1959年12月29日，“纳米技术之父”费曼在加州理工学院召开的美国物理学会大会上发表了这个著名的演讲。在演讲中，费曼阐释了微缩技术的前景——这个想法比他所在的时代超前数十年：即如何把整套《不列颠百科全书》的内容装在一根针头大小的容器里，将生命体和非生命体的尺寸急剧缩小，以及极小型机器润滑的问题——这种机器比这句话结尾处的句号还要小。费曼还设了一个大擂台，他向年轻的科学家挑战，看他们能否制造出一个能正常工作的电动机，其各面的边长不超过1/64英寸（0.4毫米）。
来自物理研究新领域的邀请函
我想，实验物理学家一定会羡慕卡默林·翁内斯[1]那样的人。他发现了低温研究领域，而这个领域似乎是没有“底儿”的，可以让人一直不停地向下探索。因此，他成了这个领域的研究带头人，在一段时间里，可以说是独领风骚。而珀西·布里奇曼[2]发明了一个方法获得了超高压，从此开辟了一个新的研究领域。他不仅自己向这个领域进军，还带领我们一路前行。同样地，对高真空的研究也是一个有待深入研究的领域。
我想介绍一个领域，虽然目前研究成果不多，但是在理论上大有可为。这个领域和其他领域不大一样，它不会去探讨物理学的诸多基本问题（比如“奇异粒子”是什么？等等），从某种意义上讲，它比较接近固态物理学——它研究的是复杂情况下发生的一些很有意思的奇怪现象。最重要的是，它有异常广阔的应用前景。
我要谈的就是微观世界的操控技术。
只要我谈到这个问题，马上就会有人告诉我微型技术及其最近的发展有多神速。他们跟我提起只有小拇指指甲大小的电动马达，他们还告诉我市面上已经出现一种设备——你可以在大头针的针头大小的面积里“写”下主祷文。但是这些都不算什么。就我要讨论的问题而言，这些只是这个研究领域最初级、最不成熟的技术。深挖下去，那里还有一个极其微小的世界。到了2000年，那时的人们如果回头看我们这个时代，他们会感到很困惑：为什么直到1960年才有人认真研究这个领域？
我们为什么不能把全套24卷的《不列颠百科全书》的内容写在大头针的针头大小的面积上呢？
首先我们来看看，这会涉及哪些问题。大头针针头的直径是1/16英寸（约1.6毫米），如果把针头的直径放大25000倍，它的面积就相当于全套《不列颠百科全书》所有页面的面积总和。因此，我们要做的只是把《不列颠百科全书》上的文字缩小到原来的1/25000。这样做可行吗？我们肉眼的分辨能力大约是1/120英寸（约0.2毫米）——大约是《不列颠百科全书》一个印刷网点的直径。如果把这个点缩小到原来的1/25000，它的直径就是80埃[3]，相当于32个普通金属原子一字排开的长度。换句话说，这个点可以容纳大约1000个原子。这样的每一点都可以很容易依据照相凸版印刷的要求调节大小，因此大头针针头有足够的空间刻写全套《不列颠百科全书》，这么做是没有问题的。
另外，如果文字可以被这样刻写的话，就一定有方法把它们读出来。我们假设用凸起的金属字刻写，也就是说，《不列颠百科全书》的文字被缩小到原来的1/25000之后，并一一用凸起的金属字刻写下来，那么，（将来印刷出来）黑色部分就是《不列颠百科全书》的正文内容。那么要怎么把它们读出来呢？
如果能用这种方式刻写文字，我们也可以利用当今常用的技术把它们读出来（假如我们真的能这样刻写文字，将来一定会有人想出更好的方法把这些文字读出来，但是为了保险起见，我就讲讲现在我们能理解的技术）。我们可以这样做：（1）把金属字压进塑性材料，做好模子；（2）小心翼翼地把塑料模子撕下来；（3）把硅蒸镀到模子上，形成一层很薄的硅膜；（4）拿黄金再蒸镀一层膜，从特定的角度把黄金蒸镀到硅膜上，这样会让所有的微型文字更清楚地呈现出来；（5）最后融掉塑料膜子，使其从硅膜上剥离，这样我们就可以用电子显微镜来阅读了！
因此，把缩小到原来的1/25000的文字以凸刻的方式刻写在大头针头上，用今天的技术就能很容易把这些文字读出来。另外，我们还发现拷贝也非常容易：只要把金属字板再次压进塑性材料里，我们就可以得到另外一个拷贝了。
如何刻写微型文字
下一个问题就是：我们怎么去刻写这么小的字？我们现在还没有完成这个步骤的标准技术。但是我要说，这件事情并非乍看那么困难。我们可以把电子显微镜的镜头翻转过来，把原来的放大功能变成缩小功能。让一束离子通过这种翻转的镜头，最后聚焦成一个非常小的点。就像电视机示波器的阴极射线管的工作原理那样，我们可以用那个点来“书写”：一行一行地把离子打上去，并且在这一过程中，调整将要贴附在表面的离子的数量。
由于空间电荷的限制，使用这个方法“书写”可能很慢。以后会有更快捷的方法——可能利用照片成像的原理，我们可以先做一个布满小孔的屏幕，小孔设计成文字的形状；然后我们在屏幕后激发电弧，使金属离子穿过屏幕上的小孔；接着使用上述那套已经翻转过来的镜头，使这些离子构成一个个小图像——也就是文字，而这些金属离子会贴附在大头针针头的金属表面上。
另外有一个比较简单的方法（不过我还不确定这方法是否可行）：
我们可以把光学显微镜的镜头倒转过来，让光线通过镜头聚焦到一块很小的光电屏幕上，屏幕上被光线照射到的地方就会有电子被打出来，这些电子通过电子显微镜的镜头被聚焦，接着就直接打在金属表面（也就是大头针的针头）。如果在这一过程中，电子束经过的距离太长，它还能不能在金属表面上留下刻痕？我不能肯定。如果它在金属表面不能留下刻痕，我们肯定能够找到某种特殊材料覆在针头表面，一旦承受电子束撞击，该材料表面一定会留下印记，之后我们也可以辨认出来。
这些装置不存在强度不足的问题——利用电子显微镜“放大”的时候经常会遇到这个问题，那种情况下一般只有少量电子，要把它们“放大”后打到很大很大的一块屏幕上，现在的情况恰恰相反。一整页的光线被聚焦在一块非常小的区域，因此光的强度非常大。而光电屏幕出来的少数电子也会被聚焦到非常小的一个区域，因此其强度也是非常之大。我真是搞不明白，为什么到目前为止还没有人去做这件事！
刚刚我们说的是把《不列颠百科全书》搬到大头针针头上。现在让我们考虑一下，怎样把全世界所有的书都装进去。美国国会图书馆大约有900万册藏书，大英博物馆的图书馆里有500万册藏书，法国国家图书馆的藏书也有500万册。当然，这些藏书可能会有一部分是重复的。我们就假设世界上总共有2400万册重要书籍。
假使用上述尺寸把所有这些书籍都印下来，那会出现什么状况呢？又会用掉多少空间呢？显然，这下需要的面积相当于100万个针头的面积总和，因为原来我们只是印24册，这回却要印2400万册。这100万个针头可以摆成一个正方形，边长是1000个针头的宽度，那么它的面积是3平方码（约2.5平方米）。这也就是说，我们用硅膜——之前我们拿它做过拷贝，其背衬是纸张厚薄的塑料——记录所有这些书籍内容，需要的总面积大约等于35页《不列颠百科全书》的页面面积之和，这相当于这份杂志一半的版面面积。这就意味着记录人类文明的所有信息可以放进一本小册子，而你可以随身携带这个小册子。而且这小册子用的还不是代码，只是微缩了书上的原件相片和版画等等，一点儿也不失真。
如果我对我们加州理工学院的图书管理员（现在她穿梭于一座座图书馆建筑之间）说，10年后，所有她努力保管的书面信息，包括从地板堆到天花板的12万册书籍、一抽屉一抽屉的图书卡片，以及塞满储藏室的旧书，所有这些都可以放在一张图书借阅卡大小的卡片里，不知道她会做何反应。我们假设说，巴西大学的图书馆遭遇火灾，所有藏书付之一炬，我们就可以把我们图书馆中所有的藏书拷贝一份，给他们寄过去——只要用我们的藏书母版制作一份拷贝，花费时间不过数小时，然后用航空信寄走，而且用的信封不会比普通航空信件大，重量也不会比一般信件更重。
今天我演讲的题目是“底下还有大量的空间”，而不只是“底下还有空间”。我刚才已经论证了“确实有空间”——你可以用切实的方法缩小尺寸。现在我要说明的是有大量的空间。我不打算探讨具体做法，只是想谈谈原则上有哪些可能性——也就是说，按照物理学的原理，哪些事情是可能的。我并不打算提出什么“反重力”概念——只有在现有物理定律被颠覆的情况下，这才有可能。我要告诉你们的是：在确定现有物理学正确的前提下，我们能做到的事情，而我们现在之所以没有做到，那只是因为我们还没有摸到门道。
微型世界的信息
假设一下，我们不是直接去拷贝照片和所有资料，而用点和画的不同组合——或者还有其他类似的符号——代表不同的字母。每个字母包含6比特或7比特的信息，也就是一个字母用6或7个点或画表示。请注意，之前我只提到把所有文字写到针头的表面上，现在我还要研究文字的内部构成。
如果我们用一种金属的一个小粒代表点，相邻的画则用另一种金属的一个小粒来代表，如此类推下去。我们持保守态度，假设储存一个比特的信息需要一个小立方体，大小为5×5×5个原子——也就是需要125个原子。我们需要用100个原子和其他一些原子，以此确保信息在传播或其他过程中不会遗失。
我曾经估算过《不列颠百科全书》里全部字母的数量，假设2400万册图书都跟《不列颠百科全书》一般大小，那么总共大约需要1015个比特。假设每个比特用100个原子来表示，那么人类精心积累下来并写进书本的知识，全部可以储存在一个边长为1/200英寸（0.127毫米）的立方体里，其大小是我们肉眼勉强可看到的灰尘那么大。所以我说其实还有大量的空间可以利用！拜托，你们不用跟我提什么微缩胶卷！
大量的信息可以被存储在极小的空间里——当然，生物学家早知道这个情况，而且在我们能理解这一切之前，这个事实也解答了一个疑团，那就是：构成复杂的生物——比如说我们——的所有生物学信息是如何被保存在一个哪怕是最小的细胞里的呢？那些生物学信息包括我们的眼睛是不是棕色的，我们到底有没有思考能力，或者在胚胎时期下颌骨开始发育，边上就会有一个小洞，以后供一条神经穿过，等等——这些信息都被储存在一条长长的DNA分子链里，而这个DNA分子链只是一个细胞里很微不足道的一个部分，在这里，大约50个原子可以代表细胞内1个比特的信息。
我们需要更好的电子显微镜
如果我写代码时，用一个小立方体——5×5×5的原子——代表每一个比特，那么有一个问题：怎么把它读出来？现在的电子显微镜性能还不够好，即便再努力、再仔细观察，它也只能看到10埃的东西。我谈这些微观世界的东西，就是想努力让你们知道，把电子显微镜的性能提高100倍有多重要。然而这并不是不可能的事情，这也不违背电子衍射原理。透过这种改进后的电子显微镜，电子的波长只有1埃的1/20。因此，用这种显微镜有可能观察到单个原子。能清晰地看到单个的原子，这该有多好啊！
在其他领域，比如说生物学，我们也有认识的朋友。我们物理学家会常常对他们说：“你知道自己的研究进展不快的原因吗？”（实际上，我不知道当今有哪个学科的发展比生物学还要快。）“你们应该像我们一样，多使用数学。”他们原本可以这样回答，但是他们很礼貌，我来替他们说：“如果想让我们加快进度，那么你们首先应该把电子显微镜性能提高100倍。”
当今生物学最核心、最基本的问题是什么？是下列这些问题：DNA的碱基序列是什么样的？基因突变时会出现什么状况？DNA的碱基序列和蛋白质中氨基酸的序列有什么联系？RNA的结构是什么样的，是单链长分子还是双链结构，它跟DNA的碱基序列又是什么样的联系？微粒体是怎么构成的？蛋白质是怎样合成的？RNA跑到哪里去？它如何固着？蛋白质固着在哪里？氨基酸又会进到哪里？在光合作用中，叶绿素在哪里，它是怎么排列的，类胡萝卜素在其中起作用吗？光转换成化学能机制是什么？
生物学的这些基本问题大多很容易回答——你只要去看那些东西就行了。你会看到分子链上碱基的序列，你还会看到微粒体的结构。不尽如人意的是，透过现在的显微镜，我们看到的图像不那么清晰。把电子显微镜性能提高100倍，很多生物学的问题很可能就迎刃而解了。我这么说，可能有点夸张，可是，一旦做到这件事情，生物学家一定会很感激你的——而且，比起他们在研究上应该多用数学那个建议，他们会更欢迎这个变化。
当今化学反应的理论是建立在理论物理的基础上的。从这个意义上讲，物理为化学提供了理论基础。但是，化学这门学科还包括化学分析。如果你拿到一个奇怪的物质，你想知道它到底是什么，那就要经过漫长复杂的化学分析才能得到结论。到今天，你几乎可以分析任何东西的成分。所以，我说这些，也不是什么先见之明。但是如果物理学家想做成分分析，他们的研究可以比化学家更进一步。对他们来说，分析任何一种复杂的物质，这可以是一件非常简单的事：只需要看看它的原子在哪儿。问题是现在的电子显微镜太差劲了。（等会儿我要问一个问题：物理学家能否针对化学的第三个问题，即物质合成，做点事情？有没有物理方法来合成任何一种化学物？）
电子显微镜这么差劲的原因是镜头的f值只有1/1000，这种数值的孔径就不够大。我知道，有理论证明：轴对称静磁场的镜头，它的f值不可能超过某一个值，因此现在电子显微镜的分辨率已经达到了理论极限。但是，任何理论都有假设。为什么磁场必须是对称的？我向大家提一个问题：难道没有办法提高电子显微镜的性能吗？
神奇的生物系统
生物信息可以“写”在极小的空间内，生物学的这个例子启发了我：也许做一件事情是可能的。生物学上的这个例子，不仅仅是“写”下信息，还在“做”有关的事情。一个生物系统可以无限小。很多细胞都很小，却非常活跃：它们生成各种各样的物质，它们到处游走，它们摇摆不定，它们能做很多神奇的事情——所有这些活动都在极小的空间内完成。此外，它们还储存信息。我们考虑一下这件事有没有可能：制造一个能完成我们指令的很小的机器，这种机器可以在上述极小的空间内活动！
制造很小的机器还有经济上的好处。我想请各位注意一下计算机的这些问题。我们要在计算机里储存海量信息。我前面提到的那种做法，用金属分子记录信息的方法，是永久性的（不能修改）。应用到计算机上，更实用的一种方法是可写、可擦除，然后可以再写上其他的东西。（通常我们不想浪费用来写东西的材料。但是，如果我们可以把信息写在极小的空间里，问题就不大了，读取完信息之后就可以把它丢掉了。这种材料的损耗也不会太费钱。）
计算机微型化问题
实现这个设想——把东西做得很小——我不知道具体该怎么做，但是我确实知道一点，现在的计算机是庞然大物，可以把很多房间塞满。要做微型计算机，为什么不能把里头的电线和元件都做得很小——我这里说的很小，确实是很小。比如，电线直径是10或100个原子大小，电路的宽度是几千埃。任何一个分析过计算机逻辑理论的人都会得到这个结论：如果计算机元件的尺寸能缩小几个数量级，它的结构更复杂，那么它的潜能也就非常大，它能做到的事情也非常有意思。如果计算机的元件数量是现在的100万倍，它就能做决策，对于给定的计算任务，它就会有时间推算出最佳方法。它们会根据经验，选择更好的分析方法——比我们告诉它们的方法更好。在其他很多方面，它们也有新的功能。
如果我看到你们的脸，我马上会知道自己以前见过你们（我的朋友肯定会说，我举的例子很不妥当，但是，至少我能认出那是一个人，而不是一个苹果）。但是，假如给机器看一张人的脸部照片，它就不能以同样的反应速度判断那是一个人，它更没有办法辨认出那是它之前曾经见过的那一张人脸，除非照片是一模一样的。而人就不同了：无论是那人的面目改变了，我离他的距离远或近，还是光线改变了，我都能辨认出来。也就是说，我脑子里的那个“微型”计算机很容易就能做到这一点。而我们制造的计算机就不行。我脑子里的“元件”数量远比我们造出来的“神奇”的计算机多得多。现有的计算机太大，而我们脑子里的“元件”极其微小。我想造的比人脑“计算机”的元件还要小。
现在，如果我们想制造一个具有所有这些奇妙功能的计算机，它大概得是五角大楼的大小。现在想做到这一点，有很多不利因素。首先，需要太多的原材料：全世界的锗都不够用来制造这个庞然大物里所需的所有晶体管。另外，机器发热和功耗也是问题：维持计算机的运行，需要的功率要以TVA（109伏安）为单位来计算。但是，更实际的困难是，计算机的速度会受到限制。由于体量很大，内部信息传递需要一定的时间，而且这个速度不可能比光速还快。因此，要求计算机速度更快、结构更复杂，那就必须把计算机做得越来越小。
把计算机做得更小，还有大量的发展空间。目前，我还找不到阻碍计算机元件极度微型化的物理学原理。事实上，极度缩小计算机元件还有很多有利条件。
以蒸镀法微缩计算机
我们怎样才能制造这样的机器？需要用到哪一种制造工艺？还有，既然我们讨论过通过排列一定的原子来“写”下信息，我们就会考虑这种做法：先蒸镀金属原材料，然后在此基础上再蒸镀一层绝缘体，接着再蒸镀一层电路电线和一层绝缘体，如此这般进行下去。因此，你只要一次次完成蒸镀操作，最终会得到一块含有很多计算机元件的东西——包括线圈、电容、晶体管及其他元件——它的体积极其微小。
但是，我还想探讨其他的可能性——想想也好玩。为什么不能像制造大型计算机那样来制造这些微小的计算机？为什么不能在极小的空间钻孔、切割、焊接、冲压和铸造各种形状？成功浇铸某一件东西，其尺寸能小到什么程度？在你研究一些小东西时（比如你妻子的腕表），你曾经多少次对自己说：“如果能训练小蚂蚁来做这件事就好了！”我建议考虑一下训练小蚂蚁、训练螨虫完成这些事情的可能性。那些微小可是能活动的机器能做些什么呢？这些机器可能有用，也可能没什么用处，但是，把它们制造出来一定很有意思。
考虑把任何一种机器——比如小汽车——按一定比例将其微缩到极其微小的程度，我们来看看会有哪些问题。假设某种造型的小汽车，其零部件必须有一定的精确度，比方说4/10000英寸（约0.01毫米）。如果一个气缸的精确度达不到这个标准，汽车就不会正常开动。如果要制造的东西实在很小，达到原子级别，也就是说，如果一个圆很小，我们就没有办法做出由这些球形的原子组成的圆。因此，如果我的误差是4/10000英寸，对应的是10个原子大小的误差，那就意味着汽车可以缩小到原来的大约1/4000，也就是1毫米大小。很明显，如果你重新设计的汽车，它能容忍比这大得多的误差（这并非完全不可能），那么你就能制造出更小的装置。
考虑这样小的机器会出什么问题，这很有意思。首先，在零件承受同等应力时，外力施加在已经减小的面积上，这样一来，重量与惯性等因素相对来说就不重要了。换句话说，材料本身的强度变得很重要。举个例子，只有在缩小飞轮尺寸的同时，以同等幅度提高其转速，这样由于离心力造成的飞轮的压力和张力才能保持平衡。另一方面，我们使用的金属是晶粒结构，在尺寸极度小的情况下，这种结构很麻烦，因为材料不够均匀。像塑胶和玻璃这些非晶体的材料，它们的材料分子分布就均匀得多，因此，我们要用这类材料来制造我们的超小型机器。
机器整个系统中的电子元件存在一些问题——也就是铜导线和磁性元件有问题。这些元件尺寸变得极其微小时，磁体的性质也会变化——跟普通大小的元件相比，这里牵涉到“磁畴”的问题。一个大的磁体可以有上百万个“磁畴”，当它被微缩时，可能只有一个“磁畴”。可见，电子元件不能只是单纯缩小尺寸，必须进行重新设计。但是，我觉得重新设计微型元件并让其运转，这根本不算什么问题。
润滑的问题
在润滑这个问题上，有一些有趣的东西。润滑油的有效黏度随机器尺寸的缩小而越变越大（如果我们尽可能加快速度）。如果速度没有被提得那么快，并且把油换成煤油或其他液体，情况还不算糟糕。事实上，机器也许根本不需要润滑。因为还有其他很多的动力可用。就让轴承干转吧，它的温度不会升高，因为这么小的元件散热非常快。热量散失如此之快，这会导致汽油无法爆燃，因此使用内燃机是不可能的。可以利用这样的化学反应——它们能在低温环境下释放能量。或者，对于如此之小的机器，外部提供电能很可能是最简便的解决办法。
这样小的机器有什么用处？谁知道呢？当然，这么微型的车辆也许只有小虫子才能开着到处逛。然而，我们确实注意过这种可能性——在全自动化工厂生产用于超微型计算机的微小元件，那些工厂里配备有超小型的车床和其他机床。那种小车床的构造，也不一定非要跟我们传统意义上的大车床完全相同不可。有请各位发挥自己的想象力来改进设计——请记住，要充分利用微观世界的各种特性，选择一条最轻松实现全自动化的路子。
针对微型机器的用途，我的一位朋友（A.R.Hibbs）提了一个非常有趣的建议。他说——虽然这个想法非常大胆——做外科手术时，如果你能把做手术的医生吞下去，那就会很有意思。把机械外科医师放到血管里，它会进入心脏，四下“观察”（相关信息当然要传送出来）。它会找到有问题的瓣膜，然后拿一把小刀割除病变的部分。有一些小机器可能需要永久放置在体内，帮助有功能障碍的器官正常工作。
现在就是这个有意思的课题：我们怎样制造这样小的机器？我把这个问题留给大家。但是，我会提一个听起来很奇怪的建议。在原子能工厂里，人们不能直接处理和操控一些材料与机器，因为它们有放射性。为了旋出螺母和旋入螺栓，人们会用到一套主从机械手，因此，你在这里操纵一套操作杆，就可以控制那边的“机器手”，这样就能很好地进行操作。
事实上，这样的设备大多数构造都很简单，关键是有一条特殊的电缆——就像控制木偶的牵线一样——这条电缆把控制端和机械手直接连接起来。当然，这套设备要用到伺服马达，因此两处设备的连接是靠电力驱动，而不是靠机械传动。当你转动操纵杆，伺服马达也随之开动，它能改变电线里的电流，从而改变另一端的马达的位置。
现在，我想造一个类似的装置——由电力驱动的主从操控系统。但是，我希望看到的是一个精心打造的主从操控系统，它由当今制造大型机器的机械师负责制造，其尺寸是你直接控制的“机械手”（也就是主操控系统）的1/4。所以，你就可以在这1/4的空间里操控这一切——小型伺服马达驱动小型的机械手摆弄小号的螺母和螺栓，它们还可以钻孔，而它们全部是通常尺寸的1/4。啊哈，我造出的车床和工具只有通常尺寸的1/4，而我还可以用这套车床和工具造出另一组主从机械手，其尺寸又只有原先那一组机械手尺寸的1/4——在我看来，那就是最初的正常尺寸的1/16。做完这一切之后，我直接把电线从正常尺寸的主机械手连接到1/16尺寸的伺服马达上，也许中间还要通过变压器。这样我就可以操控只有最初尺寸1/16的从机械手了。
这就是我设想的工作原理。这个任务相当有难度，但是我们有可能实现。你可能会说：一个步骤缩小到原来的1/4？我们可以把步子迈得更大一些！当然，这一切都需要精心设计，而且不一定非要做成“机械手”不可。如果你用心思考，你就可能得到更好的解决方案。
即便用现有的缩放仪就可以实现缩小到原来若干分之一的目的——远远小于1/4，而且是一次性操作就可以实现。但是你不能直接利用常规尺寸的缩放仪来制造微缩的缩放仪，然后再用后者制造更微型的缩放仪——因为孔洞的松弛和仪器结构的不规则会带来误差。缩放仪末端颤动造成的误差比你用手移动时带来的误差还要大。以上述方式连接起一串缩放仪，其尺寸持续缩小，最后，我会发现最小的那个仪器的末端振动得太厉害，它根本不能完成什么任务。
每个阶段都有必要提高机器部件的精度。打个比方，我们用缩放仪制造了一个小车床，我们发现其中一个导螺杆形状不规则——比原始尺寸的导螺杆还不规则——那么，我们就可以把它拧进那些易碎的螺母里，反复拧进拧出，直到最后，确保导螺杆跟原始尺寸的导螺杆严格按一定比例缩小。
我们可以让不平滑的表面互相摩擦使其变得平整，我们用的是三重法——也就是三对平面互相摩擦，这样一来，起初不平滑的表面就会变得平整了。可见，只要操作方法得当，提高微缩机器的精密程度并非不可能实现。因此，在制造这类机器时，很有必要在每一个步骤花一些时间提高设备的精密程度，需要制造精密的导螺杆、约翰森量块，还有其他所有的零件——我们制造精度更高的机器会用到这些零件。每一个阶段都需要制造下一阶段所需的零件——这是一个旷日持久又很有难度的项目。也许你能找到更快更好的微缩机器的办法。
做完所有这些工作后，我们拿到手的是只有原来1/4000的超小车床。但是我们想要制造功能超强的微型计算机，方法就是在这个超小车床上打孔、生产出这种计算机所需的小垫圈。那么，在这样的超小车床上你能生产多少垫圈呢？
一百只小机械手
至于那些在原始尺寸上缩小到原来1/4的从机械手，我打算做10组。我把10组机械手都连接到那些杠杆（主机械手）上，这样一来，每一组从机械手都会同步做同样的动作。在下一阶段，我要把机器再次缩小到原来的1/4，这时，我让每个从手臂再生产出10组（缩小到原来的1/4）小从手臂，这样我们就有了100组缩小到原来的1/16的从手臂。
这样能生产出来上百万台小车床，那么有地方摆放它们吗？这根本不是个问题：所有这些小车床加起来，跟原始尺寸的车床相比，还是要小很多。举个例子，如果我生产出10亿台小车床，每台小车床都是缩小到原来的1/4000，这样的话，生产它们的原材料和存放它们的空间都不是问题——因为所需的原材料还不到原始尺寸车床的2%。所以说，原材料根本费不了几个钱。因此，我想建10亿个这样的微缩工厂，其构造完全一样，它们同步开动，打孔、冲压零件，做所有的诸如此类的事情。
在机器尺寸变小的过程中，会出现一些有趣的情况：不是所有的东西都是按比例变小的。比如说，由于分子间的引力（范德华力[4]）导致材料粘连的情况。具体情况会是这样：生产出一个零件之后，你从螺丝上拧下螺帽，结果螺帽掉不下来，因为几乎没有重力，甚至你想把螺帽拧下来也很难。这就像老电影里的情节：一个满手粘满糖浆的人想要甩掉粘在手上的一个水杯。还有很多类似的问题，我们在做设计时都要考虑到。
重新排列原子
但是，我不害怕去思考这个终极的问题：最终，在辉煌的将来，我们是否可以按照自己的需要来排列原子？对，就是原子，一直到物质构成的底部，最基础的层面。设想一下，如果我们可以按照自己的想法，一个一个去排列原子，那世界将会怎样？当然，要合理地去排列原子。比如，你不能把原子排列成从化学角度来说不稳定的方式。
到目前为止，我们从地里挖出矿物，就觉得很心满意足了。我们加热它们，利用它们大规模地做一些事情，而且，我们希望从有那么多杂质的矿物中提取纯净的物质，等等。但是，我们必须接受一些大自然已有的原子排列形式。我们不可能拥有，比如说，像“棋盘”那样的一种排列，其中杂质相距正好是1000埃，或者是其他什么特定的排列方式。
我们怎么处置那些层状材料呢？如果真的能按照我们想要的方式排列原子，这种物质的性质又会是怎样的呢？对这些问题开展理论研究很有意思。将来会发生什么情况，我当然不能预测其中每一个细节，但我对一件事情毫不怀疑，那就是：当我们能在很小的微观层面控制物质成分的排列方式时，这些物质可能具有的性质将会极其多样化，而我们能做的事情也会更加多样化。
试想一下，我们在一小片材料上做出小线圈和电容器（或者类似的固态元件），电路里每个元件的大小是1000埃或10000埃，一个个元件首尾相连，占了一大块区域；在另一端则有小小的天线伸出来——这些构成了整个电路。这些小天线有没有可能发射光线，就像我们用天线装置发射无线电波，向整个欧洲传送广播节目那样？其共同点可能在于向一个方向打出非常密集的光线（也许这样的光束没有太大的技术意义或经济价值）。
我考虑过制造微缩电子元件存在的一些问题。阻抗就是一个很严重的问题。如果你做一个微缩的电路，其元件的固有频率就会增高（因为波长和元件大小成正比）。但是，趋肤效应的径向深度只跟比例尺度的平方根成反比，因此阻抗的问题尤其棘手。如果频率不是太高，也许我们可以利用超导或其他办法来解决阻抗问题。
小世界中的原子
到了这个极其微小的世界——比如7个原子构成的电路——我们就会发现很多新鲜的事情，说不定有机会成就全新的设计。微缩世界里的原子活动规律属于量子力学范畴，跟普通世界的物理规律没有一点相似之处。因此，在我们进入这个微缩的世界，还有对待原子的时候，我们要遵循不同的物理原理，还要做不一样的事情。我们会用不同的方法制作东西，我们不仅可以用电路，还可以用这样一些系统——或是包括量子化的能级，或是包括量子自旋的相互作用。
我们会注意到另一件事情：只要把东西造得足够小，我们所有的设备都可以大量制造，而且完全一模一样。两台体形硕大的机器，我们是没有办法造得一模一样的。但是，如果你的机器只有100个原子摞起来的高度，那么只要保证0.5%的精度就可以确保两台机器完全一样了——也就是100个原子摞起来的高度。
在原子这个层面，我们会看到新的作用力、新的可能性和新的效果。制造和复制材料的情况会迥然不同。正如我所说的，我受到生物学现象的启发：重复利用化学作用来制造各种奇异的效果（作者也是其成果之一）。在我看来，物理学原理并没有否定用一个个原子进行操控的可能性。这个尝试并不是有意去违背任何原理，这是理论上可行的事情，可是，只因为我们体量太大而未付诸实践。
最后，我们可以进行化学合成了。化学家会过来跟我们说：“呃，我想要一个分子，它的原子排列是如此这般……你们帮我把它弄出来。”化学家要想得到某种分子，他做的事情就很神秘。当他确定这种物质有那种环后，他就会把这些和那些物质混合在一起，摇一摇，如此这般折腾一番，在这整个艰辛的过程之后，他通常都能合成他想要得到的东西。等我的整套设备可以运行的时候——我们就可以用物理方法进行合成，而化学家可能找到合成几乎任何一种东西的方法了，所以，我这套东西可能完全派不上用场。
但是，（我想）只要化学家写下一个分子式，物理学家就能够合成这种化学物质（理论上来说），这确实很有意思。化学家给出分子排列方式，物理学家就能合成这种物质。这事儿听上去如何？按照化学家给出的分子式排列原子，你就能合成这种物质。如果我们能最终看清楚原子，并提高在原子层面行事的能力，这对于解决化学和生物学上的很多问题会很有帮助。我认为这样一种发展趋势是人们避无可避的。现在，你可能会问：“谁会来做这件事，而且他们为什么要做这件事呢？”好，我已经指出了这项技术有经济价值的几种应用形式，但是我知道，你们可能就是出于好玩才去做这件事的。那就玩个痛快吧！我们找几个实验室竞赛吧！一个实验室制造出微型马达，然后寄到另一个实验室，而第二个实验室要制作一个可以装在那个微型马达转轴里的东西，然后再寄回去。
中学竞赛
为了好玩，也为了让孩子们对这个领域产生兴趣，我建议和中学有些联系的人考虑组织一个中学之间的竞赛。毕竟，在这领域我们自己还没有开始研究，可能连孩子也能写出人们以前未曾写过的小型字。他们可以在中学之间做一个竞赛。洛杉矶中学给威尼斯中学寄一个大头针，针头上面写着几个字：“这个怎么样？”（How's this?）随后，洛杉矶中学会收到威尼斯中学寄回来的这枚大头针，字母“i”上面的那一点里多了几个字：“没什么大不了的！”（Not so hot.）
我说的这些可能不足以激励你们去做这事，也许只有经济刺激才行。我想做成这事，但是现在还不行，因为我还没做好铺垫工作。我个人愿意提供1000美元作为奖金，用来奖励第一个能做到这件事情的人：把一页书的页面缩小到原来的1/25000，而且所有的内容能通过电子显微镜看到。
我还想再设一个奖——我希望自己能把要求讲清楚，免得以后卷入争端——奖励1000美元给第一个造出能运转的电动马达的人，是能从外部控制的旋转电动马达，不算引线，马达的各边边长都不超过1/64英寸。我很希望这些奖金不用等得太久。
最终，费曼兑现了这两个奖金。下面的内容来自《费曼与计算》的概述，此书编辑是安东尼·J.G．海伊（马萨诸塞州，雷丁，珀尔修斯出版社，1988），此处内容已获得授权。
这两个奖他都颁出去了——第一笔奖金发给了加州理工学院的毕业生比尔·麦克莱伦（Bill Mclellan），那时离他这次演讲还不到一年的时间，他制造了一台合乎要求的微型发动机，但是费曼还是有点遗憾，因为制成这台机子并没有用到新的技术。1983年，费曼对喷气推进实验室的工作人员演讲时更新了一部分内容，他预测道：“利用现在的技术，我们能轻松……制造出是麦克莱伦的电动机的1/64000的电动机，每条边的长度只有原先尺寸的1/40，而且我们一次可以制造上千上万台这样的电动机。”
之后不到26年的时间，他又发放了第二笔奖金。这次的获奖者是斯坦福大学的研究生汤姆·纽曼（Tom Newman）。费曼给出的挑战是把整套24卷《不列颠百科全书》写到一枚大头针的针头上。而纽曼计算的结果是，每个字母的宽度相当于50个原子排在一起的长度。在他的论文指导老师不在城里的时候，他利用电子束平版印刷技术，最终将查尔斯·狄更斯《双城记》的第一页缩小到原来的1/25000。人们认为，正是费曼的演讲开启了纳米技术领域的研究，现在我们定期举办“费曼纳米技术奖”比赛。
[1]卡默林·翁内斯（Heike Kamerlingh Onnes 1853—1926），因研究物质在低温条件下的性质获得1913年诺贝尔物理学奖，其研究帮助人们制成液氦。——编者
[2]珀西·布里奇曼（Percy Bridgman 1882—1961），因发明产生超高压的装置及其在高压物理领域的深入研究获得1946年诺贝尔物理学奖。——编者
[3]1埃=1/1010米，即1/10纳米。——编者
[4]范德华力是原子或分子之间微弱的吸引力，其发现者范德华（Johannes Diderik van der Waals 1837—1923），荷兰物理学家，因其对气体和液体的状态方程的研究获得1910年诺贝尔物理学奖。——编者