无穷小的巨人

作者简介

彼得·福布斯是一名对艺术和科学的联系有着特殊兴趣的科学作家。他曾为《卫报》《自然》《科学美国人》《新科学人》《世界医学》撰写多篇文章和评论。他的主要著作《壁虎脚》（The Gecko’s Feet）入围了英国皇家学会年度科学书籍奖。 汤姆·格里姆塞是一名职业雕塑家，他参与了一个由纳米科学家所带领的多科学研究小组，小组对一种“定向可重构纳米机器人”的研发工作，得到了的工程学和物理科学研究委员会（EPSRC）的资助。 译者介绍： 刘天峄，悉尼科技大学对外英语教学硕士，译有《外星人 地球以外存在其他生命吗？》等作品。

内容简介

第1章（部分） 1992年，霍华德·卡特冲进了法老图坦卡蒙的陵墓，同时也进入了一个如梦如幻的洞穴，一座最为奢华的宝库。科学家有时也会意外地发现类似的新领域，但其中的宝藏并不是一眼就能看到的。1887年，德国物理学家海因里希·赫兹发现电可以产生与光相似，但具有一种不同波长的波。时至今日，每本物理教科书都会展示完整的电磁波谱，而这其中只有极小一部分——可见光谱——是我们可以察觉到的，但这个新的领域已经给我们带来了无线电、电视、移动通信、计算机和互联网的奇迹。 1959年，伟大的物理学家理查德·费曼开启了另一扇通向未知的大门，不过这么说或许不太正确，因为费曼在这里并不是探索者，而是探索的预言者。同年12月29日，他在加利福尼亚理工学院做了一次题为“底部有大量的空间”的极具前瞻性的演讲。费曼有一种天赋，这就是他能以一种大胆而睿智的方式来阐明科学，他有力而贴近实际的论述，能让人觉得最复杂的物理现象似乎至少是可以理解的，即使并不容易。 费曼在这里的意思，是存在着一个蕴含着复杂的工程学的奇迹的物质尺度，而这个尺度就介于我们在概念上熟悉但又微小到不可见的一般化学分子和通过最强大的光学显微镜可以看见的活细胞之间。此外，费曼相信“既然大自然可以做到，那工程师同样可以在那个尺度上通过操作来创造奇迹。” 要理解费曼所说的那个领域的尺度，那就想一想原子本身。剧作家汤姆·斯托帕德赋予了最简单的原子——氢——一个生动的形象：如果你在圣保罗大教堂穹顶的中心握紧一只拳头，那这只拳头便是原子核，穹顶则相当于这个原子的外部边界，而这个原子含有的单个电子就是一只在穹顶内振翅而飞的飞蛾。中等大小的有机分子——例如葡萄糖（比氢原子大得多）——和一个普通的活细胞之间存在着一个很大的间隙，而这个间隙在尺度上只比原子核和电子层之间的间隙稍小一点，但因为这个间隙位于原子之中，所以它并不是空的。那里存在着超螺旋绳，复杂的小型机器，甚至是迷你电动机，而细胞内部的这些机件就像是一座管道错综复杂的巨型石化工厂，只不过是一种微缩版本。这就是费曼力劝工程师进入并展开工作的新领域——纳米领域。 费曼是从生命体中得到启示的，因为生命体具有已知会产生作用的纳米系统，但纳米技术得以实现的首个领域是以集成电路片为形式的计算机。费曼曾预言： 为什么我们不能把它们（晶体管）制造得很小，用小金属丝、小元件来制造它们——逐步把它们制造得更小。比如说，金属线的直径应该是10个或100个原子，而电路的直径应该为几千埃。 当然，这个预言是极为成功的，而且微型化的进程仍在持续，但纳米科学所做的，远不止是赋予我们以智能化的小装置，它正在将我们带向生命的起点——具有精准纳米结构的化学物质呈现出生命特性的那一刻。一切物质都源于三维运算，无论是结晶结构，例如沸石、蛋白石、准晶体，还是碳化学物质如过山车般的链和环，例如DNA、肌肉蛋白、携氧血红蛋白，抑或是像尼龙、聚乙烯和凯夫拉?这样的复合材料，以及诸如碳纳米管和石墨烯之类的新型纳米结构，全都具有几何结构。 纳米尺度是一个介于我们可以用一台光学显微镜看见的错综复杂的图形——比如说，一只跳蚤身上微小的关节——和构成这只跳蚤细胞机件的小到几乎无法想象的原子之间的领域。纳米技术分为两类：将细微结构压印在硅片上的“自上而下”式和从原子着手来构建结构的“自下而上”式。原子是一组组对立的矛盾体，因为它们既是一块块的物质，可又是一团团的能量。爱因斯坦在外推热力学第一定律时宣称，能量等于质量和29979248（光速）的平方的乘积，即E=mc2，一个简洁得会永远让人觉得大胆而优美的观察结果。 这些数量巨大的能量汇聚在了一个会把一团狂乱的电子聚齐起来，并竭尽全力地使这些电子保持稳定的原子核中。日常世界中所有的物质转化都需要电子的交换。电子可以从原子中被剥离，然后去创造电流，去与其他的原子键合，去创造火、呼吸，以及生命体和非生命体的所有化学过程。被装入一颗原子弹里少量原子的原子核中的能量，比一块有原子弹那么大的燃料块——例如达纳炸药——释放出来的化学能要大几百万倍，但纳米科学关心的是电子的交换，而原子能是原子核的能量，化学能才是电子的能量。 原子的直径介于0.1纳米和0.5纳米之间（1纳米是10亿分之1米）。当带正电的原子核中的质子数量增多时，带负电的电子数量也会增多。尽管较大的原子会给予电子以更大的活动范围，但它们更强大的原子核会产生更大的引力来约束电子，所以原子不会变得太大，只会具有更高的密度。此外，甚至连量子物理学家都感到困惑的是——如果他们是诚实的——电子会在突然间令人难以置信地遍布各处，所以每个原子中的电子都在不停推挤、牵引和旋转，而且在键合的原子间，电子还会不断地交换，然而在能量是如此混乱的情况下，每个原子同其他原子的键合方式永远都是精确且恒定的，而化学物质的迷人之处，恰恰是它们的组织：原子来到一起形成某样东西，正像是通向形成另一样东西的一个阶段，而那样东西又将通向另一个阶段，直至生命相互关联的复杂性汇聚在了一起。 在纳米尺度上还有大量原理性问题尚待研究，但我们充满信心地迎接纳米时代的到来。纳米材料有很多种，在生活中的应用会很普遍。 从包括微电子等在内的微米科技到纳米科技，人类正越来越向微观世界深入，人们认识、改造微观世界的水平提高到前所未有的高度。 伟大的物理学家理查德·费曼有一种将复杂的科学解释给最为广泛的受众听的杰出天赋，在他1959年的演讲“底部有大量的空间”中介绍了纳米科学的潜力。 纳米科学涉及的是，哪怕你用光学显微镜也无法看到的东西。它所能做的，远不止是赋予我们以智能化的小装置，它正在将我们带向生命的起点——具有精准纳米结构的化学物质呈现出生命特性的那一刻。 一切物质都源于三维运算，无论是结晶结构，例如沸石、蛋白石、准晶体，还是碳化学物质如过山车般的链和环，例如DNA、肌肉蛋白、携氧血红蛋白，抑或是像尼龙、聚乙烯和凯夫拉这样的复合材料，以及诸如碳纳米管和石墨烯之类的新型纳米结构，全都具有几何结构。纳米技术在新材料、医疗等领域发挥巨大的作用。 本书高清呈现纳米微观世界精彩图片，并设计了舒适的阅读版式，译文流畅，知识交叉综合性强，传递思想深刻，很具启发性。