22.12.2005
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 .
З.К. Силагадзе