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There’sPlentyofRoomattheBottom（中文翻译）我想实验物理学家一定常常会以羡慕的眼光看着像KamerlinghOnnes这样的一个人，因为他发现了低温的研究领域，而此领域似乎是无底限的，可以让人继续不断地往下钻研。因此，他就成为该领域的领袖，而且于那段时间内，可以在那领域的科学探险中独领风骚。当PercyBridgeman在设计一个方法要来获得更高压力时，打开了一个新领域的大门，不仅他自己能进入这个新领域，而且他也一路带领着我们。在研发越来越高的真空上，也是属于同一性质的一种持续的发展。我现在想描述一个领域，虽然其中目前达成的不多，但是理论上却有巨量的东西可以做。这个领域和其他的领域大异其趣，它不会替我们解答基本物理的问题，（例如“奇异粒子，strangeparticles是什么？”）它比较象是固态物理学，也就是说它会极有兴趣地告诉我们在复杂状况下所发生的一些奇怪现象。而且最重要的是，它将会有一个惊人数目的科技应用。我现在要谈的就是有关在一个小尺度下来操运和控制东西的问题。每当我一提到这桩事时，马上就会有人告诉我有关微小化技术以及此科技最近的神速的进展。他们对我提到了如小指指甲大小的电动马达。他们也告诉我市面上已经有一种设备，可以用来在大头针的针头上写下主祷文。但那不算什么。在我要讨论的方向上，这些仅是最落后而且是最碍事的一步。在这此技术底下还有一个极度小的世界。到公元2000年，当人们回顾这个世代，他们会不知道为什么到1960年，还没人认真地开始朝这个方向走。我们为什么不能把全套24册的大英百科全书全写在大头针的针头上？首先让我们想这会牵扯到什么问题。大头针头直径是1/16英吋。如果将其直径放大25,000倍，针头的面积就等于全套大英百科全书纸张的面积。因此，只要我们可以将大英百科全书上的文字缩小25,000倍就行。这样有可能吗？我们眼睛的解像能力大约是1/120英吋，这大约和大英百科全书细网版的再制版上一个小点的直径一样大。如把这个点再缩25,000倍，其直径还有80Å，等于32个一般的金属原子。换句话说，一个这种点的面积上还可以容纳1000个原子。所以，就如光雕刻法(photoengraving)所要求的，每一个点都还可以很容易地调节大小，因此在大头针针头上有足够的空间来刻上全套大英百科全书是毫无疑问的。而且，如果是可以这样写的话,就一定会有方法可以读。让我们假设所写成的是突起的金属字，也就是说，在大英百科全书之中黑色的部份都缩为1/25,000后，用突起的金属字写下来的。那么这样要怎么读呢？如果有东西是这样写下来，我们是可以利用当今常用的技术把它读出来的。（当真有东西这样写下时，一定有人会想出更好的方法；但是保守起见，我只使用当今已知的技术）。我们可以(1)把这些金属字压进塑胶材料中，将之做成一个模子，（2）然后把这个塑胶模子很小心地撕下来，（3）蒸发一层很薄的硅膜到模子上，（4）接着以某种角度蒸发黄金到硅膜上，使文字能够清楚地呈现，（5）最后把塑胶膜溶掉，留下硅膜，（6）然后我们就可以用电子显微镜来阅读了！因此，将文字缩为1/25,000，以突起的金属字写在大头针头上，并且能够读取它，以今天的科技来讲是毫无问题的。另外，我们也会发现制造其拷贝是非常地容易；只要把金属字板再压进塑胶材料中，我们就可获得另外一个拷贝了。如何写小字下一个问题就是：怎么写？我们现在还没有标准的技术来做这件事。但是请让我说明，这并非如乍看之下一样的困难。我们可以把电子显微镜用来做放大功能的镜头反置过来，将之用来缩小。当一个离子源射出的离子，通过这种倒置的放大镜头，就可以聚焦成一个非常小的点。我们就可以像我们在示波器的阴极射线管荧光幕上写东西时一样把那个点写上：一条一条线地扫描，并且在扫描的时候，调整要写下去的离子的数量。但是由于电荷密度上的限制，使用这个方法来写可能很慢，然而未来会有更快的方法的，也许例如利用某些光学过程，我们可以先做出有文字形状洞孔的屏幕，然后我们在屏幕后发射金属离子穿过屏幕上的孔洞，再用上述那套镜头系统，把这文字以离子的形状缩小成像，蒸发沉积在大头针头上。另外比较简单的方法可能如下（虽然我还不确定是否可行）：我们可以把光学显微镜倒过来，将光线透过镜头聚焦在一个很小的光电荧光幕上。光线照到荧光幕的地方就会有电子跳出，这些电子通过倒置的电子显微镜镜头来聚焦缩小，接着就直接撞击在金属表面（也就是大头针的针头）。如果这个电子束撞击得够久，是否能够在金属表面上留下刻痕？我还不知道。如果不能直接刻在金属表面上，我们应该也可以找到某种特殊材料来盖覆在针头的表面上，但是此物质受电子束撞击的部位，一定要能够留下我们事后可以用来辨认的变化才行。同时在这些装置上都没有强度不足的问题。一般在放大影像时都必须把一点点的电子分得很散地打在荧幕上，因此放大的时候常常会遇到强度上的问题。现在的情况适巧相反，由于一整页文字所发出的光，被聚焦在一个非常小的区域，因此其强度非常大。而由光电荧幕所跳出来的少数电子又被聚焦到非常小的区域，因此其强度也是非常地强。我真是不明白既然如此为什么目前还没有能够人做到这件事！也就是大头针针头上的大英百科全书。现在让我们来想想世界上所有的书。美国国会图书馆藏有大约九百万册的书；在大英博物馆的图书馆里藏有五百万册的书；法国国家图书馆也藏有五百万册的书。当然其中会有重复的，因此让我们假设全世界总共有2千4百万册重要性的书籍。假使要把这些书籍全部以我们讨论过的小尺寸印下来，会是怎么样的状况呢？总共会要用掉多少空间呢？当然，这次总共会需要1百万个针头大的面积，因为原来我们只要印24册，这回却是要印上2千4百万册。我们可以将这1百万个针头放成正方形，如果边长是1千个针头宽；那么面积将约有3平方码（针头直径1/16吋；面积≦（1000/16吋）2=15625/5184Yd2）。这也就是说，如果我们用背面有纸一般厚的塑胶硅膜来制出的拷贝，要能将这些资料全部写上去所需要的面积，大约等于是35页大英百科全书的面积。这版面大概是一份星期六邮报1/4页数的面积。这相当于人类自有史以来记录在书本上的信息，现在可以记在一本小册子里，而且可以带在手上到处走晃。而且这还是将所有的相片、版画及其它的所有资料，以其原来的清晰程度缩小而拷贝下来的，不是将资料间接用符号来写下来的(编码)。如果我告诉我们加州理工学院，在一栋一栋的图书馆间穿梭的图书馆员说，在十年后，所有她努力保管的，从地板堆到天花板，塞满图书卡抽屉，以及塞满旧书储藏室的120,000册书籍，可以全部写在一张图书卡上，不知道她会说些什么。假设说巴西大学的图书馆遭回禄之灾，我们就可以立即寄一份我们图书馆中所有藏书的拷贝过去。我们只要在我们的母模上压印一份拷贝，而且邮寄时的信封绝对不会比一般航空邮件要大，重量也不会比较重。今天我演讲的题目是〝在这底下的空间还大的很〞，而不只是〝在这底下还有空间〞。我已经于前面说明了你如何能用实际的方法把东西的尺寸缩得更小。现在我要说明在那之下到底还有多少的空间。我现在讨论的不是其技术，而只是讨论其于理论上的可行性。也就是说依据物理的原理下所可能达到的。我不是要发明反重力；如果物理的法则不是我们现在所想的模式，也许有一天反重力是可能的。我只是要告诉你们，如果物理的法则是我们现在所想的模式，那么在此模式下我们有可能做到什么事；而我们现在只是因为还没发现，所以才尚未进行。小尺度的信息假设我们是用一点一横（〝．─‥〞）的符号（也许还可以用其他类似的符号）来替代字母，而不是把照片和所有资料直接原封不动地拷贝下来。每个字母会有六到七位元，也就是说要有六到七个〝．〞或〝─〞来替代一个字母。现在我还要应用到材料的内部了，而不像先前只把所有东西写在针头的表面上。我们如果用某种金属的一小点代表〝．〞，而用另一种金属的一小点代表〝─〞。保守地假设储存一个位元的信息需要5×5×5个原子的小立方体表示，那么就会需要有125个原子。因为一个位元的信息也许需要100个原子，再加上一些附加的原子以确保资料在扩散或其他过程中不会遗失。我曾经估计过大英百科全书里字母的数目；假设2千4百万册书籍都跟大英百科全书一样的大小；那么全部总共大约需要1015个位元来表示。每个位元如果我能用100个原子来表示，人类小心翼翼地累积下来的资料，竟然全部可以储存在一个边长1/200英吋的立方体里，其大小约是我们肉眼勉强可看见的最小粒的灰尘。所以我说这底下的空间还大的很！根本不用再跟我提什么微缩胶卷了！生物学家们早就知道大量信息是可以储存在微小空间里的事实，而且在我们理解前面的一切理论之前，这个谜早已有解答了：在最小的一个生物细胞里，像我们这样复杂的生物信息是如何储存下来的呢。眼睛是不是棕色的，到底会不会思考，在胚胎的时候下巴骨内部就应该先长出个小洞，以便在里面能够长出一条神经，这一切一切的信息都储存在长长的DNA分子链里，而其却只占细胞的一小部份；在这里面，细胞储存每一位元的信息大约是50个原子。更好的电子显微镜如果我们以符号来写，用5×5×5个原子表示每一位元，有个问题：今天怎么来读它？小心而努力地用电子显微镜来看，解像力约为10Å，因此不够好。当我谈到这些小尺寸的东西，我想试着让你们了解把电子显微镜改良100倍有多重要。并不是不可能的，也没有违背电子折射的法则。在这样一个电子显微镜中，电子的波长约为1/20Å。因此有可能看到一个原子。清晰地看到个别的原子有什么好处？我们在其他领域有朋友，假定是生物学家。我们物理学家常看着他们说〝你知道为什么你们没有什么进展吗？〞（实际上，如今我不知道有什么比生物学发展更快的领域。）〝你们应该学我们，多用点数学。〞他们原本可以如此回答，但是他们很礼貌，因此我替他们说：〝要让我们进展更快，你们应该去把电子显微镜改良100倍。〞今天，生物学最核心最基本的问题是什么？是像这样：DNA中，盐基的序列如何？如果有个突变会发生什么？DNA盐基的序列和蛋白质中胺基酸的序列是怎样关联的？RNA的结构如何；是单股或双股，跟DNA盐基的序列又是怎样关联的？微粒体的结构如何？蛋白质如何合成？RNA跑到哪里去？它如何固着？蛋白质固着在哪里？胺基酸跑到哪儿里面？在光合作用中，叶绿素在哪里，如何排列，类胡萝卜素在其中有何关联？是怎样的系统把光转换成化学能？只要看得见，这些生物学的基本问题有许多都容易回答。你会看到链上盐基的序列；你会看到微粒体的结构。不幸的是，现在的显微镜看得太粗糙了。把它改良100倍，许多生物学的问题就容易多了。我当然有点夸张，可是生物学家一定会感谢这个改进，而且比起他们应该用数学的批评，他们也会喜欢前者。今日化学反应的理论建构在理论物理上。物理提供化学的基础。但是化学里还有分析。如果你拿到一个奇怪的物质，想知道是什么，就要经过漫长复杂的化学分析。今天，几乎可以分析出任何东西，所以我的主意出现得有点晚。但是如果物理学家想做，他们也可以研究得比化学家更深一层。分析任何复杂物质可以是非常简单的；只要看它上面原子在那儿。问题是电子显微镜差了100倍。（稍后我想问：物理学家可以做到化学的第三个问题-也就是合成吗？有个物理方法来合成任何化学物吗？）电子显微镜如此烂的原因是所有镜头的f值只有1/1000；你无法拥有够大的数值孔径(NA)；我知道有理论证明轴向对称之静止的磁场镜头的f值不可能比某值大；因此现在的解像力到达了理论上的极限。但是任何理论中都有假设，为什么要用轴向对称的磁场？为什么要用静止的磁场？我们不能用脉冲的电子束和沿电子运动方向一路上增强的场？一定要用对称的场吗？我向外发出这个挑战：没办法让电子显微镜更强吗？美妙的生物系统把信息写得非常的小在生物学上的例子让我想起了一件可能的事。生物学不仅写下信息，还做出这些信息有关的事。一个生物系统可以很小。许多细胞体积都很小，却非常活跃；它们制造许多物质；它们四处走；它们跑来跑去；它们做出许多美妙的事，所有动作与产品都非常微小。它们还储存信息。考虑一下这是否可能：我们也可以造出一个听我们指挥的小小东西；我们也可以制造出