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发信人: wxl (小亮), 信区: NanoST
标  题: 第三章 预言和规划
发信站: 哈工大紫丁香 (Fri May 13 08:45:21 2005), 转信

　　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。

　　但是这些会使得远期预测徒劳无用吗？在冲向自然法则所规定的极限的赛跑中，终点线是可以预言的即使跑道和赛跑者的步伐是不可预测的。是自然法则而不是人类的想象划出了终点线——没有任何行政干预，任何社会运动可以改变万有引力定律哪怕一点点。所以无论未来学家可能看见什么，发表对技术可能性的预测和预言是完全不同的。他们是基于永恒的自然规律，而不是异想天开。

　　不幸的是这种洞察力是非常罕见的，没有它，我们会迷失在可能性的丛林之中，搞不清山脉和海市蜃楼从而两者都不相信。我们使用在过去的漫长岁月中形成的观念和文化来展望前景，当科学和技术竞赛渐渐失去强度和速度时。我们只是在最近才开始进化科技预见的一般方法。

　　科学和自然法则

　　科学和技术是相辅相成的。工程师使用科学家发现的知识，科学家使用工程师制造的工具。科学家和工程师都使用数学语言来描述自然法则，都用试验的方法来验证概念。但是科学和技术在基础，方法，和目的上都是有根本区别的。了解这种区别对于预测是至关紧要的。虽然两个领域都由进化的meme系统组成，但是它们在不同的压力下进化。考虑一下科学知识的本源。

　　回顾从前的历史，人们几乎不了解进化。这使得哲学家认为感官证据，和推理是以某种方式把所有的人类知识——包括对自然规律的认识，印在人们脑海里的。但是在1737年，苏格兰哲学家David Hume（大卫·休姆）用一个令人不快的难题表述了它们：他说明通过观察并不能从逻辑上证明一个普遍规律，太阳过去每天升起并不能证明它明天也会升起。确实，太阳会在将来的某天消亡，从而反驳了太阳每天都会升起的逻辑。Hume的问题显示了推理产生的观念也不一定是可靠的，这极大地困扰了理性的哲学家们（包括他自己）。他们冥思苦想，产生了非理性主义。在1945年，哲学家Bertrand Russell（伯特兰·罗素）注意到“贯穿十九世纪并延伸到二十世纪的非理性的发展是因为Hume摧毁了经验主义而造成的结果。”Hume的难题Meme切断了理性观念的发展，至少在人们思考它的时候。

　　在近几十年来，Karl Popper（卡尔·波普，可能是最受科学家欢迎的科学哲学家），Thomas Kuhn（托马斯·库恩），以及其他人把科学作为一个进化的过程来认识。他们不是把它看作一个由观察产生结论的机械过程，而是看作一场争夺认可的观念之战。

　　所有的观念，象拟子一样，都在为获得认可而竞争，但是科学领域的meme系统是特殊的：它具有产生观念突变的传统，和一个独特的控制突变的免疫系统。进化的结果随着选择的压力的变化而不同，无论是在试管RNA分子，昆虫，想法，或机器中。为制冷而进化的硬件和为运输而进化的硬件是不同的，因此电冰箱和小汽车是完全不同的。更普遍地，为目的A而进化的复制机和为目的B而进化的复制机是不同的，拟子也不例外。

　　一般来说，观念可以进化成看起来象真理或者变成真理（通过向那些谨慎对待新观念的人示真），人类学家和历史学家描述了观念在缺乏科学方法的人群中是如何进化成伪真理的，这样的结果在世界范围内都是相当一致的（关于疾病的邪恶灵魂学说，关于星星是圆顶上的灯的学说等等）。心理学家探查人们关于物体下落的天真的错误观念时发现，对它们的确信在中世纪形成了正式的“科学”体系，在伽利略和牛顿出现以前。

　　伽利略和牛顿用实验和观察的方法来测试关于物体和运动的观念，开创了一个科学飞速发展的新时代。牛顿发展出了一个经受了无数考验的有用的理论。他们的仔细测试的方法消除了偏离真理很远的观念，包括那些已经在人类大脑中进化了的观念。

　　这种趋势在延续，更多的变化和测试使得科学观念更加进化，产生了一些奇异的理论，例如弯曲时空的相对论，量子力学中的粒子几率波函数。甚至生物学也抛弃了早期生物学家所信奉的特殊的“生命力”理论，代之以微小分子机器组成的精细系统理论。进化为真理（或接近真理）的观念，一次又一次地驱逐了错误的观念——或不可理喻的观念。真理和伪真理开始变得像汽车和电冰箱那样不同。

　　自然科学中的观念在几个基本的选择法则下进化。首先，科学家抛弃不可测试的推论，他们因此保证了大脑不会被无用的寄生虫所阻碍；其次，科学家们为那些没通过测试的想法寻找替代品；最后，科学家寻找那些为准确预言提供了很大可能的想法，例如万有引力原理，描述了石头如何下落，行星的轨道，和星系的漩涡，并做出了准确预言，使得它经受住了反驳。它的宽阔的适用范围和精确性使得它明显地有用，既可以帮助桥梁工程师又可以帮助宇航工程师。

　　科学的社会提供了一个拟子发展的环境，通过竞争和测试使得进化向着更有力和更精确的方向发展。对试验理论的重要性的认可使得科学社会能在关于理论本身的论战中保持团结。

　　不精确的、有限的证据不能证明一个精确的，通用的理论（就象Hume所说），但是它可以反驳一些理论从而帮助科学家们选择。和其它进化过程一样，科学通过否定之否定（反证不正确的理论）产生一些肯定的东西（不断增长的有用理论集合）。否定证据扮演的重要角色可以解释一些由科学引起的心理上的不安：作为反驳的原动力，它可以将我们珍爱的信仰连根拔除，但是不能填补由此产生的心理空虚。

　　在实际中，当然，很多科学知识是和砸在你脚趾头上的岩石一样结实的，我们知道地球绕着太阳转（虽然我们的感觉可能不是这样）是因为这一理论与无数次的观测相吻合，也是因为我们知道我们的感觉是不可靠的。我们有不止一个理论证明了原子的存在：我们使它们结合成分子，使它们发光，在电子显微镜下看到它们（刚刚可以），以及通过撞击使它们变成碎片。我们也有不止一种关于进化的理论：我们观察突变，观察选择，在实验室里看到了进化的过程。我们从我们星球上的岩石里面发现了过去进化的足迹，观察到了我们工具的进化，我们大脑的进化，和我们大脑中的思想的进化——包括进化的观念本身。科学过程形成了对无数事实的统一的解释，包括人类和科学本身是如何产生的。

　　当科学停止反证理论后，幸存者往往挤在一起没有区别。毕竟，任何两个幸存下来的理论之间的差别都会被用来反证彼此。例如存在于现代万有引力理论之间的差别过于细微以至于不能对计划在空间引力场中飞行的工程师的设计产生影响。事实上，工程师们还在使用牛顿的已被证否的万有引力定律来计划空间飞行，因为它比爱因斯坦的方程要简单，并且也足够精确了。爱因斯坦的引力理论到目前为止已经通过了所有测试，但是还是没有绝对的证据能证明它并且也永远不会有。他的理论几乎可以对任何地方的事物做出精确预言（至少在重力物质中），但是科学家们只能对某些地方的某些事情做出近似的测量。并且象Karl Popper指出的，你永远可以提出一种不能被现有证据所区分的与另一种理论十分接近的理论。

　　虽然媒体的讨论凸现了不稳定的，有争议的知识的轮廓，但是科学的取得认可的力量仍然是清楚的。其它的东西能这么快的增长，这么稳定和这么国际化吗？政治，宗教，或者艺术都不能。事实上，科学的主要对手是它的兄弟：工程，同样通过提议和严格的测试来进化。


　　科学 vs. 技术

　　IBM的研发主管Ralph E. Gomory说：“技术发展的进化常常在人们的印象中和科学相混淆”这种混淆阻碍了我们对远见的努力。

　　虽然工程师们也常常走在不可预知的路上，但他们不是象科学家一样是命中注定要这样的，他们可以避开提出精确的、普遍的科学理论所必然会有的风险。工程师们只要能知道在特定条件下的特定物体能工作正常就足够了。设计师既不需要知道吊桥绳索承受的精确拉力也不需要知道使它们断裂的精确拉力值，那些绳索会支撑住吊桥的，只要都在正确位置上，甭管它们到底是什么。

　　虽然测量不能证明精确的等式，它们却可以证明不等式。工程上的结果因此可以被证实而科学理论却做不到。工程结果甚至能在不被科学理论支持的情况下存在，直到新的理论得出同样的结果。例如组装机将会在我们关于量子力学和分子键的理论的诘难下生存。

　　预言新的科学知识的内容在逻辑上说是不可能的，因为我们不能声称我们已经知道了我们将在未来要学习的东西。从另一方面来说，预言未来的技术的细节，则仅仅是困难的。科学的目的是了解，而工程的目的是去做，这使得工程师们可以毫不犹豫地谈论未来的成就。他们可以在虚拟环境中进化他们的硬件，在切削金属或甚至在完善设计细节之前。

　　科学家们通常都知道在科学预言和技术预言之间的差别，他们更乐意对科学做出技术性的预言。例如，科学家们可以预言旅行者号发回的土星环的照片的清晰度，而不是它们的内容。事实上，他们可以在照相机还停留在设计图纸的时候就预言照片的清晰度。他们的计算使用了经过考验的光学定律，无须任何新的科学知识。

　　因为科学的目的是了解万物运动的规律，所以科学训练可以成为一个理解特殊硬件的很好的辅助手段。当然，它不能自动使我们成为工程专家。设计一架客机需要比冶金学和空气动力学多得多的知识。

　　科学家们被学院教育所鼓励使用现有的仪器来集中检验他们的观念。这种短期聚焦的结果对科学常常是有利的：它保证科学家不会在未经验证的幻想世界中徘徊，迅速的测试形成了一套有效的精神免疫系统。遗憾的是，这种短期测试使得科学家们对技术的长期进步熟视无睹。

　　关于科学不可能被真正预言的看法使得很多科学家把所有对未来的发展的预测都看作是“投机的”——用在科学的未来发展上是很合适的，但是用在技术方面是不适合的。即使大部分工程师也持类似的看法，他们同样也被教育，同事，雇主鼓励去关注仅仅一种问题：设计可被现有技术实现的系统。甚至长期的工程项目例如航天飞机也必须定个时间限度，在没有新的发展出现时。

　　简单地说，科学家拒绝预言未来的科学知识，并且很少讨论未来的技术发展。工程师计划未来的发展，但是很少讨论任何不是基于现有能力的东西。这产生了一个至关重要的空隙：基于现有科学理论但是要等未来的技术能力的工程进步会怎样呢。这一空隙产生了一个值得研究的果实丰富的领域。

　　设想一条用现有工具生产新工具的发展线路，然后用那些工具制造更新奇的硬件（也许包括另一代工具）。每套工具都建立在已知法则的基础上，整个发展过程可能要许多年，因为每一步都带来一大堆要解决的问题。科学家设计他们的下一个实验，工程师设计他们的下一个装置将迈出第一步。结果还是可以预见的，依赖于已有的科学知识提供的可能的范围。

　　近期的历史证明了这种模式，一些工程师在火箭飞到太空之前就考虑建立空间站，因为原理是足够清楚的，所以空间系统工程现在是一个繁荣的领域。相似地，一些数学家和工程师在计算机被造出之前就研究计算的可能性。所以一些科学家和工程师现在开始研究纳米技术是一点也不奇怪的，无论如何它会到来。


　　列奥纳多的教训

　　我们规划工程进展的努力已经有很长的历史了，过去的例子显示了今日的可能性。例如，列奥纳多·达芬奇是如何能预见这么多事情的，还有为什么他有时又预言错误？

　　列奥纳多生活在500年前，他的一生都致力于发现新世界，他通过绘画和发明来预示。每个设计都可以看作一个可以实现的预言。他是个成功的机械工程师，他设计了很多可工作的机器（有些在几个世纪后才被造出来），用于挖掘，金属加工，传输能量，以及其他目的。但他作为一个航空工程师却是失败的，我们现在知道他设计的飞行机器是不可能象他说的那样飞起来的。

　　他的在机械设计方面的成就是可以被理解的，如果部件能被足够精确地制造，采用足够结实的材料，那么设计慢速的，由杠杆，滑轮，和轴承组成的机器就是几何学和杠杆原理的事情了。列奥纳多对这些非常熟悉，所以他的某些“预言”是长期的，只是在人们可以制造出足够精确，硬度足够高，强度也足够高的零件（比如好的滚珠轴承）之后数年——他预言的机器才可以工作，而这已经是在他的预言之后300年的事了。同样的，高级的，有曲线轮齿的齿轮在列奥纳多画出它们之后200年才被造出，他的一种由链条驱动的设计也在几乎三个世纪后才出现。

　　他在飞行器方面的失败也是可以理解的，因为列奥纳多的时代还没有形成科学的空气动力学，他既不能计算机翼的升力和阻力也不知道如何控制和驱动飞行器。

　　那么我们这个时代的人能否有希望象列奥纳多·达芬奇准确预言金属机床那样准确地预测分子机器呢？我们能否避免犯象他设计飞行器那样的错误呢？列奥纳多的例子暗示了我们可以做到。列奥纳多可能自己也对他设计的飞机缺乏信心，但是他的错误中仍然可能含有正确的东西，他确信某种飞行机器是可以飞起来的，他确信是因为它们已经存在，飞鸟，蝙蝠和蜜蜂都证明了飞行的可能性。更进一步的说，尽管他的滚珠轴承，齿轮，链条传动没有先例，但他对它们的原理还是充满信心的。人类已经建立了大量几何学和杠杆方面的理论原理。对强度和精度方面的要求可能使他困惑，但不是在功能互动和运动方面。列奥纳多可以预言需要比他已知的部件更好的部件的机器，并对他的设计充满信心。

　　预言分子机器同样地依赖于很宽范围的知识基础，不仅需要几何学和杠杆原理，而且一般需要有化学键，统计力学，和物理学的知识。这次，材料性质和加工精度的问题不再分别出现，原子和键的性质就是材料性质，原子本身是标准的和预制好了的。因此我们现在能比列奥纳多时代更好地展望远景：与他们了解钢材和机械精度的程度相比，我们更了解分子和键的性质。另外，我们也可以象列奥纳多指出那些机器（飞鸟）已经飞起来那样地指出纳米机器已经存在于细胞中了。

　　预言第二代纳米机器可以被蛋白质机器制造出来当然要比达芬奇时代预言高精度机床可以被粗糙的机器生产出来要容易。学会用粗糙的机器生产精密的机器需要时间，并且方法也不是显而易见的，而分子机器，只要把预制好的原子部件组装起来就可以了。在那个时代想象用粗糙的机器生产精密的机器比我们现在想象分子组装要困难；除此之外，我们也知道自然中已经存在分子组装过程；再有，我们比达芬奇有更可靠的理论基础。

　　在达芬奇时代，人们对电磁学了解甚少，对分子和量子力学更是一无所知。因此，电灯，收音机，和计算机对他们来说是难以理解的。如今，在工程方面很重要的基础原理——描述普通物质的——好像已经被广泛接受了。象引力理论一样，科学的反证动力已经迫使现存的物质理论趋于一致。

　　这样的知识是现代才有的，本世纪之前，人们不了解为什么固体是结实的，或者为什么太阳会发光，科学家们也不知道分子，人类，行星，恒星等领域的基本规律。这也是为什么我们这个世纪产生了晶体管，氢弹，也是为什么分子技术在接近的原因。这些知识带来了新的希望和危险，但是至少它给了我们向前看和作准备的方法和手段。

　　在技术的基本规律被了解后，未来的可能性就可以被预见（虽然有差距，达芬奇还是能预见到机械计算机）。即使当基本规律不被了解时，就象达芬奇时代的空气动力学一样，自然还是能显示出可能性。最后，如果科学和自然都显示了可能性，这些教训也告诫我们要用心准备。


　　组装机突破

　　科学的基础可能会进化和改变，但是它们仍将持续地支撑起一个稳定的增长的工程大厦。最后，组装机将允许工程师制造出他们设计的任何东西，而不必顾及从前必须面对的材料和加工方面的问题。计算机模拟已经可以让工程师们非实物地进化他们的设计。所有这些都有利于允许我们预见——和发明更多的东西。

　　随着纳米技术的发展，组装机会成为伸手可及的东西，它们的特性也会变得清晰。

　　到那时，计算机辅助的分子系统设计——已经开始了的——将变得普遍和常用，也刺激了计算机技术的发展和对分子工程师的需求。使用这样的设计工具，工程师将能设计第二代纳米系统，包括用来建造它们的第二代组装机。更厉害的，通过允许一定程度的错误（为设计的变异作准备），工程师将能设计很多一造出来就能工作的机器——他们将在一个可以模拟分子的世界中进化设计。

　　这种设计导向的过程似乎是必然要发生的，唯一的问题是何时发生和它会走多远。在组装机实现突破之后的数年，会引发硬件大爆炸。我们是否能适当的设计，将决定我们是否能繁荣发展，或者毁灭我们自己。

　　组装机突破将影响到技术的所有方面，因此预见就成为一个艰巨的任务。在可能的机械装置方面，列奥纳多·达芬奇仅仅预言了很少一点。同样的，在未来技术的方向，现代思想也只能预见到很少一点。一点进步，但是似乎是基本的要素。

　　医药技术，空间探测，高性能计算机，和新的社会发明都会产生连锁反应，但是组装机突破将影响到上述所有方面，甚至更多。 

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