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改写现实的魔法原子的操控与重组技术

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漫威高分剧《旺达幻视》在热播两个月后终于迎来了大结局,观众直呼“把狗骗进来杀”,被虐到之后多希望旺达、幻视与他们的双胞胎孩子能永远留在西景镇。

  这部剧最大的悬念,是已经死于灭霸之手的幻视为什么会复活,和旺达在一座小镇过上了平凡而幸福的生活。这个悬念直到最后才揭开,和大部分人猜想的一样,幻视并没有真正复活,是旺达用混沌魔法改写了现实,凭空“制造”出了幻视和他们的一对双胞胎孩子。

混沌魔法在漫威设定中几乎是顶级“大杀器”了,在漫画中旺达甚至用混沌魔法清除了世界上绝大多数变种人的X基因,直接改写了X战警的生存环境。但正如阿瑟·克拉克所说,“任何足够先进的科技,都与魔法无异”,旺达改写现实的魔法,也可以理解成对原子的操控和重组,将海量的原子组合出了幻视和双胞胎。

  毕竟在漫威设定里,本该是北欧神话的奥丁和雷神,还是外星人呢。

  先从操纵单个原子干起

  我们都知道,所有的物质都是由原子组成的,无论有机物还是无机物。所以理论上来讲,通过对原子的操作和组合,确实能“制造”甚至是“复制”出人类来。但目前科学研究只进展到对微量甚至只是单个原子的操纵。

  早在20世纪50年代,费米(就是提出费米悖论的那位大神)就曾经憧憬过,“如果有一天能够按人的意志一个个安排原子,那该是怎样的奇迹”。直到20世纪80年代年代扫描隧道显微镜(STM)的发明,这一设想才成为现实。

扫描隧道显微镜的工作原理有点类似于“盲人摸象”,在纳米级的微距下,物体表面的原子是凹凸不平的。理论上来讲,如果用足够精度的“手”去触摸,就能够感知到原子的形状。但一来这种精度很难达到,二来直接“触摸”物体表面可能会对样品造成一定程度的破坏。于是科研人员利用隧道效应,发明了扫描隧道显微镜。当显微镜的针尖与样品间距达到纳米级的时候,隧道效应会导致电子的交流,两者间产生微弱的电流,以此绘制出样品表面的图形。

  扫描隧道显微镜的针尖与物体表面距离是纳米级的,如果在两者之间施加一定的电脉冲,两者之间便会形成一个巨大的电场,这个强电场足够吸附物体表面的单个原子,成功“取走”了原子。同样,吸附在针尖上的原子也能够在强电场的作用下,“沉积”回物体表面。

  通过这样的操作,科研人员能够对单个的原子“取走”并且“放置”。最早的原子操纵是年,IBM的科研人员利用扫描隧道显微镜操作原子,用35个氘原子在镍表面写出了“IBM”的字样。我国也于年操纵硅原子,写出了“中国”两个字。

  单个效率太低,还是一次来一批吧

  但这种一次“搬移”一个原子的做法效率比较低。不只是一次只能搬移一个的问题,这种“取走”再“放置”,就像是用手把乒乓球从桌子一边搬到另一边,动作反复重复还慢。就不能抬起桌子的一侧,让乒乓球们通通顺着重力滚到另一边吗?

  我们都知道,原子和分子在绝对零度的时候,几乎停止了运动,只有微弱的抖动。实验中几乎不可能制造出能达到绝对零度的“冰箱”来为原子制冷,但可以使用“光学冰箱”来为原子降温。

  光学冰箱就是用特定频率的激光照射气体原子,就像踢球一样向原子运动的反方向踢它一脚,降低了它的运动速度。由于原子是向着各个方向随机运动的,与激光照射频率相反方向运动的原子,就会在激光流中越来越慢,就像是下落的乒乓球落入黏胶中,直到最终停止下来。

一旦原子的速度降低到一定程度,甚至可以用光学镊子来捕获。这种原子会被光束束缚的现象,也被用来批量“捕获”原子。多个不同频率的光束相互干涉可以形成“光学晶格”,就像鸡蛋的托盘一样,原子们进入“托盘”时会落入蛋托里,每个蛋托里只有一个原子。通过调整波长,便能调整原子的分布。

  利用相似的原理,也能批量对非气态的原子进行操纵。比如麻省理工学院等地的科研人员,用磷原子形成的粒子束撞击石墨烯片,“踢”走了碳原子并取而代之,改变了材料的电子、光学和其他物理性质,形成了新的材料。通过对初始粒子束的级联效应的测试和预测,利用电子控制和人工智能,最终能够在毫秒间批量操纵原子。

  通过操纵原子,我们造出了这么多神奇的东西

  人类迄今为止已经操纵原子制造出许多科幻小说中才会出现的东西。

  年,威斯康星大学和巴塞尔大学的科研人员发明了“原子存储驱动器”。这是用原子来模拟硬盘存储器,然后用扫描隧道显微镜从21个硅原子构成的块里添加或删除单个原子,来模拟数据的写入和删除。由于这个存储单元是原子级的,利用这种技术制造的原子存储器,存储量将是同体积硬盘的万倍。

  年澳大利亚的科研人员制造出了“原子开关”。利用扫描隧道显微镜,用磷原子替代了单晶硅上的7个原子,制造出了只有4纳米长的晶体管。年加拿大和德国的联合研究团队,也制造出了只有几个原子大的开关。

  年IBM还操纵原子拍摄了世界上最小的电影——《一个男孩和他的原子》(ABoyandHisAtom)。影片只有1分34秒,讲述了一个男孩和原子玩耍的故事,是一部定格动画。影片在零下摄氏度的环境里,用重达2吨的显微镜操纵一氧化碳原子拍摄,可能也是世界上拍摄温度最低,和拍摄器材最重的影片。

  未来,原子将自我组装

  之前提到的原子组装都是“定位组装”,也就是人类借助工具移动并组装原子或分子。除此之外还有“自我组装”,也就是不再由人类操纵工具,而是设计原子级的机械,比如纳米机器人,对原子或分子自动组装,甚至让原子自我复制。

  年纽约大学和哥伦比亚大学制造出了DNA机器人——“DNA步行者”,使用DNA分子制造出的机器人,通过编程来执行简单的任务,比如组装黄金粒子。

多国的科学家也在研究用化学或生物的方法来实现纳米电路的自组装。比如,把纳米元件泡进特殊液体中,就能自动组装出纳米电路来;或者利用基因改造的能导电的朊病毒,让病毒按期望繁殖,得到设计好的电路……总有一天,原子和分子会按人的需求自我组装,几何级的提升效率,甚至如魔法一般只在转瞬之间。

  也许有一天,人类真能研发出万能的物质生成器,将空气中的原子随意制造出我们想要的物体,就像是魔法一般凭空生物。甚至是像旺达一般凭空组装出人类,也许按原子严格依依复制,真能造出一模一样的人来呢。

  但这个人是否还有和原本一样的灵魂,这就谁知道呢?




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