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Unit1拥有自己头脑的机器如果任其自由演变，有些机器可以学得更聪明，在一些最需要脑力的任务方面甚至会超越人类。人类能否建造出可以演变得更好并可以超出人们想象而发明解决方案的机器吗？利用简单模式匹配算法，计算机现在可以进行通行的国际象棋游戏。1997年，IBM的一款名为深蓝的超级计算机击败了卡斯帕罗夫。世界冠军认为这次经历和对抗顶尖的人类挑战者一样艰难。阿兰·图灵，战时英国谜团破译密码工作背后的数学天才，于20世纪50年代设立了人工智能的标准，而深蓝的行为至少达到了其中的一个。然而，深蓝的成功并没有给人工智能界留下深刻的印象，那是因为这台机器的创举仅仅在于运算速度快于其他任何以前的计算机。巨大的处理能力可以使它最多预测到后30步棋，而且它聪明的编程可以计算出数百万的可能的棋步中哪一步会加强它的位置。但就本身而言，深蓝所能做的并能出色完成的仅仅是数学而已。它不能为象棋游戏制定自己的战略。但是如果深蓝被赋予一种演变的能力，使用反复试验的经历学会完善自身，会怎么样呢？一种名为“演化硬件”的新技术正试图这么做。和深蓝一样，演化硬件也是通过尝试几十亿个不同的可能，寻求解决方案。区别在于，和深蓝不同，演化硬件不停地调整和完善它的搜索算法，而这也正是找到解决方案所需的逻辑步骤。它每次都选择最好的，并加以尝试。而且，它所做的一切不是根据编好的指令，而是自动完成的。传统观念长期认为一个机器的能力是受限于创造者的想象力。但是在过去的几年里，演化硬件的前驱已经成功地建造了一些可以自行调整并且表现更佳的设备。有些情况下，后来出现的机器甚至超出了创造者的能力。例如，在电路设计领域，对几十年来人类束手无策的一些问题，演化硬件却找出了创造性的解决方案。演化硬件首先需要硬件可以重新配置。如果一个设备不能调整形状或调整做事方法，它是不可能演变的。拿一把瑞士军刀为例，如果要完成开启瓶子的任务，使用者要确认刀具中合适的工具，然后打开刀具，再把设备转变成一个可以撬开瓶盖的用具。在这种情况下，现实的客制化是很简单粗糙的：无论瓶盖的大小和形状，开瓶器的形状始终没变。对于一把瑞士军刀，程序可以被调整（即使用哪个工具），但是硬件（开瓶器）不可以。演化硬件工程师们所要做的就是发明一把刀，可以根据瓶盖来定制形状，自行调整。演化硬件技巧在于创造一个设备，它知道如何在正确的时间做出正确的结构调整。为了寻找最合适的设计，工程师们使用“遗传算法”的编程工具，这种软件技术调配反复尝试的学习过程来模拟生活世界的动力之源——自然选择过程。在设备的运行初期可以确定目标或是之后持续调整。无论哪种方式，设备要改变自己的结构以最好的方式来执行手头的任务。在瑞士军刀的情况下，它会自行算出应该变成的形状，从而解放它的“处理器”（使用者的大脑）去处理其他事情。今天，遗传算法的所有内容（蓝图创造，素质评价和重新配置）可以包含在单个芯片中，几分之一秒就可以运行几千个演化试验。虽然发明至今只有三十年的时间，各种遗传算法已经被普遍地应用于软件当中，它们耗费处理器大量的时间，常常是让人望而却步。演化硬件通过在硬件上运行遗传算法避免了这个问题。这种区别是很关键的。任何电子设备中，把配线指令设置在实际硬件中，而不是当做部分软件加以运行，势必会提高运行速度。在演化硬件中，速度优势十分明显，对于软件中不能解决的问题，遗传算法却可以以实时时间破解方案，达到发现问题和找到解决方案同步完成。这种速度和灵活性使演化硬件成为处理快速变化局势的理想选择。迄今为止演化硬件最显著的应用在于模拟电路的设计。虽然数字设备已经无处不在，但它们仍要与现实世界沟通，而现实世界始终都是模拟的。事实是人类不能用计算机词汇的二进制来说话、倾听、观察、触摸和品尝，而需要模拟电路来测量或产生有关光、声音或温度的波纹般的信号。其他的模拟电路被称作AD和DA转换器，可以把波纹般的信号转化成电子设备使用的离散语言，或对该语言进行转化。传感器、接收器和显示部件在现代无线世界中起着至关重要的作用，而模拟线路正是它们的必要组成部分。不足为奇，随着最近对数字线路的特别强调，模拟设备的设计成为一个严重的问题。首先，做出高效的模拟电路如物理学一样，与直觉密切相关。加州斯坦福大学的约翰·科扎声称模拟电路的设计工作专属“少数的顶级的拥有非凡才能的”工程师。此外，拥有必要技能的工程师十分短缺。例如，德州仪器公司每年需要招聘500个模拟工程师，这比美国所有大学该专业毕业的人数还要多。第三个问题是即使可以构思出好的线路结构，生产出来的设备中相当一部分是有缺陷的。为了使一个复杂的工作利于管理，模拟设备的设计者往往想当然地认为线路中使用的各个组件的运行是统一的和可以预测的。但是在现实世界中，如温度和湿度等环境因素可能会导致一个微型电路的电阻和电容器的电性能更改高达20％。这种差异在数字线路中无关紧要，因为它只需要检测电流是多是少，是否关闭。但模拟电路中的这种变化会使它们无法使用。例如，如果模拟滤波器的传输频率变化超过1％，蜂窝电话将无法正常工作。到目前为止，为了更容易衡量和控制物理性质变化的问题，模拟芯片设计师们试图使用更大的工件。不幸的是，这会导致电路更笨重，电量消耗更多。Unit4纳米技术是如何起作用的多学科的科学家们前所未有地聚拢在一起致力于研究一个微小世界，它是如此之小，即便使用光学显微镜我们也看不到它。这个世界就是纳米技术领域，是原子和纳米结构的王国。纳米技术太新了，没有人真正知道它会导致什么发生。即便如此，有关纳米的预测涵盖了从例如钻石和食物的再生产，到被正在自我复制的纳米机器人吞噬的世界。为了了解不同寻常的纳米世界，我们需要对所涉及的度量单位有一个概念。一厘米是一米的百分之一，一毫米是一米的千分之一，而一微米是一米的百万分之一，但所有这些相对于纳米级仍然巨大。一纳米(简称nm)是一米的十亿分一，小于可见光波长，也小于一百万分之一人类头发的宽度。小到一个纳米，它还是比原子尺度大。原子的直径约为0.1纳米。原子的原子核更是小得多——约为0.00001纳米。原子是我们的宇宙中所有物质的基石。你和你周围的一切是由原子构成的。在原子级，元素以最基层的状态存在。在纳米级，我们有可能把这些原子组合在一起来制造几乎所有的东西。在题为“小奇迹：纳米科学世界”的讲座中，诺贝尔奖获得者霍斯特斯托默博士说，纳米级比原子级有趣，因为纳米级是我们可以组装东西的起点，直到我们开始把原子聚集在一起，我们才可以做有用的东西。纳米技术正在迅速成为一个跨学科领域。生物学家、化学家、物理学家和工程师都参与了纳米级物质的研究。斯托默博士希望不同学科研发一种共同语言以彼此沟通。只有这样，他说，我们才能有效地教授纳米科学，因为如果没有一个坚实的、多学科的背景，你不会明白纳米世界。纳米级令人兴奋和具有挑战性的方面之一是量子力学在其中所起到的作用。量子力学的规则与经典物理学有很大的不同，这意味着物质在纳米级的行为有时可以违背常理，表现反常。你不能步行到墙上，并瞬息移动到另一面，但在纳米级电子可以——这就是所谓的电子隧道。绝缘物质意味着它们不能携带电荷，但当减小到纳米级时，以离散形式，它们可能成为半导体。由于表面面积的增加，熔点可以改变。纳米科学要求你忘掉你所知道的东西，重新学习。那么，这一切意味着什么呢？现在，这意味着科学家们正在试验纳米级物质，以了解它们的特征以及我们如何能够在各种应用中利用它们。工程师们试图用纳米大小的线来制造更小，功能更强大的微处理器。医生们正在寻找如何在医疗应用中利用纳米粒子。尽管如此，在纳米技术主导的技术和医疗市场之前，我们还有很长的路要走。在“星际迷航”的世界里，被称为复制机的机器可以生产几乎所有的物品，从武器到一杯热气腾腾的伯爵茶。长久以来复制机被认为完全是科幻小说里才有的东西，今天一些人认为是非常现实的可能。他们称之为分子制造，如果它一旦成为现实，就可以彻底改变世界。原子和分子粘在一起，因为他们有可以锁在一起的互补形状，或电极吸引。就像磁铁，一个带正电的原子将粘住一个带负电的原子。当纳米机器将数以百万计的这些原子拼凑在一起，一件具体的产品就开始成形。分子制造的目标是独立操纵原子，并将它们以一种能够生产出所需要的结构的模式放置。第一步是开发研制纳米级机器，称为装配工，科学家们可以编制程序，以任意操纵原子和分子。赖斯大学教授理查德斯莫利指出，一台纳米级机器将花费几百万年才能组装成一定数量的有意义的材料。为使分子制造有实际意义，你需要数以万亿计的装配工同时工作。他认为，装配工可以先复制自己，制造出其他装配工。每一代装配工建造出下一代，结果以指数增长，直到有足够的装配工进行生产。在这个构想图中装配工可能有像纳米齿轮那样的可移动部分。数以万亿计的装配工和复制机可以填充一个比一立方毫米的体积更小的空间，并且仍然可能太小，我们无法用肉眼看到。装配工和复制机可以携手合作，自动构造产品，并可能最终取代所有传统的劳动方式。这可以大大降低制造成本，从而使消费品更丰富，价格更便宜，更结实。最后，我们可以能够复制任何东西，包括钻石、水和食物。有了能够制造食物喂养饥饿者的机器，饥荒就可以被消灭了。纳米技术可能对医疗行业的影响最大。患者喝含有纳米机器人的液体，这些纳米机器人被编程用来攻击和重构癌细胞和病毒的分子结构。甚至有人推测纳米机器人可以减缓或逆转老化的过程，寿命可能大幅增长。科学家还可以对纳米机器人进行编程，以执行微妙的手术——这样的纳米医生所进行的工作可以比最锋利的手术刀精确一千倍。通过在这样小的级别上工作，纳米机器人可以完成手术，而不会像传统的手术那样留下疤痕。此外，纳米机器人可以改变你的外表。我们可以通过编程让他们来执行整容手术，重新安排原子来改变你的耳朵、鼻子、眼睛的颜色或其他你想改变的外貌特征。纳米技术有可能会对环境产生积极的影响。例如，科学家们可以设计编程可以在空气中传播的纳米机器人来重建变薄的臭氧层。纳米机器人可以去除水源中的污染物并清理漏油。采用纳米技术自下而上的方法，制造材料产生的污染也比传统制造工艺所产生的污染要少。有了纳米技术，我们对不可再生资源的依赖将减少。砍伐树木、开采煤炭、或钻探石油可能不再是必要的——纳米机器可以生产这些资源。许多纳米技术专家认为，这些应用是根本不可能的，至少在可预见的未来。他们提醒说，更奇特的应用只是理论上的。一些人担心纳米技术最终将会像虚拟现实那样，换句话说，围绕纳米技术的炒作将继续，直至该领域的局限性成为公共知识，然后兴趣（和资金）将迅速消散。纳米技术最直接的挑战是，我们需要更多地了解纳米层级上的材料和它们的属性。世界各地的大学和公司正在大力研究原子如何组合在一起形成较大的结构。我们仍在学习在纳米级上量子力学如何影响物质。随着我们更多的了解纳米级的巨大潜力，纳米技术必将继续影响我们。Unit5谷歌的发展史500多年前,古腾堡发明了现代印刷机，人们自此便可以以低廉的价格接触到大量的书籍和学术著作，从那之后，还没有一项新发明能像谷歌这样深远地影响和改变人们获取信息的能力和途径。纯白色的背景映衬着谷歌多彩并充满童趣的商标，每天谷歌都在以神奇的速度和能力向数以亿计的搜索者提供相应的链接。它深入人们的日常生活，似乎一夜之间就变得不可或缺。每天数以百万计的用户用100多种语言应用着谷歌，对他们来说谷歌和网络已经融为了一体。当人们需要任何信息的时候，只需要在电脑上或者电话上谷歌一下就可以解决。无论男女无论老幼都深深地依赖着谷歌，对他们来说没有谷歌的生活简直是不可想象的。谷歌卓越的并且看起来人性化的特点深深吸引着相当大数量的电脑用户，从专家到初学者，人们相信谷歌已经变成了其思维的延伸。这种吸引力是没有疆界的，不分文化、不分语言、不分地域，它被全世界的人们所喜爱。对于一个年轻并且没有花大价钱用来做广告宣传的公司，其成就是不可比拟的。谷歌的成长完全靠的是口口相传，靠的是心满意足的用户推荐给他的朋友，也有人从媒体或是网上知道谷歌。这其中没有任何麦迪逊大道（以广告业而闻名）幕后推手参与，相反，人们发自内心的喜欢这个搜索引擎，随时随地地使用谷歌来满足自己的兴趣或好奇心。在这