歡迎來到量子世界

　　編者按：對大多數(shù)人而言，量子學依然是神秘的，但它對世界的影響卻是革命性的：核能與核武器、以芯片為基礎(chǔ)的現(xiàn)代電子工業(yè)、激光器件、超導體、納米技術(shù)……這些領(lǐng)域的理論基礎(chǔ)正是量子學。當你對量子世界有所了解時，你將發(fā)現(xiàn)自己對世界的認識也發(fā)生了很大的變化。現(xiàn)在，中國第一部“量子學”科普作品《上帝擲骰子嗎——量子物理史話》的作者將帶你進行一次全新的探索，你準備好了嗎——
　　
　　計算不再只和計算機有關(guān)，它決定了我們的生存。
　　——尼葛洛龐帝，《數(shù)字化生存》
　　如果把時光倒退回20年前，我們會發(fā)現(xiàn)當時絕大多數(shù)的國人根本就不知道“計算機”是個什么東西。僅僅10年前，“互聯(lián)網(wǎng)”對于公眾來說也仍然是一個極其陌生的概念。然而今天，電腦和網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)給幾乎所有人的生活打上了不可磨滅的烙印。IT技術(shù)成全了信息時代最偉大的奇跡，它用一種難以想象的速度徹底改變了人類社會的面貌。
　　太空探索、新能源開發(fā)、人類基因組破譯等進展固然偉大，似乎離我們的日常生活仍然遙不可及，但家用電腦的升級換代卻是每一個人不得不注意的問題。以大家最熟悉的英特爾芯片為例，從當年的386、486到后來的奔騰、賽揚系列，再到如今的酷睿雙核(Core 2)，乃至傳說中的Penryn、Yorkfield等下一代處理器，我們每個人都在見證信息技術(shù)的日新月異。
　　在IT技術(shù)飛速發(fā)展的背后，有一條神秘的規(guī)律支撐著整個業(yè)界的信念，那就是大名鼎鼎的“摩爾定律”。1965年，后來成為英特爾創(chuàng)始人之一的戈登·摩爾在《電子學》雜志上發(fā)表了一篇不起眼的文章，大膽地預測，在保持成本最低的情況下，每單位面積芯片上所集成的晶體管數(shù)量將會每年翻一番。到了1975年，他對這個速率作了修正，改為每兩年翻一番。令人驚奇的是，從那時起到如今的40多年里，整個芯片工業(yè)的發(fā)展果真大致保持著這樣的速度。還是以英特爾為例，1971年，最初的4004芯片大約集成了2250個晶體管，到1989年推出486芯片時，該數(shù)字已經(jīng)達到118萬個，而今天的雙核芯片則可能包含了超過17億個晶體管。
　　與其說摩爾定律是對客觀發(fā)展規(guī)律的一種描述，倒還不如說它已經(jīng)成了IT業(yè)界不惜代價所要達到的一個目標：這個定律是如此地深入人心，難以想象一個競爭者居然可以落后于摩爾速度而不被市場淘汰。2005年，英特爾公司出價1萬美元求購一本當年刊載摩爾文章的《電子學》雜志，以放在博物館中，作為芯片產(chǎn)業(yè)40年奇跡發(fā)展的歷史見證。
　　展望未來，我們自然要問到這樣一個問題：摩爾定律能否永遠成立，這樣的發(fā)展速度會在未來的很長一段時間內(nèi)保持不變嗎?
　　答案可能并不那樣樂觀。顯而易見的難題在于，當我們把晶體管做得越來越小時，它很快就會面對物理上的極限。今天，主流芯片的研發(fā)水平已經(jīng)在65納米這個層次上(納米是長度單位，等于一米的十億分之一，只相當于幾十個原子的大小)，可能不久就會進軍45納米。為了保證晶體管在如此微觀的水平上仍然能夠正常工作，科學家們需要解決數(shù)不清的技術(shù)難題。還好，如今的納米科技能夠在很大程度上助我們一臂之力，這使得摩爾定律在未來的10年中仍然有望維持。但無可避免地，我們最后還是要面對這個問題：一個晶體管最終只占據(jù)數(shù)個原子的空間之后，再怎么辦?
　　那時我們所需要解決的就不僅僅是技術(shù)上的困難了，而是要從物理理論上去重新審視整個問題。當我們在原子的水平上討論問題時，我們實際已經(jīng)進入了一個異常奇妙的世界，一個與我們?nèi)粘Ｉ罱厝徊煌氖澜纾粋€不能用任何常識來判斷的世界。
　　從此，我們進入了神秘的量子理論的領(lǐng)域。
　　
　　如果誰在第一次接觸量子論時沒有感到震驚，那他肯定是沒有理解量子論。
　　——尼爾斯·玻爾，1927年答記者問
　　量子論和相對論齊名，是20世紀早期物理學最重要的兩大突破之一。以牛頓力學為代表的經(jīng)典物理曾經(jīng)盛極一時，在所有人的心目中留下了神圣而不可置疑的形象，但我們今天知道，牛頓力學其實是有其局限性的。它有著自己的適用范圍：在大家一般所能感受到的尺度，也就是日常大小和低速運動下，其理論仍然是一種相當完美的近似。事實上，哪怕我們要在太陽系內(nèi)發(fā)射火箭或航天飛機，牛頓理論的精確性也足以適用了。問題在于，如果我們考察星系尺度上的引力效應或者接近光速的運動時，老牛頓開始力不從心，此時我們就需要愛因斯坦的幫助，以相對論的眼光來看待問題。同樣，當我們要研究原子、電子尺度上的微小事物時，我們也必須放棄一般的經(jīng)典電動力學概念，改從量子論的角度來理解。
　　量子世界是一個完完全全的奇幻世界，這個世界光怪陸離，和我們平常所感知認同的那個迥然不同。在這個新世界里，所有的概念和圖像都顯得瘋狂而不理性，更像是愛麗絲夢中的奇境，而不是真真切切的現(xiàn)實。量子論是一個相當奇妙的理論，里面出現(xiàn)了許多令人難以置信和難以理解的結(jié)論，我們將在今后一一談及。從歷史上看，許多最出色的物理學家對量子論應該如何理解持有極端不同的意見，其中包括愛因斯坦本人。在一些有關(guān)量子論的爭吵中，你會哭笑不得地發(fā)現(xiàn)科學大師們?yōu)榱藰O其古怪的問題各執(zhí)一詞，像“月亮是不是在沒有人觀察它時仍然存在”，“一只貓有沒有可能同時是又死又活的”，“我們的宇宙是不是每時每刻都在分裂為無窮多個分支”……
　　其實在古怪的表面之下，量子論有著精密和準確的數(shù)理表達，這也使它成為實際應用中最成功的物理理論之一。量子世界的一些不可思議的奇妙屬性，如今已經(jīng)得到了實驗的廣泛證實。而且，就像我們即將看到的那樣，恰恰是這些奇妙的屬性使得未來的量子計算成為可能。
　　正如前述，當計算機的核心芯片越來越小，乃至趨于原子級水平的時候，經(jīng)典的電動力學就不再有效，我們必須考慮到量子效應。在這里，我們遇到了量子世界的第一個奇特性質(zhì)：電子的行為從根本上來說，是無法準確預測的。
　　乍看起來，這像是對整個物理學的挑戰(zhàn)。物理學所要實現(xiàn)的目標，難道不正是能夠?qū)ψ匀唤缛魏问挛锏倪\動作出準確的預測嗎?蘋果從樹上掉下，地球圍繞著太陽旋轉(zhuǎn)，無論是天上還是人間，所有現(xiàn)象都能夠用物理定律來加以解釋，并對未來的情況作出進一步的預言，這是經(jīng)典物理學帶給我們的根深蒂固的信念。但在極其微觀的尺度下，量子理論卻告訴我們，這并不是完全正確的。
　　我們當然能夠?qū)﹄娮拥男袨樽鞒雒枋觯贿^是在一種略微不同的視角下。在量子世界里，我們不能準確地說出一個電子具體將會在哪里，我們只能給出它“可能出現(xiàn)在哪里”的概率。
　　
　　你應該知道：在這個量子世界里，你無法進行準確的瞄準，也不能肯定是不是能擊中目標。
　　——喬治·蓋莫夫，《物理世界奇遇記》
　　這聽上去似乎相當奇怪，但我們必須對量子論的種種特別之處做好足夠的心理準備。在經(jīng)典世界中，如果你射擊，只要能完全瞄準，就可以有把握地預言100％會射中目標，無論開幾次槍都是一樣。但換成量子世界時，哪怕你瞄得再準，你最多也只能說，我有一定的把握(例如90％)擊中目標。這里的關(guān)鍵在于，每開出一槍，你都無法憑借物理定律來準確地預測子彈究竟會飛向何處——它是不可預測的!瞄準靶心固然可以提高射中的概率，卻永遠也無法保證你一定成功。
　　這里面牽涉到的是自然界的一種神秘的屬性，稱為“不確定性”。不管你瞄得多準，也始終存在著這樣一種可能，那就是子彈莫名其妙地脫靶了，原因只有天曉得。這是一樁沒有嚴格因果理由的隨機事件！100多年來量子力學的發(fā)展證明，這種不確定性是宇宙的基本屬性，屬于每一樣事物——包括你我在內(nèi)!只不過在宏觀尺度下，不確定性極其微弱，完全可以忽略不計；只有在電子、光子的微觀水平上，它才成為一種主導力量，這就是量子效應。
　　當然，這并不表明物理學從此沒用了，因為一旦瞄準之后，我們雖然不能擔保子彈會中靶，卻可以嚴格地計算出它中靶的概率，比方說90％。在數(shù)學上，這可以通過計算子彈的“波函數(shù)”來得到。波函數(shù)的概念是一個極為偉大的發(fā)明，這要歸功于量子力學的創(chuàng)始人之一，奧地利物理學家薛定諤。它向我們展示了量子世界的第二個奇異之處：任何事物都同時既由粒子又由波組成，這叫做“波粒二象性”。當電子或者子彈前進的時候，它并沒有一條確定的軌跡，而是像波那樣發(fā)散開去。這里的波是一種概率，其強度越大的地方就越有可能出現(xiàn)。
　　要再次強調(diào)的是，這種性質(zhì)并不僅僅屬于電子，它屬于宇宙中的每一樣事物——包括你我!任何東西都可以認為是波，但只有在電子這樣的微觀尺度上，它才表現(xiàn)得明顯起來。
　　這些無疑都是奇特的觀念，它似乎在告訴我們：當量子效應越來越明顯時，我們根本就不可能預測和控制電子的行為，更不用說設(shè)計什么電路了。看起來，傳統(tǒng)的計算機必將在量子論面前被宣判死刑，摩爾定律也終究要成為歷史。
　　然而，量子世界的怪異之處卻又留給了我們絕處逢生的希望。也許我們不能在芯片上植入更多的晶體管，但充分地利用量子效應，卻有可能喚醒一種潛在的無比巨大的力量，徹底突破目前運算能力的瓶頸，做出前人根本無法想象的事情來。
　　或許，從最小的尺度上，我們能夠獲得計算宇宙的能力。
　　曹天元：上世紀80年代出生于上海，曾赴姜國求學。現(xiàn)居香港，從事金融工作。除量子學外，戰(zhàn)爭史也是他的研究興趣之一，曾在專業(yè)雜志發(fā)表多篇明清史論