【科技前沿】物理学家所梦想的化学家已实现，那艺术家所幻想的呢？
【总第24期】
科技前沿物理学家所梦想的化学家已实现，那艺术家所幻想的呢？
2016年诺贝尔化学奖授予了法国斯特拉斯堡大学的让-皮埃尔·索维奇、美国西北大学的弗雷泽·斯托达特和荷兰格罗宁根大学的伯纳德·费林加，因其“发明了行动可控、在给予能源后可执行任务的分子机器”。很多媒体在报道这件事时，都称获奖的这三位化学家实现了物理学家理查德·费曼在在四十年前提出的一个梦想。
费曼
费曼1959年12月29日在加州理工学院举行的美国物理学会年会上，发表了题为《物质底层大有空间》（There’s Plenty of Room at the Bottom）的经典演讲，提出了在微小尺度上操纵和控制物体的问题：“如果真能依我们所想来排列原子，产物会有什么性质？研究这些物质的理论会很有趣。我不知道会发生什么事，但我深信，当我们可以在极小的尺度下操纵物质的排列形式，我们就将可以利用物质所展现出来的各种各样的特性来做不同的事。”
短短几十年后，化学家们果然就利用高超的实验手段，操纵原子的排列形式，合成出了各种新奇的分子，并且制造出世界上最小的分子机器，虽然是以一种费曼未曾想到的方式。这几位获奖人开发出的分子机器比人类头发丝直径还要小1000倍，而且功能多样，从微型马达到微型汽车再到微型肌肉。“他们掌握了在分子层面上控制运动的技术”，把化学研究带入了一个全新的维度。
这个有关在分子层面的微观尺度上设计机器的激动人心的故事：1983年，让-皮埃尔·索维奇将两个环状分子连成链状，迈出了通往分子机器的第一步；1991年，斯托达特成功制备了轮烷，其中一个分子为链，一个分子为环，环分子可以绕链转动，在此基础上，科学家成功研制了分子起重机、分子肌肉和分子芯片；1999年，费林加首次制备了一种能够持续朝一个方向转动的分子发动机，用它转动了比它大一万倍的玻璃杯，并且设计了一个微型车……本文不准备详述了，因近期相关报道和介绍已经很多。
索维奇将两个分子环连接在一起
斯托达特的分子电梯
费林加创造出的第一个分子马达
此处想提出的是，化学家实现了物理学家在微小尺度上操纵物体的梦想后，艺术家关于缩小实际事物尺寸的幻想，是否也能变成现实？
1966年，二十世纪福克斯公司出品了一部风靡全球的科幻影片《神奇旅程》(Fantastic Voyage)。导演理查德·弗莱彻曾执导家喻户晓的二战名片《虎！虎！虎》（又名《偷袭珍珠港》）和由凡尔纳的同名小说改编的科幻名片《海底两万里》。据说他拍完《海底两万里》后，觉得还没有尽兴，还想再拍一部有潜艇、有海洋的电影过把瘾，所以，就有了该片。影片讲的是几名美国医生和特工乘坐一艘名为“变形虫”的潜艇，通过微缩技术，被缩小成几百万分之一置于针筒中，注射进被FBI策反投诚的苏联科学家体内，在他的血管中“航行”，并驶向其大脑为其清除 “血瘀”。
《神奇旅程》海报
在该片拍摄过程中，福克斯公司为了提高其影响力，请来了科幻小说界最有影响力的阿西莫夫根据电影剧情写一部同名小说出版，配合宣传。阿西莫夫起初一口回绝，觉得本片的剧情设计在很多地方突破了现有的科学理论，改写这种故事，实在是有自己的声望，但后来还是同意了。在电影拍完前6个月，阿西莫夫的同名小说就先行出版，为影片作了最好的广告。影片获得第39届奥斯卡金像奖最佳视觉效果、彩色片最佳艺术指导和布景奖两个奖项，还获得了彩色片最佳摄影、最佳剪辑、最佳音效三项提名奖。
缩小实际事物尺寸，到让人为所欲为的程度，这个主题太令人兴奋了！须知茫茫宇宙一直是科幻电影的“富矿区”，电影科技已将人类探索太空的梦想表现得淋漓尽致，但对人体内部微观空间进行探索的科幻电影，可以说是廖廖无几的。导演弗莱彻自己就说，“这部影片使我大为振奋！在人体内作旅行的想法以及通过如此不同寻常的办法来显示人体，实在令我神往。”
这部影片的主题激发了之后多种艺术形式的模仿，如被改编成同名动画片连续剧、类似情节的小说等，更激发了很多著名导演重拍的冲动。据说，著名导演詹姆斯.卡梅隆早在1997年，就有兴趣重拍此片，但由于忙于《阿凡达》的创作而耽搁了，但他一直惦记着这件事，甚至亲自撰写了剧本。2007年，福克斯公司宣布要筹划重拍此片，由好莱坞炙手可热的商业片导演罗兰.艾默里奇（Emmerich）执导，不过艾默里奇后来因忙于灾难片《2012》的拍摄，也暂时放下了。今年1月，好莱坞又传出消息，说有关方面正在探讨重拍《神奇旅程》一事，不知道结果会如何。
科学家们当然也不会面对艺术家的这类幻想无动于衷。只是相对于人类对太空的认识以及宇航探测设备日新月异的发展，这方面的进步可以说微乎其微。这是为什么呢？没别的，就是太困难了。
我们先来看看缩小人。科学家认为，根据现在已有的科学理论，把人缩小只有两种方法：一是把构成人的原子缩小，二是把原子数量减少。但是，首先原子不能缩小，因为组成原子的原子核及其周围的电子之间的平均距离，不能更改。其次是原子数量不能任意减少，即使在理论上可以实现某种程度的减少，但是不能突破某个下限。此外，还有一个最重要的问题，就是作为一个生物系统，人需摄取氧气、消耗食物、散发热量，这些都与我们器官的表面积和身体的重量密切相关，并不能简单地将一切都按比例缩小。比如说肺部，如果体积明显减小，就会大大影响氧和二氧化碳在肺部的扩散速率。这就是阿西莫夫所说的本片情节设计上的破绽。阿西莫夫在同名小说中对这些不合理的情节做了尽可能的弥补，有兴趣的观众可以找来看看。
阿西莫夫
那么缩小物呢？像影片中的潜水艇那样，被缩小后仍保持其功能？答案也是否定的，即使从我们今天的视角来看，也是连科幻都还算不上，根本是纯粹的幻想。不过，虽然缩小人或物从现有科学理论看，似乎仍然不可能，但是，人类探索超微型技术的步伐从来也没有因为困难而停止，特别是在医学应用领域。据报道，有一家机构已成功将一颗有圆珠笔珠那么大的钢珠植入猪的颈动脉中——这是人类第一次将物体以无线控制方式植入生物的血管，对于微型机器人研究界来说，可谓是历史性的一歩，其突破意义，与人类首次登上月球不相上下。现在世界上许多研究机构正在努力将这一小步发展得更大，希望有朝一日能够将微型机器人植入生物的大动脉和小血管，帮助运载药物、清除血液中的瘀结或进行组织活检，最终开发出更安全、精度更高的手术机器人。不过，目前这些设想大多还是实验室的概念和想象，要实现这个梦想，还要克服一系列的工程学上的障碍，因为在微观尺寸上，机器操作的几乎每一个方面都需要重新思考，而要在人体内工作，又会带来额外的限制，例如，需要追踪物体所在的位置，还要确保这些物体是无毒无害的，可无害降解，或者在任务完成后能离开身体，就像本片中的几位医生必须在恢复原状前，设法离开那位科学家的身体一样。
我们期待这些微型化技术设想早日变成现实！