互动科普

Edward M. Reifman相信：“那就是救星”。这位加利福尼亚州恩西诺市的牙科医生已花了数百美元去出席一个会议，以听到关于工作部件如同蛋白质分子那样小的机器人的学术报告，Reifman向纳米技术的化身K. Eric Drexler点头示意, Drexler刚刚完成对科学家、企业家和他自己的助手这样一些很奇妙地聚集在一起的各色人等解释说，在十到三十年内，纳米技术可能实现。按照他的观点，这个世界尚未完全领会分子机器的意义，这种机器将根本改变物质商品的生产方式。

纳米技术是尺寸在100纳米(一米的十亿分之一）以下的材料和设备的制造。它的定义适用于广泛的学科，从常规的合成化学到用微型探测元件去操纵单个原子的技术。按照Drexler公布的前景，当前的纳米尺度的制造方法最终能够发展为制造分子机器人或19世纪工厂的缩微形式的技术。仅用数小时的工夫，基于Drexler的纳米技术的制造系统就能够生产出任何东西,从装备了火箭的舰船到可在血液中漫游,与疾病作斗争的微型潜水艇。同时，像生物细胞一样.遍布纳米工厂的机器人甚至能够复制它们自身。在《科学美国人》专栏专家这个新时代所做成的商品只比其设计成本和原料(如空气、甜菜糖或廉价的碳氢化合物原料）成本稍为贵一点，这些Drexler设想的前景断定会发生基本的社会变化：纳米技术能够减轻世界性饥饿、净化环境，治疗癌症、保证活到符合圣经所说的寿命或制造无限恐怖的超级武器。

因为梦想到其它行星上殖民和到其它银河系去旅游的诱惑力已减退，所以科学幻想家们已将其注意力从外层空间转向内层空间，计算机专家和分子生物学家已取代火箭科学家而成为英雄，他们将帮助跨越经济和人类所施加的限制，麻省理工学院的量子计算技术教授和专家Seth Lloyd说:“无论Drexler的乌托邦式的想法是否正确，它们是在许多领域已达到停滞阶段这样一个时刻提出的。你不会碰到有如太空计划那样大胆的许多领域。”

能够拯救或破坏世界的亚显微机器吸引着从退休海军上将到爱好技术的牙科医生到渴求知识的学生的任何人。（这些人全部出席了纳米技术会议)。牙科医生Reifiman就是一个门徒，他把纳米技术的信息带给神经质地坐在牙医椅子上焦急地等待的病人。他告诉这些病人，机器人如果像微生物那么小，它将无痛地整修牙齿或在掉牙处安上新牙。他预言:“你可以大嚼巧克力而不用感到不安。”

Drexler提出他的纳米技术的前景已经20年了。但是，近年来，他的关于下一个世纪及那以后的复杂结构的图景己开始被对纳米技术的实际研究所压倒。在纳米尺度上激发实际研究人员的东西是比分子机器人更无限世俗的东西——但也是更实际的东西，这种形式的纳米技术可能不含轻易实现实际上全球无限富裕和人类掌握物质世界这一希望。但它可以超出单纯推测的范围,产生功能更大的计算机、设计新的药物或进行更加精确的测量。

研究人员现在能够用显微探测元件操纵原子或分子，将20个基本氨基酸排列组含成自然界中尚未发现的新的蛋白质，或帮助有机分子在金属表面上自发组装成有序的模型。它种研究肯定会产生向工程界提供新工具的前景。具有讽刺意味的是，这也证明，用单个原子或分子作为结构单元的困难，因为己知存在许多能够移动这些结构单元的物理力。事实上，一些对Drexler的最尖锐的批评者正是把他们的时间花在纳米领域中进行辛勤劳动的工程师和科学家们。

然而，对于许多科学和技术的唯美主义者来说，Drexler想象的前景已开始代表纳米技术。这种现象在科学社会学中并非罕见，未来学家、记者和科幻作家所塑造出来的对某一领域或概念的普遍看法，与所遇到的研究人员在日复一日的试验研究和实验中往往是单调乏味的和无规律的经历的现实成对比。

纳米学

纳米专家们的40岁的领袖Drexler说话时那夸张的教授式的腔调，使人模糊地想起60年代动画片中的迂腐人物Peabody先生。11月初，在他的预测研究所——他在加州帕洛阿尔托市建立的协助为纳米技术开道的一个组织——发起的两年一度的会议的一次自助午餐会上，Drexler将牛奶倒人他的冰茶中。他解释说，牛奶结合可导致喉癌的丹宁。

在这顿午餐上，他抱怨美国的科学技术研究界是目光短浅的，它大大忽视了他的纳米技术。Drexler对未能实现的梦是很熟悉的。在70年代，他自愿与太空殖民的倡导者Gerard K. O'Neili一起工作，以设计出在地球外生活的种种方案。他甚至在麻省理工学院当一年级新生时就写了一篇关于在小行星上采矿的文章。Drexler和其它纳米专家把他们的纳米技术看作复兴沉落的太空计划的一种手段，该计划没有立即规划在火星上建立隐居点，纳米技术将使会成为太空运输工具的高强度、轻型材料得以生产。

支持小的、自我复制机器的基本想法不是Drexler首创的。著名的数学家、人造生命领域之父John Von Neumann对能够进行自我拷贝的机器作了反复思考。在常常引用的1959年的一次演说中，诺贝尔奖获得者Richard P. Feynman谈到将每个原子放到理想位置的制造物体的能力。自信的Feynman习惯开玩笑似地摆弄使物体小型化的设想。以带Blooklyn口音的Borscht Belt喜剧演员的幽默对这个题目进行深思。Feynman甚至提出在中学之间开展一场竞赛洛杉矶中学可以寄一枚大头针到咸尼斯中学，在上面写着[在针头上]，‘这是怎么回事？’他们取回这枚大头针，而在这‘i’字母的那一点上写着，“不是如此的热”。Drexler不像顽皮的Feynman那样，他以执拗的认真态度来对待他的热情。这个信息是：纳米技术正在到来，我们现在必须做准备。

但是，Drexler当然能够声称，使一项迷人的设想得到如此广泛的宣传应当归功于他。在Drexler1986年的著作《创造的发动机》中，他像儒勒．凡尔纳和H.G.威尔斯一样成功地描述了随着新技术的到来而永远改变的世界。在《发动机》一书中，Drexler介绍了一个“装配器"的概念，这是一个其尺寸为十分之一微米(一微米为一米的百万分之一)或更小的机器人装置，该装置能够选出和定位。一个反应的分子，使其能与另一个分子相互作用，似乎它是插入适当位置的Lego块。他也描述了配有传动带和滚轴的、加工分子的研磨机。一组纳米计算机——或许是分子棒的集合体，它能改变代表不同逻辑状态的位置——一次能够将指令传到几万亿个装配器中去。这个计算机也能指令装配器自我复制。在Drexler的书中，他详细说明了社会如何能够被纳米技术改变。《发动机》—书以摩尼教的方式对好坏两方面的情况都作了介绍。

好的方面和烫手的问题

纳米计算机与分子机器相结合能够使几乎所有可被设计出来的东西都用许多廉价的原料甚至或许是灰尘，日光和空气来生产。装配器能够将原子和分子串在一起，因此大多数商品都能由钻石或其它坚硬的材料来生产，使得大多数一般的物品把重量轻和强度高这两个优点惊人地结合在一起。

以纳米制造技术生产的商品，每公斤的成本只相当于土豆的价格。所形成的纳米世界(在其中每个人都是富裕的，因为商品成本急骤下降）将使经济学家们（即研究贫乏的科学家)感到惶恐不安。一架大型喷气式客机仅以当前一辆汽车的价格即可买到。一所住房的主人能够将丙酮倒入一个家庭制造系统，其外观相似于一个微波炉，一小时之后，在出口处就会出现一部计算机，一部电视机或一部光盘机。一部家庭食物种植机器能够迅速将一头奶牛身上获得的细胞培养成一大块牛肉，这是上帝赐与动物权利保护运动的一份礼物。

装配器制造的像微型潜水艇一样的机器人由于杀死微生物、使心脏病造成的组织损伤恢复原状或使引起癌症的DNA突变发生逆转而延长人的寿命或使人返老还童。纳米机器通过修复大脑和其它器官的冻伤损害而使低温贮藏的人复活。（事实上，Drexler打算签约在他死后冷冻他的尸体）。《创造的发动机》一书甚至在考虑为心灵感应或为根本上改变一个人的躯体提供基础的纳米技术。

在阴暗的一面，装配武器的生产流水线化，允许制造坦克或地对空导弹。此外存在着很“烫手"的问题——纳米装置由设计可能使它的复制失控，如象恶性肿瘤细胞那样，并在数天之内把一切物体都化为灰烬。

在《创造的发动机》一书中反复考虑烫手的问题和延长寿命的题惹起了许多科学家的哄笑。19年,Drexler以《纳米系统》一书答复了批评者们，这本书试图从物理、化学和生物学的根本原理方面为他的微型机器打下一个基础。《纳米系统》把重点放在专业内容上以试图引起人们的重视。言外之意是说，我并非怪人。但是，这本书大体上仍然只是科学团体感兴趣的事物。对于许多科学家，工程师和技术人员来说，要他们认真看待该书结尾的一节（显示的装配器的元件相似于大尺度的机械装置）是困难的，例如，六脚平台模仿将飞行模拟器倾斜成偏航、俯仰和翻滚不同姿态的平台；它的尺寸:直径只有100纳米，不比一个病毒大。麻省理工学院自组合化学主要研究员Julius　Rebek说:“这不是科学——是在做演出生意，

尽管Drexler疏远了主流派科学和工程，但他还是继续网罗信徒，特别是网罗那些被能够制造可用一组三维坐标说明的任何真实的物体的前景所诱惑的计算机科学家。物理学家及科幻作家John G.Cramer写道“纳米技术将减少任何制造上的问题。从制造治疗普通伤风感冒的疫苗到用海水中所含的元素制造宇宙飞船(starship)以及实质上是软件问题的任务”。

硅谷这个对微型化狂热爱好者的麦伽圣地，招揽了数量不成比例的纳米专家。苹果计算机公司已帮助发起了预测研究所讨论会——1995年12月最近的一次讨论会吸引了300多人参加，为1993年与会人数的两倍。在计算机密码术方面使自己成名的、施乐公司帕洛阿尔托研究中心的一名研究员Ralph C. Merkle把他的时间花在制造分子机器组件的模型上。（Merkle已签约今后冷冻他的头。）

1991年，加利福尼亚的一家软件公司Autodesk的隐退的创立者John Walker捐赠了17.5万美元以帮助筹建一个研究组织即分子制造研究所。研究所的大部分拨款都已花在支付Drexler研究如分子齿轮、轴承和其它部件的计算机模拟那样的项目中。

Drexler的追随者包括如人工智能先驱者Marvin L. Minsky之类的纯理论思想家。纳米技术似乎也激发了政府实验室设法重塑它们的形象，橡树岭国家实验室已允许它的模拟小组之一为模拟分子轴承和转动轴作出广泛的努力。国家航空和航天管理局局长Daniel S. Goldin把纳米技术看作建造更小和更轻的太空运载器的一种手段。国家航空和航天管理局艾姆斯研究中心已计划设立一个专门小组于1996年春季开始研究它的超级计算机如何能够用来提供纳米装置的模型。或许最值得注意的趋势——对于纳米技术前景的批评者来说则是最令人不安的一种趋势——是对这种技术适合于学生的呼吁。纳米技术研究小组已在如麻省理工学院和加州理工学院这样的大学内建立起来。加州理工学院的化学及应用物理学教授William A. Goddard说，它已捕捉到前途光明的年轻科学家和工程师们的想象力。Drexler和Merkle两人的赞赏者Goddard偶尔与他们一起对分子机器部件的模拟进行研究。

Drexler及他的纳米技术门徒把分子纳米技术看作科学和技术的一次巨大的挑战。他们从《科学》(Science)和《自然》(Nature)之类的杂志中去逐页搜寻可能为最终自我复制的装配器打下基础的研究进展的证据。在1995年秋季召开的这次预测研究所讨论会上，Merkle展示了一幅示意图，说明化学家和材料科学家当前正在进行的100纳米以下尺度的研究有朝一日怎样能导致纳米机器。那幅图的左边的图形代表实验手段，如能操纵原子的探测器、直径为一纳米的石墨管和新型蛋白质等。位于图右边的图形相当于计算机模拟装配器的分子机器部件，在图的中间出现一个引人注意的空白。

真正的纳米技术

研究工作发展到计算机模拟以外并进入到实验室的大多数研究人员并不把纳米技术的挑战看作会导向如Merkle这样的纳米专家所提出的目标。（他们中的许多人，其中部分人为宣传他们的研究甚至利用纳米(nano）这一符号）追求一系列更为谨慎的目标，在对Drexler学派的纳米学看法上的分歧并不能阻止这两个阵营偶尔的交往。

哈佛大学的化学教授George M. Whitesides在预测研究所讨论会上介绍了对他的研究的一篇评论。Whitesides研究在一个表面（如空气和水之间的表面）简单的天然物体如何通过使热动力学不稳定性达到最小而实现自组含[参见《科学》1996年，第1期，George M. Whitesides所著“自组合材料”一文]。在这次会议上Whitesides描述了他和他的同事如何利用自组合碳氢化合物分子(称为链烷硫醇）在金表面上形成有序排列的行。他们已证明这种制作方法如何能用于加工过程中，使在计算机芯片上制出的电路线宽比通过常规的光刻法所达到的电路线宽要细得多，最终，含有可改变信息的装置之小硅立方块的自组合能够导致制造计算机处理器的新方法。

Whitesides并不把他的研究目标看作向装配器的迈进。他把他对自组合单层的研究与根据一组编码的指令而实现自组合这一仍然是遥远的目标区别开来。生物细胞用后一种方法做成自身的拷贝，纳米装配器也得如此工作。Whitesides说：“使[Drexler的前景]振奋人心的是自我复制，在目前，它几乎全都是科学幻想。即使经长时间的仔细考虑之后，人们也看不到有什么办法能够把这一设想与我们知道现在怎样做的东西或甚至在可预见的将来能够设想的东西联系起来。”

用单个分子结构单元制作物体的复杂性可能消除纳米专家所预见的任何明显的成本节约，只有少数明确描绘的技术领域是例外。制作计算机芯片已经变成用尺度小于1纳米的最小电路元件制造这种细部件的一种形式。新的半导体工厂的成本现在已达到数十亿美元，部分因为需要在芯片的表面精心地制造更小的图案所提出的技术挑战造成的。芯片生产者仍然能够证明附加的花费是合理的。因为把电路组装得更紧密会导致更高的计算性能并最终降低其成本：对于其它大多数商品，纳米技术可能受到来自自然界的激烈竞争。在高级研究项目管理局建立了纳米电子计算的Jane A. Alexander评论说：“Drexler的宏伟的前景是一个很好的前景，但有时某些细节不是完全正确。我曾听到他说过，我们将能用纳米技术来制造桌子。木料便宜得可怕，树木能很好地生产木材。”

将每个原子保持在它的位置上可能也被证明在原子水平上是极为麻烦的。泰思河畔纽卡斯尔大学化学系的一名研究员David E. H. Jones[他可能是《自然》杂志中直言不讳的“代达罗斯”(希腊神话人物)专栏的最著名的作家]对单个原子和分子在最终的安装装置中起着结构元件的作用这种想法提出了尖锐的批评。一年以前Jones在评论科学作家Ed Eegis所著的关于Drexler的一本通俗读物(名叫《纳米》）中作出了他的论辩。Regis的叙述总的来说有利于这位头号纳米专家的想法。

Jones描述了为达到实质上控制原子所需要的人为条件。1989年，IBM公司的两位研究员用扫描隧道显微镜(将原子拖过一个镍表面的装置)操纵35个氙原子写出了该公司的缩写名，当显微镜的钨尖端进入距每个原子十分之一纳米以内时所发生的化学键的相互作用使原子被移动。Jones注意到这一实验中所遇到的困难:IBM的标识字母是在极高的真空内、用惰性氙原子在液氦的超低温下形成的。在被抽空的环境外面，万物变得很不稳定。Jones写道:“在室温或接近室温下结构方面更为有用的元素的单个原子的移动性和化学活性都很强，它们将立即与周围的空气、水、相互之间、支持装配器的液体或装配器本身相结合。

Jones相信，纳米专家未能考虑到关于装配器系统中热动力和信息流的关键问题，这装配器怎样获得它们的关于哪个原子是在哪里的信息，以便识别和捉住它？它们怎样知道它们自己在哪里，以便从供应库[在那里贮存有原子原料]驶向放置它的正确位置？它们怎样获得把材料分解为单个原子的动力、行驶的动力以及特别是在内部进行大规模计算的动力？”在Jones作出结论之前，这个问题的清单还在继续延伸只有在这些复杂问题被适当地明确表达和回答之后，才有必要认真看待纳米技术。在那之前，它将始终只不过是技术预测的盲目乐观派的奇特展示的又一种表现而已。”纳米专家对这种连珠炮式攻击的反应是简单的：阅读Drexler的技术巨著《纳米系统》，该书包含对诽谤者提出的实际上任何一般观点的答复。例如，声波能够被用来向装配器提供动力，这是对Jones的反对理由之一的回答。

Drexler认为，他的批评者们（他们的要求集中在新产品上或下一轮科研经费拨款过程上）很难，考虑到将来足够远。Drexler主张:“对于不懂得你正在谈论的2020年或诸如此类事情的局外人来说，这些想法会带来混淆的、不现实的短期的期望：它使得研究人员感到不快，因为它不是他们想要的测量尺度，它也引入了伦理和人类的未来等问题,那不是一般的冷静的，科学分析的问题。”

对于制造物体的工程师来说，在《纳米系统》中去寻找相关的页面是不够的。Drexler吹嘘他的研究为“理论上的应用科学”：即仅受物理定律的限制，而不受现今实验室或工厂制造能力局限性的限制的研究，可是，对于顽固的工程师们来说，这种“理论”和“应用”的并列很快就变成一种矛盾修饰法。这是他们对《纳米系统》的作者的反应吗？当你能告诉我怎样制作这些物体时才想起。

小的细节的累积可能会使微型机器的最佳理论遭到灭顶之灾。惠普公司的一位工程师Phillip W. Barth把模拟分子轴承称作“计算机辅助思考”。关于《纳米系统》他说，漏洞比实质内容还多。对于每个问题都有似乎真实的论证，但对任何问题都没有详细的回答。”Barth是微型机械方面的一流的工程师，那是一个以硅制造显微传感器和机器的领域[参见《科学》1983年，第8期，James Angell, Stephen C. Terry和Phillip W. Barth所著“硅微型机械装置”一文]。Barth注意到该书未论述许多基础工程问题。这些问题能够使Drexler的许多纳米装置不可能制成。Drexler的纳米轴承可能具有分子稳定性。但是，他注意到，《纳米系统》未论及到在制造轴承和中间步骤期间所合成结构的稳定性。此外,未解决的细节可能不是如此微不足道。Whitesides宣称：“能量是一个根本问题，说它来自某个地方——声波或其它什么——没有什么用处。如果我们能忘记能量供应的细节，我们就会有一部永动机。”

在Barth看来，现在不能制造一部装配器——加之煞费苦心地推测将来可能会拥有什么——给纳米技术带来一种决定性的意识形态上的或者甚至是宗教的偏见。1996年元月初，他在Internet网络的电子公告栏(纳米技术科学)上公布了一个信息，建议网络用户们对分子纳米技术是否具有社会的、政治的群众运动或宗教信念方面的要素作出评价，Barth从《纳米技术》（Namo Technology)这一新杂志引用了下面一段话，从而表明他赞同把纳米学看作某种形式的救世运动:设想你的身体和骨骼是用看不具的钻石纤维织成，那么你可能从一座大楼上掉下来却安然无恙地走开。

在科学和幻想的边缘

纳米专家的遗产可能是为科幻作家提供故事的素材。科学幻想的最新形式是利用纳米技术作为它的核心的东西。这类科学幻想是William  Gibson之类的作者的控制论幻想作品的一种改进型，它有时甚至被称作“纳米废物”纳米作家所描绘的世界已超出了控制论中的智力控制和把人脑下载到计算机中等幻想的范围。它主张最后控制所有事物：《科学—幻想研究》杂志(DePauw大学出版)的一位编辑Istvan Csiosery—Ronayr Jr,说似乎纳米技术已变成魔术麻醉药，这是一种以伪科学进行解释的使任何事物都能够发生的魔术粉末。

1995年出现的一个“纳米”，故事集描写了如Poul Anderam这些著名科幻作家的幻想，这本名为《纳米梦》（Nano dreams)的书甚至包含有Drexler所撰关于科学幻想作为探索纳米技术未来的社会影响的工具之价值的介绍性短文。在最近—次接受采访时Drexler说:“说某种东西听起来像科学幻想并不等于就应当对它不屑一顾。50年代科幻作家所描述的东西，有许多已经实现了，同时你必须区别反重力与飞向月球，区别时间旅行与制作在工厂中做工的机器人。”

《纳米梦》中载有一个故事，即在小产时胎儿所受到的痛苦被传送给纳米机器，该机器在孩子的父亲体内再现这种感觉——于是在最后，杀死这胎儿。另一个纳米故事描写一个公司：该公司因制造出能修复子弹创伤所引起的组织损伤的纳米机器而刚刚实现了一次突破。在一幕中，实验室墙上的一幅广告画描绘了爱因斯坦将一支蜡烛递交给Drexler。

在Internet网络电子公告栏和World Wido Web网络上公布的纳米专家的幻想往往超过最好的科幻作家的幻想。试以经常讨论到的所谓“实用雾”为例:组合在一起的纳米机器形成理想形式和形状的材料，你就能得到一张Queen Anne风格的桌子。

化学起源于远古的炼金术，认为物质的转换将带来健康和财富（但或许不是最终掌握内部身修)，纳米学类似于现代化之后的炼金术的一种形式——它还为分子机器部件的研究颁发奖金。到十一月的预测讨论会将结束时，宣布了关于一项新奖，即Feynman奖。

旧金山一家软件公旬即Macromedia的一位经理Jim Von Ehr及圣路易斯一位风险资本家Marc Arnold提供了25万美元的这笔奖金。它奖给将引入分子纳米技术时代的基础突破:机器人手臂和装配器的计算元件。

目前，纳米专家只有等待这些突破的到来，同时继续建立他们的分子机器部件的计算机化模型。那可能是很久以后的事。事实上，Drexder本人已说过，他们不屈不挠的精神已被批评者们的嘲弄减弱了，同时他可能考虑从事纳米技术以外的一个行业。他说，这对它已厌倦了。

纳米专家确信突破的必然到来Feynman指出，某些太平洋岛上居民认真地等待曾在二战时登陆的美国军队返回来。他描述了岛上居民为飞机的返回所作的精心的准备，这些飞机会带给他们先进的技术装备和无限的财富，跑道边上用篝火作为航标。一个男人坐在一个小栅房里用木头雕成的头戴受话器、并从那上面仲出一根像天线的竹棍扮演空中交通管理员；这些信徒们在这工业化时代以前的模拟机场中耐心地等待。

Feynman说:“他们每样事都做得正确，这种方式是完美的。它看起来跟过去一模一样，但是，它不起作用，没有飞机着陆。Feynman指出，类似地，有的科学研究依赖于虚幻的精神满足——而不能考虑为什么有些事物不起作用。他作出结论:因此我把这些东西称作“货物崇拜”科学。因为他们遵循科学研究的表面的概念和形式，但他们却正好缺少某些实质的东西。因为飞机没着陆，直到纳米专家能够作出装配器并发现用它作有用的某些东西以前，分子纳米技术仍然只是现今的货物崇拜。