00:01

Эйнштейн и технология будущего



Эйнштейн баловень судьбы. Его теория относительности перевернула наше понимание пространства и времени. Но Нобелевскую премию он получил за работу по теории фотоэффекта. Может быть это и справедливо, ведь квантовая революция по своим последствиям покруче релятивистской. А та Нобелевская работа Эйнштейна вместе с более ранней работой Планка как раз и заложили основы квантовой теории. Хотя сам Эйнштейн так и не примирился с фундаментальной важностью квантовой механики и не принял ее, оставаясь верным классической картине мира, что "Бог не играет в кости".

Но была и третья "золотая" работа Эйнштейна 1905 года - по теории Броуновского движения. Выводы этой работы были подтверждены в последующих экспериментах Перрена, что окончательно установила реальность существования атомов - событие очень важное для науки начала двадцатого века. Тем не менее слава теории относительности вскоре затмила это достижение Эйнштейна, и оно менее известно широкий публике, которая и не подозревает какое технологическое чудо может вырасти из изучения Броуновского движения.

В 1959 году Фейнман в своей знаменитой лекции предсказал, что скоро человечество научится контролировать материю на атомарном и молекулярном уровне. Сегодня нанотехнология - магическое слово, которое определяет вектор развития технологии будущего. Уже сейчас производством нанопродукции занято более тысячи предприятий. Но для устройств сверхмалых размеров Броуновское движение непреложный факт и, кажется, непреодолимое препятствие: попробуйте управлять велосипедом во время урагана. Ведь молекулы бомбардируют миниатюрные объекты с умопомрачительной частотой. Как могут наноустройства функционировать успешно в таких условиях?

Но природа давно создала наномашины - любая живая клетка содержит их в большом количестве. И работают эти наномашины исключительно эффективно и надежно. Как же им удается противостоять Броуновскому движению? Секрет прост: они не воюют с Броуновским движением а используют его.

Представим миниатюрную ветряную мельницу молекулярных размеров. Молекулы беспорядочно бомбардируют лопасти пропеллера, и колесо поворачивается то в одну то в другую сторону, Но на другом конце оси имеется храповик с собачкой который позволяет колесу поворачиваться только в одну сторону. В результате получаем Броуновский мотор, который как бы выпрямляет Броуновское движение и вращается только в одну сторону.

Фейнман показал, что при тепловом равновесии такое устройство не будет работать, как этого требует второй закон термодинамики. Дело в том, что миниатюрная пружина, которая прижимает собачку, тоже дергается беспорядочно из-за тепловых флуктуаций и храповик не может в совершенстве выполнять свою выпрямительную роль.

Но если нарушить равновесие, например пропеллер держать при одной температуре, а храповик с собачкой при другой, Броуновский мотор действительно заработает.

Природные Броуновские моторы для нарушения равновесия используют не разность температур, которую сложно создать при таких маленьких масштабах, а химические реакции. При этом они удивительно эффективны. Флагелларные моторы бактерий, например, имея размеры всего около 45 нм могут вращаться с частотой до 1700 Гц!

Ученые развивают теорию Броуновских моторов и аналогичных устройств. Уже созданы работающие экземпляры, хотя пока не такие совершенные, как в живой природе. Но, надо полагать, в конце концов, люди обретут власть над отдельными атомами, и тогда наша жизнь изменится неузнаваемо. Книга Дрекслера, ссылку на которой мы приводим, содержит описание некоторых возможностей, которые откроют молекулярные машины человечеству, и эти возможности больше похожи на сказку.

Так вот, нанотехнология ведет человечество в сказочную жизнь. И когда она станет реальностью, начало этой пути будет связано с именем Эйнштейна, хотя и другие (например, Смолуховский) внесли в изучении Броуновского движения не меньший вклад. Ибо Эйнштейн - баловень судьбы, родоначальник трех революции, самой сказочной из которых все еще предстоит свершиться.

Что читать на эту тему:

1. K. Э. Дрекслер, Машины создания .

2. R. P. Feynman, There's Plenty of Room at the Bottom .

3. R.D. Astumian, Making molecules into motors .

4. D. Chowdhury, 100 years of Einstein's theory of Brownian motion: from pollen grains to protein trains .

Источник

Просмотров: 1639
Рейтинг: 5.0/1
Добавлено: 13.12.2013

Темы: квантовая физика, Эйнштейн и технология будущего, Теория относительности, нанотехнологии, наука, броуновского движени, Альберт Эйнштейн
Всего комментариев: 0
Добавлять комментарии могут только зарегистрированные пользователи.
[ Регистрация | Вход ]