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1，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。
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
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。
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。