科學技術是第一生産力。——鄧小平
創新是引領發展的第一動力。——習近平
2021年5月6日,IBM宣佈推出全球首個2nm晶片製造技術。臺積電的5nm晶片每平方毫米約有1.73億個電晶體,三星的5nm晶片每平方毫米約有1.27億個電晶體,而IBM 2nm晶片每平方毫米約有3.33億個電晶體,幾乎是臺積電5nm的2倍,直接變化是體積更小、速度更快、能耗更低。IBM研究室主任吉爾説:“歸根結底還是電晶體,計算領域的其他一切都取決於電晶體是否變得更好。但不能保證電晶體會一代又一代地向前發展,因此,每當有更先進的電晶體出現時,這都是件大事。”據報道,與7nm相比,2nm將帶來45%的性能提升或75%的能耗降低。更通俗的説:手機電池更耐用,1天1充直接變4天1充。自動駕駛汽車路況識別和駕駛響應更快。當然,軟體也必須跟上才行啊!
健客:電晶體這麼厲害啊!國內達到什麼水準?
雲飛:想當初,IBM為了讓廣大員工了解電晶體,買了100台電晶體收音機贈予那些守著電子管不放的人,讓這些人體會電晶體的好處。現在從電腦、智慧手機到汽車制動感測器……各種電子設備都離不開電晶體晶片技術。國內晶片企業中,技術最先進的廠商是中芯國際,能夠生産14nm、N+1工藝的晶片。差距不小!
健客:我也想要一台復古的電晶體收音機。
雲飛:“贈”在促進企業宣傳和觀念轉變上的學問大著呢!
細菌科學發展也離不開技術進步,首先是顯微鏡技術。早期顯微鏡玻璃品質較低,鏡片的形狀也有很多瑕疵,觀察物體比較歪曲,需要攻克三個技術問題:一是色差。色差是像差中的一種,是因鏡片透射率隨波長不同而不同造成的,只有對多色光才顯現出來。牛頓曾認為修正色差是不可能的。消色差透鏡大約是在1733年英國律師霍爾發明的。他發現如果使用不同形狀和不同色差特性的第2鏡片,可以重新對齊透射光顏色,無需犧牲第1鏡片的放大倍率。第1個消色差透鏡的專利權大約是在1758年授予了獨立進行理論和實驗的多倫德。二是球面像差。光打在不同的鏡片部位上,會出現不規則的方向改變。19世紀20年代中期,英國人利斯忒開始研究透鏡,他用幾個有特定間距的透鏡組減小了球面像差。他將成果整理成論文,于1830年發表。據傳利斯忒14歲就輟學,跟隨父親一起做生意。頂級學術期刊發表高中生論文,今天也許難以想像。第三個問題是盡可能地聚集更多的光。1827年阿米奇發明瞭採用了浸液的物鏡,用水浸或油浸鏡片最大化地完成了光的聚集,改變了使用物鏡收集光的物理定律。 高品質消像差浸液物鏡使顯微鏡觀察微細結構的能力大為提高。
19世紀中期,顯微鏡技術在公司化運作模式推動下,得到跳躍性的提升,逐漸走向現代化。1846年,蔡司在德國耶拿創辦了一家精密機械及光學儀器車間。1847年,蔡司公司研製出配有雙組和三組光學鏡頭的簡易型顯微鏡,並開始投産。1857年,蔡司公司售出第一台複合顯微鏡。1866年,蔡司開始與阿貝合作。1872年,阿貝的顯微鏡成像理論極大地提升了顯微鏡的品質。1884年,肖特的光學玻璃可以更高效地校準顯微鏡系統。蔡司、阿貝和肖特建立合作夥伴關係。科赫在寄給蔡司的信中表示,“我的很多研究成果的發現得益於卓越的蔡司顯微鏡”。而德國另一家顯微鏡製造企業,萊卡公司則是將第10萬台顯微鏡贈予科赫。
健客:又是贈予嗎?
雲飛:哈哈,那時還沒有IBM呢!IBM實際創始人老沃森的先人19世紀中期因愛爾蘭大饑荒移民美國。説起來,這事也跟微生物有關,放到《真菌傳》中慢慢説。老沃森年輕時先後從事過賣鋼琴、豬肉和證券等工作,原本計劃要存錢開肉店,但卻遭到證券營業員欺騙,傾家蕩産。老沃森改投國際收銀機公司(NCR),另譯安迅公司,當業務員,成績優秀,但是因銷售手法觸犯反托拉斯法,一度被捕、判刑。後來NCR老闆與老沃森不和,要求他離開NCR。老沃森改投計算列表紀錄公司(CTR)。老沃森借了許多錢發展公司,採用將機器出租的新銷售手法,並購買公司股票。1924年,老沃森將CTR改名為IBM。
古典的光學顯微鏡只是光學元件和精密機械元件的組合,以人眼作為接收器來觀察放大的像。但是,19世紀很多細菌學家擔心“轉譯”問題。如何將顯微鏡中所見的景象忠實地記寫下來?如何控制負責描繪的繪圖師,避免他們在描繪的過程中添加入自己的風格或者美化描繪對象?如何讓科學家不在圖像上投射自己的理論預設與個人詮釋?為了解決這些問題,科赫很快將製圖的任務委予當時新興的攝影術,並期待借由攝影讓細菌自己描繪自己。當初,他甚至刻意保留下在相片中意外留下的刮痕、灰塵等明顯的瑕疵,認為它們是圖像未經加工、竄改的證明。
1877年,科赫就意識到,拍攝下來的細菌相片在許多時候甚至比細菌標本本身還要重要。許多照片上顯示出來的細節、特徵,在回到標本本身時卻難以被每個人透過顯微鏡辨識出來。於是,作為一種機械性記寫下來的圖像,細菌相片不僅被理解為細菌的“客觀再現”,更讓在現實中必須透過目鏡窺看的細菌成為許多人可以同時去觀看、討論,拿來比較、測量的研究對象。除此之外,相片排除了以不同照明方式與不同角度來觀看細菌標本的差異,標準化了細菌的觀看方式。
健客:現在網上有很多新冠病毒影像,是顯微攝影嗎?
雲飛:和科赫140多年前的細菌相片不同的是,新冠病毒影像是以“電子束”穿透或掃描病毒樣本,而非依賴“光”製造出來的。由此看來,它們不能被稱作是“攝影相片”因為攝影的原意是“以光線繪圖”。但與科赫的細菌相片相同的是,他們都將原本位於我們裸視之外的微生物,顯影在我們的眼前。
老實説,無論是以穿透式,還是以掃描式電子顯微鏡製造出來的影像最初都是無色的,這些病毒的顏色都是科學家為了區分病毒與細胞,或是凸顯病毒結構所添加上的色彩。於是,像是在今天這樣一個瘟疫肆虐的時期,我們只能徘徊于可見的圖像與不可見的病毒之間,一邊敬畏著這些可見的不可見之物,一邊想像著這些不可見之物的無所不在。
隨著顯微鏡和照相機技術的不斷發展,顯微攝影技術也進行了一次次的華麗變身。顯微鏡下的觀察越來越清晰,拍攝到的顯微圖片越來越奪目。現在,數位顯微攝影技術不僅限于數位相機與顯微鏡的簡單組合,顯微鏡已經可以直接輸出視頻信號傳輸至電腦螢幕,這種技術已相當成熟並漸成主流。
健客:我也想試試顯微攝影,能講講嗎?
雲飛:張超,天體物理碩士,小夥很帥,在中科院國家天文臺《中國國家天文》雜誌編輯部,負責教育活動,以及編輯等工作。他的顯微攝影作品曾獲全國首屆科普攝影大賽二等獎,國際“小世界”、“生物世界”顯微攝影賽榮譽獎。
去看看他的文章《微距算什麼 看看顯微攝影下的奇妙世界》和他的視頻《奇妙的顯微攝影》,對顯微攝影入門一定很有幫助。
純培養是細菌研究的另一個關鍵技術。在微生物學開創之初,很難獲得單一的純菌,那時微生物的培養只有液體培養方法。巴斯德和利斯特等人曾經利用液體極限稀釋法獲得了炭疽桿菌和乳酸菌,但毋庸置疑,液體稀釋法獲取單一微生物存在很大的巧合,應用非常局限,有可能獲得的不是目的菌株,而且容易染菌。科赫決心發明新的方法以獲取單一微生物。
1876年,科赫曾經在科恩實驗室呆過一段時間,科恩有個學生叫施羅德。這個施羅德在實驗室觀察到一個現象:放置一段時間的煮熟的馬鈴薯片上會有小小的突起,用顯微鏡觀察發現其中有細菌。將這個突起移植到另一個馬鈴薯片,會長出一樣的突起,將突起的細菌轉移到液體培養基就可以獲得純培養微生物。科赫也模倣這種做法,但是發現很多菌在馬鈴薯片上生長不了。
科赫並沒有盲目的去尋找更多其他類似于馬鈴薯片的固體載體,而是嘗試在液體培養基中加入東西使其凝固。科赫選擇了明膠。明膠固體培養基成功的培養出了一些致病菌。但也存在一個巨大的漏洞:明膠在30-40℃就會融化,而很多的微生物最適生長溫度都是30-37℃,特別到了夏天,溫度升高,明膠培養基會自發溶解。
1881年,沃爾特和范妮對微生物學做出了最著名的貢獻——這一貢獻都歸功於范妮處理果醬和果凍的技能。沃爾特是一位才華橫溢的醫生和科學家。大學畢業後,沃爾特開始了他的鄉村醫生職業生涯。范妮是紐約一位富商的女兒。這對夫婦在郵輪上相識,後來范妮與家人一起遊覽了歐洲。1874 年,他們結婚,范妮撫養和教育他們的3個兒子,做家務,在實驗室幫助沃爾特,為他的科學論文畫插圖。
行醫10多年以後,沃爾特決定研究細菌,因為細菌致病説對醫生實在太有吸引力了。1881年,他加入了科赫的實驗室。沃爾特的第一個項目是從空氣中分離細菌。但是,像他的大多數同事一樣,沃爾特經歷了一段糟糕的時光。他的選擇很少,可以煮一個馬鈴薯,用消毒過的刀切薄片,然後給這些薄片接種細菌。然而,馬鈴薯只含有有限數量的營養物質,許多細菌拒絕生長。另一種可能性是用明膠固化的牛肉湯。細菌在這種培養基上生長良好,但它有一種令人發狂的趨勢,一夜之間變成渾濁的液體。許多細菌産生的酶在生長時分解明膠。即使情況並非如此,如果實驗室變熱,明膠經常會液化。
沃爾特向范妮傾訴了他的不滿。她想她可能有辦法。當她在紐約長大時,范妮有一個在爪哇住過一段時間的鄰居。鄰居交她瓊脂製作,這是一種用於凝固果凍和使湯變稠的海藻提取物。多年來,范妮在她的果醬中成功地使用了瓊脂。她説:“也許,它會奏效。”
沃爾特發現瓊脂確實是一種理想的牛肉湯凝膠劑。在 100℃ 時,它可以融化,與液體肉湯混合。新培養基在室溫及遠高於室溫時為固體。細菌在上面生長得很好,但他們無法分解它。瓊脂甚至是半透明的,這一特性使得識別細菌菌落及其特徵變得更加容易。沃爾特對細菌學做出了許多貢獻:他幫助開發了對水樣中的細菌進行計數的新技術,致力於結核病的診斷,並幫助將巴氏殺菌法引入德國。范妮提供了詳細且高度準確的科學插圖。但是沃爾特和范妮在瓊脂上的突破才是他們名垂青史的原因。微生物實驗室中使用的物質源自范妮的廚房。
1881年,第七屆全球醫學大會在倫敦召開,59歲的巴斯德與時年38歲的科赫第一次相遇。兩人作為一生的對手,一直以來以及今後都是針鋒相對,互相抨擊。但是當巴斯德看到科赫的固體培養技術和顯微攝影術後,震撼的握著科赫的手説:“這是偉大的進步,先生。”
健客:今天講了這麼多技術,什麼是科學,什麼是技術,我有點恍惚了。
雲飛:科學和技術總是在特定的範圍內共存,因為它們是密不可分的。科學提供知識,技術提供應用這些知識的手段和方法。
科學是創造知識的研究活動,它所解決的主要是認識世界的問題,要回答“是什麼”和“為什麼”;而技術則是發明和創造操作的辦法、技巧以及相應的物質手段,回答的是“做什麼”和“怎樣做”。
科學是進行發現,探索未知的活動,帶有自由研究的性質;技術則是從事發明,綜合利用各種知識進行創造和實踐的活動。
科學創造的主要是知識;技術則不同,除了以知識形態出現外,還同時具有一定的物質形態。
科學對經濟的作用是隱含的,不太確定,有時需較長時間才能發揮出來;技術對經濟的作用則比較確定,關係更直接……
你能想像最初是用什麼裝載固體培養基進行實驗的嗎?固體培養基放在長方形的玻璃片上,並且需要保持水準,然後用鐘形罩蓋上。然而,1887年的一次技術革新,讓上述的玻璃片平板培養成為歷史。它的命名卻飽受爭議。
欲知後事如何,且聽下回分解。
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