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美国科幻电视连续剧《星际迷航》（Star Trek）中有一项“小”技术引起过很多观众的兴趣，那就是食物复制机（food replicator）。使用者只要对着它说出食物名称，它便能顷刻间将之制造出来。与同属这一电视连续剧的未来色彩更浓厚的技术——比如生命传输机（transporter）(2)——相比，食物复制机的实现前景要光明得多。事实上，也许很少有影迷注意到，比《星际迷航》中出现食物复制机还略早几年的20世纪80年代初，一项与之有一定相似性的新技术：三维打印机（3D printer）就已问世了。
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三维打印机顾名思义，就是可以像普通打印机打印二维（平面）文稿那样打印出三维（立体）物体。从某种意义上讲，它的工作原理也与普通打印机相似，只不过因为要打印的是三维物体，打印过程必须分层进行，打印所用的“油墨”则必须是可以层层粘连，并能够固化的物质，后者既可以是本身（或经适当加热后）就有粘连能力的塑料（plastics）、树脂（resin）等，也可以是本身没有粘连能力，但可以制成粉末靠黏合剂粘连起来的玻璃（glass）、金属（metal）等。
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三维打印机在问世之初不仅体积庞大、应用稀少，而且价格非常昂贵（直到2005年还动辄就要数万美元），后来却大有突飞猛进之势，获得了日益迅速的发展，价格越来越低（低端产品已降到了几百美元），能打印的物品却从儿童玩具到机器零件，从珠宝首饰到考古复原物，越来越琳琅满目。最近两年，更是每年都有很吸引眼球的东西被打印出来：2011年是打印出来的航模一飞冲天（不过发动机尚不是打印的）；2012年则是打印出来的枪支横空出世（不过弹药及某些非管制部件尚不是打印的）。其中后者着实让很多人捏了一把汗——既替枪支管制担忧，也替三维打印机本身担忧，因为它若可以打印枪支，很可能本身就会受到某种程度的管制。
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三维打印机的快速发展不仅吸引了公众的眼球，也引来了一些大公司——比如惠普（Hewlett-Packard）和谷歌（Google）——的关注。与此同时，它的一些大型应用——比如打印建筑模块或真正飞机的部件——也被提上了议事日程。在不久的将来，住上打印出来的房子和乘坐打印出来的飞机也许都将不再是幻想。
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粗看起来，三维打印机虽然新奇，它能打印的东西用传统生产方法也都能制造，但细想一下，两者却有着微妙且意义深远的差别。比如传统生产的每个新设计都往往需要新的模具、新的生产线乃至新的工厂，三维打印机却不需要，从而可以极大地降低技术革新的成本和发明创造的门槛。另一方面，三维打印机的成熟与普及有可能会改变全球的产业分布，比如第三世界国家依靠廉价劳动力而获得的订单有可能会大量流失，因为发达国家可以用三维打印机自行生产所需的产品或零件，从而既免去漂洋过海的运费，也节省了时间。由此引起的世界经济格局的变化，有可能是极为巨大的。2011年，著名杂志《经济学家》（The Economist）在介绍三维打印机时甚至将之与蒸汽机和晶体管那样的划时代发明相提并论。
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不过，上面这些发展与《星际迷航》中的食物复制机相比仍有一段距离。除了专用于打印巧克力、糖果等的单功能三维打印机外，目前的三维打印机所注重的主要是形状、强度之类的粗糙物理品质，而不是对食物来说至关重要的细致化学成分。为了保证细致化学成分的相同，在《星际迷航》中，食物复制机是在分子、原子尺度上复制食物的，这对于三维打印机来说还是遥不可及的（后者目前达到的最小尺度约为0.1毫米）。不过三维打印机也正在往微观尺度挺进着。比如研制中的所谓“器官打印机”（organ printer），就是一种以细胞为“油墨”，试图打印出器官的三维打印机，虽还达不到分子、原子的尺度，在某些方面却比《星际迷航》中的食物复制机更先进。
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这样的进展若能持续，三维打印机也许在不太遥远的将来就能打印出人们所需的绝大多数产品。那时候，它的生产商也许会效仿阿基米德（Archimedes）的口气做一句很夸张的广告：给我一台打印机，我就能打印出整个世界！
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(1) 本文发表于《科学画报》2012年第11期（上海科学技术出版社出版）。
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(2) 对生命传输机感兴趣的读者可参阅拙作《因为星星在那里：科学殿堂的砖与瓦》（清华大学出版社2015年6月出版）中有关生命传输机的章节。
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霍金的派对：从科学天地到数码时代 [:1707629789]
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霍金的派对：从科学天地到数码时代 让红绿灯变得更聪明(1)
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汽车是现代社会不可或缺的工具。不过，很多人在享受汽车便利的同时，也深受交通堵塞之苦。在现代社会面临的诸多问题中，交通堵塞是比较棘手的一个，而且汽车的地位越是重要，它带来的损失也就越大。以号称“车轮上的国家”的美国为例，每年因交通堵塞带来的经济损失超过1000亿美元，浪费的汽油超过100亿升，累计浪费的时间超过50万年（确切地说是“人年”），而且还导致大量额外的空气污染。
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为缓解交通堵塞问题，人们想过很多办法，其中很重要的一项就是优化红绿灯系统（因红绿灯往往是交通堵塞的枢纽之处），比如对主干道上的红绿灯进行协调，使得车子行进时，前方的信号逐次转绿。不过，这种令人赏心悦目的红绿灯协调所依据的通常是高峰时段的车流规律，在其他时段的效果就没那么好，而且它为了保障主干道的交通，常常会过分牺牲其他道路。
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除这种本质上是依固定程序运作的红绿灯系统外，人们还研究过其他系统，比如由车流量的大小来确定红绿灯的转换，使车流量大的道路为绿灯。这类系统称为局部优化（local optimization）系统。不过，让车流量大的道路为绿灯貌似优化，其实并非良策，因为在一个方向的车流量持续很大时，它往往会使另一个方向的红灯时间太长；而在两个方向的车流量彼此接近时，它又往往会使红绿灯的转换太过频繁，以至于无法有效地疏减车流。
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不过，最近几年，德国研究者莱默（Stefan Lämmer）和赫尔宾（Dirk Helbing）为缓解这些问题做了一些新努力，并取得了一些成果。
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莱默等人的努力从原理上讲其实很简单，那就是将红绿灯的转换设计得更聪明一些。具体地说，是以红灯方向的车流量达到一定数量作为红灯转为绿灯的条件，并且该数量并非简单地以大于绿灯方向的车流量为标准（即并非总是让车流量大的道路为绿灯），而是随红灯的持续时间而变，持续时间越长，该数量越小（具体的变化方式有一定的选择自由度）。这是什么意思呢？就是说红灯的持续时间越长，转为绿灯所需的车流量就越小，也就是越容易转为绿灯。不仅如此，当红灯的持续时间长到一定程度时，该数量将降为零，这意味着红灯方向哪怕只有一辆车，也可获得绿灯，从而避免了因一个方向的车流量持续很大而使另一个方向的红灯时间太长的问题。同时，这也意味着红灯刚开始时，会因该数值较大而不容易转为绿灯，从而避免了红绿灯转换过于频繁的问题。此外，这一设计还自动保证了车流量大的道路获得较大比例的绿灯时间，因为它会更容易——或者说更快地——满足红灯转为绿灯的条件。为了让红绿灯在各个时段都“聪明”，莱默等人还在高峰或低谷时段，对该数值作整体性的上调或下调。最后，在各方向的车流量都极低的情况下，莱默等人的设计还会自动转入普通的局部优化系统，让车流量大的道路为绿灯，从而避免诸如在半夜空荡荡的街道上遇到红灯那样的情形，而这在现有的红绿灯系统下是很常见的。
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这种设计的效果如何呢？莱默等人进行了模拟。他们模拟的是德国城市德累斯顿（Dresden）的一个繁忙街区，那里有十几个间距不等的红绿灯，火车站、有轨电车、公交一应俱全，还有大量行人及其他车辆，交通状况特别复杂，现有红绿灯系统的表现则特别不佳。莱默等人的模拟显示，他们的设计可以使平均交通延误时间减少10％～30％。
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不过，以现有红绿灯系统表现特别不佳的街区作为比较对象恐怕不是最有说服力的，因为不同系统的薄弱点往往不同，在一个系统的特别薄弱之处，另一个系统哪怕整体上未必更优也很可能会表现得更好。因此，莱默等人的设计也许还需要更多的模拟乃至在实际情形的检验才能真正确定其效果。但起码从思路上讲，他们的设计是有一定道理的。
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让我们期待在不太遥远的未来，红绿灯将变得更聪明，人们的出行也将变得稍稍通畅一些。
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(1) 本文发表于《科学画报》2013年第10期（上海科学技术出版社出版）。
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