Us humans typically chase all that is bigger and better. Our quest for novelty takes us further and further afield. But why not take the opposite tack? Zooming in to what is right in front of our noses, and even inside it, unlocks all sorts of potential. Welcome to the crazy world of atoms, the building blocks of matter, including you and me.

People now know, more or less, how atoms work. But we have barely begun to take advantage of their minute size. How about storing all of human knowledge in a mote of dust? Swallowing your surgeon? All of this might become possible if nanotechnology succeeds in its quest to use single atoms like Lego-bricks. It could revolutionise our lives.

Homing in on the tiny weeny flings us to the cutting edge of science – and who better to introduce this world of the miniature than physicist Richard Feynman, who was unrivalled at investing atoms with passion and humour. Or, as described by a colleague, an “impossible combination of theoretical physicist and circus barker”.

On watching the world’s first nuclear explosion without protective goggles

As a child Feynman was known for his extraordinary abilities: Neighbours used to say he could repair radio sets by looking at them. During World War II, he got involved with the top secret “Manhattan Project” to build the world’s first atomic bomb in order to stop Hitler. But he was not one for military discipline, cracking his superiors’ safes just for fun and ignoring security rules. He watched the very first nuclear test explosion as the only person without safety goggles – just “to get a full solid experience of it”. After the first atom bombed was dropped on Japan, the true horror of the project dawned on him. Sitting in a cafe, he woke up to the destructive power he had helped to unleash. This realisation paved the way for Feynman to switch focus, moving from atoms’ destructive power to their constructive potential.

“I looked out and thought about the radius of the Hiroshima bomb damage”
(from Ottaviani, p. 104).

There is plenty of room at the bottom!

He came up with a useful image to show his students the size of an atom: “If an apple is magnified to the size of the earth, then the atoms in the apple are approximately the size of the original apple.” In 1959 he gave a landmark speech “There’s plenty of Room at the Bottom”, where he probed how atoms, because of their dinkyness, could revolutionise technology. He posed questions like: What could we achieve if we could assemble things out of individual atoms? How far could we shrink our technology?

These musings put Feynman – also a passionate player of bongo drums and avowed visitor of striptease clubs – decades ahead of his time. He is often considered the father of nanotechnology, which today is turning some of his wildest predictions into reality.

The Encyclopaedia Britannica on the head of a pin – that’s nothing!

Some smart minds had already managed to inscribe the prayer “Our Father” on a pinhead before Feynman’s speech, but he was less than impressed, dubbing it a “primitive, halting step” in the quest for miniaturisation. Instead Feynman shows that, due to the minuscule size of atoms, it is, in theory, possible to copy every single page of the Encyclopaedia Britannica onto a pinhead – at that time consisting of 24 heavy volumes.

But Feynman is still not content with this staggering result. “Now, the name of this talk is ‘There is Plenty of Room at the Bottom’ – not just ‘There is Room at the Bottom.” And so he goes further still – asking what would happen if we represented information using a code made of single atoms and used not only the surface of a material, but also the space inside.

To make this idea theoretically feasible, Feynman generously assumes that we need a cube consisting of around 600 atoms to represent a single letter. His calculation is mind-boggling: “It turns out that all of the information that man has carefully accumulated in all the books in the world can be written in this form in a cube of material one two-hundredth of an inch wide—which is the barest spec of dust that can be made out by the human eye. So, there is plenty of room at the bottom!”

Mother Nature owns the copyright

Feynman points out that shrinking information to such an amazing degree is not only possible, but already commonplace all around us. Only a few years before, scientists had revealed the structure of the genetic material – the famous DNA double helix. And lo and behold, mother nature needed even fewer atoms to register a DNA-“letter” than was assumed by Feynman. So it turned out it, instead of inventing how to store information on a super small scale, it was just a case of following nature’s lead.

“This fact – that enormous amounts of information can be carried in an exceedingly small space – is, of course, well known to the biologists…in the tiniest cell, all of the information for the organisation of a complex creature such as ourselves can be stored.”

Since we have mastered the art of deciphering genes over the last 20 years, today we know exactly how much information is stored in the DNA of numerous living beings. The result – here summarised by evolutionary biologist Richard Dawkins – is truly astonishing:

“There is enough information capacity in a single human cell to store the Encyclopaedia Britannica, all 30 Volumes of it, three or four times over…There is enough storage capacity in the DNA of a single lily seed or a single salamander sperm to store the Encyclopaedia Britannica 60 times  over. Some species of the unjustly called ‘primitive’ amoebas have as much information in their DNA as 1,000 Encyclopaedia Britannicas.”

Invisible machines

But Feynman had more ambitious plans than just storing information in a speck of dust. “The biological example of writing information on a small scale has inspired me to think of something that should be possible. Biology is not simply writing information, it is doing something about it. A biological system can be exceedingly small. Many of the cells are very tiny, but they are very active; they manufacture various substances; they walk around; they wiggle; and they do all kinds of marvellous things—all on a very small scale…Consider the possibility that we too can make a thing very small which does what we want—that we can manufacture an object that manoeuvres at that level!”

He had some more radical ideas about what could be achieved by making technology ever smaller. “I do know that computing machines are very large; they fill rooms. Why can’t we make them very small, make them of little wires, little elements—and by little, I mean little.” What sounded like crazy science fiction to his contemporaries has already become reality – half a century later, we all carry around supercomputers in our pockets in the form of smartphones.

In contrast, many other applications of miniaturisation still sound decidedly sci-fi today – for example, the idea “to swallow your surgeon” and to produce machines too small to see with the naked eye. But progress is rapid and the potential of nanotechnology immense. This is what physicist and futurologist Michio Kaku has to say:

“Within this century, we may possess the most important tool ever imagined—nanotechnology that will allow us to manipulate individual atoms. This could begin a second industrial revolution, as molecular manufacturing creates new materials we can only dream about today, which are superstrong and superlight, with amazing electrical and magnetic properties.”

Also in medicine the potential uses of thinking small are limitless: “One goal of nanotechnology is to create molecular hunters that will zoom in on cancer cells and destroy them cleanly, leaving normal cells intact…So in the future, nanotechnology will detect cancer colonies years to decades before they can form a tumour, and nano particles circulating in our blood might be used to destroy these cells. The basic science is being done today.”

Even during Feynmans lifetime, progress in the field was so rapid it took him by surprise. At the end of his speech from 1959, he promised two prizes of 1,000 dollars each: One for the first operating electric motor measuring no more than 0.4 millimetres on each side (a 1/64 inch cube), the other for writing letters so small the whole Encyclopaedia Britannica could be squeezed on the head of a pin. The first prize he had to award in 1960, the second in the mid-80s.

No ordinary genius

A few years after his prophetic speech, Feynman received a nobel prize for reformulating the theory of subatomic particles. Initially, he wanted to refuse the honour, because he hated ceremonies and authorities. Later, he played down his achievement, saying: ’’I won the prize for shoving a great problem under the carpet’’.

Despite his modesty, his approach, which used mini-diagrams drawn with wobbly lines, was so new and revolutionary that it drove other physicists to desperation. In the words of a colleague, ‘ordinary geniuses’ do great things but let other scientists feel that they could do the same if only they worked hard enough. The other kind performs magic. “A magician does things that nobody else could ever do and that seem completely unexpected – and that’s Feynman”.

Feynman died aged 69 in 1988 after uttering his final words: “I’d hate to die twice. It’s so boring.”

Bibliography

Richard Feynman: “There is plenty of Room at the Bottom”, in: “The Pleasure of Finding Things Out”

Richard Feynman: “Atoms in Motion”, in: “Six Easy Pieces”

Richard Dawkins: “The Blind Watchmaker”

James Gleick: “Richard Feynman – Thinker, Scientist, Humanitarian”; Obituary in New York Times

Michio Kaku: “Physics of the Future: How Science will Shape Human Destiny and our Daily Lives by the Year 2100”

Ganz unten ist reichlich Platz

Jim Ottaviani and Leland Myrick: “Feynman”{:}{:de}Wir Menschen wollen ja gerne immer höher und weiter hinaus. Aber warum ständig in die Ferne schweifen? Die umgekehrte Richtung – tiefer und näher – ist genauso vielversprechend. Denn sie führt uns geradewegs in die die verrückte Welt der Atome, aus denen alles besteht – einschließlich du und ich.

Mittlerweile verstehen wir Menschen diese Grundbausteine der Materie ganz gut. Aber wir haben kaum damit angefangen, die erstaunlichen Möglichkeiten ihrer schieren Winzigkeit zu nutzen. Sollte es der Nanotechnologie bald gelingen, Atome wie Lego-Steine zusammenzubauen, würde sie unser Leben revolutionieren. Warum nicht das gesamte Wissen der Menschheit in einem Staubkorn speichern? Oder Chirurgen bauen, die man verschlucken kann?

Für unsere Expedition in die erstaunliche Welt des Klitzekleinen habe ich den perfekten Fremdenführer eingespannt: Den genialen Physiker Richard Feynman. Die Welt der Atome war sein Steckenpferd und er selbst in den Worten eines Kollegen eine “unmögliche Mischung aus theoretischem Physiker und Jahrmarktschreier” – also genau unser Mann!

Die erste Atombombenexplosion – Warum nicht ohne Schutzbrille?

Schon als Kind zeigte Feynman außergewöhnliche Fähigkeiten: Die Nachbarn sagten ihm nach, er könne allein mit seinen Gedanken Radios reparieren. Um Hitler zu stoppen, beteiligte sich Feynman nach seinem Studium in den USA am streng geheimen “Manhattan Project” – dem Bau der ersten Atombombe. Dabei machte sich der Exzentriker einen Spaß daraus, die Safes seiner Vorgesetzten zu knacken und Sicherheitskontrollen zu umgehen. Als einziger beobachtete er 1945 die erste Test-Zündung ohne Schutzbrille – nur weil er die nukleare Explosion “in ganzer Fülle erfahren” wollte. Erst nach dem Abwurf der ersten Atombombe auf Japan machte er sich in einem Cafe wirklich bewusst, welch unfassbare Zerstörungskraft er mit entfesselt hatte.

“Ich schaute aus dem Fenster und stellte mir das Ausmaß der Zerstörung vor, die die Hiroshima-Bombe verursacht hatte”
(aus Ottaviani, p. 104)

Ab geht’s nach ganz unten

Bald darauf lenkte Feynman seine Aufmerksamkeit von der zerstörerischen Kraft der Atome auf deren konstruktive Möglichkeiten. Die Größe eines Atoms erläutert er so: “Vergrößert man einen Apfel so lange, bis er die Ausmaße der Erde hat, dann sind die Atome in dem Apfel ungefähr so groß wie der ursprüngliche Apfel.”

In einer berühmten Rede aus dem Jahr 1959 mit dem Titel “There’s plenty of Room at the Bottom” (Auf deutsch etwa “Ganz unten ist reichlich Platz”) zeigt Feynman die erstaunlichen Möglichkeiten auf, die sich allein daraus ergeben, dass Atome so unglaublich klein sind. Was könnten wir alles tun, wenn wir Dinge aus einzelnen Atomen zusammensetzen könnten? Wie weit könnten wir Technologie verkleinern?

Mit diesen Überlegungen war der Bongo-Spieler und bekennende Striptease-Bar-Besucher seiner Zeit um Jahrzehnte voraus – er gilt deshalb als geistiger Vater der Nanotechnologie. Diese hat heute tatsächlich damit angefangen, Dinge aus einzelnen Atomen zu konstruieren.

Die Encyclopaedia Britannica auf einem Stecknadelkopf – das ist gar nichts!

Schon vor Feynmans Rede war es findigen Bastlern gelungen, das gesamte “Vater Unser” auf einen Stecknadelkopf zu schreiben. Feynman zeigt sich davon jedoch völlig unbeeindruckt: “Das ist nichts; das ist der primitivste und zögerlichste Schritt in die Richtung, über die ich jetzt reden möchte.” Er rechnet vor, dass es angesichts der Winzigkeit von Atomen theoretisch problemlos möglich wäre, nicht nur das Vater Unser, sondern den gesamten Inhalt der Encyclopaedia Britannica auf einen Stecknadelkopf zu schreiben – alle Seiten der damals 24 üppigen Bände!

Damit ist Feynman aber noch immer nicht zufrieden: “Nun, der Titel dieser Vorlesung lautet ‘Da unten ist reichlich Platz’ und nicht nur ‘Da unten ist Platz’.” Also: Was wäre machbar, wenn wir wirklich bis zum Limit gehen und Informationen mithilfe eines Codes aus einzelnen Atomen darstellen? Und wenn wir dafür nicht nur die Oberfläche eines Materials nutzen, sondern auch das Innere?

Um das ganze praktikabel zu machen, nimmt Feynman großzügig an, dass wir für die Darstellung eines einzelnen Buchstabens einen Mini-Block aus rund 600 Atomen nutzen.

“Es stellt sich heraus, dass die gesamte Information, die die Menschheit in allen Büchern dieser Welt sorgfältig angehäuft hat, in dieser Form in einen Würfel aus Material mit einer Kantenlänge von etwa 0,1 Millimetern geschrieben werden kann – das entspricht dem kleinsten Staubkorn, den das menschliche Auge gerade noch wahrnehmen kann. Also – es gibt da unten reichlich Platz!”

Mutter Natur hat das Copyright

So erstaunlich und verrückt das klingen mag – Feynman konnte ganz einfach beweisen, dass diese unglaubliche Miniaturisierung von Information kein Hirngespinst ist, sondern tatsächlich möglich ist. Denn wenige Jahre zuvor hatten Forscher die Struktur des Erbguts entschlüsselt – die Strickleiter-förmige DNA-Doppelhelix, in der unsere Erbinformationen gespeichert sind. Und siehe da: DNA benötigt für die Speicherung ihrer einzelnen “Buchstaben” sogar noch weniger Atome als von Feynman veranschlagt. Wir brauchen also die Miniaturisierung gar nicht von Grund auf neu erfinden, sondern nur von Mutter Natur abgucken. Dazu Feynman:

“Diese Tatsache – dass riesige Mengen an Informationen auf extrem kleinem Raum gespeichert werden können – ist natürlich den Biologen sehr vertraut…In der kleinsten Zelle ist die gesamte Information enthalten, die für die Organisation einer komplexen Kreatur wir uns nötig ist.”

Erst seit der Entzifferung von Genomen in den vergangenen 20 Jahren wissen wir heute genau, wie viel Information tatsächlich in der DNA zahlreicher Lebewesen enthalten ist. Das Ergebnis – hier zusammengefasst von dem Evolutionsbiologen Richard Dawkins – ist erstaunlich:

“Eine einzige menschlichen Zelle hat genug Speicherplatz, um darin die gesamte Encyclopaedia Britannica, alle 30 Bände, drei oder vier mal zu sichern. In einem einzigen Lilien-Samen oder einem einzigen Salamander-Spermium gibt es genug Speicherplatz für 60 Kopien der Encyclopaedia Britannica. Einige Arten der ungerechterweise ‘primitiv’ genannten Amöben haben sogar so viele Informationen in ihrer DNA wie 1000 Encyclopaedia Britannicas.”

Unsichtbare Maschinen 

Aber Feynman schwebt weit mehr vor als klitzekleine Datenspeicher. “Das biologische Vorbild für die Speicherung von Informationen in sehr kleinem Maßstab hat mich dazu inspiriert, darüber nachzudenken, was möglich sein sollte. Biologie schreibt nicht nur einfach Informationen, sie tut etwas damit. Ein biologisches System kann extrem klein sein. Viele Zellen sind sehr winzig, aber sie sind sehr aktiv; sie stellen verschiedene Substanzen her; sie bewegen sich fort; sie schlängeln sich; und sie machen alle möglichen wunderbaren Dinge—und dies alles auf kleinstem Raum…Stellt euch die Möglichkeit vor, dass wir klitzekleine Dinge herstellen können, die tun, was wir wollen—dass wir ein Objekt anfertigen, das auf diesem Level manövriert!”

Feynman macht sich dann Gedanken darüber, was man noch alles mit Verkleinerung anstellen könnte und hat einige radikale Ideen: “Ich weiß, dass Computer-Maschinen sehr groß sind; sie füllen ganze Räume. Warum können wir sie nicht sehr klein machen, aus kleinen Drähten, kleinen Elementen – und mit klein meine ich klein.” Was in den Ohren seiner Zeitgenossen wie verrückte Science-Fiction klang, ist heute bereits Realität geworden – ein halbes Jahrhundert nach seiner Rede tragen wir alle Supercomputer in Form von Smartphones in unseren Taschen mit uns herum.

Im Gegensatz dazu klingen viele andere von Feynman vorausgesagten Anwendungen der Miniaturisierung noch heute utopisch – etwa die Idee, “seinen Chirurgen zu verschlucken” oder Motoren so weit zu verkleinern, dass man sie gar nicht mehr sehen kann.

Das Potenzial der Technologie ist jedoch kaum umstritten und die Fortschritte gewaltig. Dazu der Physiker Michio Kaku: “Schon in diesem Jahrhundert werden wir möglicherweise das wichtigste Werkzeug besitzen, das man sich überhaupt vorstellen kann—Nanotechnologie, die uns erlaubt, einzelne Atome zu manipulieren. Dies könnte eine zweite industrielle Revolution in Gang setzen, wenn molekulare Fertigung neue Materialien erschafft, von denen wir heute nur träumen können, superstark und superleicht, mit erstaunlichen elektrischen und magnetischen Eigenschaften.”

Auch in der Medizin sind die möglichen Anwendungen grenzenlos: “Ein Ziel der Nanotechnologie ist etwa, molekulare Jäger zu kreieren, die Krebszellen verfolgen und zerstören und dabei normale Zellen intakt lassen…in der Zukunft werden (Nano-Partikel in unserem Blut) Krebszellen aufspüren, und zwar Jahre oder gar Jahrzehnte bevor sie überhaupt einen Tumor bilden können.”

Schon zu Lebzeiten Feynmans gab es auf dem Gebiet gewaltige Fortschritte, deren Tempo ihn selbst überraschte. Am Ende seiner Rede von 1959 lobte er zwei Preisgelder von jeweils 1000 Dollar aus: Für den ersten funktionierenden Motor mit einer Kantenlänge von nur 0,4 Millimetern und das Schreiben mit Buchstaben, die so klein sind, dass man damit tatsächlich die ganze Encyclopaedia Britannica auf einen Stecknadelkopf quetschen könnte. Den ersten Preis musste er schon 1960 auszahlen, den zweiten Mitte der 80er Jahre.

Kein normales Genie

Seinen Nobelpreis erhielt Feynman wenige Jahre nach seiner prophetischen Vorlesung – für seine Neuformulierung der Theorie subatomarer Teilchen. Er wollte die Ehre zuerst ablehnen, weil ihm Zeremonien und Autoritäten verhasst waren. Später sagte er: “Den Preis habe ich dafür gewonnen, ein großes Problem unter den Teppich zu kehren.” Seine Herangehensweise mit Hilfe von Mini-Diagrammen aus welligen Linien war derart neu, dass er andere Physiker damit zur Verzweiflung brachte. Nach den Worten eines Kollegen geben “gewöhnliche Genies” anderen Wissenschaftlern das Gefühl, dass sie das gleiche tun könnten, wenn sie sich nur etwas mehr anstrengen würden. Außergewöhnliche Genies dagegen praktizieren Magie. “Ein Magier tut Dinge, die kein anderer jemals tun könnte und die völlig unerwartet erscheinen. So einer ist Feynman.”

Feynman starb 1988 im Alter von 69 Jahren. Seine letzten Worte: “Zum Glück muss ich nicht zwei mal sterben. Das ist so nervig.”

Literatur:

Richard Feynman: “There is plenty of Room at the Bottom”, in: “The Pleasure of Finding Things Out”

Richard Feynman: “Atoms in Motion”, in: “Six Easy Pieces”

Richard Dawkins: “The Blind Watchmaker”

James Gleick “Richard Feynman – Thinker, Scientist, Humanitarian” Obituary in New York Times

Michio Kaku: “Physics of the Future: How Science will Shape Human Destiny and our Daily Lives by the Year 2100”

Jim Ottaviani und Leland Myrick: “Feynman”