“非常明显，技术已经超越我们的人性。”

—阿尔伯特·爱因斯坦（科学家）

少年时16 3D打印

人类制造工具的历史正是一部文明史，从磨制刀斧、冶炼金属到机械自动化生产。现在，又出现一种新的选择—3D打印。有了3D 打印机，我们可以随时随地制造出想要的器物。

可能有的人还在想3D打印是什么，但是，仅几年的时间，3D 打印就已经从一个极客概念走入各个行业。11 岁的少年在尝试打印自己的作品，外科医生在挑战最复杂的打印—心脏……他们都在畅想和实践如何用3D 打印帮助世界。

这是一种新型的制造。你不用刀砍斧刻，不用开发模具，但是，这也并不是魔术。你需要思考如何把一个物体数字化，然后如何把数字化的东西还原成现实的内容。就像我们的照片、创作的插画可以转换成二维的数字照片，我们周围的或者设想的事物也可以变成三维模型，储存为计算机文件，3D打印就是把数字化的模型再还原为现实物体的过

也许很快， 后缀为“.stl”的文件将和“.psd”“.doc”一样普及，这是3D 打印文件的通用格式。你会发现，人在制造中的角色也会相应变化。

少年时17 纳米的世界

你的身高超过1米， 你们家距离学校有5千米，绕地球赤道一圈大约40000 千米……衡量我们生活的世界大小的单位是米和千米，那么，如果把我们的世界缩小到百万分之一呢？那是以微米衡量的细菌等微生物的国度。那么缩小到十亿分之一呢？纳米的世界出现了。这种尺度的变化，就像你在看一张卫星拍摄的照片，随着照片被不断放大，你从地球到看到一个院子，到里面的杂草，到植物细胞中将阳光转化为能量的叶绿体，最后看到组成叶绿体的碳、氢、氧等原子。

原子、分子、蛋白质和细胞—这些都是自然界中最小的“乐高颗粒”，把它们拼在一起，便组成了物质、生命，你会了解这些颗粒的奇特性，比如碳纳米管的坚韧、不活泼的金原子的活性，你也会了解它们的活动如何决定物质的特性、生命的变化。在这个世界中的新发现，让我们有可能拥有强度是钢的10 倍的航天材料、运输杀死肿瘤细胞弹药的“纳米小船” ……这里是现今最热闹的科研“阵地”，让我们一起来看奇迹。

少年时21 小物件 大科学

当代的人类社会建立在科学技术的基石上面。

了解科学技术的进步，我们可以通过宇宙飞船、人工智能、高能粒子对撞机；它们浓缩了人类科学技术的精华。

我们也可以看看身边的一应生活用品，他们都体现了科学技术发达的层次。一部小小的手机，涉及了十几个不同学科的科学内涵，包含了几百个技术发明的专利。如果你觉得这些都太复杂，那么再看更简单一些的东西，比如一把牙刷、一把菜，就连小如刷碗的海绵、装便当的饭盒，都体现了最先进的科学技术。

当然，一项技术从发明到商用，要受到很多考验。你看到的售价几元钱的白炽灯是通过对比6000 多种灯丝材料后实践出来，你在家中用到的不是10几万英镑的超声波切蛋糕机，而是几百元的超声波牙刷。

这些看起来平凡的物件都有一个不平凡的经历。它利用的什么样的技术，又如何帮助到你的生活，当你靠近它时是否危害到健康让我们一件件为你数来……

少年时31 人类视觉的延伸

在动物界，什么动物的视力最好呢？其实没有囊括一切的大赢家。人类肉眼在视觉的各项指标中，也都成绩平平。不过，人类认识问题和解决问题的能力最强。两千多年来，人类一直在研究自身的视觉，尝试提升自身的视力。

从“人体生理功能”到“改造”再到“创造”，沿着这个脉络，我们准备了一组文章。一方面，反映了人类研究外部世界的影像和可见光的关联，光如何进入眼睛，如何转变成电信号在身体中传输，最后上升为感知和意识；另一方面，阐述了人类研究光线的传播规律，研究如何利用一切光学镜头改变光的传播路径，研究光的数字化，由此让我们能够超越空间限制，看到世界任何角落的影像；接下来，人类还将追求使用光来再现世界，甚至创作另一个世界。

这些文章让你深入了解视觉的要素和本质。也许你还会进一步思考：视觉感知只是物质世界的反映，还是包括了人的精神体验？未来VR 和AR 装备会不会成为人类器官的重要组成部分？我们认为，人类情感与思想交流无法脱离视觉的影响；而未来的技术，将会让人类的视觉进一步摆脱时间和空间的限制。人类也将在自身视觉不断地突破和延伸的同时，加深对自身的认识。

少年时47 科技之“心”

人类认识了硅，这是文明史上最美丽的时刻!

当人类充分利用硅的潜在素质时，世界发生了质的变化。人类社会由此走进一个高科技，高智能的时代。而半导体集成电路技术，就是这个时代科技的核心灵魂。

遍观我们的世界，电子器件、计算机、互联网、太空飞行器、交通工具、电器、LED照明，等等——无数设备跟现代文明相关，而进入这些设备的中心，逐层解剖，到最后，我们都会发现一些几毫米到十几毫米见方的薄片——硅半导体集成电路芯片。这些薄片是指挥设备运作的核心部件，是设备的心脏。在一片指甲大小面积的硅片上，聚集了多达10亿个晶体管，日以继夜地进行高智能的运算。正是全世界数以亿万的芯片，维持了当代科学技术的搏动。

有学者指出，人类文明经历了石器时代、铜器时代、铁器时代，而现在已经稳步跨入“硅器”时代;更有学者认为，硅集成电路将推进人工智能走向奇点，从而使人类从碳基文明向硅基文明进化。

当每个办公室桌上都有一台电脑、每个人手上都有一部手机时，大多数人对代表着时代的“硅器”，对半导体、集成电路这些概念仍然是陌生的;事实上，很多人是在“中兴事件”发生时，才听到“芯片”这个名词的。现在，我们推出这个主题，就是想让读者对这些普遍却又陌生的事物，有一些必要的了解。在这里，我们的专业人士将以拆解一部手机为切入点，带领大家一步一步地了解半导体的神奇，走进集成电路的世界。

在本书编辑过程中，得到了新加坡太阳能研究院的辛争博士、美国费米国家加速器实验室的吴进远高级工程师、华中科技大学光学与电子信息学院微电子工程系主任雷鑑铭和从事芯片设计工作超过十年的定芯的悉心指导和协助，在此衷心致谢。

少年时67 21世纪的新材料

“隐形斗篷效应”，也就是电影《哈 利·波特》里能把人身体变透明的法术， 也许在 21 世纪就可以通过材料科学的手 段实现了。这里的关键是开发一种新型的 材料。

在一百多种化学元素及其所产生的化 合物、混合物里，人类一直都在寻找、挑 选能够用于制造有用物品的物质，任何物 质一旦被选上，我们就称之为材料。通常，

材料科学家致力于研究材料的成分、结构 和由此产生的性能。一旦科学家了解了结 构和性能的相关性，他们就可以继续研究 该材料在实际应用中的性能以及各种潜在 的用途。在此同时，他们还要研究材料合 成与加工的可行性。

人类文明的任何技术进步，几乎都建 立在某些专门材料的基础上，以至于我们 用材料名称来划分时代，如石器时代、青 铜时代、铁器时代、硅器时代等。而材料 科学和技术也一直伴随着人类文明向前发 展。到了 21 世纪，材料科学和技术也和 能源、信息技术、生物工程等一起，成为 当代科学技术的主要支柱。事实上，能源、

信息技术、生物工程等领域的突破很大程 度上依赖于新材料的开发和应用。由此我 们可以想象到，大多数技术都有过时的时 候，但是材料技术似乎永葆青春。

在这本书里，我们将回顾古老的陶瓷、 青铜、织物、玻璃、钢铁和现代的金属合金、 高分子材料、工业陶瓷;我们将以主要篇

幅来审视和展望 21 世纪高科技所需要的 新材料性能——高强度、高敏感度、高能 量转换效率、超导、超轻、智能;我们将 看到进入人体的合成材料，示踪生命现象 的荧光蛋白、捕捉彩虹的超材料、封存历 史的时间晶体……

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