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第24章 小玩具

大学物理系的主页上,很少提及简单机械原理或者好用的简单机械。我找不到任何研究人员在做这方面的研究。大部分研究都针对小东西——微小机械、芯片之类的。我相信,既然简单机械可以在“宏观”上使用,那么在“微观”领域它们也有机会可以使用。

经典力学建立于牛顿的惯性、加速度、作用与反作用与万有引力定律之上。它可以描述诸如杠杆、斜坡、螺钉、滑轮、车轮、轮轴等简单机械,还有它们组装而成的复杂机械的运动。所以,现代物理学家如果还在研究“宏观”机械行为的基本原理,就很难找到科研资金了。

然而,各领域中学术圈与工业界的研究正被用于制作更好的机器。比如,材料科学是一个跨学科的领域,它可以将物理学家、化学家、工程师,甚至生物学家(因为有些人造材料是从自然界得到灵感的)拉到一起。新材料可以有更好的表现、更缓慢的老化,并可以抵御剪切或其他引力。

如今“微观”机械(其实很多是更小的“纳米”机械)的热闹场面,并不是因为研究人员争相恐后抢着上这一“花车”。研究人员用原子力显微镜来探测分子机械的实验,跟以前用来发展宏观机械基础理论的实验非常相似。但分子机械的运作与大机器并不相同。

大物体在倾斜的平面会向下滑动,但液体中小颗粒的表现并不同,它会得到一个明显的拉力与热涨落。分子们永远处于随机运动状态,不时互相撞击。电磁相互作用使得分子之间有“黏性”。这些作用使得制造小型机械变得非常困难。即使以后可以将宏观机械尺寸缩小,摩擦、随机运动与分子间作用会使机械停止运转。

然而,分子机械早已成为现实。当你读到这里的时候,你的身体里无数的蛋白质马达正辛勤地工作着,在细胞间传输货物,促使气管里的纤毛运动,并将你的肌肉收缩。化学家们已经为小分子们合成了非常简单的分子机械。设计更复杂的分子机械,则需要对这些系统的化学与物理性能有更为深入的了解。对基本科学原理的非凡有趣的疑问和与是否有新工具可用于解决这些疑问,都激发着研究人员对这些小东西着迷和热爱。