Il y a plein de place en bas


What Would Richard Feynman Do ? Une tentative de modélisation de sa pensée.

tentative de modélisation de la pensée de Feynman

Traduction de la présentation que Richard Feynman a donné le 29 décembre 1959 à la réunion annuelle de l’American Physical Society à (Caltech). Intitulé “There’s Plenty of Room at the Bottom“, 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 nanotechnologies.

Traduit par Philippe Guglielmetti (www.drgoulu.com) et Maxence Dolle* en 2009 (sur Google Docs)

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)

  • je suis une fan absolue de feynman , et je vous remercie , jeune homme pour la traduction cadeau de ce texte fameux , que j avais toujours remis a plus tard de traduire , voila qui m en epargne le soin
    anoter pour ceux que le personnage / oeuvre passione la belle bio de gleick ,” le genial profeseur feynman

    merci encore

    v s

  • Bonjour Dr. Goulu,

    Je suis un lecteur très régulier de votre blog que j’apprécie grandement.
    Il y a quelque temps, vous avez proposé une traduction de conférences de R. Feynman et de E. Purcell, idée qui m’a tant enthousiasmée que je me suis mis en tête d’effectuer la transcription et la traduction de la série de vidéo “Fun to imagine” de R. Feynman.
    Vous pourrez la consulter ici :
    http://antoine.wojdyla.free.fr/feynman_fun_fr.html

    Si vous avez des commentaires à faire, ou si vous désirez la faire partager, n’hésitez pas!

    Cordialement,
    a.w.

  • Bonjour,

    Super document en effet !
    Avec 50 ans de recul c’est en effet très parlant.
    Cela nous laisse imaginer ce que nous réserve notre vie quotidienne dans les années 2030 en terme de micro société numérique du web symbiotique…

    Bonne route

  • De même, je me coucherai moins bête ce soir ^___^
    Merci beaucoup pour cette traduction !

    Ce qui m’y intéresse, c’est autant ce qui a déjà été réalisé, que ce qui reste encore à découvrir.
    Il fait par exemple allusion à la “capacité d’émettre des jugements” des ordinateurs, qui pour moi évoque bien de l’I.A. et pas seulement des embranchements logiques en programmation.

    Sinon, au deuxième paragraphe de l’introduction : “dans la mesure où il [ne] nous apporte pas beaucoup sur la physique fondamentale” … non ?

  • seb

    Super document en effet !
    Avec 50 ans de recul c’est en effet très parlant.
    Ca laisse imaginer ce que nous réserve l’année 2060 en terme de réduction de taille des composants….

  • Whaou!Ce monsieur était vraiment visionnaire et inventif!

    C’est du beau boulot cette traduction 🙂
    Dans toute ma lecture je n’ai vue qu’un mot manquant (vers la fin, mais je le retrouve pas -_-*) et une phrase à la signification étrange “Je ne suis pas inventer l’anti-gravité”. (plus vers le début).

    Je crois qu’on peut vraiment dire que ce soir je me coucherais moins c*n! ^^

    • merci pour les compliments et la relecture. Maintenant on peut lire “Je ne suis pas en train d’inventer l’anti-gravité”.