伽利略用斜面实验和自由落体思想实验,修正了亚里士多德的运动理论;
爱因斯坦广义相对论的诞生,为牛顿的万有引力划定了适用边界;
泊松坚定的支持光的微粒说,通过数学推导得出结论:倘若波动说成立,阴影中心会出现亮斑。他视这一结果为荒谬推论,试图以此反驳波动理论。
然而,实验最终观测到了预言中的亮斑;
曲卓也依靠胶带剥离得到石墨烯,拓展了热力学涨落理论的适用边界……
无数案例都证明,科学不存在永恒、绝对和无条件的终极真理。任何定理、定律,都只是阶段性能够解释观测现象的最优模型。
与科学体系密不可分的顶尖科学家们,确实拥有远超同代人的洞察力,但所有思考都建立在当下已有的观测数据、实验工具、基础概念之上。
时代的认知天花板,没有人能够轻易突破。
费曼也一样。
即便他被称为二十世纪最伟大的物理学家之一,认知同样无法超越时代的限制。
59年12月29日,他在加州理工学院举行的阿美莉卡物理学会西部会议上,发表了一番即兴演讲——《底部还有很大空间》
二十五年过去,费曼意识到上一次即兴演讲表述的许多内容,已经需要修正了。
在与曲卓通话之前,他正在埃萨伦研究所筹备举办专题研讨,准备在研讨会上发表《Tiny Machines》(《底部还有很大空间》的更新版本。
要修正的内容很多,主要有五个方面……
第一点,费曼意识到,他早年设想的“逐级缩小机械机械手”(Waldo 嵌套小手),这条路大概率不现实。
微观尺度分子粘附力、摩擦力彻底颠覆宏观机械规律,简单等比例缩小的机械结构是无法工作的。
第二点,以细菌鞭毛、蛋白质马达等生物结构举例,证明自然界已经演化出分子级可动机械。
既然大自然能演化出分子马达,理论上人类同样可以通过人工合成的方式,制造生物微型可动机器。
第三点,也是最核心的一点。
81年STM扫描隧道显微镜的问世,人类第一次拥有观测、扰动单个原子的工具。
在此基础上费曼提出了自上而下,持续精进光刻、微加工的微观制造路径。和自下而上,从原子、分子尺度进行定向组装的制造路径。
第四点,微观尺度存在不可忽视的物理陷阱。
首先是散热难题,微小器件能量密度极高,热量难以散出。
然后是热扰动,越小的结构,热运动带来的误差越明显,精密控制难度暴涨。
最后一点,计算机速度上限受物理尺度约束,信号传播不能超过光速,想要更高算力,硬件必须持续缩小。
理想状况下,将计算元件压缩到分子尺度,算力密度会迎来量级飞跃。
将这一观点引申,单纯堆大型机柜的超算只是阶段性方案。长远来看,微型化、高密度并行单元才是正确的方向……
费曼了解到,曲卓是因为物理加工工艺的局限性,使他无法按照脑子里构筑的蓝图,继续推进超大规模集成电路的发展,所以才将注意力转移至量子计算后,说了一下他对未来技术演进方向的看法。
不曾想,许多观点曲卓都不认同,或者不完全认同……
首先,曲卓认为费曼过高的估计了外力操纵,同时低估化学体系的核心价值。
探针移动原子,在未来很长时间内,都不过是一项实验室技术,无法规模化量产。未来主流自下而上制造,应该依靠化学自组装。
不需要 “微观工匠”摆放原子。而是设计分子,依靠化学键自发形成目标结构。
其次,自然界蛋白马达高度依赖液相生化环境,很难移植到固态工业系统。人类可以畅想纳米级机器人,但微型分子工厂短期难以实现。
而且,微观结构稳定性,暂时是不可预测的。
还以自己的石墨烯成果举例,证明微观低维材料存在独特的热力学涨落效应,许多设想中的稳定微观结构。起码在常温下是难以维持的,会进一步抬高分子机械的工程难度。
另外,曲卓认同费曼“微型化具备巨大潜力”这一看法,但提出两点补充约束……
器件微缩存在物理硬性天花板,逼近电子波长时,量子隧穿带来的漏电和噪声,会成为经典体系的边界。量子效应将会从次要扰动转变为主导约束
并用同制程下,自己设计的超大规模集成电路与同类设计做横向比对,证明硬件尺度不是唯一上限。指令集架构、并行模型、算法能够释放同等量级算力,不能单纯依靠缩小晶体管。
此外,曲卓补充了一个费曼没有想到的问题:纳米尺度物质的化学活性、生物特性与宏观材料截然不同。微小颗粒极易穿透生物屏障,存在未知生物毒性和环境风险。
所以,新技术除工程壁垒,还有生态与生命层面的约束……
曲卓的酒店套房内,一位享誉世界的理论物理学家和一位年轻的新锐应用物理学家、半导体材料学家,从最初的分歧到争论,然后……一人说,一人听。
最终变成一个提问,一个边写写画画边回答……
曲某人是后者。
再博学的科学家,也是有知识边界的。
费曼是理论物理学家,习惯从力、能量、尺度思考。而微观规模化制造的核心瓶颈,大量落在物理化学领域,还要延伸到生物学。
费曼的知识涉猎很广,但再广,也远不可能与曲某人可以时时调用的庞大知识库相比。
从电磁学、热力学、原子分子物理,等离子物理、引力学、宇宙学,到有机化学、无机化学、高分子化学、材料化学、相位化学,乃至细胞生物学、分子生物学、微生物学、分子生物学、生态学……曲某人引经据典信手拈来,甚至还引入了一些建筑工程学的概念,狠狠欺负了一把外国老头。
费曼毕竟是60多岁的人了,一旦脱离熟悉的知识框架,脑力完全跟不上曲某人的天马行空,尽管大部分时间都只是在听,后半段依旧眼神有些涣散。
直接被侃懵了……
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