’Hublot qui fait tout ça tellement bien que je me suis dit qu’un tel travail méritait d’être mieux connu, d’autant que la pub y est assez discrète. En plus ils ne feront que 3 exemplaires de leur merveille, qui ne seront pas à vendre… Bref, une fois n’est pas coutume, je vous balance le communiqué de presse intégral avec quelques ajouts de liens et images.

Le mécanisme d’Anticythère est un des objets les plus mystérieux de l’histoire des civilisations. Aujourd’hui reconnu et minutieusement étudié par la communauté scientifique, il a été découvert en 1901, mais sans qu’on en comprenne alors l’immense intérêt historique et technique. L’idée même d’une « machine » réalisée dans l’Antiquité gréco-romaine n’entrait pas dans le cadre de travail conceptuel des spécialistes de cette époque. Par la suite, les affirmations obscurantistes des non-scientifiques ont prétendu donner aux artefacts d’Anticythère une nature quasiment extra-terrestre¹, ce qui ne rendait pas le débat plus limpide.

Des roues dentées rongées par la corrosion

Les fragments de cette « machine » n’ont été analysés de manière approfondie, dans un cadre pluridisciplinaire, qu’au début du XXIe siècle. Ces travaux ont permis de mieux comprendre la complexité de ce mécanisme hors du commun. On admet aujourd’hui que cet « instrument astronomique » est daté du IIe siècle avant notre ère (entre l’an 150 et 100 av. J.-C., avec une estimation récente plus précise autour de 87 avant notre ère). Il s’agissait, à l’origine, d’un « calculateur » dont les rouages de bronze étaient logés dans une caisse de bois d’environ 33 cm x 18 cm, boîtier fermé par deux plaques de bronze recouvertes d’inscriptions.

Il ne reste que 82 fragments de cette « machine », certains minuscules, tous rongés par la corrosion : ils sont à l’abri pour toujours au musée archéologique d’Athènes. Une étude tomographique (scanner à rayons X) très avancée a permis de révéler, en images exploitables scientifiquement et archéologiquement, de nombreux rouages internes, invisibles à l’œil nu, des roues dentées, ainsi que de nouvelles inscriptions cachées sous les concrétions : à peine un quart des lettres grecques archaïques de ce texte gravé sur la « machine » a pu être déchiffré, mais on considère qu’il s’agissait d’une sorte de « mode d’emploi » de ce calculateur mécanique, qu’on suppose également capable d’indiquer le mouvement de certaines planètes majeures. Les engrenages étaient entraînés par ce qu’on pense être une manivelle latérale – sans qu’on puisse exclure l’intervention possible d’un système hydraulique d’appoint.

Sur la piste du grand Archimède…

On admet aujourd’hui que cette machine aurait pu être conçue à Rhodes où vivaient une communauté d’astronomes comme Hipparque, ainsi que des « mécaniciens » comme Poseidonios. Une nouvelle hypothèse se dessine : cette machine a probablement un rapport étroit avec Syracuse, en Sicile, la cité du célèbre génie mathématique Archimède, qui était alors une prospère colonie corinthienne. Le mécanisme d’Anticythère aurait pu y être conçu avant son naufrage au large de l’île dont il porte aujourd’hui le nom

Dans l’état actuel des connaissances et selon les inscriptions qui ont été décodées, le mécanisme d’Anticythère pouvait indiquer différents cycles solaires et lunaires, probablement planétaires, en les rapportant aux calendriers civils de plusieurs grandes villes grecques (Corinthe, Delphes ou Olympie), en indiquant les dates des différents jeux de ces villes…. L’étude – encore très récente – du mécanisme d’Anticythère est loin d’être terminée, mais elle a relancé un vaste mouvement de réinterprétation et de reconfiguration de nos connaissances sur l’Antiquité. La réalité des savoirs mécaniques de ces savants grecs est un fantastique champ d’exploration. Il est même possible qu’on retrouve la trace, dans les textes ou dans les réserves cachées des musées, d’autres « machines » du même niveau que celle d’Anticythère.

Des rouages mécaniques qui expriment une vision mathématique du cosmos

Le mécanisme d’Anticythère n’était pas une horloge capable de donner l’heure : les Grecs anciens ne vivaient pas le temps comme nous. Véritable cosmographe (machine à décrire le cosmos), et plus exactement sélénographe (machine à décrire les mouvements de la Lune) de très haute précision, le mécanisme d’Anticythère pouvait indiquer de multiples cycles astronomiques, comme le (du nom de l’astronome grec Méton : il court sur 19 ans, soit 235 lunaisons) ou le cycle callipique (du nom de l’ : il court sur 76 ans, soit 940 lunaisons ou quatre cycles métoniques), en les corrigeant de leurs imprécisions. Le mécanisme d’Anticythère indiquait également le cycle de (223 lunaisons sur un peu plus de 18 ans), ainsi que le cycle Exeligmos (équivalent à trois cycles de Saros, soit 54 ans) qui servaient notamment à prédire les éclipses.

Le volume des données astronomiques compilées pour créer un modèle mathématique apte à synthétiser en rouages mécaniques de tels cycles laisse rêveur sur les capacités conceptuelles des savants et des mécaniciens de l’Antiquité. Si on admet qu’un ordinateur est capable de restituer en sortie d’autres informations que celles qui lui ont été données en entrée, la « machine » d’Anticythère est bien le premier ordinateur mécanique connu de l’histoire de l’humanité. Il devance d’un bon millénaire les premières horloges astronomiques réalisées, sur une toute autre échelle, dans les grandes villes européennes du Moyen Age.

La première montre jamais inspirée par une découverte archéologique

En 2008, la révélation par le magazine scientifique Nature

\[1\]

des analyses tomographiques pratiquées sur les fragments de la machine n’a pas manqué d’enflammer l’imagination de quelques horlogers un peu hardis.

Mathias Buttet, qui est aujourd’hui Directeur Fabrication et R&D à la manufacture Hublot, a voulu rendre hommage au premier chef-d‘œuvre mécanique que nous a légué l’histoire. Un hommage technique, en miniaturisant² aux dimensions d’une montre-bracelet l’ensemble de la mécanique d’Anticythère tel qu’il a été révélé par l’analyse scientifique. Un hommage horloger en ajoutant à ce calculateur astronomique une nouvelle dimension, celle d’un objet du temps à part entière, capable de donner l’heure avec précision.

C’est la première fois dans l’histoire des montres qu’un bureau de développement horloger s’inspire ainsi directement d’une mécanique « archéologique » héritée de l’Antiquité. C’est aussi la première fois qu’une équipe horlogère travaille ainsi, main dans la main, avec une équipe scientifique qui regroupe des sommités internationales de l’archéologie, de l’épigraphie et des historiens de la mécanique.

Les horlogers ont aidé les archéologues à mieux comprendre certains rouages et à valider certaines hypothèses mécaniques, tandis que les scientifiques ont révélé aux horlogers des solutions techniques oubliées depuis l’Antiquité (notamment des engrenages circulaires à cycles non linéaires).

La capacité même des mécaniciens de l’Antiquité à réaliser des rouages en bronze d’une telle efficacité ouvre de nouveaux horizons sur leurs rapports philosophiques au progrès technique et à la place des machines dans leur conception du monde – ce qui ne peut que nous questionner en retour sur notre propre relation aux machines et aux « prothèses » de la modernité…

Un respect intégral des indications astronomiques du mécanisme imaginé par les grecs Le défi de l’équipe de Mathias Buttet était d’intégrer un mouvement horloger dans une réinterprétation miniaturisée du mécanisme d’Anticythère, en respectant l’architecture de ce dernier, et notamment son double affichage recto-verso. La première performance de cette équipe a été de réaliser entre quelques centimètres cubes ce que les mécaniciens de l’Antiquité avaient développé en quelques centaines de centimètres cubes, sans rien perdre de l’esprit initial du mécanisme, ni de sa précision, ni de la lisibilité de ses indications.

Les heures et les minutes sont affichées de façon classique au centre du mouvement récréé par Hublot et présenté pour la première fois au musée des Arts et Métiers de Paris, dans le cadre de l’exposition « Anticythère, l’énigmatique machine surgie du fonds du temps ». Ce mouvement horloger est régulé par un tourbillon, tout aussi classique, dont la « cage » à 6 h fait un tour sur elle-même en une minute. Les différentes indications connues de la « machine » d’Anticythère ont été respectées sur la future montre, au recto comme au verso. Sur la première face du mouvement : le calendrier des jeux Panhelléniques (qui désignait les villes accueillant ces jeux), le calendrier égyptien (12 mois de 30 jours, avec les jours épagomènes – supplémentaires), la position du soleil dans les constellations du Zodiaque, les phases de la Lune (dans une magistrale aiguille à guichet, qui indique la position de la Lune dans le zodiaque tout au long du mois sidéral), ainsi que l’année sidérale. Au dos du mouvement horloger, on trouve le cycle Callipique, le cycle métonique, le cycle de Saros et le cycle Exeligmos.

Un hommage de la micro-mécanique moderne aux mécaniciens de l’Antiquité

C’est la première fois dans l’histoire des objets du temps que ces cycles – hérités de l’Antiquité – sont étudiés, reproduits et affichés mécaniquement : l’équipe Hublot a dû, pour mettre au point certains de ces engrenages, développer un concept très innovant d’aiguilles télescopiques non circulaires, capables de pointer sur des disques en spirale de diamètre variable.

La montre Hublot « Anticythère », où sera logé ce mouvement d’horlogerie dont l’idée est née dans l’Antiquité, sera présentée au salon horloger de Bâle ( )³ au printemps 2012. D’ici là, le mouvement sera présenté dans une exposition permanente que le musée des Arts et Métiers consacre au mécanisme d’Anticythère : un film 2D et 3D réalisé par Hublot y est projeté pour faire découvrir au public toute l’histoire de cette « machine » d’Anticythère, de l’Antiquité à nos jours, en créant une passerelle entre le savoir des mécaniciens de l’Antiquité et celui des horlogers du XXIe siècle.

Ce film est également à découvrir

Notes

la première fois que j’ai entendu parler de ce truc, ce devait être par comme preuve de l’Atlantide…
la rend les choses plus faciles, ne l’oublions pas….
à Paris avent Baselworld ??? Tout fout l’ camp…

\[1\]

Jo Marchant “ ” Nature 2006;444;534-538

La vie à faible nombre de Reynolds

Sat, 30 Apr 2011 00:00:00 +0000

A la fin de l’article “ ”, j’avais lancé un appel à l’aide pour traduire la référence principale

E.M. Purcell. “ ”, 1977, American Journal of Physics vol 45, pages 3-11*

L’appel a été entendu par Christopher Couchman, qui m’a donné un très sérieux coup de main pour traduire en français cet article surprenant et passionnant. Le voici, également au si vous préférez:

NDLR d’époque: Il s’agit d’une réimpression d’un document (légèrement modifié) portant le même titre paru dans le livre Victor Frederick Weisskopf, Kerson Huang (1976). Physics and our world: a symposium in honor of Victor F. Weisskopf (Massachusetts Institute of Technology-1974). American Institute of Physics. . Le ton personnel de l’exposé d’origine a été conservé dans le document, qui est lui-même une transcription légèrement modifiée d’un enregistrement. Les figures reproduisent les transparents utilisés dans la présentation. La démonstration utilisait un grand réservoir rectangulaire transparent rempli de sirop de maïs, éclairé par un rétroprojecteur tourné sur le côté. Certains mouvements de mains essentiels n’ont pas pu être reproduits.

En toute autre circonstance, je crains que je n’aurais pas eu le culot de vous tenir ce discours. C’est une histoire que je gardais pour la raconter à Viki. Comme beaucoup d’entre vous, j’ai apprécié de temps en temps l’expérience merveilleuse d’explorer avec Viki certains domaines de la physique, ou quelque chose auquel nous pouvons appliquer la physique. Nous errons comme de stricts amateurs, équipés seulement de quelques notions de physique élémentaire, même si nous n’apportons pas beaucoup de lumière sur les autres sujets. Voici un de ces sujets; mais j’ai encore une autre raison de vouloir, pour ainsi dire, harceler Viki, parce que je vais vous parler pendant quelque temps de la viscosité. La viscosité dans un liquide sera le thème dominant et vous connaissez le programme de Viki de tout expliquer, y compris la hauteur des montagnes, avec les constantes élémentaires. La viscosité d’un liquide est un de ces sujets difficiles, comme il le sait bien, parce que quand la substance est refroidie de seulement 40 degrés, sa viscosité peut varier d’un facteur d’un million. J’ai été vraiment surpris par la viscosité des fluides dans les premiers jours de la RMN, quand il s’est avéré que la glycérine était exactement ce dont nous avions besoin pour explorer le comportement de la relaxation de spin. Et pourtant, si vous étiez un petit être vivant à l’intérieur de la glycérine en regardant autour de vous, vous ne verriez pas beaucoup de changement dans votre glycérine lorsqu’elle se refroidit. Viki dira qu’il peut au moins prévoir le logarithme de la viscosité. Et cela, bien sûr, est correct parce que la raison pour laquelle la viscosité change est qu’elle dépend d’une énergie d’activation et que ce qu’il peut prédire c’est l’ordre de grandeur de l’exposant. Mais c’est encore plus mystérieux que cela, Viki, parce que si vous regardez dans le tableau du , vous trouverez qu’il n’y a pratiquement pas de liquide avec une viscosité beaucoup plus faible que celle de l’eau. Les viscosités balayent un grand domaine, mais elles s’arrêtent au même endroit. Je ne comprends pas cela. Je lui laisse cette question.

Maintenant, je vais parler d’un monde auquel, en tant que physiciens, nous ne pensons presque jamais. Le physicien entend parler de la viscosité à l’école secondaire quand il reproduit l’expérience de la goutte d’huile de Millikan et il n’en entend jamais plus parler, du moins pas dans ce que j’enseigne. Et le nombre de Reynolds, bien sûr, est pour les ingénieurs. Et la plupart des ingénieurs ne s’intéressent pas au domaine des bas nombres de Reynolds - sauf peut-être les ingénieurs chimistes, dans le cadre de , un sujet fascinant dont j’ai entendu parler par ami de génie chimique au MIT. Mais je veux vous emmener dans le monde du très faible nombre de Reynolds - un monde qui est habité par l’écrasante majorité des organismes dans cette salle. Ce monde est assez différent de celui dans lequel nous avons développé nos intuitions.

Je devrais dire ce qui m’a fait aborder ce sujet. Pour introduire quelque chose qui viendra plus tard, je vais parler en partie sur la façon dont les micro-organismes nagent. Ce ne se révèlera pas, cependant, être la seule question importante à leur sujet. J’ai abordé ce sujet grâce au travail d’un de mes anciens collègues à Harvard, Howard Berg. Berg a fait sa thèse avec Norman Ramsey, en travaillant sur un Maser à hydrogène, puis il retourna à la biologie, qui avait été son premier amour, et à la physiologie cellulaire. Il travaille maintenant à l’Université du Colorado à Boulder, et a récemment participé à ce qui me semble être l’une des découvertes les plus étonnantes sur les questions dont nous allons parler. Ainsi, ça a été en partie le travail de Howard, étudiant E. Coli et découvrant cette chose étrange à leur sujet, qui a commencé à me faire penser à ce genre de physique élémentaire.

Eh bien voilà. Dans la figure. 1., Vous voyez un objet qui se déplace dans un fluide à une vitesse v. Il est de dimension a. Dans la loi de Stoke, l’objet est une sphère, mais ici, c’est de n’importe quelle forme; η et ρ sont la viscosité et la densité du fluide. Le rapport des forces d’inertie aux forces visqueuses, comme l’a montré il y a un peu moins de 100 ans, est donné par a.v.ρ / η ou a.v/ν, où ν est ma viscosité cinématique. Il est plus facile de se rappeler de sa grandeur pour l’eau : ν ≈ 10-2cm2/s. Ce ratio s’appelle le et quand il est petit, les forces visqueuses dominent. Maintenant il y a un moyen simple auquel je n’avais pas initialement pensé, de savoir qui devrait être concerné par le petit nombres de Reynolds. Si vous prenez la viscosité η au carré et que vous le divisez par la densité, vous obtenez une force (Fig. 2). Il n’y a aucune autre grandeur qui intervient, η2/ρ est une force. Pour l’eau, considérant que ν ≈ 10-2 et que ρ ≈ 1, η2/ρ ≈ 10-9 Newtons. Ça c’est la force qui tirera n’importe quoi de petit ou grand, avec un nombre de Reynolds de l’ordre de 1. En d’autres mots, si vous voulez remorquer un sous-marin avec un nombre de Reynolds de 1 (ou plus précisément de pi/6 s’il s’agit d’un sous-marin sphérique) remorquez le avec10-9 Newtons dans l’eau. Alors il est clair dans ce cas que vous êtes intéressés par les petits nombres de Reynolds si vous êtes intéressés par les faibles forces au sens absolu. Les seules autres personnes intéressés dans les petits nombres de Reynolds, bien qu’ils n’ont pas habituellement besoin de l’invoquer, sont les géophysiciens. La croûte terrestre est supposée avoir une viscosité de 1021 . Si vous calculez η2/ρ, la force est de 1036N. Ceci représente plus que 109 fois la force d’attraction gravitationnelle que la moitié de la terre exerce sur l’autre ! La conclusion est donc, bien entendu, que dans l’écoulement de la croûte terrestre, le nombre de Reynolds est en effet très petit.

Maintenant, considérons les choses qui se déplacent dans un liquide (Fig. 3). Le nombre de Reynolds pour un homme nageant dans un liquide pourrait être 104, si l’on prend en compte des dimensions raisonnables, pour un poisson rouge ou un petit guppy il pourrait descendre à 102. Pour les animaux dont nous allons parler, comme nous le verrons dans un instant, il est d’environ 10-4ou 10-5. Pour ces animaux l’inertie est totalement hors de propos. Nous savons que F = m.a, mais ils s’en fichent comme de leur première chemise. Je vais vous montrer une photo de l’animal réel un peu plus tard, mais nous allons parler d’objets qui ont une taille de l’ordre du micron (Fig. 4). Ceci est une échelle d’un micron, pas un fil de suture, chez l’animal dans la Fig. 4. Dans l’eau où la viscosité cinématique est de 10-2 cm/s ces choses se déplacent avec une vitesse d’environ 30 microns/s. Si je dois pousser l’animal pour le faire avancer, et soudain j’arrête de pousser, quelle distance parcourra-t-il avant de ralentir? La réponse est: environ 0,1 angström. Et il met environ 0,6 microsecondes à ralentir. Je pense que cela montre clairement ce que “faible nombre de Reynolds” signifie. L’inertie ne joue aucun rôle. Si vous êtes à un très faible nombre de Reynolds très faible, ce que vous faites en ce moment est entièrement déterminé par les forces qui s’exercent sur vous en ce moment, et par rien dans le passé.

Cela aide d’imaginer dans quelles conditions un homme nagerait, par exemple, au même nombre de Reynolds qu’un spermatozoïde. Eh bien vous le mettez dans une piscine pleine de mélasse, et vous lui interdisez de déplacer quelque partie de son corps à plus de 1 cm / min. Maintenant, imaginez-vous dans cet état, vous êtes dans la piscine dans la mélasse, et vous ne pouvez vous déplacer que comme les aiguilles d’une horloge. Si en vertu de ces règles de base vous êtes en mesure de vous déplacer de quelques mètres en quelques semaines, vous pourriez vous qualifier comme nageur à faible nombre de Reynolds.

Je veux parler de la natation aux faibles nombres de Reynolds d’une manière très générale. Qu’est-ce que nager veut dire? Eh bien, cela signifie simplement que vous êtes dans un liquide et que vous êtes autorisés à déformer votre corps d’une manière ou d’une autre. C’est tout ce que vous pouvez faire. Déplacer le liquide et le pousser derrière vous. Bien sûr, vous choisissez une sorte de déformation cyclique parce que vous voulez continuer à nager, et il ne sert à rien d’utiliser un mouvement qui tend asymptotiquement vers zéro. Vous devez continuer à avancer. Donc, de manière générale, nous nous intéressons aux déformations cycliques d’un corps sur lequel il n’y a pas de couples ou de forces extérieures, sauf celles exercées par le fluide environnant. La figure 5 montre un objet qui a une forme représentée par la ligne continue, il change sa forme pour prendre celle du contour en pointillé, puis il reviens à la forme initiale. Quand il est enfin de retour à sa forme initiale, le contour formé des petits points, elle s’est déplacée et réorientée un peu. Il a nagé. Un déplacement à résulté du cycle exécuté. S’il répète le cycle, il sera, bien sûr, affecté du même déplacement, et en 2 dimensions, nous le verrions progresser en cercle. En trois dimensions la trajectoire la plus générale est une hélice composée de petits entortillements, chacun d’entre eux est le résultat d’un cycle de changement de forme.

Il y a une chose très étonnante sur le mouvement à bas nombre de Reynolds. Un type particulier de mouvement de nage est ce que j’appelle un mouvement réciproque. C’est-à-dire, je change mon corps en une certaine forme et puis je retourne à la forme originale en passant par la séquence dans le sens inverse. A bas nombre de Reynolds, tout s’inverse très bien. Le temps, en fait, importe peu — seule la configuration compte. Si je change rapidement ou lentement, le type de mouvement est exactement le même. Si vous prenez l’équation de Navier-Stokes et vous jetez les termes d’inertie, tout ce que vous avez à gauche est $s.nabla^2.v = p/ eta$, où p est la pression (Fig. 6). Donc, si l’animal essaie de nager par un mouvement réciproque, il ne peut aller nulle part. Rapide ou lent, il retrace exactement sa trajectoire et il est de retour au point de départ. Un bon exemple de cela est une coquille Saint Jacques. Vous savez, une coquille Saint Jacques ouvre sa coquille lentement et la referme rapidement, éjectant de l’eau. La morale de ceci est que la coquilles Saint Jacques n’est pas bonne à faible nombre de Reynolds.

Elle ne peut pas nager, car elle n’a qu’une seule articulation, et si vous avez un seul degré de liberté dans l’espace de configuration, vous êtes tenu de faire un mouvement réciproque. Il n’y a rien d’autre que vous pouvez faire. L’animal le plus simple qui peut nager de cette façon est un animal à deux charnières. Je ne sais pas si un tel animal existe, mais la figure 7 en montre un hypothétique. Cet animal est comme un bateau avec un gouvernail à la fois avant et arrière, et rien d’autre. Cet animal peut nager. Tout ce qu’il a à faire est de passer par la séquence de configurations présentées, et de retourner à l’original une fois à S5. Son espace de configuration, bien sûr, est à deux dimensions avec des coordonnées θ1,θ2. L’animal décrit un cycle dans cet espace de configuration, et cela lui permet de nager. En fait, j’ai cet exemple juste pour le plaisir et vous pouvez prouver à partir de la symétrie que l’animal se déplace dans le sens indiqué sur la figure. En guise d’exercice pour un étudiant, quel est l’élément qui permet de déterminer cette direction ?

Vous pouvez inventer d’autres animaux qui n’ont pas de problèmes pour nager. Nous ferions mieux d’être en mesure de les inventer, car nous savons qu’ils existent. Celui auquel on pense d’abord en tant que physicien, est un tore. Je ne sais pas si il y a un animal torique, mais quelque soient les autres problèmes physiologiques auxquels il devrait faire face, il pourrait sûrement nager à bas nombre de Reynolds (Fig. 8). Un autre animal pourrait se composer de deux cellules collées et qui seraient capables de rouler l’une sur l’autre en ayant une sorte d’attraction en un point tout en libérant une attraction ailleurs. Cette chose nagerait en roulant. Je l’ai décrite une fois comme une combinaison d’un tracteur à chenilles et d’un vélo tandem, mais ce n’est pas la façon dont il fonctionne vraiment Dans le règne animal, il y a au moins deux autres solutions plus communes au problème de la nage aux faibles nombres de Reynolds (Fig. 9). L’une pourrait être appelée la rame flexible. Voyez-vous, vous ne pouvez pas ramer à bas nombre de Reynolds dans la mélasse, si vous êtes submergé, parce que les rames rigides ne font qu’un mouvement réciproque.

Mais si la rame est flexible, ce n’est pas vrai, car alors elle se tord dans un sens pendant la première moitié de la course et dans l’autre au cours de la seconde moitié. C’est assez pour résoudre le théorème de la coquille Saint Jacques. Une autre solution, celle dont nous allons surtout parler, est ce que j’appelle un tire-bouchon. Si vous continuez à le tourner, ce qui, bien sûr, n’est pas un changement réciproque dans l’espace de configuration et ceci vous propulsera. À ce stade, je voudrais pouvoir vous persuader que la direction dans laquelle cette hélice se déplacera n’est pas évident. Remettez-vous dans cette piscine de mélasse et bougez très, très lentement. Votre intuition d’essayer de pousser l’eau vers l’arrière ne sont pas pertinents. Ce n’est pas ce qui compte. Maintenant, malheureusement, il s’avère que la chose se déplace effectivement comme votre argument naïf, inculte, et en fait incorrect semble indiquer, mais c’est juste une malchance pédagogique que nous rencontrons régulièrement.

Bien, étudions des animaux réels (Fig. 10). J’ai tiré cette figure d’un article de Howard Berg qu’il m’a envoyé. Voici trois vrais nageurs. Celui dont nous allons parler le plus est le célèbre animal, , en A, qui est une très petite chose. Ensuite, il y a deux animaux plus grands. J’ai noté leurs noms latins et il se pourrait qu’ils soient de vieux amis pour certains d’entre vous ici. Cette chose (volutans S.) nage en agitant son corps ainsi que sa queue et grosso modo, une onde en spirale descend le long de la queue. La bactérie E. coli sur la gauche mesure environ 2 microns de long. La queue est la partie qui nous intéresse. C’est le flagelle. Certaines cellules de E. coli ont le leur qui sort par les côtés, et ils peuvent en avoir plusieurs, mais quand ils en ont plusieurs, ils ont tendance à se regrouper. Certaines cellules sont immobiles et n’ont pas de flagelles.

Ils vivent très bien, donc la nage n’est pas une nécessité absolue pour cet animal, mais celui de la figure nage. Le flagelle est seulement d’environ 130 angströms de diamètre. Il est beaucoup plus mince que le cil qui est un autre type très important de machine de propulsion. Il y a un bel article sur les cils dans le numéro d’Octobre 1974 de Scientific American. Les cils ont un diamètre d’environ 2000 angströms, avec un appareil assez complexe à l’intérieur. Il n’y a pas assez de place pour un tel appareil au cœur de ce flagelle.

Pendant longtemps, on s’est intéressé à la façon dont les flagelles fonctionnent. La recherche classique dans ce domaine a été faite autour de 1951, comme je suis sûr que certains d’entre vous se souviendront, par , le célèbre dynamicien des fluides de Cambridge. Une fois, je l’ai entendu donner une conférence passionnante à l’Académie Nationale. Pendant la conférence, il a tiré de sa poche son modèle de travail, un corps cylindrique avec une queue hélicoïdale entraîné par un moteur à élastique situé à l’intérieur du corps. Il l’avait testé dans de la glycérine. Pour confectionner la queue, il n’avait pas simplement fait un tire-bouchon tournant, car à cette époque presque tout le monde s’était persuadé que la queue ne tournait pas, mais ondulait. Parce qu’après tout, pour tourner vous devriez avoir un joint rotatif à l’arrière de l’animal. Alors il avait gainé l’hélice tournante avec un tuyau en caoutchouc attachée au corps. Le corps avait une quille. Je me souviens de Sir Geoffrey Taylor disant dans sa conférence qu’il avait été gêné de ne pas avoir prévu la quille au début et il avait dû découvrir qu’il en avait besoin. Il y a eu depuis une vaste littérature sur ce sujet, mais il n’y a qu’une petite partie avec laquelle je suis familier. Mais ce papier de G.I. Taylor dans les Proceedings of the Royal Society ne pouvait conclure qu’avec seulement trois références: H. Lamb, Hydrodynamics; G.I. Taylor (son précédent papier); G.N. Watson, Les fonctions de Bessel. C’est ce qu’on appelle rentrer par le rez de chaussée.

Pour en venir maintenant aux temps modernes, je veux vous montrer une image de ces animaux nageant ou de leur trajectoire. C’est le travail d’Howard Berg, et je vais d’abord décrire ce qu’il a fait. Il a commencé à construire l’appareil quand il était à Harvard. Il s’intéressait non pas à l’étude de la mécanique même de la nage, mais à une question beaucoup plus intéressante, à savoir pourquoi ces choses nagent et où ils nagent. En particulier, il voulait étudier la chimiotaxie chez E. coli - observer comment ils se comportent dans des gradients de nutriments et des choses comme ça. Donc, il a construit un “traqueur”, une petite machine qui permettrait de suivre une seule bactérie en x, y, z - juste se verrouiller sur elle optiquement et la suivre. Il était alors en mesure de suivre l’une de ces bactéries alors qu’elle se comportait de façon normale, peut-être soumis à l’influence des gradients d’une chose ou une autre. Un grand avantage de travailler avec une chose comme E. coli, c’est qu’il y a tellement de souches mutantes qui ont été bien étudiés que vous pouvez utiliser différents mutants pour des choses différentes. L’image suivante (Fig. 11) est l’une de ses trajectoires. Elle montre une projection sur un plan de la trajectoire d’une bactérie. Les petits points sont distants de 0,1 s de sorte qu’elle courrait effectivement sur l’une des étapes pendant une ou deux secondes et la vitesse est typiquement de 20 à 40 microns/s. Notez qu’elle nage pendant un certain temps, puis s’arrête et repart dans une autre direction. Nous verrons plus tard ce que cela pourrait suggérer. Il y a un an, Howard Berg a pris une position courageuse et a écrit un article dans Nature dans lequel il a fait valoir que, sur la base des preuves disponibles, E. coli doit nager en tournant leurs flagelles, et non pas en les agitant.

Dans la même année, une expérience très élégante et cruciale par Silverman et Simon à UC-San Diego a montré que ce fait était avéré. Leur expérience a utilisé une souche mutante de la bactérie E. coli qui ne fait pas de flagelles, mais seulement ce qu’on appelle le crochet proximal auquel les flagelles aurait été attachées. Ils ont constaté qu’avec des anticorps anticrochet ils pouvaient faire coller ces choses ensemble. Et de temps en temps l’une des bactéries collait son crochet à la lame de microscope, auquel cas l’ensemble du corps entrait en rotation à vitesse angulaire constante. Et quand les deux crochets se collent ensemble, les deux corps entraient en contre-rotation, comme vous vous y attendez. C’est une belle technique. Howard était prêt avec son traqueur et l’image suivante (Fig. 12) montre son l’enregistrement du bout d’un de ces E. coli collé sur la lame de microscope par les anticorps à l’endroit où le flagelle aurait dû être. Les deux composantes de la vitesse Vx,Vy sont représentées. Les deux composantes de vitesse sont déphasées de 90°. Le point suivi se déplace selon un cercle. Au milieu de la figure, vous voyez un changement de phase de 90° d’une composante qui indique une inversion du sens de rotation. Ils peuvent faire des centaines de tours à vitesse constante, puis faire demi-tour et tourner dans l’autre sens. l’autre sens. De toute évidence, l’animal a un joint tournant et un moteur à l’intérieur quiun flagelle dans un sens ou dans l’autre, une machinerie remarquable.

Je me suis intéressé à la façon dont un tire-bouchon rotatif peut propulser quelque chose. Examinons la propulsion dans une seule direction, parallèle à l’axe de l’hélice. L’hélice peut se translater et tourner, vous pouvez y appliquer une force et un couple. Il a une vitesse v et une vitesse angulaire Ω. Et maintenant, rappelez-vous, à faible nombre de Reynolds tout est linéaire. Quand tout est linéaire, vous vous attendez à voir des matrices. Force et couple doivent être liés par des matrices à coefficients constants, à la vitesse linéaire et angulaire. J’appelle cette petite matrice 2x2 la matrice de propulsion (Fig. 13). Si je connaissais ses éléments A, B, C, D, je pourrais alors savoir a quel point cette hélice rotative est efficace pour propulser quelque chose.

Et bien, essayons de progresser en faisant quelques hypothèses. Si deux tire-bouchons ou autres dispositifs sur le même arbre sont assez loin les uns des autres de sorte que leurs champs de vitesse n’interagissent pas, leurs matrices de propulsion s’ajoutent. Si vous me permettez cette hypothèse, alors il y a une très belle manière, que je n’ai pas le temps d’expliquer, de prouver que la matrice de propulsion doit être symétrique (Fig. 14). Donc en fait le mouvement est décrit par trois constantes, et non quatre, et elles sont très faciles à mesurer. Tout ce que vous avez à faire est de faire un modèle de cette chose et de l’immerger dans un fluide qui vous intéresse ou non, parce que ces constantes sont indépendantes du fluide. Et donc je l’ai fait et c’est ma seule démonstration. Je pensais que cette série de présentations devrait avoir une expérience et la voici. Nous regardons à travers un réservoir, non pas de glycérine, mais pas de sirop de maïs, qui est moins cher, assez uniforme, et a une viscosité d’environ 50 P ou 5000 fois la viscosité de l’eau. La coté sympathique de ceci est que vous pouvez simplement lécher le fluide expérimental de vos doigts.

Les mouvements à faible nombre de Reynolds sont très majestueux, lents et réguliers. Vous remarquerez que le modèle tourne sur lui même, mais assez peu. Si c’était un tire-bouchon se déplaçant à travers un bouchon de liège, bien sûr, le motif en projection ne changerait pas. Il est très très loin de cela, il glisse, de sorte qu’il coule de plusieurs longueurs d’onde pendant qu’il fait un tour sur lui même. Si la matrice était diagonale, la chose ne tournerait pas du tout. Donc tout ce que vous avez à faire est de voir de combien il tourne quand il coule et vous aurez une idée de l’élément hors diagonale. Une façon simple de déterminer les autres éléments est de fabriquer deux de ces animaux, l’une avec une spirale et l’autre avec deux spirales, en série, vissant en sens contraire l’une de l’autre. Les matrices s’ajoutent et avec deux spirales vissant en sens contraire, les matrices de propulsions doivent être diagonales (Fig. 14). Cela ne tournera pas, il vaudrait mieux.

L’efficience de la propulsion est plus ou moins proportionnelle au carré de l’élément hors diagonale de la matrice. L’élément hors diagonale dépend de la différence entre la trainée d’un fil se déplaçant perpendiculairement à sa longueur et la trainée d’un fil se déplaçant parallèlement à sa longueur (Fig. 15). Ils sont censés différer dans une certaine limite d’un facteur 2. Mais pour les modèles que j’ai testé ce facteur est plus proche de 1.5. Puisque c’est ce facteur moins 1 qui compte, c’est très mauvais pour l’efficience. Nous avons pensé que si vous voulez quelque chose qui tourne plus pendant qu’il coule, il serait préférable de ne pas utiliser un fil rond. Quelque chose comme un ressort Ondomania (de section rectangulaire) devrait être mieux. J’en ai fait un j’ai mesuré ses éléments non diagonaux. Surprise, surprise, il n’était pas meilleur du tout ! Je ne comprends pas vraiment ce résultat, parce que la mécanique des fluides de ces deux situations n’est pas simple du tout.

Dans chaque cas, il y a une divergence logarithmique que vous devez prendre en compte, et les deux ont un comportement un peu différent. Alors le ratio théorique de 2 dont j’ai parlé est sans doute faux.

Lorsque vous prenez tout en compte et calculez l’efficience, vous trouvez qu’elle est vraiment assez faible, même lorsque les différents paramètres du modèle sont optimisés. Pour une sphère qui est entraînée par une de ces hélices hélicoïdales (Fig. 16), je vais définir l’efficience comme le rapport entre le travail que j’aurais à fournir juste pour faire avancer cette chose et le travail que l’homme à l’intérieur doit fournir en tournant la manivelle. Et cette efficience s’avère être d’environ 1%. Je me suis inquiété de ce résultat pendant un certain temps et j’ai essayé d’intéresser Howard à ce problème. Il n’y a pas fait beaucoup attention, et il a eu raison parce qu’il s’avère que l’efficience n’est pas vraiment le problème principal du déplacement de l’animal. Nous verrons pourquoi lorsque nous regarderons les besoins en énergie.

Combien de puissance faut-il pour faire avancer l’une de ces choses avec un système de propulsion à 1% d’efficience, à cette vitesse et dans ces conditions ? Nous pouvons trouver cela très facilement. Avancer à 30 micron /s, à 1% d’efficience nous coûtera environ 2 fois 10-8 ergs / s au moteur. Réduit à le masse, cela représente 0.5 W/kg, ce qui n’est vraiment pas beaucoup. Nous consommons 30 ou 40 fois plus d’énergie juste à déplacer des choses dans nos moyens de transport. Cet animal fonctionne 24 heures par jour et n’utilise que 0.5 W / kg. C’est une petite proportion de son métabolisme et de sa réserve énergétique. Contrairement à nous, ils ne gaspillent pas leur énergie pour se déplacer. Donc, ils ne se soucient pas de savoir si elles ont un flagelle 1% d’efficience ou un flagelle 2% d’efficience. Cela ne fait pas vraiment une grande différence. Ils conduisent une Datsun en Arabie Saoudite.

Donc, la question intéressante n’est pas comment ils nagent. Faites tourner n’importe quoi - si ce n’est pas parfaitement symétrique, vous nagerez. Si l’efficience n’est que de 1%, qui s’en soucie. Une meilleure façon de le dire, c’est que l’animal peut recueillir, par diffusion à travers le milieu environnant, suffisamment de molécules énergétiques pour continuer à avancer lorsque la concentration de ces molécules est de 10-9 M. J’ai maintenant introduit le mot diffusion. La diffusion est importante à cause d’une autre caractéristique très particulière du monde à faible nombre de Reynolds, et qui est que remuer ne sert pas à grand chose. Le problème de l’animal n’est pas son approvisionnement énergétique, son problème est son environnement. A faible nombre de Reynolds vous ne pouvez pas vous débarrasser de votre environnement. Si vous vous déplacez, vous l’emmenez avec vous, ce n’est que peu à peu qu’il reste dans votre sillage. Nous pouvons utiliser des notions élémentaires de physique pour étudier ceci d’une manière très simple. Le temps nécessaire à transporter quelque chose d’une distance l par agitation, est d’environ l divisé par la vitesse d’agitation v. Alors que, pour le transport par diffusion, il est de l² divisé par D, la constante de diffusion. Le rapport de ces deux temps est une mesure de l’efficience de l’agitation par rapport à celle de la diffusion pour une distance et constante de diffusion donnée.

Je suis sûr que ce ratio porte le nom de quelqu’un mais je ne connais pas la littérature et je ne sais pas quel nom il porte. Appelons le S pour “nombre d’agitation”, c’est juste lv/D. Vous noterez par la même occasion que le nombre de Reynolds est lv/ η, η est la viscosité cinématique en cm²/s, et D est la constante de diffusion dans cm²/sec, pour ce qui nous intéresse de suivre - disons une molécule d’éléments nutritifs dans l’eau. Dans toutes les molécules de taille raisonnable, quelque chose comme 10-5 cm²/s. dans l’ordre de grandeur de distances qui nous intéresse, le micron, nous constatons que le nombre d’agitation S est de 10-2, pour les vitesses dont nous parlons (Fig. 18).

En d’autres termes, cet animal n’arrivera à rien en agitant son environnement local. Il pourrait simplement attendre que les choses diffusent, vers lui ou vers l’extérieur. Le transport des déchets loin de l’animal et de la nourriture vers l’animal est entièrement contrôlé localement par la diffusion. Vous pouvez vous agiter beaucoup, mais celui qui attend tranquillement que la diffusion agisse pourra en recueillera tout autant.

A un moment j’ai pensé que la raison pour laquelle la chose nage, c’est que si elle nage elle peut avoir plus de choses, parce que l’environnement est plein de molécules que l’animal aimerait avoir. Tous mes instincts en tant que physicien disent que vous devriez bouger si vous voulez récolter toutes ces choses. Vous pouvez facilement résoudre le problème de la diffusion dans le champ de vitesse représentée par l’écoulement de Stokes autour d’une sphère — par exemple, par une méthode de relaxation. Je l’ai fait et j’ai découvert à quelle vitesse la cellule devrait avancer pour accroître - son approvisionnement alimentaire. L’approvisionnement alimentaire si elle ne bouge pas est de 4πaND, où a est le rayon de la cellule (Fig. 19) et N est la concentration en molécules de nutriments. Pour augmenter son approvisionnement alimentaire de 10%, elle devrait se déplacer à une vitesse de 700 microns/sec, ce qui est 20 fois plus rapide qu’elle ne peut nager. L’augmentation de l’approvisionnement varie comme la racine carrée de la vitesse de la cellule de sorte que nager ne sert pas à grand chose à cet égard. Mais ce qu’elle peut faire est de trouver des endroits où la nourriture est meilleure ou plus abondante. Donc, elle ne se déplace pas comme une vache qui broute un pâturage - elle se déplace pour trouver des pâturages plus verts. Et de quelle distance doit-elle se déplacer? Eh bien, il doit se déplacer assez loin pour devancer la diffusion. Nous avons déjà dit que l’agitation ne ferait pas grand chose d’utile localement, par rapport à la diffusion. Mais supposons qu’elle veuille aller voir là-bas pour voir si il y en a plus. Alors il doit devancer la diffusion, et comment faire ça ? Eh bien, il suffit de parcourir cette distance magique, D/v. Donc la règle est alors que pour distancer la diffusion vous devez parcourir une distance supérieure ou égale à ce nombre que nous avions dans notre constante S. Pour des D et v typiques, vous devez vous déplacer de plus de 30 microns et c’est exactement ce que les bactéries faisaient. Si vous ne nagez pas aussi loin, vous n’avez rien changé du tout, parce que c’est seulement à cette distance que vous trouverez une différence dans votre environnement eu égard aux molécules d’une constante de diffusion D (Fig. 20).

Retournons voir une des sections des traces de Berg (Fig 11.) Vous remarquerez qu’il y a de petits déplacements linéaires, mais vous pourriez vous demander pourquoi s’est elle arrêtée après un trajet donné. Pourquoi est-elle repartie en arrière ? Mes suggestions sont, et j’avance ceci en pure hypothèse, que la raison pour laquelle elle fait ceci est pour distancer la diffusion. Autrement, elle aurait tou intérêt à ne rien faire, comme les mutants dépourvus de flagelle. Maintenant, il y a une autre hypothèse encore plus risquée, dans la mesure ou je n’ai pas encore essayé ceci expérimentalement avec Howard. Quand il a fait ses expériences de chimiotaxie, il a découvert un comportement très intéressant. Si ces créatures sont placées dans un environnement ou il y a un gradient d’une substance qu’elles apprécient, elles progressent graduellement vers l’amont. Mais si vous observez comment elles y parviennent et vous demandez quelles règles elles utilisent, quelle est l’algorithme pour utiliser le langage courant, pour trouver leur chemin vers l’amont, il se trouve que c’est très simple. L’algorithme est : Si les choses s’améliorent, ne vous arrêtez pas encore. Si, en d’autres mots, vous tracez, comme Berg l’a fait dans certaines de ses publications, la distribution des longueurs de trajet entre les runs et les petits arrêts qu’il appelle « twiddles », la distribution des longueurs de trajet si elles remontent le gradient rallonge. C’est une règle très simple pour trouver votre chemin vers des environnements meilleurs. Si elles progressent vers l’aval cependant, elles ne raccourcissent pas. Et ceci semble un peu étrange. Pourquoi est-ce que si les choses s’empirent ne changent-elles pas plus tôt ? Ma suggestion est qu’il n’y a aucun intérêt à s’arrêter plus tôt, il y a une sorte de longueur plancher qui distance la diffusion et est utile pour échantillonner un environnement. Des distances plus courtes seraient une manière ridicule d’échantillonner. Il se peut que cela soit quelque chose comme cela, mais comme je l’ai dit, je ne le sais pas. Le résidu d’éducation que j’ai tiré de ceci est pour une partie ces notions sur la mécanique des fluides, pour une autre partie le fait de comprendre que le mécanisme de propulsion n’est vraiment pas important mis à part, bien sur, pour la physiologie très mystérieuse de ce moteur, ce dont des physiciens ne sont même pas compétents pour en conjecturer.

Je reviens un instant à Osborne Reynolds. Il était un très grand homme. Il était en fait un professeur en sciences mécaniques. Il était non seulement celui qui à inventé le nombre de Reynolds, mais il aussi été celui qui à montré ce que signifiait la turbulence et qu’il y avait une instabilité dans les écoulements et tout le reste. Il est aussi celui qui a résolu le problème de la lubrification des roulements, qui est un problème vraiment subtil que je recommande à tous ceux qui ne s’y sont pas encore penchés. Mais j’ai découvert récemment en lisant un recueil de ses travaux que vers la fin de sa vie, en 1903, il a publié un très long article sur , et qu’il avait toute une théorie qui faisait intervenir des petites particules d’un diamètre de 10-18 cm. Cela devient assez farfelu à partir de là. C’est un modèle mécanique, les particules interagissent les unes avec les autres et remplissent tout l’espace. Mais je pensais que, aussi incongru que cela puisse paraitre de mettre ce genre de sujets parmi nos travaux sur l’univers sub mécanique aujourd’hui, Je pense qu’Osborne Reynolds n’aurait pas trouvé cela incongru, et je suis certain que Viki non plus.

Il y a plein de place en bas

Thu, 11 Jun 2009 00:00:00 +0000

tentative de modélisation de la pensée de Feynman

Traduction de la présentation que a donné le 29 décembre 1959 à la réunion annuelle de l’American Physical Society à (Caltech). Intitulé “ ”, ce discours visionnaire pose les bases de la course à la miniaturisation qui nous fournit chaque année des ordinateurs et autres gadgets plus puissants, plus fiables et moins chers, et qui nous amène vers les .

Traduit par Philippe Guglielmetti ( ) et Maxence Dolle* en 2009

Introduction

J’imagine que beaucoup de physiciens expérimentateurs doivent envier les hommes comme Kamerlingh Onnes, qui a découvert un domaine sans fond comme la basse température, dans lequel on peut creuser indéfiniment. Un tel homme est un chef de file et a un quasi monopole, temporaire, dans une aventure scientifique. Percy Bridgman, en concevant un moyen d’obtenir des pressions supérieures, a aussi ouvert un nouveau domaine pour lui et pour nous. La technique du vide de plus en plus poussé est un développement continu de même nature.

Je voudrais décrire un domaine dans lequel peu a été fait, mais où d’énormes progrès peuvent en principe être fait. Ce domaine n’est pas tout à fait de la même nature que les autres dans la mesure où il nous apporte pas beaucoup sur la physique fondamentale (“Quelles sont les particules étranges?’’), mais il concerne plus l’état solide de la matière, et pourrait nous dire beaucoup de choses très intéressantes sur les phénomènes étranges qui se produisent dans des situations complexes. En outre, le point le plus important, c’est qu’il aurait un très grand nombre d’applications techniques.

Ce dont je veux parler est le problème de la manipulation et le contrôle des choses à très petite échelle.

Dès que je mentionne cela, les gens me parlent de la miniaturisation, et dans quelle mesure elle a déjà progressé aujourd’hui. Ils me parlent de moteurs électriques de la taille de l’ongle de votre petit doigt. Et il y a un appareil sur le marché, me disent-ils, avec lequel vous pouvez écrire la prière du Seigneur sur la tête d’une épingle. Mais ceci n’est rien, ce n’est que le premier arrêt dans la direction dont je veux parler. Le monde qui est en dessous est incroyablement petit. En l’an 2000, date à laquelle ils auront du recul sur notre époque, ils se demanderont pourquoi il a fallu attendre 1960 pour que le monde commence sérieusement à aller dans cette direction.

Pourquoi ne pourrions-nous pas écrire l’ensemble de 24 volumes de l’Encyclopedia Brittanica sur une tête d’épingle?

Voyons ce qui serait en cause. Une tête d’épingle a un diamètre de un seizième de pouce. Si vous agrandissez son diamètre d’un facteur 25'000, la surface de la tête est alors égale à la surface de toutes les pages de l’encyclopédie Brittanica. Par conséquent, tout ce qu’il serait nécessaire de faire serait de réduire la taille tous les textes de l’encyclopédie 25000 fois. Est-ce possible? Le pouvoir de résolution de l’œil est d’environ 1 / 120 de pouce, ce qui est à peu près le diamètre d’un des petits points sur la trame des illustrations en noir/blanc de l’Encyclopédie. Ceci, lorsque vous le réduisez 25'000 fois, a encore un diamètre de 80 angströms, soit 32 atomes d’un métal ordinaire. En d’autres termes, un de ces points couvrirait encore environ 1000 atomes. Ainsi, chaque point peut être réduit à cette taille comme l’exige la photogravure, et il ne fait aucun doute qu’il y a assez de place sur la tête d’une épingle pour contenir toute l’Encyclopédie Brittanica.

En outre, si on peut l’écrire ainsi, elle pourra être lue. Imaginons qu’on écrive les lettre de métal en relief, en embossant le noir et les lettres réduites à 1 / 25'000ème de leur taille ordinaire. Comment pourrions-nous lire?

Si nous avions quelque chose d’écrit ainsi, nous pourrions le lire à l’aide des techniques couramment utilisées aujourd’hui. (Il y aura sans doute de meilleures façons une fois que nous serons capables de l’écrire, mais pour rendre mon argument convaincant, je ne vais utiliser que des techniques connues aujourd’hui.) Nous presserions contre le métal un matériau plastique afin d’en faire un moule, puis pèlerions le plastique très délicatement et évaporerions de la silice dans le plastique pour obtenir un film très mince, puis masquerions par évaporation de l’or contre la silice de sorte que toutes les petites lettres apparaîtraient clairement, et nous pourrions les lire avec un microscope électronique une fois le plastique dissout!

Il ne fait aucun doute que si le texte était réduit 25'000 fois sous forme de lettres gravées sur l’épingle, il serait facile pour nous de le lire aujourd’hui. De plus, il ne fait aucun doute que nous trouverons un moyen facile de faire des copies de l’original; nous suffirait d’appuyer sur la même surface de métal à nouveau du plastique et nous aurions une autre copie.

Comment peut-on écrire petit?

La question suivante est: Comment pouvons-nous écrire? Nous n’avons pas de moyen technique pour le faire maintenant. Mais permettez-moi de soutenir que ce n’est pas aussi difficile que ça semble l’être.Nous pouvons inverser les lentilles du microscope électronique afin de réduire plutôt que grossir. Une source d’ions traversant les objectifs du microscope en marche arrière pourrait être focalisée sur une très petite surface.Nous pourrions écrire à cet endroit comme nous écrivons sur l’écran d’une TV à rayons cathodiques, ligne par ligne, en ajustant la quantité de matière qui va être déposée pendant que nous balayons les lignes.

Cette méthode pourrait être très lente en raison des limites de charge de l’espace. Il y aurait des méthodes plus rapides.Nous pourrions peut-être en premier lieu faire par technique photographique un écran avec des trous ayant la forme des lettres. Ensuite, nous pourrions créer un arc derrière les trous et tirer des ions métalliques à travers les trous, en utilisant à nouveau notre système de lentilles pour focaliser les ions, ce qui créerait le dépôt de métal sur la broche.

Il y aurait peut être même un moyen plus simple que cela (même si je ne suis pas sûr que cela fonctionnerait): Prenons de la lumière et, à travers un microscope optique fonctionnant à l’envers, nous la concentrons sur un très petit écran photoélectrique. Donc des électrons sortent de l’écran où la lumière brille. Ces électrons sont concentrés à la bonne taille par le microscope électronique et éroderaient directement la surface du métal. Est-ce qu’un tel faisceau enlèverait du métal assez vite?Je ne sais pas. Si cela ne marche pas pour une surface métallique, il doit être possible de trouver une surface avec laquelle recouvrir les épingles qui, une fois bombardée par les électrons, est modifiée d’une façon que l’on pourrait reconnaître plus tard.

Il n’y a pas de problème d’intensité avec ces dispositifs, rien de ce que vous connaissez avec le grossissement, où vous devez prendre un peu d’électrons pour les diffuser sur une plus grand écran, c’est tout le contraire. La lumière obtenue d’une page est concentrée sur une très petite zone, où elle est très intense. Les quelques électrons qui proviennent de l’écran photoélectrique sont réduits sur une très petite zone de sorte que, là encore, ils sont très intenses. Je ne sais pas pourquoi cela n’a pas encore été fait!

Voilà pour l’encyclopédie Brittanica sur la tête d’une épingle, mais nous allons maintenant examiner tous les livres du monde. La Bibliothèque du Congrès possède environ 9 millions de volumes, la bibliothèque du British Museum a 5 millions de volumes, il y a aussi 5 millions de volumes de la Bibliothèque nationale de France. Il ne fait aucun doute qu’il y a des doublons, mais disons qu’il y a quelque 24 millions de volumes intéressants dans le monde.

Que se passerait-il si je les imprimais tous à l’échelle dont nous avons discuté?Combien de place cela prendrait-il ?Il faudrait, bien sûr, la superficie d’environ un million de têtes d’épingle parce que, au lieu d’avoir juste les 24 volumes de l’Encyclopédie, il y a 24 millions de volumes. Le million de têtes d’épingle peut être mis dans un carré d’un millier d’épingles de côté, soit environ 3 mètres carrés. Ca signifie que la réplique en silicium avec la feuille de plastique mince utilisé pour effectuer les copies, avec l’ensemble de ces informations totalise une superficie d’environ 35 pages de l’Encyclopédie. C’est environ la moitié du nombre de pages de ce magazine. Toutes les informations que l’humanité tout entière a enregistré dans les livres peuvent être transportés dans une brochure tenant dans votre main, et pas seulement le texte, mais aussi la reproduction des photos, gravures, et tout le reste à une petite échelle sans perte de résolution.

Que dirait notre bibliothécaire à Caltech, si je lui disais que dans dix ans à compter de maintenant toutes les informations dont elle a la charge, soit 120'000 volumes empilés du sol au plafond, les tiroirs plein de cartes, les locaux d’entreposage pleins d’anciens livres pourront être conservées sur une seule carte de bibliothèque! Si l’Université du Brésil, par exemple, constate que sa bibliothèque a brûlé, nous pourrions lui envoyer un exemplaire de chaque livre de notre bibliothèque en gravant une copie de notre plaque en quelques heures et en l’envoyant dans une enveloppe pas plus grosse ni plus lourde qu’une lettre ordinaire de poste aérienne.

Mais le nom de cet exposé est “Il y a beaucoup de place en bas”, pas seulement “il y a de la place à la bas”. Ce que j’ai démontré est qu’il est possible que nous puissions réduire la taille de choses d’une manière pratique. Je vais maintenant montrer qu’il y a beaucoup de place. Je ne vais pas discuter maintenant comment nous allons le faire, mais seulement ce qui est possible en principe, en d’autres termes ce qui est possible selon les lois de la physique. Je ne suis pas en train d’inventer l’anti-gravité, ce qui ne sera possible un jour que si les lois ne sont pas ce que nous pensons. Je vous le dis ce qui pourrait être fait si les lois sont ce que nous pensons, nous ne le faisons pas déjà simplement parce que nous n’avons pas encore trouvé comment le faire.

L’information à petite échelle

Supposons que, au lieu d’essayer de reproduire les photos et toutes les informations directement dans leur forme actuelle, nous écrivons seulement le contenu de l’information dans un code de points et de tirets, ou quelque chose comme ça, qui représentent les diverses lettres. Chaque lettre représente six ou sept “bits” d’information, c’est-à-dire que vous n’avez besoin que d’environ six ou sept points ou des tirets pour chaque lettre. Maintenant, au lieu d’écrire tout sur la surface de la tête d’une épingle comme je l’ai fait auparavant, je vais aussi utiliser l’intérieur du matériau.

Représentons un point par une petite tache de métal, le prochain point par une autre tache de métal, et ainsi de suite. Supposons, pour être large, qu’un bit d’information nécessite un petit cube d’atomes 5 fois 5 fois 5, soit 125 atomes.Nous avons probablement besoin d’une centaine d’atomes pour faire en sorte que l’information ne soit pas perdue par diffusion ou par tout autre effet.

J’ai estimé combien de lettres il y a dans l’Encyclopédie, et j’ai supposé que chacun des 24 millions de livres est gros comme un volume d’encyclopédie volume, et j’ai calculé combien de bits d’information y sont stockés : 10^15.Pour chaque bit je consacre 100 atomes. Il s’avère que toutes les informations que l’homme a soigneusement accumulé dans tous les livres dans le monde peut tenir sous cette forme dans un cube de 0.127 mm de côté, soit le plus fin morceau de poussière visible à l’oeil humain. Donc, il y a beaucoup de place en bas! Et ne me parlez pas des microfilms!

Ce fait, que d’énormes quantités d’information peuvent être transportées dans un très petit espace, est bien sur connu des biologistes et résout le mystère qui existait avant que nous comprenions tout clairement, à savoir la manière dont toutes les informations sur l’organisation d’une créature aussi complexe que nous puisse être stockées dans une minuscule cellule. Toutes ces informations, si nous avons les yeux bruns, ou si nous pouvons penser, ou que dans l’embryon le maxillaire devrait d’abord développer avec un petit trou sur le côté afin que plus tard, un nerf puisse se développer à travers lui, toutes ces informations figurent dans une très infime partie de la cellule sous la forme d’une longue chaîne de molécules d’ADN dans laquelle environ 50 atomes de la cellule sont utilisés pour un bit d’information.

De meilleurs microscopes électroniques

Si j’avais un code écrit avec 5x5x5 atomes par bit, comment pourrais-je le lire aujourd’hui?Le microscope électronique n’est pas tout à fait assez bon : avec beaucoup de soin et d’effort, il n’a qu’une résolution d’environ 10 angströms. Je voudrais essayer de vous convaincre de l’importance d’améliorer le microscope électronique par un facteur cent. Ce n’est pas impossible : ce n’est pas contraire aux lois de la diffraction de l’électron. La longueur d’onde de l’électron dans un tel microscope est de seulement 1/20 d’angström. Donc, il devrait être possible de voir les atomes. Mais à quoi bon voir distinctement des atomes individuellement?

Nous avons des amis dans d’autres domaines, en biologie, par exemple.Nous les physiciens, nous les regardons souvent en disant “vous savez pourquoi vos chercheurs font si peu de progrès?"(En fait je ne connais pas d’autre domaine où les progrès sont plus rapides qu’en biologie aujourd’hui).“Vous devriez utiliser plus les mathématiques, comme nous le faisons.“Ils pourraient nous répondre, mais ils sont polis, donc je vais répondre pour eux: “Ce que vous devriez faire pour que nous puissions faire des progrès plus rapides, c’est un microscope électronique 100 fois meilleur.”

Quels sont les problèmes les plus centraux et fondamentaux de la biologie aujourd’hui?Ce sont des questions telles que: qu’est-ce que la séquence de bases dans l’ADN?Que se passe-t-il lors d’une mutation?Comment l’ordre des bases dans l’ADN est-il lié à l’ordre des acides aminés dans les protéines? Quelle est la structure de l’ARN, est-ce une chaîne unique ou double, et comment est-il lié à l’ordre des bases de l’ADN?Quelle est l’organisation des microsomes? Comment sont synthétisées les protéines ?Où va l’ARN ? Où réside-t-il ?Où résident les protéines? Où interviennent les acides aminés? Dans la photosynthèse, où est la chlorophylle, comment est-elle organisée, les caroténoïdes sont-ils impliqués dans ce processus? Quel est le mécanisme de la conversion de la lumière en énergie chimique?

Il est très facile de répondre à bon nombre de ces questions biologiques fondamentales : il suffit regarder la chose! Vous verrez l’ordre de bases de la chaîne, vous verrez la structure des microsomes. Malheureusement, le microscope actuel voit à une échelle qui est juste un peu trop grossière.Faites un microscope une centaine de fois plus puissant, et de nombreux problèmes de la biologie seraient beaucoup plus faciles. J’exagère, bien sûr, mais les biologistes vous seraient certainement très reconnaissants et vous pardonneraient la critique selon laquelle ils doivent avoir recours à plus de mathématiques.

La théorie des processus chimiques d’aujourd’hui est basée sur la physique théorique. En ce sens, la physique fournit la base de la chimie. Mais la chimie a également l’analyse. Si vous avez une substance étrange et vous voulez savoir ce que c’est, vous passez par le processus long et complexe de l’analyse chimique.Vous pouvez analyser presque tout aujourd’hui, je suis donc un peu en retard avec mon idée. Mais si les physiciens voulaient, ils pourraient également creuser le problème de l’analyse chimique. Il serait très facile de faire une analyse de toute substance chimique complexe, tout ce qu’il y aurait à faire serait de la regarder et de voir où sont les atomes. Le seul problème est que le microscope électronique est une centaine de fois trop mauvais. (Plus tard, je demanderai : qu’est-ce que les physiciens peuvent au sujet du troisième problème de la chimie, à savoir la synthèse?) Y’a-t-il un moyen physique de synthétiser n’importe quelle substance chimique?

La raison pour laquelle le microscope électronique est si mauvais, c’est que la focale (f-value?) des lentilles n’est que de 1/1000. Vous n’avez pas une assez grande ouverture numérique. Et je sais qu’il ya des théorèmes qui prouvent qu’il est impossible, avec des lentilles a symétrie axiale à champ stationnaire, de produire une valeur f plus grande que tant, et donc que le pouvoir de résolution à l’heure actuelle est à son maximum théorique. Mais dans tous les théorème existent des hypothèses.Pourquoi le champ doit être symétrique?Je pose ceci comme un défi: n’existe-t-il aucun moyen de rendre le microscope électronique plus puissant?

Le merveilleux système biologique

L’exemple biologique de l’écriture d’information informations à petite échelle m’a incité à penser à quelque chose qui devrait être possible. La biologie ne consiste pas simplement à écrire des informations, c’est faire quelque chose avec. Un système biologique peut être extrêmement petit.Bon nombre des cellules sont très petites, mais très actives, elles fabriquent des substances diverses, elles se promènent, se tortillent, et font toutes sortes de choses merveilleuses, tout ceci à une très petite échelle. En outre, elles stockent de l’information. Envisagez la possibilité que nous puissions également faire des chose très petites qui feraient ce que nous voulons, imaginez que l’on puisse fabriquer un objet qui manœuvre à cette échelle!

Il y aurait peut-être même un intérêt économique de faire des choses très petites. Permettez-moi de vous rappeler quelques-uns des problèmes des machines à calculer. Dans les ordinateurs, nous devons stocker une énorme quantité d’informations. Le type d’écriture que j’ai mentionné précédemment, dans lequel tout serait gravé dans le métal, est permanente. Mais pour les ordinateurs il est beaucoup plus intéressant de pouvoir écrire, effacer et écrire autre chose. (C’est d’ailleurs parce que nous ne voulons pas gaspiller les éléments sur lesquels nous venons d’écrire.Pourtant, si nous pouvions écrire dans un très petit espace, cela ne ferait aucune différence, il pourrait simplement être jeté après avoir été lu, car le matériel ne couterait presque rien.)

Miniaturiser l’ordinateur

Je ne sais pas comment les rendre petites en pratique, mais je sais que les machines informatiques sont trop grandes, elles remplissent des pièces.Pourquoi ne pouvons-nous pas les rendre très petites, avec de petits fils et de petits composants, et par petits, je veux dire vraiment petits ? Par exemple, les fils devrait avoir 10 ou 100 atomes de diamètre, et les circuits ne devraient avoir que quelques milliers d’angströms. Tous ceux qui ont analysé la théorie logique des ordinateurs parvient à la conclusion que les possibilités des ordinateurs seraient très intéressants, s’ils pouvaient être rendus moins complexes de plusieurs ordres de grandeur. S’ils avaient des millions de fois plus d’éléments, ils pourraient émettre des jugements. Ils auraient le temps de calculer le meilleur moyen de faire le calcul qu’ils sont sur le point de faire. Ils pourraient choisir la méthode d’analyse qui, par leur expérience, serait meilleure que celle que nous leur fournirions. Et ils auraient plusieurs nouvelles caractéristiques qualitatives.

Si je regarde votre visage, je sais immédiatement que je l’ai vu avant. (En fait, mes amis vont dire que j’ai choisi un exemple malheureux pour illustrer ce sujet. Mais au moins, je reconnais que c’est un homme et pas une pomme.)Pourtant, il n’existe pas de machine qui puisse aussi vite prendre une image d’un visage et dire qu’elle représente un homme, et encore moins que c’est le même homme que sur une précédente photo, à moins que ce ne soit exactement la même image. Si le visage est changé, si j’en suis plus proche, ou plus loin, si la lumière n’est pas la même, je le reconnais quand même. Mais ce petit ordinateur que je porte dans ma tête est capable de le faire facilement. Les ordinateurs que nous construisons ne sont pas en mesure de le faire. Le nombre d’éléments dans ma boîte osseuse est énormément plus élevé que le nombre d’éléments dans notre plus “merveilleux” ordinateur. Mais nos ordinateurs mécaniques sont trop gros; alors que les éléments dans cette boite sont microscopiques. Je veux en faire qui soient sub-microscopiques.

Si nous voulions faire un ordinateur ayant tous ces merveilleuses capacités supplémentaires, il devrait avoir, peut-être, la taille du Pentagone. Ceci a plusieurs inconvénients. Tout d’abord, il faut trop de matériel: il n’y a pas assez de germanium dans le monde pour tous les transistors qui doivent être mis dans cette énorme chose. Il y a aussi le problème de la production de chaleur et de la consommation d’énergie; la TVA# serait nécessaire pour faire tourner l’ordinateur. Mais une difficulté plus importante est que l’ordinateur serait limité à une certaine vitesse. En raison de sa grande taille, il faut un certain temps pour transférer l’information d’un endroit à l’autre. L’information ne peut pas aller plus vite que la vitesse de la lumière, donc si, nous voulons obtenir des ordinateurs de plus en plus rapides et de plus en plus élaborés, nous aurons à les rendre de plus en plus petits. Mais il y a beaucoup de place pour les rendre plus petits. Il n’y a rien que je puisse voir dans les lois physiques qui dise que les composants des ordinateurs ne peuvent pas être considérablement plus petits qu’ils ne le sont maintenant. En fait, il y aurait même des avantages.

La miniaturisation par évaporation

Comment pouvons-nous réaliser un tel dispositif? Quel genre de procédés de fabrication utiliserions-nous?Une possibilité que nous pourrions envisager, puisque nous avons parlé d’écrire en positionnant des atomes dans un certain arrangement, serait de faire évaporer le matériau, puis de faire évaporer l’isolant à côté. Ensuite, pour la couche suivante, faire évaporer une autre position du fil, un autre isolant, et ainsi de suite. Ainsi, il vous suffit de faire évaporer jusqu’à ce que vous ayez un bloc de choses qui contienne les éléments - bobines et condensateurs, transistors et ainsi de suite - de dimensions extrêmement fines.

Mais je voudrais examiner, juste pour le divertissement, les autres possibilités.Pourquoi ne pouvons-nous pas fabriquer ces petits ordinateurs un peu comme nous fabriquons les plus gros?Pourquoi ne pouvons-nous pas percer des trous, couper, souder, ou emboutir des choses, modeler différentes formes à un niveau infinitésimal?Quelles sont les limites quant à la façon dont une chose doit être petite avant que vous ne puissiez plus la modeler?Combien de fois lorsque vous travaillez sur quelque chose de frustrant car très petit comme la montre-bracelet de votre femme, avez-vous dit à vous-même, “Si seulement je pouvais dresser une fourmi pour faire ça !”. Ce que je voudrais proposer est la possibilité de former une fourmi pour qu’elle forme un acarien qui fasse cela. Quelles sont les possibilités des machines petites mais mobiles? Elles pourraient être utiles ou non, mais elles seraient certainement plaisantes à réaliser.

Pensez à n’importe quelle machine - par exemple, une automobile - et renseignez vous quant aux problèmes de réalisation d’une telle machine infinitésimale. Supposons, en particulier dans la conception d’une automobile, que nous ayons besoin d’une certaine précision des parties; nous avons besoin d’une précision, disons, de 10 microns. Si les choses sont plus imprécises que cela, tolérances cylindriques etc. , ça ne marchera pas très bien. Si je fais quelque chose de trop petit, je dois m’inquiéter de la taille des atomes; je ne peux pas réaliser un cercle de “balles” pour ainsi dire, si le cercle est trop petit. Donc, si je fais une erreur, correspondant à 10 microns, soit une erreur de 10 atomes, il vient que je peux réduire les dimensions d’une automobile 4.000 fois, approximativement, afin qu’elle fasse 1mm.Évidemment, si vous reconcevez la voiture afin qu’elle marche avec une tolérance plus grande, ce qui n’est pas complètement impossible, alors vous pouvez en réaliser une encore plus petite.

Il est intéressant d’examiner quels sont les problèmes de telles petites machines.Premièrement, avec des contraintes sur les pièces proportionnelles, les forces diminuent d’autant que vous réduisez la surface, de sorte que les choses comme le poids et l’inertie sont relativement sans importance. En d’autres termes, la résistance du matériau est proportionnellement beaucoup plus grande. Les contraintes et la déformation du volant dûs à la force centrifuge, par exemple, seront dans les mêmes proportions seulement si la vitesse de rotation est augmentée dans la même proportion que la diminution de taille. D’un autre côté, les métaux que nous utilisons ont une structure en grain, et cela serait très ennuyeux à petite échelle car le matériau n’est pas homogène. Les plastiques, le verre et les choses de nature amorphe sont beaucoup plus homogènes, et donc nous pourrions avoir à réaliser nos machines avec de tels matériaux. Il y a des problèmes relatifs à la partie électrique du système avec les fils en cuivre et les parties magnétiques. Les propriétés magnétiques à très petite échelle ne sont pas les mêmes qu’à grande échelle; il y a le problème des “domaines” qui serait en cause. Un gros aimant constitué de millions de champs ne peut être fait à petite échelle qu’avec seulement un champ. L’équipement électrique ne sera pas simplement réduit; il doit être repensé. Mais je ne vois aucune raison pour laquelle il ne peut pas être reconçu pour fonctionner à nouveau.

Les problèmes de lubrification

La lubrification soulève quelques points intéressants. La viscosité réelle de l’huile devrait être proportionnellement de plus en plus grande lorsque nous descendons vers le petit. (et si nous augmentons la vitesse autant que possible). Si nous n’augmentons pas autant la vitesse, et que nous passons de l’huile au kérosène, ou à quelque autre fluide, le problème est moindre. Mais en fait, nous pourrions ne pas avoir pas à lubrifier du tout!Nous avons beaucoup de force en réserve. Laissons les roulements tourner à sec; ils ne chaufferont pas parce que la chaleur s’échappe très, très rapidement d’un tel petit système. Cette perte rapide de chaleur devrait empêcher l’essence d’exploser, donc un moteur à combustion interne est impossible. D’autres réactions chimiques, libérant de l’énergie à froid, peuvent être utilisées. Un générateur électrique externe serait probablement plus approprié pour de telles petites machines.

Quelle serait l’utilité de ces machines? Qui sait? Bien sûr, une petite automobile ne serait utile qu’aux mites pour conduire dans leur coin, et je suppose que nos motivations chrétiennes ne vont pas aussi loin. Cependant, nous avons noté la possibilité de fabriquer de petits éléments d’ordinateurs dans les usines complètement automatiques, qui contiennent des tours et autres machines-outils à très petite échelle. Le tour miniature n’aurait pas à être exactement comme nos gros tours. Je vous laisse imaginer l’amélioration de la conception à fin de tirer pleinement avantage des propriétés des choses à petite échelle, et de telle manière que l’aspect entièrement automatisé serait plus facile à gérer.

Un de mes amis (Albert R. Hibbs) suggère une possibilité très intéressante pour les machines relativement petites. Il a dit que, bien qu’il s’agissait d’une idée extrême, il serait intéressant en chirurgie d’avaler le chirurgien. Introduisez le chirurgien mécanique dans un vaisseau sanguin, et il ira dans le cœur pour “regarder” autour. (Bien sûr, l’information doit être récupérée.) Il trouve quelle valvule est défectueuse, prend un petit couteau et la tranche. D’autres petites machines pourrait être incorporées de façon permanente dans le corps pour assister un organe fonctionnant inadéquatement.

Maintenant vient la question intéressante : Comment réalise-on un si petit mécanisme?Je vous laisse l’imaginer. Cependant, permettez moi de suggérer une possibilité singulière. Vous savez que dans les centrales nucléaires ils ont des machines et du matériel qu’ils ne peuvent contrôler directement car ils sont devenus radioactifs.Pour dévisser des écrous et mettre des boulons, et ainsi de suite, ils ont un ensemble de mains maîtres et esclaves, de telle sorte qu’en opérant sur un jeu de leviers, vous contrôlez ces “mains”, et pouvez les utiliser de telle manière que vous puissiez gérer les choses correctement.

La plupart de ces machines sont en fait réalisées plutôt facilement, dans la mesure où il y a un câble particulier, comme une ficelle de marionnette, qui va directement des contrôles aux “mains”. Mais, bien sûr, de telles choses ont également été réalisées en utilisant des servomoteurs, de sorte que la connexion entre un élément et l’autre soit électrique plutôt que mécanique. Lorsque vous manipulez les leviers, ceux-ci activent un servomoteur, et cela change les courants électriques dans les câbles, ce qui repositionne un moteur à l’autre bout.

Maintenant, je veux construire à peu près le même dispositif -un système maître-esclave fonctionnant électriquement. Mais je veux que les esclaves soient réalisés soigneusement par des machinistes modernes à grande échelle, de sorte qu’ils soient à l’échelle un quart des “mains” que l’on manœuvre ordinairement.Vous avez donc un système par lequel vous pouvez faire faire des choses à une échelle un quart : les petits servomoteurs avec leurs petites mains dirigent de petits écrous et de petits boulons, ils percent de petits trous, ils sont un quart de fois plus petit. Aha! J’ai donc construit un tour à la taille un quart. Je construis des outils à l’échelle un quart; et je peux ainsi réaliser un autre jeu de mains é l’échelle relative d’un quart! Celui-ci a un seizième de la taille, depuis mon point de vue. Et après avoir fini de faire cela, je connecte directement mon système à grande échelle, peut-être par le biais de transformateurs, aux servomoteurs à l’échelle un seizième. Ainsi, je peux maintenant manipuler les mains à l’échelle un seizième.

Bien, vous avez là le principe. C’est un programme plutôt difficile, mais c’est une possibilité.Vous pourriez dire que l’on peut aller beaucoup plus loin avec une seule étape que de un à quatre.Bien sûr, tout cela doit être conçu très soigneusement et il n’est pas forcément nécessaire de faire cela simplement comme des mains. Si vous réfléchissiez à cela très sérieusement, vous devriez probablement arriver à un bien meilleur système pour faire de telle choses.

Si vous travaillez avec un pantographe, même aujourd’hui, vous pouvez obtenir beaucoup plus qu’un facteur quatre dans une seule étape. Mais vous ne pouvez travailler directement via un pantographe qui réalise un pantographe plus petit, qui alors en réalise un plus petit, à cause du jeu causé par les trous et les irrégularités de construction. Au final, le pantographe oscillera avec une irrégularité relativement plus grande que l’irrégularité avec laquelle vous déplacez vos mains. En descendant vers le petit, j’aurais le pantographe du pantographe du pantographe remuant tant et tant qu’il ne serait pas possible de faire quoi que ce soit de précis avec.

A chaque étape, il est nécessaire d’améliorer la précision de l’appareil. Si, par exemple, ayant fait un tour miniature avec un pantographe, on voit que sa mèche est irrégulière -plus irrégulière que celle à large échelle- on pourrait faire chevaucher la mèche contre des écrous cassables pour lesquels vous pouvez inverser la procédure habituelle, jusqu’à ce que la mèche soit, a son échelle, aussi précise que notre mèche de départ, à notre échelle.

Nous pouvons faire des replats en frottant trois surfaces non planes ensemble -en trois paires- et le replat deviendrait alors plus plat que ceux dont vous êtes parti. Ainsi, il n’est pas impossible d’améliorer la précision à petite échelle à l’aide d’opérations adéquates. Donc, lorsque nous avons construit cela, il est nécessaire d’améliorer la précision de l’équipement en travaillant quelque temps dessus, en réalisant des mèches précises, des “blocs de Johansen”#, et tous les autres matériaux que l’on utilise dans le travail de machines précises de haut de gamme.Nous devons nous arrêter à chaque niveau et fabriquer tout ce qu’il faut pour passer au niveau d’après; un programme très long et très difficile.Peut-être pouvez vous imaginer une meilleure façon pour aller vers le bas plus rapidement.

Pourtant, après cela, vous avez un bébé tour quatre cent fois plus petit qu’habituellement. Mais nous étions en train de penser à la conception d’un ordinateur énorme, que nous allions construire en perçant des trous avec ce tour pour faire de petites rondelles pour l’ordinateur. Combien de rondelles peut on fabriquer avec ce tour?

Une centaine de petites mains

Au lieu de construire mon premier jeu de “mains” esclaves à l’échelle un quart, j’en fais 10. Je construis dix jeux de “mains”, et je les connecte à mes leviers de départ de afin qu’elles fassent exactement la même chose au même moment, en parallèle. Maintenant, lorsque je construis mes nouveaux systèmes d’un quart d’échelle plus petits, je laisse chacun en fabriquer dix copies, de sorte que j’aurais une centaine de mains à la taille un seizième.

Où vais-je mettre le millions de tours que je j’obtiendrai?Mais pourquoi cette question, il n’y a aucun problème : le volume total est beaucoup plus petit que celui du tour à pleine échelle.Par exemple, si je fais un milliard de petits tours, chacun à la taille 1/4000 d’un tour normal, il y reste beaucoup de matière et d’espace disponible, car dans le milliard de petits tours, il y a moins de 2 pour cent de la matière d’un gros tour.

Cela ne coûte rien en matériaux, voyez-vous. Donc je veux construire un milliard de petites usines, modèles les unes des autres, qui sont en train de produire simultanément, perçant des trous, poinçonnant des parties, et ainsi de suite.

En allant vers le petit, il y a de nombreux problèmes intéressants qui surviennent. Tout n’est pas simplement réduit de façon proportionnelle. Un problème est que les matériaux vont coller ensemble, par l’attraction moléculaire (de Van der Waals). Ainsi, après que vous ayez réalisé une pièce et que vous dévissez le boulon d’un écrou, il ne tombera pas parce que la gravité est négligeable; il sera même difficile de l’écarter de l’écrou. Ce sera comme dans ces vieux films, avec un homme avec les mains pleines de mélasse, essayant se débarrasser d’un verre d’eau. Il y aura plusieurs problèmes de ce genre que nous devons être prêts à résoudre.

Réarranger les atomes

Mais je n’ai pas peur d’attaquer la dernière question, qui est de savoir si en fin de compte, dans un futur lointain, on pourra réarranger les atomes comme on le veut, chaque atome, jusqu’au dernier!Que se passerait-il si l’on pouvait ordonner tous les atomes, un par un, comme nous le désirons (dans les limites du raisonnable, bien sûr; vous ne pouvez pas les mettre de sorte qu’ils soient chimiquement instables, par exemple).

Jusqu’à maintenant, nous nous sommes contentés de creuser dans le sol pour trouver des minéraux.Nous les chauffons et nous faisons des choses à large échelle avec, et nous espérons obtenir une substance pure avec en fait plein d’impuretés, et ainsi de suite. Mais nous devons toujours accepter quelques arrangements atomiques que la nature nous donne.Nous n’avons rien, disons, avec une disposition en “damier”, avec les atomes impurs disposés exactement à 1000 angströms d’intervalle, ou en quelque autre motif particulier.

Que pourrions-nous faire avec des structures en couches ayant juste les bonnes couches?Quelles seraient les propriétés des matériaux si nous pouvions arranger les atomes comme nous le voulons?IlIls seraient très intéressants à étudier théoriquement. Je ne vois pas exactement ce qui se passerait, mais je peux difficilement douter du fait que lorsque nous aurons quelque maitrise sur les arrangements des choses à petite échelle, nous aurons un éventail extrêmement large de propriétés possibles que les substances peuvent avoir, et des différentes choses que nous pouvons faire.

Prenons, par exemple, un morceau de matériau dans lequel nous faisons des petites bobines et des petits condensateurs (ou l’équivalent de leur état solide), de 1000 ou 10000 angströms dans un circuit, l’un à côté de l’autre, sur une large zone, avec des petites antennes dépassant à l’autre bout, toute une série de circuit. Est-il possible, par exemple, d’émettre de la lumière avec une série entière d’antennes, comme nous émettons des ondes radios avec une série d’antennes organisée pour transmettre le programme radio en Europe? L’équivalent serait d’émettre un rayon de lumière dans une direction définie avec une très forte intensité. (Peut-être qu’un tel rayon n’est pas très utile techniquement ou économiquement.)

J’ai pensé à quelques problèmes de construction de circuits électriques à petite échelle, et le problème de la résistance est important. Si vous construisez un circuit équivalent à petite échelle, sa fréquence propre augmente, puisque la longueur d’onde diminue avec l’échelle; mais l’épaisseur de peau ne décroît que comme la racine carrée du rapport d’échelle, et ainsi les problèmes de résistance sont de difficulté croissante.Peut-être pouvons-nous lutter contre la résistance par l’utilisation de la supraconductivité si la fréquence n’est pas trop haute, ou par d’autres astuces.

Les atomes dans un monde miniature

Lorsque nous allons vers le monde miniature des circuits de, disons, sept atomes- nous avons beaucoup de nouvelles choses qui se produisent et qui représentent de nouvelles opportunités pour la conception. Les atomes à petite échelle ne se comportent pas comme à grande échelle, afin de satisfaire les lois de la mécanique quantique. Ainsi, en descendant vers le bas, et en bidouillant les atomes, nous travaillons avec des lois différentes, et nous pouvons nous à attendre à faire des choses différentes.Nous pouvons les fabriquer de différentes manières. Nous pouvons utiliser non seulement des circuits, mais aussi des systèmes impliquant les niveaux d’énergie quantifiés, ou les interactions des spins quantifiés, etc.

Une autre chose que nous remarquerons est que, si nous descendons suffisamment vers le bas, tous nos systèmes peuvent être produits massivement, de sorte qu’ils soient les copies exactes les uns des autres.Nous ne pouvons pas construire deux grandes machines telles que leurs dimensions soient exactement les mêmes. Mais si votre machine n’est haute que de 100 atomes, vous n’avez à l’avoir précise qu’au demi pourcent pour être sûr que l’autre machine est exactement de la même taille, à savoir 100 atomes de haut!

Au niveau atomique, nous avons de nouvelles sortes de forces et de nouvelles sortes de possibilités, de nouvelles sortes d’effets. Le problème de la fabrication et de la reproduction des matériaux sera assez différent. Je me suis, comme je l’ai dit, inspiré par les les phénomènes biologiques dans lesquels les forces chimiques sont utilisées de façon répétitive pour produire toutes sortes d’effets bizarres (dont l’un est l’auteur).

Les principes de la physique, autant que je suis puisse le voir, ne vont pas contre la possibilité de manier les choses atome par atome. Ce n’est pas une tentative de violer quelque loi que ce soit; c’est quelque chose qui peut en principe être fait, mais qui en pratique n’a pas été fait car nous sommes trop grands.

En fin de compte, nous pouvons faire de la synthèse chimique. Un chimiste nous vient, et dit : “Regardez, je veux une molécule qui ait les atomes arrangés ainsi; faites moi cette molécule”. Le chimiste fait une mystérieuse chose quand il veut faire une molécule. Il voit que ça a un anneau, donc il mélange ceci et cela, et il le secoue, et il bidouille. Et, à la fin d’un processus difficile, il réussi souvent à synthétiser ce qu’il veut. Le temps que je j’obtienne mon système en train de fonctionner, de sorte que celui-ci puisse être fait par la physique, il aura trouvé comment synthétiser absolument tout, si bien que cela sera vraiment inutile.

Mais ce qui intéressant, c’est que ce sera, en principe, possible (je pense) pour un physicien de synthétiser toute substance chimique que le chimiste noterait. Donnez les ordres et le physicien le synthétise. Comment? Placez les atomes là où le chimiste le dit, et ainsi vous réalisez la substance. Les problèmes de la chimie et de la biologie peuvent être grandement aidés si notre capacité à voir ce que nous faisons, et de faire des choses au niveau atomique, était enfin développée -un développement que je pense inévitable.

Maintenant, vous devez vous dire, “Qui devrait faire cela, et pourquoi le ferait-on?“Eh bien, j’ai montré quelques applications économiques, mais je sais que la raison pour laquelle vous le feriez serait juste le plaisir. Mais amusez-nous! Organisons une compétition entre des laboratoires. Laissons un laboratoire faire un moteur minuscule, qui l’envoie à un autre laboratoire qui le renvoie avec quelque chose qui tienne à l’intérieur de l’axe du premier moteur.

Compétition de lycées

Juste pour le plaisir, et afin d’intéresser les enfants à ce domaine, je suggérerais que quelqu’un qui a des contacts avec les lycées envisage de faire une sorte de compétition de lycées. Après tout, nous n’avons même pas débuté dans ce domaine, et même les enfants peuvent écrire plus petit que ce qui a pu être écrit auparavant. Les lycées pourraient participer à des défis. Le lycée de Los Angeles pourrait envoyer une épingle au lycée de Venise avec marqué “Que pensez-vous de ça?“Ils recevraient l’épingle en retour, et dans le point du “i”, il serait écrit “Pas si dur.”

Peut-être que ça ne vous excite pas de le faire, et que seuls les aspects économiques vous intéressent. A ce propos, je veux faire quelque chose, mais je ne peux le faire en ce moment, car je n’ai pas préparé le terrain. Mon intention est d’offrir un prix de 1.000$ au premier capable de prendre les informations d’une page d’un livre et de les mettre sur une surface 1/25.000 fois plus petite avec une échelle linéaire de telle sorte que cela puisse être lu par un microscope électronique.

Et je voudrais offrir un autre prix, si j’arrive à trouver comment formuler cela de sorte que je ne m’engage pas dans un tas de débats quant aux définitions, de 1.000$ au premier qui réalisera un moteur électrique opérationnel -un moteur électrique rotatif qui peut être contrôlé depuis l’extérieur et qui, sans compter les fils de connexion, aurait une taille de seulement 0.4 mm au cube.

Je ne m’attends pas à ce que de tels prix aient à attendre longtemps avant d’être réclamés.

(le texte complet a été inséré dans cet article de blog le 28.12.2012, réédité pour l’occasion)

There's Plenty of Room at the Bottom

Fri, 13 Jun 2008 00:00:00 +0000

En préparant un prochain article, je suis retombé sur un texte fondateur de la technologie moderne, celui de la présentation que a donné le 29 décembre 1959 à la réunion annuelle de l’American Physical Society à (Caltech).

Intitulé “ ”, ce discours toujours visionnaire après presque 50 ans posait les bases de la course à la miniaturisation qui nous fournit chaque année des ordinateurs et autres gadgets plus puissants, plus fiables et moins chers, et qui nous amène vers les .

Comme on ne trouve pas de traduction en français de cette référence, du moins sur le web, je m’y suis , en partant d’une (fini le 11 juin 2009 : )

Voici le passage qui m’intéressait pour le prochain article:

Miniaturiser l’ordinateur

Je ne sais pas comment les rendre petites en pratique, mais je sais que les machines informatiques sont trop grandes, elles remplissent des pièces. Pourquoi ne pouvons-nous pas les rendre très petites, avec de petits fils et de petits composants, et par “petits”, je veux dire “vraiment petits” ? Par exemple, les fils devraient avoir 10 ou 100 atomes de diamètre, et les circuits ne devraient avoir que quelques milliers d’angströms.

Tous ceux qui ont analysé la théorie logique des ordinateurs parviennent à la conclusion que les possibilités des ordinateurs seraient très intéressants, s’ils pouvaient être rendus moins complexes de plusieurs ordres de grandeur. S’ils avaient des millions de fois plus d’éléments, ils pourraient émettre des jugements. Ils auraient le temps de calculer le meilleur moyen de faire le calcul qu’ils sont sur le point de faire. Ils pourraient choisir la méthode d’analyse qui, par leur expérience, serait meilleure que celle que nous leur fournirions. Et ils auraient plusieurs nouvelles caractéristiques qualitatives.

Si je regarde votre visage, je sais immédiatement que je l’ai vu avant. (En fait, mes amis vont dire que j’ai choisi un exemple malheureux pour illustrer ce sujet, mais au moins, je reconnais que c’est un homme et pas une pomme.) Pourtant, il n’existe pas de machine qui puisse aussi vite prendre une image d’un visage et dire qu’elle représente un homme, et encore moins que c’est le même homme que sur une précédente photo, à moins que ce ne soit exactement la même image. Si le visage est changé, si j’en suis plus proche, ou plus loin, si la lumière n’est pas la même, je le reconnais quand même. Ce petit ordinateur que je porte dans ma tête est capable de le faire facilement. Les ordinateurs que nous construisons ne sont pas en mesure de le faire. Le nombre d’éléments dans ma boîte osseuse est énormément plus élevé que le nombre d’éléments dans notre plus merveilleux ordinateur. Mais nos ordinateurs mécaniques sont trop gros; alors que les éléments dans cette boite sont microscopiques. Je veux en faire qui soient sub-microscopiques.

Si nous voulions faire un ordinateur ayant tous ces merveilleuses capacités supplémentaires, il devrait avoir, peut-être, la taille du Pentagone. Cela a plusieurs inconvénients. Tout d’abord, ça exige trop de matériel; il n’y a pas assez de germanium dans le monde pour tous les transistors qui doivent être mis dans cette énorme chose. Il y a aussi le problème de la production de chaleur et de la consommation d’énergie; la production de la serait nécessaire pour faire tourner l’ordinateur. Mais une difficulté plus importante est que l’ordinateur serait limité à une certaine vitesse. En raison de sa grande taille, il faut un certain temps pour transférer l’information d’un endroit à l’autre. L’information ne peut pas aller plus vite que la vitesse de la lumière, donc si, nous voulons obtenir des ordinateurs de plus en plus rapides et de plus en plus élaborés, nous aurons à les rendre de plus en plus petits.

Mais il ya beaucoup de place pour les rendre plus petits. Il n’ya rien que je puisse voir dans les lois physiques qui dit que les composants des ordinateurs ne peuvent pas être considérablement plus petits qu’ils ne le sont maintenant. En fait, il y aurait même des avantages…

Feynman continue avec une description très précise des technologies actuellement utilisées pour produire des circuits intégrés de plus en plus puissants, mais qui ne sont toujours pas capable de reconnaître rapidement un visage humain. Par contre, le fait que la miniaturisation électronique permet simultanément d’augmenter la vitesse des ordinateurs et de diminuer leur consommation est l’élément clé du prochain article intitulé Loi de Moore… toujours ?

Références:

Feynman, Richard P. “ .” Engineering and Science, Février 1960.
Feynman, Richard P. “ .” Popular Science, Novembre 1960.
Feynman, Richard P. “Vous voulez rire, Monsieur Feynman !”, 2007, Éditions Odile Jacob, : une biographie marrante et passionnante de cet incorrigible curieux lauréat du Prix Nobel de physique