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「底には十分な空間がある：物理学の新分野への誘い」は、物理学者リチャード・ファインマンが1959年12月29日にカリフォルニア工科大学で開催された米国物理学会の年次総会で行った講演である。 [ 1 ] ファインマンは、個々の原子を直接操作する可能性を、当時使用されていた合成化学よりも堅牢な形態の合成化学として検討した。この講演のいくつかのバージョンはいくつかの人気雑誌に再掲載されたが、1980年代までほとんど注目されなかった。
タイトルは、ダニエル・ウェブスターの言葉とされる有名な格言「頂点には常に空きがある」を引用している（ウェブスターはこの言葉を、19世紀には弁護士という職業が飽和状態にあると見なされていたため、弁護士になることへの警告に対して述べたと考えられている）。
ファインマンは、原子スケールで物質を操作できる能力がもたらす様々な影響について考察した。特に、より高密度なコンピュータ回路や、走査型電子顕微鏡よりもはるかに小さな物体を見ることができる顕微鏡の可能性に強い関心を持っていた。これらのアイデアは後に、走査型トンネル顕微鏡、原子間力顕微鏡、その他の走査型プローブ顕微鏡、そしてミリピードなどのストレージシステムによって実現された。
ファインマンはまた、原理的には「原子を我々の望むように配置」し、機械的操作によって化学合成を行うナノスケールの機械を作ることが可能であるはずだと示唆した。 [ 2 ]
彼はまた、「医師を飲み込む」可能性についても提示した。このアイデアは、エッセイの中で友人であり大学院生のアルバート・ヒブスによるものだと述べている。このコンセプトは、飲み込めるほど小さな外科用ロボットを作るというものだった。[ 2 ]
思考実験として、彼は[ 3 ]人間のオペレーターの手で制御される4分の1スケールのマニピュレーターハンドのセットを開発し、あらゆる機械工場にあるものと類似した4分の1スケールの工作機械を作ることを提案した。この小さなツールのセットは、小さな手によって10セットの16分の1スケールの手とツールを製造および操作するために使用され、以下同様に、最終的にはおそらく10億の小さな工場が大規模並列操作を実現するために使用される。彼は、パンタグラフのアナロジーを使用して、アイテムを縮小する方法を使用している。このアイデアは、SF作家ロバート・A・ハインラインが1942年の短編小説「ウォルドー」で、ミクロスケールまで部分的に予見していた。[ 4 ]
サイズが小さくなると、さまざまな力の相対的な強さが変わるため、ツールを再設計する必要が出てきます。重力は重要性が低くなり、表面張力などのファンデルワールス力がより重要になります。ファインマンは講演の中でこれらのスケーリングの問題に言及しました。この思考実験を実際に実行しようとした人はまだいません。一部の生物学的酵素や酵素複合体（特にリボソーム）は、ファインマンの構想に近い方法で化学的に機能します。[ 5 ]ファインマンは講演の中で、ガラスやプラスチックの方が均一性が高いため、非常に小さなスケールでの問題（金属や結晶は格子構造が優勢な領域に分かれている）を回避できるため、最終的にはそれらを使用する方が良いかもしれないとも述べています。[ 6 ]これは、機械や電子機器をガラスやプラスチックで作る良い理由になるかもしれません。現在、両方の材料で作られた電子部品があります。ガラスでは、光を伝送および増幅する光ファイバーケーブルがあります。 [ 7 ] プラスチックでは、酸化すると電気伝導体となるポリチオフェンなどのポリマーを用いて電界効果トランジスタが作られている。 [ 8 ]
会議でファインマンは講演の最後に2つの課題を提示し、それぞれを最初に解決した者に1000ドルの賞金を提供すると申し出た。最初の課題は、超小型モーターの製作に関するもので、ファインマンの予想に反して、1960年11月までに、カリフォルニア工科大学卒業生で几帳面な職人であるウィリアム・マクレランが、従来の道具を使ってそれを実現した。[ 9 ]このモーターは条件を満たしたが、この分野の進歩にはつながらなかった。2つ目の課題は、ブリタニカ百科事典全体をピンの頭に収めることができるほど文字を小さく縮小できるかどうか、つまり、本のページの情報を線形スケールで1/25,000の面に書き込むことに関するものだった。1985年、スタンフォード大学の大学院生トム・ニューマンは、二都物語の最初の段落を1/25,000に縮小することに成功し、2度目のファインマン賞を受賞した。[ 10 ] [ 11 ] [ 12 ]ニューマンの論文指導教官であるR.ファビアン・ピースは1966年にその論文を読んでいたが、最近その論文を読んだ研究室の別の大学院生、ケン・ポラスコが挑戦を試みることを提案した。ニューマンは、自分たちの技術を実証するために任意のランダムなパターンを探していた。ニューマンは、「テキストはさまざまな形があるので理想的だった」と述べた。[ 13 ]
ニュー・サイエンティスト誌は「科学界の聴衆は魅了された」と報じた。ファインマンは「事前のメモもなしに、その場で思いついた」アイデアを披露した。講演の原稿は残されていなかった。「先見の明のある崇拝者」がテープレコーダーを持参し、ファインマンのジョークを除いた編集済みの原稿がカリフォルニア工科大学によって出版された。 [ 14 ] 1960年2月、カリフォルニア工科大学の工学・科学誌に講演が掲載された。ニュー・サイエンティスト誌の抜粋に加え、サタデー・レビュー誌とポピュラー・サイエンス誌にも掲載された。新聞各紙は最初の挑戦の勝利を報じた。 [ 15 ] [ 16 ]この講演は1961年の書籍『小型化』の最終章として収録された。 [ 17 ]
K. エリック・ドレクスラーは後に、ファインマンの10億個の微小工場の概念を取り上げ、1986年の著書『創造のエンジン：ナノテクノロジーの到来』の中で、それらが人間のオペレーターによる制御ではなく、コンピュータ制御によって自己複製できるというアイデアを追加した。[ 18 ]
ファインマンの死後、ナノテクノロジーの歴史的発展を研究する学者たちは、1980年代と1990年代の黎明期にこの分野で活躍していた多くの人々は、ナノテクノロジー研究の触媒としての彼の役割を高く評価していなかったと結論づけている。サウスカロライナ大学の文化人類学者であるクリス・トゥーミーは、ファインマンの講演の出版と再出版の歴史、および科学文献における「Plenty of Room」の引用記録を再構築した。[ 19 ]
トゥーミーの2008年の論文「ナノテクノロジーにおけるファインマンの読み解き」[ 20 ]では、 「Plenty of Room」の出版物の11バージョンと、ファインマンによる密接に関連する講演「Infinitesimal Machinery」[ 21 ]の2つの例が見つかりました。ファインマンはこの講演を「Plenty of Room, Revisited」（「Infinitesimal Machinery」という名前で出版）と呼んでいました。トゥーミーの参考文献には、この2番目の講演のビデオテープも含まれています。学術誌Nature Nanotechnologyは2009年にこのテーマに関する特集号を刊行しました。[ 22 ]
トゥーミーは、ファインマンの講演の出版版が、科学文献での引用数で測ると、初版発行から20年間でほとんど影響を与えず、1981年に走査型トンネル顕微鏡が発明された後の10年間でもそれほど大きな影響を与えなかったことを発見した。科学文献における「Plenty of Room」への関心は、1990年代初頭に大きく高まった。これはおそらく、ファインマンを引用したドレクスラーの1986年の著書『Engines of Creation: The Coming Era of Nanotechnology』でこの用語が使用され、また同年後半に大衆向け科学雑誌OMNIに掲載された「ナノテクノロジー」という見出しの表紙記事でこの用語が使用されたことで、「ナノテクノロジー」という用語が、その直前に真剣に注目されるようになったためであろう。[ 23 ] [ 24 ] 学術誌Nanotechnologyは1989年に創刊された。 35個のキセノン原子を精密に操作した有名なアイグラー・シュバイツァー実験は、1990年4月にネイチャー誌に掲載され、サイエンス誌は1991年11月にナノテクノロジーに関する特集号を発行した。これらの出来事やその他の進展は、「Plenty of Room」の遡及的な再発見が、ナノテクノロジーに1959年12月という早い時期の起源とリチャード・ファインマンとのつながりを与えるパッケージ化された歴史を与えたことを示唆している。[ 20 ]
トゥーミーの分析には、ナノテクノロジー分野の科学者からのコメントも含まれており、彼らは「Plenty of Room」が初期の研究に影響を与えなかったと述べており、彼らのほとんどは後になってからそれを読んだという。[ 20 ]
ノーベル賞受賞者であり、20世紀科学の重要人物であるファインマンの地位は、ナノテクノロジーの提唱者たちを後押しした。それは過去との貴重な知的つながりを提供した。[ 4 ]より具体的には、彼の地位と原子レベルで精密な製造という概念は、ナノテクノロジー研究への資金確保に一役買い、クリントン大統領が2000年1月に連邦政府のプログラムを求める演説を行ったことがその一例である。
私の予算は、5億ドル相当の新たな国家ナノテクノロジーイニシアチブを支援しています。カリフォルニア工科大学は、原子や分子レベルで物質を操作する能力であるナノテクノロジーの概念に馴染みがあります。40年以上前、カリフォルニア工科大学のリチャード・ファインマンは、「原子を1つずつ好きなように配置できたらどうなるだろうか？」と問いかけました。[ 25 ]
2003年5月に下院で可決されたナノテクノロジー研究開発法案では、分子製造の技術的実現可能性の調査が求められていたが、上院で可決され、2003年12月3日にジョージ・W・ブッシュ大統領によって法律として署名される前に、論争の少ない研究への資金提供を確保するためにこの調査は削除された。 [ 26 ]
2016年、デルフト工科大学とINLの研究者グループは、ファインマンの講演の一節を、各ビットが単一の原子空孔で構成されたバイナリコードを用いて保存したと報告した。[ 27 ] 研究者らは、走査型トンネル顕微鏡を用いて数千個の原子を操作し、テキストを作成した。
しかし、私は、究極的には、つまり輝かしい未来において、原子を思い通りに配置できるかどうかという最終的な問いについて考えることを恐れません。原子そのものを、あらゆるレベルで！原子を一つずつ思い通りに配置できたらどうなるでしょうか（もちろん、常識の範囲内で。例えば、化学的に不安定な配置はできません）。これまで私たちは、地面を掘って鉱物を探し、それを加熱して大規模に加工し、不純物がちょうど良い量の純粋な物質を得ようとしてきました。しかし、私たちは常に、自然が与えてくれる何らかの原子配列を受け入れなければなりません。例えば、不純物原子が正確に1,000オングストローム間隔で並んだ「市松模様」のような配列や、その他の特定のパターンを持つものは、まだ何も得られていません。
このテキストは正確に 1キビバイト、つまり 8192 ビットを使用し、それぞれ 1 つの原子の空孔で構成されており、最先端のアプローチよりも 500 倍大きい記憶密度を持つ最初の原子キビバイトを構成しています。[ 27 ]このテキストは、チェッカーボード パターンで「原子を好きなように配置」する必要がありました。ファインマンのビジョンへのこの自己言及的な賛辞は、科学雑誌[ 28 ] [ 29 ]と主流メディア の両方で取り上げられました。[ 30 ] [ 31 ]