Со временем в ящике должно произойти разделение атомов: все быстрые соберутся слева, медленные – справа, то есть в системе «само собой» произойдет увеличение порядка системы. Однако кавычки здесь не случайны. На самом деле, демон в силу своих микроразмеров и сам будет ощущать тепловые улары отдельных атомов, и, как показывает расчет, постепенное изменение его состояния в результате этих ударов в конечном счете с лихвой перекроет весь выигрыш в упорядоченности.
Опыт Максвелла – чисто учебный, методологический. Куда практичнее устройство того же рода, предложенное лет примерно через сто после Максвелла другим знаменитым физиком, Ричардом Фейнманом. В «опыте» Фейнмана микроскопических размеров зубчатое колесико, насаженное на одну ось с таких же размеров пропеллером, помещалось в водную среду. Колесико это могло вращаться только по часовой стрелке: вращению в противоположную сторону препятствовала этакая «собачка» – клинышек на пружинке, входивший между зубцами колеса. Поскольку лопасти пропеллера испытывали непрерывные удары атомов жидкости с разных сторон, эти удары должны были поворачивать колесико то в одну, то в другую сторону. Однако благодаря «собачке» результирующей всех этих ударов могло быть только вращение по часовой стрелке. И таким образом возникал вроде бы безупречный механизм превращения неупорядоченного, хаотического теплового движения атомов воды в непрерывное упорядоченное (только в одну сторону) вращение колеса. А поскольку колесико может при этом худо-бедно производить некую работенку, то все это устройство должно представлять собой к тому же еще и «вечный двигатель». Что бы это значило?
Фейнман сам разъяснил, где туг зарыта собака. В «собачке», конечно. Она и ее пружинка тоже ведь должны быть микроскопических размеров, а потому удары атомов на них также должны влиять. Суммарным итогом таких ударов как по пропеллеру, так и по пружинке окажется хаотическое дерганье колесика то в одну, то в другую сторону, и никакого нарушения второго закона термодинамики не произойдет. И «вечного двигателя» тоже не будет, поскольку при каждом очередном заскакивании «собачки» между зубцами пропеллер будет дергаться от этого удара и передавать его энергию в окружающую среду в виде тепла.
Футуролог Эрик Дрекслер, автор книг «Engines of Creation» («Машины становятся творцами») и «Nanosystems» («Наносистемы») – несколько лет назад журнал «Newsweek» включил его в число ста человек, чьи идеи будут определять судьбы XXI века, – описывает мир, в котором миллионы крохотных машин – «ассемблеров» – размером с пылинку творят невероятное. Сперва – по примеру промышленных роботов – они создают свои собственные копии, а затем мастерят такие удивительные вещи, как подводные лодки, которые странствуют по кровеносным сосудам и разрушают раковые клетки, или же космические ракеты, что вместе со всеми запасами топлива весят всего лишь четыре тонны, или же компьютеры размером с молекулу протеина. Сырьем служат отдельные атомы – главным образом углерод и кремний, – а также органические молекулы.
По мнению критиков этой идеи, полагаться на добрый разум незримых роботов все равно, что выпускать на свободу микробы из бактериологических лабораторий. Одни будут сами проникать в человеческие клетки; другие примутся мастерить аппараты, способные на это. Что ж, хранителями знаний станут они – роботы; мы же – «мертвой Природой», полем деятельности для их опытов, их «собаками Павлова».
Неизбежно, как уже отмечал наш журнал (см. № 9 за 2001 год), появление и нанооружия. Сколько люди себя помнят, они воюют друг с другом. Древние битвы были скорее единоборствами ратников. Появление артиллерии превратило в передовую линию армейский тыл. Авиация стала истреблять целые поселения и части городов. Атомное оружие способно сжигать города и местности. Возможно, нанооружие может уничтожать огромные общности людей, объединенные каким-либо одним генетическим признаком. На новом витке вооружений человек становится еще обреченнее на смерть. Умные машины могут охотиться на него, как индейцы и янки – на стада бизонов, сводя к нулю миллионные поголовья людей.
Одна из идей самого Дрекслера – вопреки его оптимизму – наглядно показывает, что человек в мире роботов станет всего лишь «одной из самых слабых машин», которую можно так же бесцеременно чинить, как мы чиним и переделываем какой-нибудь «Жигуленок». Так, Дрекслер распорядился, чтобы его голову после кончины заморозили. Его мозг будет жить; с этим нет никаких проблем, полагает ученый-душеприказчик. Впоследствии же милейшие душки-ассемблеры быстренько восстановят потраченное морозом тело.
Тем не менее физики, приглядевшись к «колесику Фейнмана», быстро сообразили, что на его основе можно и впрямь создать реальный микроскопический мотор, который будет превращать тепловое движение атомов во вращение ротора – только за счет внешней энергии. Если, например, каким-то внешним образом (скажем, с помощью электрического поля или лазерного луча) периодически поднимать и опускать «собачку», то «колесико Фейнмана» будет в итоге вращаться против часовой стрелки. Это будет настоящий, вполне обычный мотор с той существенной разницей, что размеры его будут микроскопическими, молекулярными, а потому его сможет приводить в действие хаотическое (или, как говорят в физике, – броуновское) движение атомов окружающей среды. Область применения таких «броуновских» микромоторов поистине необозрима, и потому сегодня сразу две группы исследователей энергично заняты их практическим осуществлением.
Группа Росс Келли в Бостоне уже синтезировала одно такое устройство. Как и надлежит «молекулярному» мотору, оно состоит из трех молекул бензена (трех сцепленных друг с другом колец), действующих одновременно и как пропеллер, и как зубчатка, и четырех дополнительных бензеновых молекул, которые входят между первыми как зубцы. В таком виде «пропеллер», как и положено, вращается в обе стороны. Но Келли пытается присоединить к кольцам «пропеллера» такие дополнительные атомы, которые провоцировали бы определенные химические реакции, способные вызвать освобождение «пропеллера» в нужные моменты цикла. Вторая группа под руководством Джеймса Гимжевского из Цюриха надеется добиться того же эффекта, используя так называемый туннельный атомный микроскоп для подачи на мотор периодического электрического поля.
Во всех этих работах ученые пытаются «запрячь» в согласованную работу хаотически движущиеся атомы, но не нарушая, а используя второй закон термодинамики. И хотя технические трудности на пути создания молекулярных моторов, работающих за счет броуновского движения, пока еще весьма велики, ученые не унывают, поскольку им известно, что природа давно уже создала множество таких микроскопических двигателей. Подобные «броуновские моторы» работают, например, внутри живых клеток – в так называемых ионных насосах, перемещающих заряженные ионы сквозь клеточные мембраны. Такой «насос» представляет собой молекулу белка, отдельные части которой вращаются в определенную сторону благодаря изменениям его внутреннего электрического поля. С помощью таких же «броуновских моторов» перемещаются частицы вещества во внутриклеточных трубочках-тубулах, сокращаются мышечные волокна и движутся хвостики сперматозоидов. Даже «переписывание» с генетических молекул ДНК тех «инструкций», по которым в клетке создаются белки, тоже опирается на молекулярные моторы. (Кстати, компьютерная действующая модель такого мотора недавно опубликована в Интернете по адресу: monet.physik.unibas/ch/~elmer/bm.)
Одним из наиболее изящных примеров природных двигателей такого рода являются молекулярные моторы так называемых флагелл – тех длинных жгугообразных отростков, с помощью которых движутся бактерии. В основании каждого такого жгутика располагается микроскопический «броуновский мотор», состоящий из нескольких белковых молекул, к которым присоединен длинный гибкий хвостик, сложенный из нескольких молекул белка флагеллина. Недавно японский ученый Иокомура и его коллеги сумели вскрыть все основные детали работы броуновских моторов флагелл, и это позволяет надеяться в скором времени перенести принципы их устройства в микротехнику.