前言




　　K. Eric Drexler的《创造的发动机》是一本关于新技术的结论的原创作品。它是雄心勃勃的和富有想象力的和，最重要的，提出的思想是技术上可行的。

　　现在有谁能预言科学和技术将带我们走向何方吗？虽然很多科学家和技术专家试着去预测过，但是为什么那些最成功的预测却是出自科学幻想作家诸如儒勒·凡尔纳，H·G·威尔斯，Frederik Pohl，罗伯特·海因莱因，伊萨克·阿西莫夫，和阿瑟·C·克拉克？当然，他们中的很多人非常了解他们那个时代的科学，但是恐怕他们成功的最主要的原因是他们同样关注在他们的社会中浮现出的压力与选择。例如，克拉克自己曾经强调，事实上是不可能预言超过半个世纪后的技术细节的。首先，你不可能预言哪种选择在一段长时间后是技术上切实可行的，为什么？因为你如果能很清楚地看见将来，你就可以很快地去实现——如果想实现的话；第二个问题是社会变革的影响同样是难以预测的。由于这些不确定性，预见未来就象建造一座非常高并且很脆弱的推理之塔，我们都知道这样的建筑是靠不住的。

　　如何建造得更可靠一些呢？首先，基础必须十分牢固——Drexler的预见就是基于当前最可靠的技术领域的知识，其次，在每一步结论都必须用不同的方法来证明，在进行下一步推论之前。这是因为没有任何一种单独的理由可以在如此多的未知之前站的住脚。

　　因此，Drexler在每个重要论点上都给了多种支持的证据；最后，在这种问题上永远也不要完全相信一个人的判断，因为每个人都有希望和恐惧，这会使我们的思考带有偏见——而我们自己并不了解。但是，和大部分创新者不同，Drexler多年来一直勇敢地和毫不隐瞒地把这些观点暴露在正统科学社会中的保守怀疑者和理想主义者面前（如MIT的圈子中）。他仔细地倾听他人的说法，并不时修正他自己的观点。


《创造的发动机》原版封面 
 


　　《创造的发动机》一书从一个具有洞察力的论点开始，即我们能做什么取决于我们能造什么，由此开始引导我们仔细地分析堆叠原子的可能途径，然后Drexler问道：“我们用这些原子堆叠机器能做什么？”首先，我们可以制造比细胞还要小的组装机器，并且可以制造更轻和更结实的材料。因而，可以建造更好的宇宙飞船；因而，可以建造更微小的装置，它们可以在毛细血管中穿行并进入和修复活细胞；因而，可以治疗疾病，恢复青春，以及是我们的身体更快速和强壮。我们可以制造象病毒那么小的机器，和能以我们不能体会到的速度工作的机器。然后，一旦我们学会了怎么去做之后，我们就会想要用无数个这类微小机械去组装成智能机器，也许是基于上万亿个纳米尺度上的并行处理机来描述、比较和记录各种图案，并可以开发以前经历的记忆。因此这些新技术将不仅改变我们改造周围的物理世界的材料和方法，而且还能激发我们深入任何一个我们创造的世界的活力。

　　现在，我们回到克拉克的那个预测五十年后的难题，我们会看到Drexler处理的那些问题使得这个看起来几乎毫无意义。一旦原子堆叠处理启动，那么“仅仅五十年”将会带来比中世纪以来的所有改变更多的改变。对我来说，尽管我们听到了很多有关现代技术革命的东西，它们并没有象过去的半个世纪给我们生活带来的改变那么巨大。电视真的改变了我们的世界了吗？当然没有无线电带来的改变那么大，甚至比电话的改变还要小。那么飞机呢？它们仅仅是把旅行的时间从几天缩短为几小时——而在此之前铁路和汽车已经把这个时间从数周缩短到几天了！但是《创造的发动机》把我们带到了一个真正重大的变革的门槛之前。纳米技术将比物质世界领域中的前两项重大的发明给我们带来影响更大——用金属代替石头和木棒，以及电能的利用。同样地，我们也可以比较人工智能给我们的思想带来的影响——和我们将如何看待自己——相较于这个领域的另外两个早前的发明：语言和文字。

　　我们很快就要面对这些前景与选择。我们应该怎样去处理呢？《创造的发动机》说明了这些选择将如何导向很多与人类发展关系重大的问题：富裕与贫穷，健康与疾病，和平与战争。Drexler不仅客观地列出了可能性的目录，也提供了很多的想法和如何处理的建议。《创造的发动机》是目前为止对人类未来的思考的最好的尝试，我们将坚持发展新的技术。

　　-- MARVIN MINSKY

第一部 展望的基础
第一章 建造的发动机




　　蛋白质工程……允许我们一个原子一个原子地构造物质，代表了我们迈向具有更通用能力的分子工程的首要一步。
　　——KEVIN ULMER（基因探索性研究公司董事长）

　　煤和钻石，砂子和芯片，癌细胞和健康组织：纵观历史，原子排列的不同导致了便宜和贵重，疾病和健康的显著区别。按一种形式排列，原子形成了土壤，空气和水；按另一种形式排列，它们形成了草莓。按一种形式排列，它们形成了家园和新鲜空气；按另一种形式排列，他们形成了烟雾和灰尘。

　　我们排列组合原子的能力取决于我们的技术基础。我们在原子排列的路上已经走了很长时间了，从砸石头制作箭头到加工铝制作宇宙飞船。我们为我们的救生药和计算机技术而骄傲。但是我们的飞船还是很粗糙，我们的电脑还是很笨，我们身体组织里的分子还是会变得无序，先是摧毁健康，然后是生命本身。我们所有在排列原子方面的进展仍然在使用原始的方法。我们现在的技术仍然是把原子作为杂乱的一大堆来操作。

　　但是自然的法则为发展留出了足够的空间，并且全球竞赛的压力也促使我们快速向前，不论是好是坏，历史上最伟大的技术突破正在到来！

　　
　　两种类型的技术

　　我们的现代技术建立在一个古老的传统上。3万年前，石片切削是当时的高技术。我们的祖先手里抓着含有1024个原子的石头，去掉含有1021个原子的碎片来制造他们的战斧；他们使用的技巧现在都难以模仿。他们也能把手作为模板，用颜料在洞壁上画画。之后他们用粘土烧制陶罐，然后是烧化矿石得到青铜，他们锤打青铜使之成型。他们炼出了铁，然后是钢，用加热、锻打、切削的方法使之成型。

　　我们现在能烧制更纯的陶瓷和强度更高的钢，但是我们仍然使用锻打、切削等的方法来使它们成型。我们炼制纯硅，把它们切成薄片，用紫外线通过模板在它们的表面蚀刻图案。我们把完成的产品叫做芯片并且认为它们极其精细，至少和斧头比起来是这样。

　　我们的微电子技术的发展已经使得计算机从1950年代的塞满整个房间的大家伙缩小到了可以放在口袋里的地步。工程师们现在正在制造更小的装置，在晶体表面放置大量原子形成线路，宽度只有头发丝的1/10。

　　这些微电路按石片的标准来说可能算小，但是其每个晶体管仍然由1012个原子组成，所以所谓的微型电脑仍然是肉眼可见的，而按照更新的更有威力的技术的标准来看它们就象是巨人。

　　把我们从石器时代领到硅芯片时代的旧形式的技术把原子和分子当作一大堆来使用；称作“体积技术”，新形式的技术将精确地控制单个的原子和分子；称作“分子技术”。它将在很多方面超出我们想象地改变我们的世界。

　　微电路部分地用微米来度量——就是说一米的百万分之一，而分子要用纳米来度量（再小1000倍）。我们可以使用“纳米技术”和“分子技术”来交替地描述这种新形式的技术。新技术工程师们将制造纳米电路和纳米机器。

　　
　　今日的分子技术

　　在一本字典里这样定义机器“一种系统，通常有刚性的主体，连接成型以便按预先定好的方式改变、传输、引导力来实现特定的目标，诸如做有用的工作。”分子机器很适合此定义。

　　要想象这样的机器，你必须先有分子的形象。我们可以把原子想象为一个珠子而分子是一团珠子，就像小孩玩的由按扣连起来的珠子。事实上，化学家们确实有时也用塑料球建造分子模型。原子是圆形的象球，虽然分子键并不是按扣，但我们的图像至少抓住了分子键可以被打断和重连接的基本概念。

　　如果一个原子象一个小弹球那么大，一个相当复杂的分子就会像你的拳头那么大。这样的想象对我们非常有用，原子大约是细菌尺寸的1/10000，细菌大约是蚊子尺寸的1/10000。（原子核是原子自身体积的1/100000；原子和原子核的差别，就像一团火和一次核反应之间的差别）


　　我们周围的物质性质取决于它们的分子的属性。空气的形状和体积都不固定是因为它的分子可以自由移动，在开放的空间中碰撞跳动。水分子粘在一起同时又到处移动，所以水在变形的同时保持体积不变。铜保持它的形状是因为它的原子按规则形式粘在一起；我们能弯曲和锤打它是因为它的原子可以互相滑动同时又保持联系。玻璃在锤击下会破碎是因为它的原子在滑动之前就互相分离了。橡胶由互相扭曲在一起的大分子网络组成，象一堆弹簧，当拉长和放开后，它的分子也被拉直和重新盘绕。这些简单分子结构形成的是消极被动的物质，更复杂的形式形成了活细胞中的活动的纳米机器。

　　
　　生化学家已经在利用这些机器，主要是蛋白质，蛋白质也是活细胞的主要构成材料。这些分子机器由相对少的原子组成，所以它们的表面凸凹不平，就像把一堆珠子粘在一起的那种形状。同时很多对原子之间的键可以被弯曲和旋转，所以蛋白质机器具有非同一般的灵活性，同时和所有的机器一样，它们有不同形状的部件和尺寸来完成有用的工作。所有的机器都使用一大堆原子作零件，蛋白质机器仅仅是使用了很小的一堆原子。

　　生化学家梦想能设计和制造这样的装置，但是有很多困难要克服。工程师们用光束在硅片表面上蚀刻，而化学家们要做的比这麻烦的多。如果他们想要组成不同的分子，他们只能有限地控制分子的结合。当生化学家需要复杂的分子机器时，他们还是不得不从细胞中借用。然而，先进的分子机器将使他们能像工程师们制造微电路和洗衣机那样容易地制造纳米电路和纳米机器，之后进步将变得快速而富有戏剧性。

　　在现代基因合成机器里，基因工程师们建造了更规则的聚合体——特殊的DNA分子——通过按特定的顺序组合分子，这些分子就是DNA中的核苷酸（基因字母表中的字母），基因工程师们并不是把它们像倒垃圾那样倒在一起，他们引导机器按特定顺序加入不同的核苷酸以便拼出有特定含义的信息。他们先将一种核苷酸加入到链的末端，然后洗掉多余的材料，然后加入化合物让新链的末端准备好可以加入下一个核苷酸，重复此步骤链就按照特定的顺序一次一个单位地不断的生长。他们把链的头部固定在一个固体表面防止链被冲洗的液体冲走，通过这种方法，他们用一个大而笨的机器合成了一个比它自己小一亿倍的特殊的分子结构。

　　但是这种“盲打”操作有时会丢失链条上的核苷酸，随着链条的增长，这种可能性也在增加。像工人在组装前把有缺陷的零件丢掉一样，基因工程师也通过抛弃坏链条来减少错误，然后为了把这条短链加入工作基因（通常有几千个核苷酸长），他们将使用在细菌中发现的分子机器。

　　这些蛋白质机器，称为限制酶，“读取”某种含义为“剪这儿”的DNA片断，他们通过碰触，然后粘在上面来读此信息，并通过重新排列一些原子来剪断链条。其他的酶通过读取“粘这儿”的信息把剪下来的片断结合到一起，过程与剪断类似，只是通过重新排列原子把不同的片断结合起来。通过用基因合成机器写，用限制酶剪切和粘合，基因工程师们可以写入和编辑任何它们想要的DNA信息。

　　就DNA本身来说，它是一种无用的分子，它既不象Kevlar（凯芙拉）那么结实，又不象染料分子那么多姿多彩，更不象酶那么活泼，但是它有某种特质使得工业上愿意花成百万的美元来获得：这就是可以指挥被称为核糖体的分子机器的能力。在细胞中，分子机器首先转录DNA，复制它的信息到RNA“磁带”上，然后很象早期的靠纸带上记录的信息来控制加工的数控机床，核糖体通过读RNA链上的信息来合成蛋白质，而蛋白质是非常有用的。


核糖体（图中央的绿色土豆状物体）通过读取RNA分子（图中那串黄色的珠子）上的信息来合成蛋白质长链（紫色长链） 
 


　　蛋白质，象DNA一样，也是由一堆珠子串成的链，但是又不象DNA，蛋白质分子折叠起来形成可以做点事情的小团团。一些称为酶，建造和分解分子的机器（以及复制DNA，建造生命循环所需的其他蛋白质），其他蛋白质称为激素，作为信号来使细胞改变它们的行为。基因工程师们可以通过指导这些存在于生物组织中的廉价而有效的分子机器来方便地制造达到目的。在化工厂工作的工程师们必须应付大桶的化学药品（经常错排原子和产生有害的副产品），而用细菌工作的工程师们则让它们吸收化学物质，小心地重排原子，把产品存储起来或者排放到它们周围的液体中。


　　基因工程师们现在可以通过为细菌编程来生产从人的生长荷尔蒙到RENNIN，一种制造干酪的酶。一家叫Elililly的药物公司现在向市场供应Humulin，由细菌生产的人类胰岛素分子。


　　现有的蛋白质机器

　　这些蛋白质激素和酶有选择地结合其他的分子。酶可以改变目标的结构，然后移开；激素仅仅在和目标结合时才改变其属性。激素和酶可以用机械术语来描述，但是它们更经常地被用化学术语来描述。

　　其它的一些蛋白质执行基本的机械功能，一些可以推和拉，一些则象绳子和杠杆，一些分子部件形成了极好的轴承。例如肌肉的工作机制，一群蛋白质抓住一条绳子（也由蛋白质构成），拉它，然后松开为下一次抓握作好准备；无论何时只要你运动，你就在使用这些机器。阿米巴变形虫和人类细胞通过使用分子构成的类似于“肌肉”和“骨骼”的纤维和长杆来移动和改变它们的形状。一台可反转的，可变速的马达通过旋转螺丝锥形的螺旋桨来驱动细菌在水中潜行。如果某位爱好者用此马达制作了一部微小的汽车，那么你的口袋里可以放下1018个这种小车，并且在你的毛细血管里可以为它建造一条150车道的高速公路。

　　简单的分子装置可以结合起来形成系统就象工业机器一样。在1950年代工程师们开发了用穿孔纸带控制的金属加工机床。一个半世纪以前，Joseph-Marie Jacquard 建造了一台织布机，在一串穿孔卡片的控制下它可以编织复杂的图案。在Jacquard之前30亿年，细胞已经进化出了核糖体机器，它们证明了纳米机器可以由蛋白质构成并且通过RNA的编程可以制造复杂的分子。


T4噬菌体 
 


　　现在我们来看看病毒，其中的一种叫T4噬菌体，工作起来象一个弹簧驱动的注射器，其形状在任何工业手册上都找不到类似物。它会粘附到一个细菌表面，打个洞，然后把自己的DNA注射进去（是的，即使细菌也得遭受打针之苦）。就象征服者夺取工厂为他们生产坦克一样，这些DNA会指导细胞机器制造更多的病毒DNA和注射器。象所有生物体一样，这些病毒存在是因为它们相当稳定并且善于获得它们自己的复制品。

　　无论是否在细胞内部，纳米机器都遵守自然的普遍法则。普通的化学键将它们的原子连接到一起，普通的化学反应（由其他纳米机器引导）把它们组装起来。蛋白质分子甚至可以不用额外辅助就可以连接并成形，仅仅由热运动和化学力驱动。同过在试管里混合不同的蛋白质（以及它们为之工作的DNA），分子生物学家已经合成了可以工作的T4病毒。这种能力是惊人的：想象把一堆汽车零件放到一个箱子里，摇晃它，当你再往里看的时候你就看到了一台组装好了的汽车！而T4病毒仅仅是无数自组装结构的一种。分子生物学家已经把核糖体分解成50种蛋白质和RNA分子，然后在试管中混合它们以形成可工作的核糖体。

　　为了看到这一切是如何发生的，我们可以想象不同的T4蛋白质链漂浮在水中，每种都折叠缠绕成特殊的团状，具有各自不同的突起和凹处，形成不同的粘度、湿度和电荷分布。想象它们不断游动和翻滚，被周围水分子的热运动推来挤去。一次又一次地撞到一起又被撞开，在有些情况下，两个撞在一起的分子由于突起和凹处正好适合而匹配，它们就紧紧地结合在一起；通过这种方式蛋白质和蛋白质结合形成部件，而部件结合形成了整个病毒。

　　蛋白质工程师们不需要纳米臂和纳米手来组装复杂的纳米机器，但是微小的操纵器还是有用的和应该被制造的。和今日的工程师们用普通马达、轴承和动作部件来制造机械手一样，明日的生化学家将能使用蛋白质分子构成马达和轴承以及动作部件来组装成机械手以便可以操纵单个分子。
　

　　蛋白质设计

　　这样的能力离我们有多远？现在已经上路了，但是还有很多工作要做。生化学家们已经画出了很多蛋白质的结构。通过使用基因机器来写DNA磁带，它们可以指导细胞建造任何他们设计出来的蛋白质。但是他们仍然不知道如何使蛋白质链条折叠成正确的形状来完成特定功能。折叠蛋白质的力是弱的，而蛋白质链可以折叠的形式却是个天文数字，所以设计一个有用的蛋白质是不容易的。


　　使不同蛋白质结合形成复杂机器的力和把单个蛋白质链折叠成有用形式的力是同一种力。具有不同形状和结合力的氨基酸——形成蛋白质链的珠子——使得每个蛋白质链通过特定的方式折叠形成特殊的形状。生物化学家已经学到了一些关于氨基酸链如何折叠的规律，但是这些规律还不是很确定，尝试预测一条氨基酸链如何折叠就象解一道七巧板难题，并且没有可见的形状让你知道拼图是否是正确的，每个小块都有很多种方式与别的小块结合，但是除了一种之外其他的结合方式都是错误的。错误的开始会浪费很多宝贵的时间，并且正确的答案我们又几乎不能识别，生化学家使用了当前能得到最好的计算软件还是不能预测一条自然的蛋白质长链是如何折叠的，一些人甚至已经对设计蛋白质分子绝望了。

　　绝大部分生化学家象科学家那样工作而不是象工程师。他们致力于预测一条自然的蛋白质链如何折叠，而不是设计一条可以按预测方式折叠的蛋白质链，这听起来是相似的，但是实际上有很大差别：首先是科学上的挑战，其次是工程上的挑战。为什么自然的蛋白质链要按照科学家容易预测的方式折叠？它们会按照自然的需求正确折叠，而不是按照人们容易理解的方式折叠。

　　可以从开始设计蛋白质时就按照使它们的折叠很容易预测的目标来设计。Carl Pabo，自然杂志的专栏作家，已经提出了一个基于这个策略的设计方法，一些生化学家也已经设计和建造了具有几十个氨基酸的短链然后按照设计好的方式折叠和安置在其它分子的表面。他们现在可以从头开始设计一种蛋白质，其特性与一种存在于蜜蜂毒液里的蜂毒素类似。他们改进现有的酶，按可预测的途径改变它们的行为。我们对蛋白质的认识正在与日俱进。

　　在1959 年，按生化学家Garrett Hardin的说法，一些基因学家声称基因工程是不可能的；而今天，它已经形成产业。生化学家和计算机辅助设计开始探索新的领域，就象Frederick Blattner在科学杂志上写的那样：“计算机象棋程序已经达到了特级大师的水平，也许蛋白质折叠问题的解决会比我们想象的要快。” Genentech的William Rastetter在“应用生化技术”上写道：“新酶的设计和合成还要多久？10，15年？”他答道，“也许不需要那么久。”

　　美国海军研究实验室的Forrest Carter，IBM的Ari Aviram 和 Philip Seiden，Genex公司的Kevin Ulmer，以及其他分布在全球的大学和工业实验室里的研究者们已经开始进行理论性的工作和试验，目标是发展分子开关、存储装置以及其他结构以便组成蛋白质计算机。美国海军研究实验室拥有两个国际性的车间制造分子电子装置，一个由美国国家科学基金会赞助的会议建议支持开发分子计算机的基础性研究。据闻日本已经开始了一个数百万美元的计划开发具有自组装能力的分子马达和计算机。VLSI研究公司的报告中写道：“看起来生物芯片（分子电子系统的另一种叫法）的竞赛已经开始。NEC，日立，东芝，Matsushita，富士，三洋和夏普已经开始全面地进行生物芯片和生物计算机的研究。”

　　生物化学家有另外的理由来学习蛋白质设计的艺术。新的酶肯定可以使肮脏、昂贵的化学处理变得更便宜和更干净，并且神奇的蛋白质也为生化学家提供了一个更广阔的工具选择范围。他们已经走上了蛋白质工程之路，就象本章开头引用的Kevin Ulmer的话说的那样，这条路将带我们“走向一条可以让我们获得一个原子一个原子地构成物质的更通用能力的分子工程之路。”


　　第二代纳米技术

　　虽然具有多功能性，蛋白质作为工程材料来说也有缺点。蛋白质机器在干燥的环境下会不工作，冷冻时会凝固，加热时会失效。我们并不用肌肉，头发和胶水来制造机器，几个世纪以来，我们用由我们的肌肉和骨骼组成的手来制造由木头、陶瓷、钢铁和塑料组成的机器。我们在将来仍将这么做。我们用蛋白质机器来制造由比蛋白质更坚硬的材料组成的纳米机器。


　　随着纳米技术的发展超越了对蛋白质的依赖后，从一个工程师的角度来看，它将变得更平常。分子将象装配工手里的零件一样被组装，然后组装好的部件被安装牢固。就象普通工具可以把零件组装成普通机器一样，分子工具把分子组装在一起形成微小的齿轮、马达、杠杆、外壳然后把它们组合成复杂的机器。

　　只含有几个原子的部件是粗糙的，但是工程师们可以使用这些粗糙的部件，如果他们有光滑的轴承的话。很方便地，一些原子间的结合力形成了很好的轴承；一个部件可以被一个简单的化学键托起并且可以自由地光滑地旋转。由于一个轴承可以由仅仅两个原子构成（因此运动部件可以仅仅由数个原子组成），纳米机器的确可以拥有分子尺寸上的机械零件。

　　我们将怎样制造这些更好的机器？一直以来，工程师们利用技术本身来改进技术。他们用金属工具来切削金属制成更好的工具，用计算机来设计更好的计算机。他们也一样会用蛋白质纳米机器来制造更好的纳米机器。酶显示了这种方法：它们通过从周围的水中抓取小分子并把它们放到一起形成键来组装大分子。酶通过这种方法来组装DNA、RNA、蛋白质、脂肪、激素以及叶绿素——事实上是生物体内的所有分子。

　　生化工程师们，将创造新的酶来组装新的原子结构。例如，他们可能制造一种象酶一样的机器，它可以把碳原子连接在一点上，一层又一层的垒起来。如果连接正确的话，原子将会形成一条极好的柔韧的钻石纤维，这条纤维将比同样重量的铝合金强度高50倍。宇航工程公司将排着队来成吨地买这样的纤维去造性能先进的复合材料。（这显示了军事竞赛将会推动分子技术的一个小原因，就象在过去它推动了许多领域一样）。

　　当蛋白质机器可以建造比纤维更复杂的结构时就意味着伟大的进步即将到来。这些可编程的蛋白质机器将象由RNA编程的核糖体，或者老一代纸带编程的自动机床那样工作。它们将开创一个新的充满了可能性的世界，使工程师们摆脱蛋白质的限制，直接设计和制造纳米机器。

　　工程蛋白质将象酶那样分裂和连接分子。现有的蛋白质结合多种小分子，使用它们作为化学工具，新的工程蛋白质将使用所有这类工具甚至更多。

　　此外，有机化学家显示了化学反应在没有纳米机器引导分子的情况下也可以产生显著的结果。化学家不能控制液体中的分子碰撞，因此分子任意地起反应，仅取决于它们如何结合，但是他们仍然试图让反应分子形成规则结构诸如立方体或十二面体，或者形成不太稳定的结构比如键高度绷紧的分子环。分子机器将具有形成键的多功能性，因为它们能利用熟悉的分子运动来形成键，并且能引导这些运动，而这是化学家做不到的。

　　当然，由于化学家还不能引导分子运动，他们很少能按照特定要求组装复杂分子。他们能造的最大的复杂分子只是一些线性长链。化学家制造这些结构的方式类似于基因机器，他们一次一个地把分子依次接到链上。因为只有一种连接可能性，所以他们可以确信下一个会连到正确的位置上。

　　但是如果面对一个团状的，有上百个氢原子在表面上的疙疙瘩瘩的分子，化学家又怎样才能从上面分离一个特定的原子或者放些东西在它表面呢？使用简单化学药品是几乎不可能做到的，因为一般小分子是不能选择在什么位置和大分子起反应的，但是蛋白质机器是有选择性的。

　　一个可变形的可编程的蛋白质机器可以抓住一个大分子（工件）同时又相应地在对应的位置抓住一个小分子。象一个酶那样它会把两个分子结合起来。通过结合一个又一个的分子到工件上，机器会组装出越来越大的结构体同时保持对结合到主体上的原子的完全控制。这正是化学家所欠缺的关键能力。

　　就象核糖体一样，这种纳米机器能在分子磁带的指导下工作。不同于核糖体，它们可以操纵更多种小分子（不仅是氨基酸分子）并且可以把它们安装到工件的任何位置而不只是在链的末端。蛋白质机器因此可以集中酶的分解与结合能力以及核糖体的可编程性质于一身。尽管核糖体只能制造未折叠的蛋白质，这些蛋白质机器却可以建造组成金属、陶瓷或钻石的微小的固体块——小到看不见，但是却是粗糙的。


　　因为我们的手指容易被擦伤或烫伤，所以我们制造了钢钳，而因为蛋白质机器容易变形和分解，我们将制造由更坚硬的材料制成的纳米机器。

　
　　通用组装机

　　这些第二代纳米机器——不仅由蛋白质构成——将能做所有蛋白质能做的工作，以及更多的工作。特别是，一些将作为组装分子结构的改进装置，能忍受酸性或真空，冷冻或烘烤。通过不同的设计，这种类似酶的第二代纳米机器将能作为化学家手中的工具去操纵几乎任何反应分子，具有可编程机器的精确性。它们能把原子结合成任何稳定的形态，可以一次一点地把零件加到工件表面直到形成一个复杂结构体。我们可以把这样的纳米机器想象成一个装配工。

　　因为装配工可以让我们把原子按任何合理的顺序排列，它们可以帮我们建造任何自然法则允许存在的东西，特别是，它们可以让我们能按照设计建造任何东西——包括更多的装配工。这导致的结果是意义深远的，因为我们的原始的工具只让我们探索了自然法则允许的可能性的很小一部分。组装机将开创一个新技术的世界。

　　在医药、航天、计算、制造以及军事方面的技术进步——都依赖于我们排列组合原子的能力。通过使用组装机，我们将能重塑我们的世界或者毁灭它。在这点上来说我们应该退后一点以便看清前景，并且能使我们确信组装机和纳米技术不仅仅是个未来的幻影。


　　明确结论

　　在前面我讨论过的所有内容都是基于已被证明的化学和分子生物学事实。但是人们还是会基于根深蒂固的物理学和生物学观念提出某些疑问，对于这些疑问应该给出更直接的回答。

　　“量子力学的不确定性原理会不会使分子机器无法工作？”

　　这条原理说明粒子不能被固定在一个精确的位置，在任何可确定的时间范围内。它限定了分子机器的动作，就象它限定了任何别的事物的动作一样。虽然如此，计算表明不确定性对放置原子来说并不是重要的限制因素，至少对这里概略讨论的目的来说是这样。不确定性原理使电子的位置很模糊，事实上这种模糊决定了原子的真实尺寸和结构。原子作为一个整体来说具有相当明确的位置，而这是由它的相对厚重的原子核决定的。如果原子不能被稳定放置，那么分子将不存在。你不用学过量子力学就可以确信这个结论，因为细胞中的分子机器已经证明了分子机器是可以工作的。 

　　“分子的热振动会使分子机器不能工作或者太不稳定而没有用处吗？”

　　热振动将会引起比不确定性原理更大的问题，然而现存的分子机器仍然证明了分子机器可以在常温下工作。除开热振动不谈，细胞中的DNA复制机制在100，000，000，000次复制中只有不到一次出错。为了达到这样的精度，细胞使用了机器（例如DNA聚合酶）来保证复制以及纠正错误。组装机也需要相似的错误检查和错误纠正机制以达到可靠的结果。

　　“辐射会分解分子机器使它们失去作用吗？”

　　高能射线可以打断化学键从而分解分子机器。活细胞多次显示了此种结果：它们整年地工作来修补和替换被辐射破坏的部分。由于单个分子机器是这样小，以至它们对射线来说太小而很少被击中。当然如果一个纳米机器系统要可靠工作，它必须能容忍一定的破坏，并且被破坏的部件也必须能被有规律地修补和替换。这种达到可靠性的方法被飞机和飞船的设计者所熟知。

　　“由于进化没有产生组装机，是否说明它们是不可能实现的或者是无用的？”

　　前面的问题可以部分地用细胞中工作的分子机器来回答。这是一个简单而有力的案例，证明了自然法则允许一团原子组成可控机器，能建造其它的纳米机器。但是尽管和核糖体有基本的相似性，组装机还是不同于细胞中发现的任何东西，它们做的事——虽然是由普通的分子运动和反应组成——却能带来奇异的结果。例如，没有一种细胞能制造出钻石纤维。

　　新型的纳米机器能带来新的有用的能力的观点可能是令人吃惊的：在几十亿年的进化中，生命从来没有抛弃它对蛋白质机器的基本的信念。是否这就暗示了进步是不可能的？进化是通过微小的改变来完成的，DNA的进化不能简单地取代DNA。由于DNA/RNA/核糖体系统是特别用来制造蛋白质的，生命实际上没有机会发展另外的系统。任何产品经理都会感激这个理由，比工厂更甚，生命不能承受被关闭以便更换旧的系统带来的后果。


　　在此影响下，麻省理工学院人工智能实验室的Danny Hillis 和 Brian Silverman建造了一台能玩跳棋的机械计算机，在一边有码尺，充满了旋转轴和活动框架，代表了棋盘的状态和游戏的策略，它现在存于波士顿的计算机博物馆。它看起来像一个巨大的球棍分子模型，因为是用儿童玩具做成的。

　　黄铜齿轮和儿童玩具制成了大而慢的计算机。若使用只有几个原子宽的元件，一台机械计算机体积将只有一立方微米的1/100，比我们现在说的微电路小几十亿倍。一台具有1G字节存储量的机械计算机将能装进一个边长1微米的方盒子里，大约和一个细菌的个头差不多大。但是它会工作得很快，虽然机械信号传导比电信号慢100,000倍，但是它只需要传导1/1,000,000的距离，所以延迟很小。所以一台纯机械计算机将比现在的电子计算机工作的更快。

　　电子纳米计算机将比微型电子计算机快几千倍——也许几十万倍，如果被诺贝尔奖得主理查德·费曼提议的一项计划得以实现的话。通过缩小尺寸来提高速度是电子工业的老套路了。

　　
　　分解机

　　分子计算机将控制分子组装机，为安放巨大数量的原子提供快速的指令流。拥有分子存储装置的纳米计算机也可以存储分解的指令。

　　组装机可以帮助工程师合成物体，它们的亲戚，分解机，将可以帮助科学家和工程师分解物体。组装机是基于象酶和化学反应那样的形成键的机制，而分解机则基于象酶和化学反应那样的打断键的机制，以及由机器控制的处理过程。酶，酸，氧化剂，碱金属，离子以及被称为“自由基”的反应原子团——所有这些都可以打断化学键移走原子团。因为没有什么东西能抵抗侵蚀，所以分子工具也可以使任何东西分离，一次一些原子。更进一步的，纳米机器将同样地使用机械力把一团原子撬开。

　　可以做上述工作，同时一层一层记录下它去掉了些什么的纳米机器就是分解机。组装机，分解机，和纳米计算机将在一起工作。例如，一台纳米计算机将能指导分解一个物体，记录下它的结构然后指导组装机实现完美的拷贝，这暗示了纳米技术的威力。

　　
　　创造新事物的世界

　　组装机将要过些年才能出现，但它们的出现看起来是不可避免的：虽然通向组装机的路径还有很多步要走，但每一步都在接近，并且每一步都会立刻带来回报。第一步已经迈出，顶着“基因工程”和“生物技术”的名头。其他通向组装机的途径也显示了可能性。除非世界毁灭或者世界被完全控制，技术竞赛将持续下去，不管我们愿不愿意。随着计算机辅助设计加速分子工具的发展，组装机方向的进展也将加速。

　　为了获得理解未来的希望，我们必须先理解组装机，分解机和纳米计算机。它们肯定能带来意义深远的改变，就象工业革命，抗生素和核武器都带来了巨大的突破一样。为了理解未来的意义深远的变化，探寻在过去的巨变中幸存下来的法则是有意义的。它们将提供有用的指导。

第二章 改变的法则




　　把设计过程想象为：首先产生许多可供选择的方案，然后用所有需求和限制的组合来测试它们。
　　——赫伯特·A·西蒙（HERBERT. A. SIMON）

　　分子组装机将带来一个从未有过的革命，在存在于细胞内的原始的组装机-核糖体产生以后。纳米技术的发展将帮助生命扩展到地球以外的空间——自从生命从海洋扩展到陆地之后还从未有过的一大步；它可以让机器产生思想——从思想产生于灵长类脑中之后还从未有过的一步；它也能使我们的思想不断更新换代和重新塑造我们的身体——从来没有过的一步。

　　这些革命将带来人类不能把握的巨大的危险和机会。就像适用于分子、细胞、兽类、思想，和机器的改变的法则将继续适用于生物技术、纳米机器、以及人造思维一样，同样的适用于海洋，陆地，空气的自然法则也将适用于生命扩展到别的星球的情况。理解不朽的改变的法则将有助于我们理解新技术的潜在的优点和缺点。

　　
　　混沌中的有序

　　有序可以从混沌中自发产生而无需任何人下命令：在太阳、地球或者生命产生之前很久，规则的晶体就从无定形的星际气体中产生了。在我们更熟悉的环境中结晶体也一样能从混沌中产生。想象一个分子——可能有规则的形状，也可能是不对称的多节的就像一块姜，然后想象巨大数量的这样的分子在液体中随机碰撞，象醉汉那样在黑暗中乱撞、翻跟头，想象液体的蒸发和冷却迫使分子互相靠近并减慢速度，这些随机运动的形状古怪的分子将成为混乱的一堆吗？通常不是，它们将形成晶格，每一个都整齐地和邻居相靠，形成行和列，象棋盘那样，虽然要复杂得多。

　　这个过程和魔法、分子的特殊属性甚至量子力都无关。蛋白质分子不需要特别匹配的形状就可以自组装成机器，放在一个盘子里的尺寸一致的珠子，只要轻轻摇晃也可以形成规则的图案。

　　晶体的生长是通过试探和去掉缺陷、通过变化和选择来完成的，没有一只小手来组装它们。晶体可以从偶然聚集起来的一堆分子开始生长，分子们无规则地运动，撞击，随机地聚集成块，如果他们恰好按照正确的结晶形状聚集起来，则这个随机块就会结合的很牢固，其它分子就开始结合到这个随机块上，然后形成小的结晶体，那些结合到不正确位置上的分子由于结合不牢固会被晃掉，而结合到正确位置上的分子则保持位置不变，一层又一层地不断扩展晶格，虽然分子随机地碰撞，但它们的结合却不是随机的，有序就这样通过变化和选择从混沌中产生。

　　
　　进化的分子

　　在晶体生长过程中，每一层都可以成为下一层的模板，相同的层堆积起来形成一个固体块。

　　在细胞中，DNA或RNA链也能起模板的作用，当然要在作为分子复印机的酶的帮助下，只是核酸的子单位可以有多种排列形式，一条模板链可以与它的复制品分离，然后这条模板链和它的复制链都可以被再次复制。生化学家Sol Spiegelman做过试验，把一种复制机器（从病毒中取得的一种蛋白），放在一个很简单的无生命的试管环境中，它就能复制RNA分子。

　　想象有一条RNA链漂浮在试管中，同时试管内还有复制机器（蛋白质）和用来组成RNA的子单位（核苷酸）。RNA链不断翻滚、扭曲直到它撞到了复制机器的正确位置上并被复制机器抓住作为模板链，周围的RNA子单位也不断碰撞，直到有一个合适类型的子单位碰巧撞到了复制机器上的匹配模板链的正确位置上，在它进入位置后，机器就抓住它并把它连到正在生长的复制链上，虽然子单位是随机地碰撞，机器却是有选择地连接它们，最后，复制机器，模板和复制品互相分离，一次复制完成。

　　按照牛津大学动物学家Richard Dawkins的说法，可以复制自身的东西称为复制机，在上述情况中，RNA是符合这个条件的：一个单个的RNA分子很快变成两个，然后是4个，8个，16，32，以此类推，呈指数式增长，最后复制速率变得稳定下来:固定数量的复制机器只能按这样的速率来复制RNA，不管有多少模板分子在等待被复制，最后原材料变得稀少，复制因为饥饿而停止。分子因为人口爆炸而达到了增长的极限所以停止了再造。


　　为了成功复制，更巨大的生物体内的DNA要做更多的事，指导合成数万种不同的蛋白质机器，发展成复杂的组织和器官。这需要数千的基因片断来完成，也就是1015个编码的DNA子单位。但是基本的通过变化和选择而实现的进化过程是保持不变的，无论是在试管里，还是在病毒里，还是在更复杂的情况下。

　　
　　解说有序

　　至少有三种方法来解释分子自复制机的进化，不管这自复制机是试管RNA，病毒基因还是人类基因，第一种解释方法是记流水帐：从中看出变异是怎样发生的并且是怎样扩展的，如果不记录所有的分子事件这肯定是无法完成的。

　　第二种解释方法借助于一个可能会引起误会的单词：目的。具体来说，分子只是偶然的改变和有选择地复制。让我们回到进化过程，你可以这样来描述：分子改变自己来完成复制自己的任务。为什么RNA分子在核糖核酸酶的威胁下会进化折叠起来？答案存在于长而详尽的历史中，当然，短语“它们试图躲避攻击以便存活下来并复制自己”也能预言同样的结果。目的这个词的语义能很简洁地描述它（试试不用它来解释人类的行为），目的论并不是大脑活动的结果，RNA的例子明白地显示了这个道理。

　　第三种（也是最好的一种）解释是——在进化的角度——有序通过复制机的变化和选择慢慢显现出来。分子按照特定方式折叠是因为它遵照成功繁殖下来的祖先的形状（因为躲避攻击等等原因），并且传给后代，包括它自己。象Richard Dawkins指出的那样，目的的语言（如果我们小心地使用的话）可以被翻译成进化的语言。

　　进化保留了成功的图案丢掉了不成功的改革，因此也解释了否定之否定就是肯定的道理——一个似乎有点难把握的道理。也解释了什么是有形的和无形的，因为只有成功的动物才可以把它们以及后代的骨头胡乱丢在地上，不成功的生物连化石都没留下多少。

　　人类思维趋向于集中在可见的事物上，寻找导致正确结果的正确原因，和存在于有序结果后面的有序的力的作用。通过思考我们可以看到这一改变了我们的过去并将形成未来的伟大的定律：进化是通过复制机的改变和选择来进行的。

　　
　　进化的生物

　　生命的历史就是一部分子机器的军备竞赛史。今天，这场竞赛达到了一个新的发展更快的阶段，我们必须确信我们明白这场革命的根有多深。在过去的一段时间内，生物进化论在学院中的势力是微弱的并且时常遭到攻击，我们应该记得支持它的证据象岩石那般确凿并且象细胞那样普遍。

　　在石头中记录了地球自己的生命历史。在湖底和海床上，贝壳、骨头、泥沙在一层又一层地堆积着，有时被突然的暗流和地质剧变冲掉了一些层。一般情况下它们不断地加厚，早期的层被埋在底下，被压碎、烘烤以及被含有矿物质的水浸润，然后变成石头。

　　几个世纪以来，地质学家们通过研究石头来阅读地球的历史。很久以前，他们就在很多山脉的碎石中发现海贝壳的存在。在1785年——达尔文的著作发表之前74年——James Hutton就推断海床上的淤泥可以被压成岩石然后被某种还不清楚的力向上推出海面，地质学家们还能作出什么别的结论吗？除非自然在撒谎。

　　他们看到骨头和贝壳的化石每层都不同，同时他们也发现在某些地方的某层的贝壳和另一些地方的某层的很相似，虽然这些层之间地理上可能相差很远。他们把这些层命名为（A,B,C,D...,或者低奥斯特群，高奥斯特群什么的），利用有典型性的化石来跟踪岩石层。地壳的运动使得没有一处地方可以显示出完整的岩层序列，地质学家们在某处发现的是A,B,C,D,E,在另一处发现的是C,D,E,F,G,H,I,J而在又一处会发现J,K,L或A,L。石油地质学家（即使他们对进化论一无所知）现在仍然使用化石来界定和跟踪岩层，通过到处打眼来实现。

　　科学家们得出了显而易见的结论，和现代海洋种群生活在很宽广的范围内一样，以前的种群也是这样；和今天的新层堆积在旧层上一样，以前也是这样。类似层中的类似的贝壳表明它们是在同一个年代沉淀下来的。不同岩层中的贝壳不同表明物种随着时间的推移而改变。这就是地质学家在写在岩石书页上的贝壳和骨头中所发现的。


　　基因组形成了更精细的细胞，指导细胞间的合作以形成复杂的生物体。变化和选择赐予了野兽们有用的基因组，所以它们可以生成尖牙利齿，厚厚的毛皮，强壮的神经和肌肉以及指引它们的眼睛和大脑。 正如Richard Dawkins所说，基因建造了更精细的生存机器来帮助它们复制自己。 

　　狗的基因复制时，常常混入一些被人类所选择的狗的基因，人们有选择地配种，并且有选择地抚养它们的后代，最终就把狗从与狼类似的野兽培养成了灰狗，狮子狗，德国猎犬，和圣伯纳德狗等。通过选择性地去留基因，人们重塑了狗的外形和性情。人的需求界定了成功的狗的基因，而生存的压力则定义了狼的成功基因。

　　基因的突变和选择，在经过很长的时间后，使世界充满了花草和树木，昆虫和鱼类，以及人类。在近代，更新鲜的事物开始出现并快速增长——工具、房屋、飞机，和计算机。和无生命的RNA分子一样，这些硬件也在进化。

　　
　　进化的技术

　　地球上的岩石记录了曾经出现过的复杂而能干的生命形式，人类文明的遗址和著述也记录了曾经出现的复杂而多能的硬件形式，我们最早的硬件就是石头本身，和我们祖先的化石一同埋在地下，而我们最新的硬件正在我们头顶上的高空轨道运行。

　　我们来考察一下航天飞机的混血血统，在它的飞机血统方面来说，它继承自六十年代的铝合金喷气式飞机，而从这些飞机又可以回溯到二战时那些铝制的螺旋桨式飞机，再到一战时那些木制双翼机，到赖特兄弟的动力滑翔机，到纸飞机和风筝。在它的火箭血统方面来说，航天飞机继承自登月火箭，可以向前回溯到导弹，火箭弹，一直到烟花玩具。从这些飞机/火箭的混合档案中，通过不同的零件和设计，宇航工程师们还可以进化出更好的东西。

　　工程师们常提到技术的“代”，日本的“第五代”计算机计划显示了一些技术发展有多快。同时他们也谈到“混血儿”，“竞争技术”，及它们的“增殖”。IBM研发主管Ralph E.Gomory强调了技术的自然进化，他写道：“技术的发展不是象人们想象的那样经常是革命性的或者以突破为导向的，而更多的情况下是逐渐进化的”（的却，即使象分子组装机这样重要的突破也是由很多个小步发展而来的），在本章开始引用的

　　卡内基-梅隆大学的Herbert A. Simon教授的话是这么说的“把设计过程想象为首先产生许多可供选择的方案，然后用所有需求和限制的组合来测试它们。”产生和测试许多可供选择的方 案和变异-选择是同义语。

　　有时各种各样的备选方案已经存在，“一个高度进化的工具箱”，J. Baldwin 在《未来的全球目录》中写道：“我们的便携式车间已经进化了约二十年，事实上没什么特别的，我们只是在不断地扔掉旧的和不适用的工具并用更合手的工具来替代它们，形成了一个可以造东西的系统集合，而不仅是一堆硬件。”

　　Baldwin准确地使用了术语“进化”，在过去的千年里发明和制造了无数的工具产品，最后通过竞争选择，留下工作最好的工具和其它工具一起为了Baldwin的需求而服务。经过成年累月的变异与选择，他的系统进化了——这是他高度推荐的一种过程。同时，他极力劝说永远不要试图购买一整套工具，而是买那个经常被借用的，因为工具是被实际使用经验所选择而不是被理论所选择的。

　　技术的变异常常是有计划的，因为工程师们的工作就是发明和测试。当然有时候会因为很偶然的原因而出现新奇的事物，比如在充满四氟乙烯的罐中发现了天然的聚四氟乙烯的例子，在阀门打开的时候本来应该是气体的罐中出现了一种奇怪的腊状固体。其它的一些新鲜事物是由于系统的错误而出现的，爱迪生为了寻找制作灯丝的材料曾经尝试炭化各种东西，从纸到竹子甚至蜘蛛网。Charles Goodyear把他的厨房搞的乱七八糟，尝试着把天然橡胶变得持久耐用的方法，直到他不小心把含有硫的橡胶掉进了炉子，这才有了硫化橡胶。


　　在工程上，有启发作用的尝试和错误，而不是完美的计划，给我们带来了很多好处，这也是工程师们制造模型的原因。 Peters 和 Waterman在他们的书《追求卓越》中表达了在公司产品和政策方面的同样的道理。这就是为什么卓越的公司都创造“一种鼓励实验的环境和气氛”以及为什么它们可以“按照一种非常达尔文化的途径”进化。

　　工厂是通过变异和选择达到有序的。初级的质量控制系统在装配成品前测试并抛弃有缺陷的零件，高级的质量控制系统采用统计学的方法寻找缺陷产生的源头，帮助工程师们改进处理过程以减少质量问题的发生。日本的工程师们，按照W. Edwards Deming的建立在统计学基础上的质量控制理论，使得这种变异与选择的工业体系成为了他们国家经济的支柱。基于复制机基础的系统也将需要检测结果以便消除错误。

　　质量控制是一种进化过程，其重点不在于改变而是在于消除有害的变种。但是就象达尔文式的进化可以保留和发展有益的变种一样，好的质量控制体系也可以帮助管理者和工人保留和发展更有效的处理过程，无论它们是被设计出来的还是被偶然发现的。

　　所有这些工程师和制造者所做的工作都是为了使最终产品通过测试。扩展到市场范围，无数种类的扳手、汽车、袜子等等都在为了赢得客户的喜爱而竞争。在见多识广的买主可以自由选择的情况下，那些性价比不好的产品最终会被淘汰。就象在自然界，竞争测验会使昨日的最好的竞争者变成明日的化石。“生态系统”和“经济系统”不仅仅在词源上相同。

　　不管是在市场还是在战场，全球竞争都在驱动各个组织去发明，购买，乞求，甚至偷窃更有力的技术。一些组织通过为民众提供丰富的商品来提高竞争力，而另一些通过超级武器来胁迫民众。进化的压力会同时推动两者。

　　全球技术竞赛其实已经被加速了几十亿年了，蚯蚓的盲瞎并不能阻止鸟类发展它们锐利的眼睛，而鸟类的小脑袋和翅膀也不能阻碍人类发展手、脑和鸟枪。同样的，地方法令也不能阻止军事和商业技术的进步。看起来我们必须指引技术竞赛的方向，否则会走向灭亡，虽然技术进化的力量正在嘲笑反技术运动。生命的历史和新技术的潜力暗示了某种解决方案，但这是第三部分的事了。


　　设计的进化

　　似乎设计提供了一种解决方案，但是设计通过两种截然不同的方式进化。首先，设计通过实践来进化，工程师们不仅积累有用的设计，也积累有用的设计方法，这个范围包括从挑选水管的标准手册到组织研发的管理系统等。Alfred North Whitehead

　　说过：“十九世纪最伟大的发明就是发明了发明的方法”。

　　其次，设计也通过变异和选择来完善自己，工程师们通常使用进化了的数学模型来进行，比如说，热流和弹性变形的虚拟测试。因此也进化出了设计循环，计算，评估，然后重新设计，减少切削金属的代价。设计的产物于是通过一种非物质的形式进化。

　　例如胡克定律，描述了金属的弯曲和伸展：形变和外力是成正比的，两倍的拉力导致两倍的伸长。虽然只是近似定律，但是在金属的屈服极限内它还是相当精确的。工程师们可以按照胡克定律设计一种可以承重的金属条，然后把算出来的厚度加厚一点以便弥补定律和计算中的不精确。他们也可以应用胡克定律来描述机翼的弯曲和扭转，以及网球拍，汽车框架等的变形，但是简单的数学公式不能很好地适用于如此复杂的结构，所以工程师们必须在较简单的条件下应用这些方程（把设计分成很多小块），然后把这些小块集中起来以便可以描述整个物体的形变。这是一种方法（称为“有限元分析”），通常需要大量的运算，如果没有计算机的话就没什么实际价值，而有了计算机，它就成为了普遍使用的方法。

　　这样的模拟是古老的发展过程的延伸，我们永远在充满想象力地推理，怀着希望和恐惧。当我们必须要选择一条行动路线时，简单的心理模式（不管是天生的还是通过学习得来的）无疑地能很好地指导动物们。使用更精确的心理模型，思维体验可以代替更昂贵（或更致命的）物理试验——一种使进化受益的进步。工程模拟把这种能力发展成想象推理，尽量先在想象中犯错误，而不是在实际中再犯错误。


　　在“一个高度进化的工具箱中，”J. Baldwin论述了工具和想法是如何在加工车间里互动的：“你开始按照最终目的来组织你的工具，当原料供应商告诉你这东西会变成汽车时……而如果你不知道将用于什么目的和其它的工具如何工作时你就不能确定在你的设计中采用何种工具。”

　　熟悉工具的性能是重要的，当你在下个星期三之前就要提交项目计划时，同样重要的是形成能把握下一个十年的突破的策略。我们对未来的工具越了解，我们的计划的生存力就越高。

　　一个在车间里工作的工人可以使工具保持在他的视野里，每天和它们一起工作使他的眼睛，脑和手熟悉了这些工具，于是他渐渐地了解了它们的能力，并可以把这些知识立刻应用于发明创造中。但是——象我们——这些想要了解未来的人们必须面对更大的挑战，因为未来的工具仅仅存在于思想中以及自然法则所暗示的可能性中。这些工具既没有挂在墙上也没有通过看，听和触摸印在我们的脑海里，除非它们已经变成存在的硬件。在接下来的预备年代里，学习、想象和思考将使它们的性能在我们头脑中具体化。


　　新复制机是什么？
　　
　　历史显示了硬件也在进化，试管RNA，病毒，和狗也都显示了通过自复制的改变和测试而实现的进化是如何进行的。但是今天的硬件还不能复制自己——那么技术进化后面的复制机在哪里呢？机器的基因又在哪里呢？

　　当然，我们事实上不必明确定义复制机来识别进化。达尔文在孟德尔发现基因之前就论述了进化，基因学家们也在沃森和克里克发现DNA结构之前就了解了很多遗传规律。达尔文不需要有分子基因的知识就可以看到物种的变化和预言一些物种有更多的后代。

　　复制机是能得到自身复制品的某种形式，可能需要某种帮助。没有蛋白质机器帮助的话，DNA就不能被复制。按照这种标准，某些机器就是复制机！一些公司生产的机器会落入竞争者手中，于是竞争者就获得了它们的秘密从而复制出来，就象基因“使用”蛋白质机器来复制自己一样，这类机器靠着人的大脑和手来复制自己。通过纳米计算机指导下的组装机和分解机，硬件的复制过程将会变得自动。

　　人类大脑，在模仿方面要超出任何蛋白质机器或组装机许多倍，通过谈话，写作和画图，设计可以在形成硬件之前就在人们头脑中传播。存在于设计方法后面的思想，比硬件更抽象，只在特殊的符号系统中复制和起作用。

　　基因一代一代地进化了无数代，而精神复制机也一天一天地进化了几十年。和基因一样，思想可以被分割，连接，可以有多种形式（基因可以被DNA和RNA描述并复制，思想可以被从一种语言翻译成另一种语言）。科学现在还不能描述大脑中形成思想的神经网络，但是谁都可以看见思想变异，复制和竞争。思想也在进化。

　　Richard Dawkins把精神复制的单位称作“拟子（memes）”（meme与cream比较押韵）。他说“拟子的实例是曲调，想法，短语，衣服式样，制罐方法或造弓箭的方法。和基因通过精液或蛋在基因池中繁殖并一代代传下去一样，拟子也在meme池中繁殖并通过某种过程在大脑之间流传，在更宽的意义上来说，可以称此为模仿”。


　　思维的产物

　　拟子被复制是因为人们既学又教，它们变化是因为人们创造新的并误解旧的，它们被选择是因为人们并不完全相信它们听到的事情。就象试管中的RNA通过竞争来夺取相对稀少的复制机器和子单位一样，拟子也必须争夺稀缺资源——人们的关注和努力。由于拟子影响人们的行为举止，所以它们的成功或失败是件很严重的事情。

　　从远古以来，行为举止和思维模式不断从父辈传给后代，可以帮助生存和繁衍的Meme形式就可以不断扩展。（食物要在烹饪后才能食用；不要吃那种果子，它们邪恶的灵魂会扭曲你的内脏。）一年又一年，人们各式各样的行动产生了不同的结果，年复一年，一些Meme死去了而另一些因为发现了新的生存之道而延续下来。基因构建的大脑熟练地模仿是因为模仿是一种很有价值的形式——使它们的载运者能生存下来并传播它们。


第三章 预言和规划




　　批评的态度可以被看成是有意识地使我们的理论和假说先代替我们经受生存选择。它给了我们一个机会来去掉不合理的假说——而更独断的态度会通过消灭我们自己来去掉假说。
　　——卡尔·波普爵士（Sir KARL POPPER）　　

　　在我们向前展望技术竞赛将带我们去向何处时，我们应该问三个问题：什么是可能的，什么是可实现的，以及什么是我们想要的？

　　第一个问题，是与硬件有关的，自然法则限制了可能性。因为组装机将打通通往这些限制的路径，所以理解组装机便是理解什么是可能的这个问题的关键之处。

　　第二个问题，改变的法则和我们目前的状态就是可实现性的限制因素。因为进化的复制机将扮演一个重要角色，所以进化的原则就是理解什么是可实现的这个问题的关键之处。

　　至于什么是想要的和不想要的，可以这么看，我们的各种梦想刺激我们寻求多样性的空间，而我们共同的恐惧则驱使我们寻求一个安全的未来。

　　这三个问题——可能性，可实现性，需求性——形成了对远景的近似。首先，科学和工程知识描绘了关于可能性的界限的远景。虽然还很模糊和不完善，这幅图像还是界定了未来可以在其中运动的永久性的框架。其次，进化的法则决定了哪条路可行，并设置了实现的限度——包括低端限制，因为保证改良生命或者未来的军事力量的进步实际上是无法阻挡的。这就允许我们做出有限的预言：如果没完没了的进化竞赛不被突然停止的话，竞争的压力将使我们的科技的未来达到可能性的极限。最后，由于有很宽范围内的可能性和可实现性，我们能达到一个我们所想要的未来。 


　　预言的缺陷

　　但是我们如何预知未来？政治的和经济的发展趋势是众所周知的变化无常，象掷骰子一样。即使相对稳定的技术进步也回避预言。

　　预言者常常推测装备新技术的时间和花费。当他们超过可能性的限度，而试图精确预言时，通常会失败。例如，虽然航天飞机无疑是可能实现的，但是预测它的首飞时间和研发成本则差了数年和数十亿美元。工程师们不能精确预言新技术将何时被开发出来，因为技术开发总是带有很多不确定因素。

　　但是我们不得不尝试预言和指导开发。我们将先开发怪物技术还是先开发笼子技术？某些怪物，一旦被释放，就不能再被装回笼子里了。为了生存，我们必须通过加速和限制开发来保持对技术的控制。

　　虽然一种技术有时可以阻止另一种技术产生的危险（防卫对进攻，污染控制对污染），竞争的技术常常向同一个方向发展。在1959年12月29日，诺贝尔奖得主Richard Feynman（理查德·费曼）在美国物理学会的年会上发表了一次演讲，题目叫“在底层有足够的空间”，他论述了一条接近纳米机械的非生物化学的路径（一步一步地缩小，用大点的机器来制造小点的机器），并说物理定律并不否定从原子组合来制造物体的可能性，这种尝试并不与任何法则冲突，这是某种从原理上来说可以达到的事情，但是实际上没有达到是因为我们太大了……最终，我们可以利用化学合成……把原子放在化学家所说的地方，你就会得到物质。简单地说，他勾画了另一条通向组装机的非生化路径。他并且说，“这是一个我认为不可避免的进步”。

　　就象我将在第四章和第五章将要讨论的那样，组装机和智能机器将简化很多关于技术进步的时间和花费方面的问题。但是从现在到这种突破到来之间的这段期间，时间和花费的问题将仍然是模糊的。理查德·费曼在1959年就说纳米机器将指导化学合成，大概也包括DNA的合成。然而他不能预测出做到这些的时间和花费。

　　事实上，当然，生化学家不用使用纳米机器就发展了制造DNA的技术，走了使用特殊化学窍门的捷径。获胜的技术常常因为不起眼的窍门和细节而成功。在1950年代中期，物理学家可以看出基本的半导体定律使得微电子电路成为可能，但是预见它们将如何被制造——预见掩模，阻抗，氧化生长，离子注入，光刻等等这些细节，以及它们的复杂程度——那时是不可能的。细节和使得技术胜出的竞争优势方面的细微差别使得技术竞赛复杂而难以预测。