1959年12月29日，「納米技術之父」費曼在加州理工學院召開的美國物理學會大會上發表了這個著名的演講。在演講中，費曼闡釋了微縮技術的前景——這個想法比他所在的時代超前數十年：即如何把整套《不列顛百科全書》的內容裝在一根針頭大小的容器裡，將生命體和非生命體的尺寸急劇縮小，以及極小型機器潤滑的問題——這種機器比這句話結尾處的句號還要小。費曼還設了一個大擂台，他向年輕的科學家挑戰，看他們能否製造出一個能正常工作的電動機，其各面的邊長不超過1/64英吋（0.4毫米）。
來自物理研究新領域的邀請函
我想，實驗物理學家一定會羨慕卡默林·翁內斯[1]那樣的人。他發現了低溫研究領域，而這個領域似乎是沒有「底兒」的，可以讓人一直不停地向下探索。因此，他成了這個領域的研究帶頭人，在一段時間裡，可以說是獨領風騷。而珀西·布裡奇曼[2]發明了一個方法獲得了超高壓，從此開闢了一個新的研究領域。他不僅自己向這個領域進軍，還帶領我們一路前行。同樣地，對高真空的研究也是一個有待深入研究的領域。
我想介紹一個領域，雖然目前研究成果不多，但是在理論上大有可為。這個領域和其他領域不大一樣，它不會去探討物理學的諸多基本問題（比如「奇異粒子」是什麼？等等），從某種意義上講，它比較接近固態物理學——它研究的是複雜情況下發生的一些很有意思的奇怪現象。最重要的是，它有異常廣闊的應用前景。
我要談的就是微觀世界的操控技術。
只要我談到這個問題，馬上就會有人告訴我微型技術及其最近的發展有多神速。他們跟我提起只有小拇指指甲大小的電動馬達，他們還告訴我市面上已經出現一種設備——你可以在大頭針的針頭大小的面積裡「寫」下主禱文。但是這些都不算什麼。就我要討論的問題而言，這些只是這個研究領域最初級、最不成熟的技術。深挖下去，那裡還有一個極其微小的世界。到了2000年，那時的人們如果回頭看我們這個時代，他們會感到很困惑：為什麼直到1960年才有人認真研究這個領域？
我們為什麼不能把全套24卷的《不列顛百科全書》的內容寫在大頭針的針頭大小的面積上呢？
首先我們來看看，這會涉及哪些問題。大頭針針頭的直徑是1/16英吋（約1.6毫米），如果把針頭的直徑放大25000倍，它的面積就相當於全套《不列顛百科全書》所有頁面的面積總和。因此，我們要做的只是把《不列顛百科全書》上的文字縮小到原來的1/25000。這樣做可行嗎？我們肉眼的分辨能力大約是1/120英吋（約0.2毫米）——大約是《不列顛百科全書》一個印刷網點的直徑。如果把這個點縮小到原來的1/25000，它的直徑就是80埃[3]，相當於32個普通金屬原子一字排開的長度。換句話說，這個點可以容納大約1000個原子。這樣的每一點都可以很容易依據照相凸版印刷的要求調節大小，因此大頭針針頭有足夠的空間刻寫全套《不列顛百科全書》，這麼做是沒有問題的。
另外，如果文字可以被這樣刻寫的話，就一定有方法把它們讀出來。我們假設用凸起的金屬字刻寫，也就是說，《不列顛百科全書》的文字被縮小到原來的1/25000之後，並一一用凸起的金屬字刻寫下來，那麼，（將來印刷出來）黑色部分就是《不列顛百科全書》的正文內容。那麼要怎麼把它們讀出來呢？
如果能用這種方式刻寫文字，我們也可以利用當今常用的技術把它們讀出來（假如我們真的能這樣刻寫文字，將來一定會有人想出更好的方法把這些文字讀出來，但是為了保險起見，我就講講現在我們能理解的技術）。我們可以這樣做：（1）把金屬字壓進塑性材料，做好模子；（2）小心翼翼地把塑料模子撕下來；（3）把硅蒸鍍到模子上，形成一層很薄的硅膜；（4）拿黃金再蒸鍍一層膜，從特定的角度把黃金蒸鍍到硅膜上，這樣會讓所有的微型文字更清楚地呈現出來；（5）最後融掉塑料膜子，使其從硅膜上剝離，這樣我們就可以用電子顯微鏡來閱讀了！
因此，把縮小到原來的1/25000的文字以凸刻的方式刻寫在大頭針頭上，用今天的技術就能很容易把這些文字讀出來。另外，我們還發現拷貝也非常容易：只要把金屬字板再次壓進塑性材料裡，我們就可以得到另外一個拷貝了。
如何刻寫微型文字
下一個問題就是：我們怎麼去刻寫這麼小的字？我們現在還沒有完成這個步驟的標準技術。但是我要說，這件事情並非乍看那麼困難。我們可以把電子顯微鏡的鏡頭翻轉過來，把原來的放大功能變成縮小功能。讓一束離子通過這種翻轉的鏡頭，最後聚焦成一個非常小的點。就像電視機示波器的陰極射線管的工作原理那樣，我們可以用那個點來「書寫」：一行一行地把離子打上去，並且在這一過程中，調整將要貼附在表面的離子的數量。
由於空間電荷的限制，使用這個方法「書寫」可能很慢。以後會有更快捷的方法——可能利用照片成像的原理，我們可以先做一個佈滿小孔的屏幕，小孔設計成文字的形狀；然後我們在屏幕後激發電弧，使金屬離子穿過屏幕上的小孔；接著使用上述那套已經翻轉過來的鏡頭，使這些離子構成一個個小圖像——也就是文字，而這些金屬離子會貼附在大頭針針頭的金屬表面上。
另外有一個比較簡單的方法（不過我還不確定這方法是否可行）：
我們可以把光學顯微鏡的鏡頭倒轉過來，讓光線通過鏡頭聚焦到一塊很小的光電屏幕上，屏幕上被光線照射到的地方就會有電子被打出來，這些電子通過電子顯微鏡的鏡頭被聚焦，接著就直接打在金屬表面（也就是大頭針的針頭）。如果在這一過程中，電子束經過的距離太長，它還能不能在金屬表面上留下刻痕？我不能肯定。如果它在金屬表面不能留下刻痕，我們肯定能夠找到某種特殊材料覆在針頭表面，一旦承受電子束撞擊，該材料表面一定會留下印記，之後我們也可以辨認出來。
這些裝置不存在強度不足的問題——利用電子顯微鏡「放大」的時候經常會遇到這個問題，那種情況下一般只有少量電子，要把它們「放大」後打到很大很大的一塊屏幕上，現在的情況恰恰相反。一整頁的光線被聚焦在一塊非常小的區域，因此光的強度非常大。而光電屏幕出來的少數電子也會被聚焦到非常小的一個區域，因此其強度也是非常之大。我真是搞不明白，為什麼到目前為止還沒有人去做這件事！
剛剛我們說的是把《不列顛百科全書》搬到大頭針針頭上。現在讓我們考慮一下，怎樣把全世界所有的書都裝進去。美國國會圖書館大約有900萬冊藏書，大英博物館的圖書館裡有500萬冊藏書，法國國家圖書館的藏書也有500萬冊。當然，這些藏書可能會有一部分是重複的。我們就假設世界上總共有2400萬冊重要書籍。
假使用上述尺寸把所有這些書籍都印下來，那會出現什麼狀況呢？又會用掉多少空間呢？顯然，這下需要的面積相當於100萬個針頭的面積總和，因為原來我們只是印24冊，這回卻要印2400萬冊。這100萬個針頭可以擺成一個正方形，邊長是1000個針頭的寬度，那麼它的面積是3平方碼（約2.5平方米）。這也就是說，我們用硅膜——之前我們拿它做過拷貝，其背襯是紙張厚薄的塑料——記錄所有這些書籍內容，需要的總面積大約等於35頁《不列顛百科全書》的頁面面積之和，這相當於這份雜誌一半的版面面積。這就意味著記錄人類文明的所有信息可以放進一本小冊子，而你可以隨身攜帶這個小冊子。而且這小冊子用的還不是代碼，只是微縮了書上的原件相片和版畫等等，一點兒也不失真。
如果我對我們加州理工學院的圖書管理員（現在她穿梭於一座座圖書館建築之間）說，10年後，所有她努力保管的書面信息，包括從地板堆到天花板的12萬冊書籍、一抽屜一抽屜的圖書卡片，以及塞滿儲藏室的舊書，所有這些都可以放在一張圖書借閱卡大小的卡片裡，不知道她會做何反應。我們假設說，巴西大學的圖書館遭遇火災，所有藏書付之一炬，我們就可以把我們圖書館中所有的藏書拷貝一份，給他們寄過去——只要用我們的藏書母版製作一份拷貝，花費時間不過數小時，然後用航空信寄走，而且用的信封不會比普通航空信件大，重量也不會比一般信件更重。
今天我演講的題目是「底下還有大量的空間」，而不只是「底下還有空間」。我剛才已經論證了「確實有空間」——你可以用切實的方法縮小尺寸。現在我要說明的是有大量的空間。我不打算探討具體做法，只是想談談原則上有哪些可能性——也就是說，按照物理學的原理，哪些事情是可能的。我並不打算提出什麼「反重力」概念——只有在現有物理定律被顛覆的情況下，這才有可能。我要告訴你們的是：在確定現有物理學正確的前提下，我們能做到的事情，而我們現在之所以沒有做到，那只是因為我們還沒有摸到門道。
微型世界的信息
假設一下，我們不是直接去拷貝照片和所有資料，而用點和畫的不同組合——或者還有其他類似的符號——代表不同的字母。每個字母包含6比特或7比特的信息，也就是一個字母用6或7個點或畫表示。請注意，之前我只提到把所有文字寫到針頭的表面上，現在我還要研究文字的內部構成。
如果我們用一種金屬的一個小粒代表點，相鄰的畫則用另一種金屬的一個小粒來代表，如此類推下去。我們持保守態度，假設儲存一個比特的信息需要一個小立方體，大小為5×5×5個原子——也就是需要125個原子。我們需要用100個原子和其他一些原子，以此確保信息在傳播或其他過程中不會遺失。
我曾經估算過《不列顛百科全書》裡全部字母的數量，假設2400萬冊圖書都跟《不列顛百科全書》一般大小，那麼總共大約需要1015個比特。假設每個比特用100個原子來表示，那麼人類精心積累下來並寫進書本的知識，全部可以儲存在一個邊長為1/200英吋（0.127毫米）的立方體裡，其大小是我們肉眼勉強可看到的灰塵那麼大。所以我說其實還有大量的空間可以利用！拜託，你們不用跟我提什麼微縮膠卷！
大量的信息可以被存儲在極小的空間裡——當然，生物學家早知道這個情況，而且在我們能理解這一切之前，這個事實也解答了一個疑團，那就是：構成複雜的生物——比如說我們——的所有生物學信息是如何被保存在一個哪怕是最小的細胞裡的呢？那些生物學信息包括我們的眼睛是不是棕色的，我們到底有沒有思考能力，或者在胚胎時期下頜骨開始發育，邊上就會有一個小洞，以後供一條神經穿過，等等——這些信息都被儲存在一條長長的DNA分子鏈裡，而這個DNA分子鏈只是一個細胞裡很微不足道的一個部分，在這裡，大約50個原子可以代表細胞內1個比特的信息。
我們需要更好的電子顯微鏡
如果我寫代碼時，用一個小立方體——5×5×5的原子——代表每一個比特，那麼有一個問題：怎麼把它讀出來？現在的電子顯微鏡性能還不夠好，即便再努力、再仔細觀察，它也只能看到10埃的東西。我談這些微觀世界的東西，就是想努力讓你們知道，把電子顯微鏡的性能提高100倍有多重要。然而這並不是不可能的事情，這也不違背電子衍射原理。透過這種改進後的電子顯微鏡，電子的波長只有1埃的1/20。因此，用這種顯微鏡有可能觀察到單個原子。能清晰地看到單個的原子，這該有多好啊！
在其他領域，比如說生物學，我們也有認識的朋友。我們物理學家會常常對他們說：「你知道自己的研究進展不快的原因嗎？」（實際上，我不知道當今有哪個學科的發展比生物學還要快。）「你們應該像我們一樣，多使用數學。」他們原本可以這樣回答，但是他們很禮貌，我來替他們說：「如果想讓我們加快進度，那麼你們首先應該把電子顯微鏡性能提高100倍。」
當今生物學最核心、最基本的問題是什麼？是下列這些問題：DNA的鹼基序列是什麼樣的？基因突變時會出現什麼狀況？DNA的鹼基序列和蛋白質中氨基酸的序列有什麼聯繫？RNA的結構是什麼樣的，是單鏈長分子還是雙鏈結構，它跟DNA的鹼基序列又是什麼樣的聯繫？微粒體是怎麼構成的？蛋白質是怎樣合成的？RNA跑到哪裡去？它如何固著？蛋白質固著在哪裡？氨基酸又會進到哪裡？在光合作用中，葉綠素在哪裡，它是怎麼排列的，類胡蘿蔔素在其中起作用嗎？光轉換成化學能機制是什麼？
生物學的這些基本問題大多很容易回答——你只要去看那些東西就行了。你會看到分子鏈上鹼基的序列，你還會看到微粒體的結構。不盡如人意的是，透過現在的顯微鏡，我們看到的圖像不那麼清晰。把電子顯微鏡性能提高100倍，很多生物學的問題很可能就迎刃而解了。我這麼說，可能有點誇張，可是，一旦做到這件事情，生物學家一定會很感激你的——而且，比起他們在研究上應該多用數學那個建議，他們會更歡迎這個變化。
當今化學反應的理論是建立在理論物理的基礎上的。從這個意義上講，物理為化學提供了理論基礎。但是，化學這門學科還包括化學分析。如果你拿到一個奇怪的物質，你想知道它到底是什麼，那就要經過漫長複雜的化學分析才能得到結論。到今天，你幾乎可以分析任何東西的成分。所以，我說這些，也不是什麼先見之明。但是如果物理學家想做成分分析，他們的研究可以比化學家更進一步。對他們來說，分析任何一種複雜的物質，這可以是一件非常簡單的事：只需要看看它的原子在哪兒。問題是現在的電子顯微鏡太差勁了。（等會兒我要問一個問題：物理學家能否針對化學的第三個問題，即物質合成，做點事情？有沒有物理方法來合成任何一種化學物？）
電子顯微鏡這麼差勁的原因是鏡頭的f值只有1/1000，這種數值的孔徑就不夠大。我知道，有理論證明：軸對稱靜磁場的鏡頭，它的f值不可能超過某一個值，因此現在電子顯微鏡的分辨率已經達到了理論極限。但是，任何理論都有假設。為什麼磁場必須是對稱的？我向大家提一個問題：難道沒有辦法提高電子顯微鏡的性能嗎？
神奇的生物系統
生物信息可以「寫」在極小的空間內，生物學的這個例子啟發了我：也許做一件事情是可能的。生物學上的這個例子，不僅僅是「寫」下信息，還在「做」有關的事情。一個生物系統可以無限小。很多細胞都很小，卻非常活躍：它們生成各種各樣的物質，它們到處遊走，它們搖擺不定，它們能做很多神奇的事情——所有這些活動都在極小的空間內完成。此外，它們還儲存信息。我們考慮一下這件事有沒有可能：製造一個能完成我們指令的很小的機器，這種機器可以在上述極小的空間內活動！
製造很小的機器還有經濟上的好處。我想請各位注意一下計算機的這些問題。我們要在計算機裡儲存海量信息。我前面提到的那種做法，用金屬分子記錄信息的方法，是永久性的（不能修改）。應用到計算機上，更實用的一種方法是可寫、可擦除，然後可以再寫上其他的東西。（通常我們不想浪費用來寫東西的材料。但是，如果我們可以把信息寫在極小的空間裡，問題就不大了，讀取完信息之後就可以把它丟掉了。這種材料的損耗也不會太費錢。）
計算機微型化問題
實現這個設想——把東西做得很小——我不知道具體該怎麼做，但是我確實知道一點，現在的計算機是龐然大物，可以把很多房間塞滿。要做微型計算機，為什麼不能把裡頭的電線和元件都做得很小——我這裡說的很小，確實是很小。比如，電線直徑是10或100個原子大小，電路的寬度是幾千埃。任何一個分析過計算機邏輯理論的人都會得到這個結論：如果計算機元件的尺寸能縮小幾個數量級，它的結構更複雜，那麼它的潛能也就非常大，它能做到的事情也非常有意思。如果計算機的元件數量是現在的100萬倍，它就能做決策，對於給定的計算任務，它就會有時間推算出最佳方法。它們會根據經驗，選擇更好的分析方法——比我們告訴它們的方法更好。在其他很多方面，它們也有新的功能。
如果我看到你們的臉，我馬上會知道自己以前見過你們（我的朋友肯定會說，我舉的例子很不妥當，但是，至少我能認出那是一個人，而不是一個蘋果）。但是，假如給機器看一張人的臉部照片，它就不能以同樣的反應速度判斷那是一個人，它更沒有辦法辨認出那是它之前曾經見過的那一張人臉，除非照片是一模一樣的。而人就不同了：無論是那人的面目改變了，我離他的距離遠或近，還是光線改變了，我都能辨認出來。也就是說，我腦子裡的那個「微型」計算機很容易就能做到這一點。而我們製造的計算機就不行。我腦子裡的「元件」數量遠比我們造出來的「神奇」的計算機多得多。現有的計算機太大，而我們腦子裡的「元件」極其微小。我想造的比人腦「計算機」的元件還要小。
現在，如果我們想製造一個具有所有這些奇妙功能的計算機，它大概得是五角大樓的大小。現在想做到這一點，有很多不利因素。首先，需要太多的原材料：全世界的鍺都不夠用來製造這個龐然大物裡所需的所有晶體管。另外，機器發熱和功耗也是問題：維持計算機的運行，需要的功率要以TVA（109伏安）為單位來計算。但是，更實際的困難是，計算機的速度會受到限制。由於體量很大，內部信息傳遞需要一定的時間，而且這個速度不可能比光速還快。因此，要求計算機速度更快、結構更複雜，那就必須把計算機做得越來越小。
把計算機做得更小，還有大量的發展空間。目前，我還找不到阻礙計算機元件極度微型化的物理學原理。事實上，極度縮小計算機元件還有很多有利條件。
以蒸鍍法微縮計算機
我們怎樣才能製造這樣的機器？需要用到哪一種製造工藝？還有，既然我們討論過通過排列一定的原子來「寫」下信息，我們就會考慮這種做法：先蒸鍍金屬原材料，然後在此基礎上再蒸鍍一層絕緣體，接著再蒸鍍一層電路電線和一層絕緣體，如此這般進行下去。因此，你只要一次次完成蒸鍍操作，最終會得到一塊含有很多計算機元件的東西——包括線圈、電容、晶體管及其他元件——它的體積極其微小。
但是，我還想探討其他的可能性——想想也好玩。為什麼不能像製造大型計算機那樣來製造這些微小的計算機？為什麼不能在極小的空間鑽孔、切割、焊接、沖壓和鑄造各種形狀？成功澆鑄某一件東西，其尺寸能小到什麼程度？在你研究一些小東西時（比如你妻子的腕表），你曾經多少次對自己說：「如果能訓練小螞蟻來做這件事就好了！」我建議考慮一下訓練小螞蟻、訓練螨蟲完成這些事情的可能性。那些微小可是能活動的機器能做些什麼呢？這些機器可能有用，也可能沒什麼用處，但是，把它們製造出來一定很有意思。
考慮把任何一種機器——比如小汽車——按一定比例將其微縮到極其微小的程度，我們來看看會有哪些問題。假設某種造型的小汽車，其零部件必須有一定的精確度，比方說4/10000英吋（約0.01毫米）。如果一個氣缸的精確度達不到這個標準，汽車就不會正常開動。如果要製造的東西實在很小，達到原子級別，也就是說，如果一個圓很小，我們就沒有辦法做出由這些球形的原子組成的圓。因此，如果我的誤差是4/10000英吋，對應的是10個原子大小的誤差，那就意味著汽車可以縮小到原來的大約1/4000，也就是1毫米大小。很明顯，如果你重新設計的汽車，它能容忍比這大得多的誤差（這並非完全不可能），那麼你就能製造出更小的裝置。
考慮這樣小的機器會出什麼問題，這很有意思。首先，在零件承受同等應力時，外力施加在已經減小的面積上，這樣一來，重量與慣性等因素相對來說就不重要了。換句話說，材料本身的強度變得很重要。舉個例子，只有在縮小飛輪尺寸的同時，以同等幅度提高其轉速，這樣由於離心力造成的飛輪的壓力和張力才能保持平衡。另一方面，我們使用的金屬是晶粒結構，在尺寸極度小的情況下，這種結構很麻煩，因為材料不夠均勻。像塑膠和玻璃這些非晶體的材料，它們的材料分子分佈就均勻得多，因此，我們要用這類材料來製造我們的超小型機器。
機器整個系統中的電子元件存在一些問題——也就是銅導線和磁性元件有問題。這些元件尺寸變得極其微小時，磁體的性質也會變化——跟普通大小的元件相比，這裡牽涉到「磁疇」的問題。一個大的磁體可以有上百萬個「磁疇」，當它被微縮時，可能只有一個「磁疇」。可見，電子元件不能只是單純縮小尺寸，必須進行重新設計。但是，我覺得重新設計微型元件並讓其運轉，這根本不算什麼問題。
潤滑的問題
在潤滑這個問題上，有一些有趣的東西。潤滑油的有效黏度隨機器尺寸的縮小而越變越大（如果我們盡可能加快速度）。如果速度沒有被提得那麼快，並且把油換成煤油或其他液體，情況還不算糟糕。事實上，機器也許根本不需要潤滑。因為還有其他很多的動力可用。就讓軸承干轉吧，它的溫度不會升高，因為這麼小的元件散熱非常快。熱量散失如此之快，這會導致汽油無法爆燃，因此使用內燃機是不可能的。可以利用這樣的化學反應——它們能在低溫環境下釋放能量。或者，對於如此之小的機器，外部提供電能很可能是最簡便的解決辦法。
這樣小的機器有什麼用處？誰知道呢？當然，這麼微型的車輛也許只有小蟲子才能開著到處逛。然而，我們確實注意過這種可能性——在全自動化工廠生產用於超微型計算機的微小元件，那些工廠裡配備有超小型的車床和其他機床。那種小車床的構造，也不一定非要跟我們傳統意義上的大車床完全相同不可。有請各位發揮自己的想像力來改進設計——請記住，要充分利用微觀世界的各種特性，選擇一條最輕鬆實現全自動化的路子。
針對微型機器的用途，我的一位朋友（A.R.Hibbs）提了一個非常有趣的建議。他說——雖然這個想法非常大膽——做外科手術時，如果你能把做手術的醫生吞下去，那就會很有意思。把機械外科醫師放到血管裡，它會進入心臟，四下「觀察」（相關信息當然要傳送出來）。它會找到有問題的瓣膜，然後拿一把小刀割除病變的部分。有一些小機器可能需要永久放置在體內，幫助有功能障礙的器官正常工作。
現在就是這個有意思的課題：我們怎樣製造這樣小的機器？我把這個問題留給大家。但是，我會提一個聽起來很奇怪的建議。在原子能工廠裡，人們不能直接處理和操控一些材料與機器，因為它們有放射性。為了旋出螺母和旋入螺栓，人們會用到一套主從機械手，因此，你在這裡操縱一套操作桿，就可以控制那邊的「機器手」，這樣就能很好地進行操作。
事實上，這樣的設備大多數構造都很簡單，關鍵是有一條特殊的電纜——就像控制木偶的牽線一樣——這條電纜把控制端和機械手直接連接起來。當然，這套設備要用到伺服馬達，因此兩處設備的連接是靠電力驅動，而不是靠機械傳動。當你轉動操縱桿，伺服馬達也隨之開動，它能改變電線裡的電流，從而改變另一端的馬達的位置。
現在，我想造一個類似的裝置——由電力驅動的主從操控系統。但是，我希望看到的是一個精心打造的主從操控系統，它由當今製造大型機器的機械師負責製造，其尺寸是你直接控制的「機械手」（也就是主操控系統）的1/4。所以，你就可以在這1/4的空間裡操控這一切——小型伺服馬達驅動小型的機械手擺弄小號的螺母和螺栓，它們還可以鑽孔，而它們全部是通常尺寸的1/4。啊哈，我造出的車床和工具只有通常尺寸的1/4，而我還可以用這套車床和工具造出另一組主從機械手，其尺寸又只有原先那一組機械手尺寸的1/4——在我看來，那就是最初的正常尺寸的1/16。做完這一切之後，我直接把電線從正常尺寸的主機械手連接到1/16尺寸的伺服馬達上，也許中間還要通過變壓器。這樣我就可以操控只有最初尺寸1/16的從機械手了。
這就是我設想的工作原理。這個任務相當有難度，但是我們有可能實現。你可能會說：一個步驟縮小到原來的1/4？我們可以把步子邁得更大一些！當然，這一切都需要精心設計，而且不一定非要做成「機械手」不可。如果你用心思考，你就可能得到更好的解決方案。
即便用現有的縮放儀就可以實現縮小到原來若干分之一的目的——遠遠小於1/4，而且是一次性操作就可以實現。但是你不能直接利用常規尺寸的縮放儀來製造微縮的縮放儀，然後再用後者製造更微型的縮放儀——因為孔洞的鬆弛和儀器結構的不規則會帶來誤差。縮放儀末端顫動造成的誤差比你用手移動時帶來的誤差還要大。以上述方式連接起一串縮放儀，其尺寸持續縮小，最後，我會發現最小的那個儀器的末端振動得太厲害，它根本不能完成什麼任務。
每個階段都有必要提高機器部件的精度。打個比方，我們用縮放儀製造了一個小車床，我們發現其中一個導螺桿形狀不規則——比原始尺寸的導螺桿還不規則——那麼，我們就可以把它擰進那些易碎的螺母裡，反覆擰進擰出，直到最後，確保導螺桿跟原始尺寸的導螺桿嚴格按一定比例縮小。
我們可以讓不平滑的表面互相摩擦使其變得平整，我們用的是三重法——也就是三對平面互相摩擦，這樣一來，起初不平滑的表面就會變得平整了。可見，只要操作方法得當，提高微縮機器的精密程度並非不可能實現。因此，在製造這類機器時，很有必要在每一個步驟花一些時間提高設備的精密程度，需要製造精密的導螺桿、約翰森量塊，還有其他所有的零件——我們製造精度更高的機器會用到這些零件。每一個階段都需要製造下一階段所需的零件——這是一個曠日持久又很有難度的項目。也許你能找到更快更好的微縮機器的辦法。
做完所有這些工作後，我們拿到手的是只有原來1/4000的超小車床。但是我們想要製造功能超強的微型計算機，方法就是在這個超小車床上打孔、生產出這種計算機所需的小墊圈。那麼，在這樣的超小車床上你能生產多少墊圈呢？
一百隻小機械手
至於那些在原始尺寸上縮小到原來1/4的從機械手，我打算做10組。我把10組機械手都連接到那些槓桿（主機械手）上，這樣一來，每一組從機械手都會同步做同樣的動作。在下一階段，我要把機器再次縮小到原來的1/4，這時，我讓每個從手臂再生產出10組（縮小到原來的1/4）小從手臂，這樣我們就有了100組縮小到原來的1/16的從手臂。
這樣能生產出來上百萬台小車床，那麼有地方擺放它們嗎？這根本不是個問題：所有這些小車床加起來，跟原始尺寸的車床相比，還是要小很多。舉個例子，如果我生產出10億台小車床，每台小車床都是縮小到原來的1/4000，這樣的話，生產它們的原材料和存放它們的空間都不是問題——因為所需的原材料還不到原始尺寸車床的2%。所以說，原材料根本費不了幾個錢。因此，我想建10億個這樣的微縮工廠，其構造完全一樣，它們同步開動，打孔、沖壓零件，做所有的諸如此類的事情。
在機器尺寸變小的過程中，會出現一些有趣的情況：不是所有的東西都是按比例變小的。比如說，由於分子間的引力（范德華力[4]）導致材料粘連的情況。具體情況會是這樣：生產出一個零件之後，你從螺絲上擰下螺帽，結果螺帽掉不下來，因為幾乎沒有重力，甚至你想把螺帽擰下來也很難。這就像老電影裡的情節：一個滿手粘滿糖漿的人想要甩掉粘在手上的一個水杯。還有很多類似的問題，我們在做設計時都要考慮到。
重新排列原子
但是，我不害怕去思考這個終極的問題：最終，在輝煌的將來，我們是否可以按照自己的需要來排列原子？對，就是原子，一直到物質構成的底部，最基礎的層面。設想一下，如果我們可以按照自己的想法，一個一個去排列原子，那世界將會怎樣？當然，要合理地去排列原子。比如，你不能把原子排列成從化學角度來說不穩定的方式。
到目前為止，我們從地裡挖出礦物，就覺得很心滿意足了。我們加熱它們，利用它們大規模地做一些事情，而且，我們希望從有那麼多雜質的礦物中提取純淨的物質，等等。但是，我們必須接受一些大自然已有的原子排列形式。我們不可能擁有，比如說，像「棋盤」那樣的一種排列，其中雜質相距正好是1000埃，或者是其他什麼特定的排列方式。
我們怎麼處置那些層狀材料呢？如果真的能按照我們想要的方式排列原子，這種物質的性質又會是怎樣的呢？對這些問題開展理論研究很有意思。將來會發生什麼情況，我當然不能預測其中每一個細節，但我對一件事情毫不懷疑，那就是：當我們能在很小的微觀層面控制物質成分的排列方式時，這些物質可能具有的性質將會極其多樣化，而我們能做的事情也會更加多樣化。
試想一下，我們在一小片材料上做出小線圈和電容器（或者類似的固態元件），電路裡每個元件的大小是1000埃或10000埃，一個個元件首尾相連，佔了一大塊區域；在另一端則有小小的天線伸出來——這些構成了整個電路。這些小天線有沒有可能發射光線，就像我們用天線裝置發射無線電波，向整個歐洲傳送廣播節目那樣？其共同點可能在於向一個方向打出非常密集的光線（也許這樣的光束沒有太大的技術意義或經濟價值）。
我考慮過製造微縮電子元件存在的一些問題。阻抗就是一個很嚴重的問題。如果你做一個微縮的電路，其元件的固有頻率就會增高（因為波長和元件大小成正比）。但是，趨膚效應的徑向深度只跟比例尺度的平方根成反比，因此阻抗的問題尤其棘手。如果頻率不是太高，也許我們可以利用超導或其他辦法來解決阻抗問題。
小世界中的原子
到了這個極其微小的世界——比如7個原子構成的電路——我們就會發現很多新鮮的事情，說不定有機會成就全新的設計。微縮世界裡的原子活動規律屬於量子力學範疇，跟普通世界的物理規律沒有一點相似之處。因此，在我們進入這個微縮的世界，還有對待原子的時候，我們要遵循不同的物理原理，還要做不一樣的事情。我們會用不同的方法製作東西，我們不僅可以用電路，還可以用這樣一些系統——或是包括量子化的能級，或是包括量子自旋的相互作用。
我們會注意到另一件事情：只要把東西造得足夠小，我們所有的設備都可以大量製造，而且完全一模一樣。兩台體形碩大的機器，我們是沒有辦法造得一模一樣的。但是，如果你的機器只有100個原子摞起來的高度，那麼只要保證0.5%的精度就可以確保兩台機器完全一樣了——也就是100個原子摞起來的高度。
在原子這個層面，我們會看到新的作用力、新的可能性和新的效果。製造和複製材料的情況會迥然不同。正如我所說的，我受到生物學現象的啟發：重複利用化學作用來製造各種奇異的效果（作者也是其成果之一）。在我看來，物理學原理並沒有否定用一個個原子進行操控的可能性。這個嘗試並不是有意去違背任何原理，這是理論上可行的事情，可是，只因為我們體量太大而未付諸實踐。
最後，我們可以進行化學合成了。化學家會過來跟我們說：「呃，我想要一個分子，它的原子排列是如此這般……你們幫我把它弄出來。」化學家要想得到某種分子，他做的事情就很神秘。當他確定這種物質有那種環後，他就會把這些和那些物質混合在一起，搖一搖，如此這般折騰一番，在這整個艱辛的過程之後，他通常都能合成他想要得到的東西。等我的整套設備可以運行的時候——我們就可以用物理方法進行合成，而化學家可能找到合成幾乎任何一種東西的方法了，所以，我這套東西可能完全派不上用場。
但是，（我想）只要化學家寫下一個分子式，物理學家就能夠合成這種化學物質（理論上來說），這確實很有意思。化學家給出分子排列方式，物理學家就能合成這種物質。這事兒聽上去如何？按照化學家給出的分子式排列原子，你就能合成這種物質。如果我們能最終看清楚原子，並提高在原子層面行事的能力，這對於解決化學和生物學上的很多問題會很有幫助。我認為這樣一種發展趨勢是人們避無可避的。現在，你可能會問：「誰會來做這件事，而且他們為什麼要做這件事呢？」好，我已經指出了這項技術有經濟價值的幾種應用形式，但是我知道，你們可能就是出於好玩才去做這件事的。那就玩個痛快吧！我們找幾個實驗室競賽吧！一個實驗室製造出微型馬達，然後寄到另一個實驗室，而第二個實驗室要製作一個可以裝在那個微型馬達轉軸裡的東西，然後再寄回去。
中學競賽
為了好玩，也為了讓孩子們對這個領域產生興趣，我建議和中學有些聯繫的人考慮組織一個中學之間的競賽。畢竟，在這領域我們自己還沒有開始研究，可能連孩子也能寫出人們以前未曾寫過的小型字。他們可以在中學之間做一個競賽。洛杉磯中學給威尼斯中學寄一個大頭針，針頭上面寫著幾個字：「這個怎麼樣？」（How's this?）隨後，洛杉磯中學會收到威尼斯中學寄回來的這枚大頭針，字母「i」上面的那一點裡多了幾個字：「沒什麼大不了的！」（Not so hot.）
我說的這些可能不足以激勵你們去做這事，也許只有經濟刺激才行。我想做成這事，但是現在還不行，因為我還沒做好鋪墊工作。我個人願意提供1000美元作為獎金，用來獎勵第一個能做到這件事情的人：把一頁書的頁面縮小到原來的1/25000，而且所有的內容能通過電子顯微鏡看到。
我還想再設一個獎——我希望自己能把要求講清楚，免得以後捲入爭端——獎勵1000美元給第一個造出能運轉的電動馬達的人，是能從外部控制的旋轉電動馬達，不算引線，馬達的各邊邊長都不超過1/64英吋。我很希望這些獎金不用等得太久。
最終，費曼兌現了這兩個獎金。下面的內容來自《費曼與計算》的概述，此書編輯是安東尼·J.G．海伊（馬薩諸塞州，雷丁，珀爾修斯出版社，1988），此處內容已獲得授權。
這兩個獎他都頒出去了——第一筆獎金發給了加州理工學院的畢業生比爾·麥克萊倫（Bill Mclellan），那時離他這次演講還不到一年的時間，他製造了一台合乎要求的微型發動機，但是費曼還是有點遺憾，因為製成這台機子並沒有用到新的技術。1983年，費曼對噴氣推進實驗室的工作人員演講時更新了一部分內容，他預測道：「利用現在的技術，我們能輕鬆……製造出是麥克萊倫的電動機的1/64000的電動機，每條邊的長度只有原先尺寸的1/40，而且我們一次可以製造上千上萬台這樣的電動機。」
之後不到26年的時間，他又發放了第二筆獎金。這次的獲獎者是斯坦福大學的研究生湯姆·紐曼（Tom Newman）。費曼給出的挑戰是把整套24卷《不列顛百科全書》寫到一枚大頭針的針頭上。而紐曼計算的結果是，每個字母的寬度相當於50個原子排在一起的長度。在他的論文指導老師不在城裡的時候，他利用電子束平版印刷技術，最終將查爾斯·狄更斯《雙城記》的第一頁縮小到原來的1/25000。人們認為，正是費曼的演講開啟了納米技術領域的研究，現在我們定期舉辦「費曼納米技術獎」比賽。
[1]卡默林·翁內斯（Heike Kamerlingh Onnes 1853—1926），因研究物質在低溫條件下的性質獲得1913年諾貝爾物理學獎，其研究幫助人們製成液氦。——編者
[2]珀西·布裡奇曼（Percy Bridgman 1882—1961），因發明產生超高壓的裝置及其在高壓物理領域的深入研究獲得1946年諾貝爾物理學獎。——編者
[3]1埃=1/1010米，即1/10納米。——編者
[4]范德華力是原子或分子之間微弱的吸引力，其發現者范德華（Johannes Diderik van der Waals 1837—1923），荷蘭物理學家，因其對氣體和液體的狀態方程的研究獲得1910年諾貝爾物理學獎。——編者