正因捉摸不定，技術(shù)革命才靠譜

量子力學(xué)理論導(dǎo)致了許多偉大的發(fā)明，包括激光、晶體管、集成電路，幾乎整個(gè)電子領(lǐng)域都少不了它。如果量子力學(xué)理論忽然失靈了，那么現(xiàn)代化的儀器設(shè)備將無(wú)法運(yùn)作，整個(gè)世界將陷入癱瘓。量子力學(xué)的方程式可以幫助工程師設(shè)計(jì)微小的開關(guān)，以決定電流的流向，進(jìn)而控制電腦、數(shù)碼相機(jī)以及電話。現(xiàn)今所有的信息產(chǎn)業(yè)設(shè)備都以量子力學(xué)為基礎(chǔ)，它們?yōu)槭裁茨軌蛘＿\(yùn)作？因?yàn)榱孔恿W(xué)是正確的，雖然量子是捉摸不定的。如果沒有量子力學(xué)，我們就會(huì)回到19世紀(jì)，回到蒸汽機(jī)和電報(bào)的時(shí)代。

激光技術(shù)

激光是“由輻射的受激發(fā)射引致的光放大”的縮寫，它是一種民用和軍事應(yīng)用非常廣泛的技術(shù)。但是它的應(yīng)用卻經(jīng)歷了一個(gè)由理論到實(shí)踐的漫長(zhǎng)過程。1906年，愛因斯坦利用波耳氫原子理論預(yù)言光子的受激發(fā)射，可以導(dǎo)致一種鏈?zhǔn)椒磻?yīng)的方式放大光束，但是從理論到應(yīng)用幾乎經(jīng)歷了近60年時(shí)間。

1954年4月初，第一臺(tái)微波激射器誕生了，這是美國(guó)物理學(xué)家湯斯發(fā)明的。微波激射器成功之后，湯斯又決定制作可見光激射器——激光。1960年美國(guó)物理學(xué)家邁曼制作出第一個(gè)可以使用的激光器，這種激光器直到今天還在廣泛使用。

美籍華裔物理學(xué)家朱棣文和法國(guó)的克勞德·科昂-唐努日以及美國(guó)的威廉·菲利普斯三人利用激光冷卻和捕陷方法，可以讓原子冷卻不動(dòng)而被囚。他們?nèi)艘惨虼斯蚕?997年度的諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。

超導(dǎo)和超流

超導(dǎo)在1911年就由荷蘭物理學(xué)家昂薩格發(fā)現(xiàn)，但是直到1957年才由三位美國(guó)物理學(xué)家巴丁、庫(kù)珀和斯里弗用量子力學(xué)理論做出正確的解釋。這一理論用他們?nèi)诵盏牡谝粋€(gè)字母，稱之為BCS理論。然而在1986年出現(xiàn)高溫超導(dǎo)以后，用BCS理論無(wú)法解釋高溫超導(dǎo)體的各種性質(zhì)，因此物理學(xué)家還需要進(jìn)一步努力探索，才能全面解決超導(dǎo)理論。

1940年，蘇聯(lián)物理學(xué)家卡皮查發(fā)現(xiàn)了超流現(xiàn)象。例如，在超導(dǎo)狀態(tài)時(shí)的液體可以反抗重力往上流動(dòng)，因此可以從容器內(nèi)部沿器壁內(nèi)部爬到頂端越過器壁到容器外邊，這被稱為“爬壁”現(xiàn)象。與“爬壁”類似的是氦還有“噴泉”效應(yīng)，即在氦中插入一根細(xì)玻璃管，氦在管內(nèi)液面會(huì)比外面高，當(dāng)玻璃管足夠細(xì)時(shí)，氦可以由細(xì)管里噴出，像公園的噴泉一樣。1940年，蘇聯(lián)物理學(xué)家朗道利用量子力學(xué)理論，解釋了超流產(chǎn)生的原因。他們兩位也因?yàn)檫@一貢獻(xiàn)，先后獲得諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。

量子隧道效應(yīng)和種種技術(shù)上的利用

量子力學(xué)里有一個(gè)被實(shí)驗(yàn)證實(shí)的“隧道效應(yīng)”，即粒子可以穿過經(jīng)典物理看來不可逾越的勢(shì)壘，到達(dá)勢(shì)壘外面。隧道效應(yīng)最驚人的技術(shù)應(yīng)用就是掃描隧道顯微鏡，它的發(fā)展同其他許多科學(xué)技術(shù)突破一樣，是天才和勤奮、資本與運(yùn)氣的共同產(chǎn)物。1982年，瑞士的羅雷爾和德國(guó)的賓尼希利用掃描隧道顯微鏡（STM），能夠掃描小到原子尺度的一些結(jié)構(gòu)，解決了一個(gè)困擾了科學(xué)界很長(zhǎng)時(shí)間的難題——硅表面原子排列方式。后來，IBM研究中心的一個(gè)研究小組，利用STM這種移動(dòng)原子的能力，把原子排列成了“IBM”的字樣。

1985年，賓尼希與同事們一起研制了一種新的掃描探測(cè)顯微鏡——原子力顯微鏡（AFM）。AFM現(xiàn)在已經(jīng)成了一種表面分析的標(biāo)準(zhǔn)儀器，是STM的重要補(bǔ)充。

普利西娜小姐

利用激光冷卻技術(shù)可以使得原子或者其他將要研究的粒子在空中飛行的時(shí)候“冷凍”住，然后設(shè)下激光陷阱把原子或粒子捕捉住，并使它們固定在空間某個(gè)地方“囚禁”起來。1990年2月，西雅圖華盛頓大學(xué)的德默爾特成功地捕捉到一個(gè)正電子，并將它完好地保存達(dá)3個(gè)月之久。他把這個(gè)囚禁起來的正電子稱為“普利西娜小姐”。這是前所未有的巨大技術(shù)成就，因?yàn)槲覀冎勒⒎戳Ｗ酉嘤觯瑫?huì)立即發(fā)生湮滅，化為一縷青煙轉(zhuǎn)變成光子，消失得無(wú)影無(wú)蹤。

納米技術(shù)

納米是一個(gè)長(zhǎng)度單位。1納米是百萬(wàn)分之一毫米，即1毫微米，或10-9米。1納米約有45個(gè)原子串起來那么長(zhǎng)。形象一點(diǎn)說，把1納米長(zhǎng)的物體放在足球上，就好比把一個(gè)足球放在地球上一樣。所以我們用肉眼看不見幾納米長(zhǎng)的物質(zhì)。

當(dāng)物質(zhì)尺寸小到納米級(jí)時(shí)，會(huì)出現(xiàn)許多人們意料不到的奇異特性，很多在宏觀和微觀的物理規(guī)律不再適用。例如，電學(xué)里的歐姆定律就不適用于納米材料；過去常常用來描述原子集體行為的概念也不再適用。這類奇異的特性還很多。到納米級(jí)時(shí)，物質(zhì)的光學(xué)性質(zhì)（超微顆粒都呈黑色）、熱學(xué)性質(zhì)（熔點(diǎn)降低）、磁學(xué)性質(zhì)（矯頑力增加）以及力學(xué)性質(zhì)（韌性增加）等等都與宏觀狀態(tài)的不同，千奇百怪，讓人眼花繚亂。還有量子力學(xué)中的尺寸效應(yīng)和隧道效應(yīng)，也都改變著納米材料的性質(zhì)，為實(shí)際技術(shù)應(yīng)用帶來了廣泛的可能性。納米狂飆將橫掃傳統(tǒng)經(jīng)濟(jì)的各個(gè)行業(yè)，讓它們爆發(fā)出巨大的能量。

研究表明，適宜的納米材料（如碳原子構(gòu)成的小管子）可以制造出防護(hù)性能更好的裝甲、更輕的武器和不被雷達(dá)發(fā)現(xiàn)的涂料。還有，“智能灰塵”“武裝蒼蠅”的研究，已經(jīng)不是秘密，這些新型武器能使敵對(duì)方防不勝防。一旦把智能灰塵撒到敵方，其傳感器就能神不知鬼不覺地執(zhí)行偵察任務(wù)。

總之，納米材料的應(yīng)用范圍沒有限制，會(huì)引起各行各業(yè)革命性轉(zhuǎn)變。正因?yàn)槿绱耍鲊?guó)政府都在高度關(guān)注和積極從事這方面的研究和開發(fā)。

量子計(jì)算機(jī)

量子力學(xué)中模糊的不確定性還有很多其他的用武之地。美國(guó)麻省理工學(xué)院（MIT）的賽斯·羅伊德（Seth Lloyd）就是眾多想要開發(fā)量子力學(xué)新用途的科學(xué)家之一，他說，“量子力學(xué)十分詭異，但它就是這樣。生活給我們的是個(gè)怪現(xiàn)象，我們是否可以研究出怪用途呢？”羅伊德所謂的怪用途，是指量子計(jì)算機(jī)。

科學(xué)家正在研制的量子計(jì)算機(jī)內(nèi)部是個(gè)金銅質(zhì)裝置，這也許和你家的筆記本電腦不太一樣，但是它們用的是同一種語(yǔ)言，即“二進(jìn)位碼”。電腦語(yǔ)言是由0與1所組成的，稱為“位元”（bit），也就是說最小的信息單位是位元。電腦所做的事情就是把信息打碎成最小的位元單位，然后再進(jìn)行快速計(jì)算。量子計(jì)算機(jī)也是以位元為單位來處理數(shù)據(jù)的，但是與傳統(tǒng)的位元不同，傳統(tǒng)的位元只能是0或1，量子位元?jiǎng)t更有彈性。物體的位置能表示為一個(gè)位元，而如果可以做到同時(shí)處于不同位置的話，我們就得到了一個(gè)量子位元（quantum bit）。

就如電子自旋可以是順時(shí)針與逆時(shí)針的混合體，量子位元也是一種混合體，能既是0又是1，所以量子位元可以“多功處理”，即同時(shí)進(jìn)行多項(xiàng)處理，這樣就能夠以超乎人類大腦所想象的方式進(jìn)行計(jì)算。理論上，量子位元可以由任何一種以量子形式存在的物質(zhì)組成，比如電子或原子。量子計(jì)算機(jī)的核心部分是小型的超導(dǎo)線圈，由納米科技打造，可以同時(shí)雙向運(yùn)作。

既然量子位元十分擅長(zhǎng)多工處理，如果可以做到讓量子位元協(xié)同計(jì)算的話，電腦的運(yùn)算速度將會(huì)有指數(shù)級(jí)增長(zhǎng)。舉個(gè)例子說明一下量子計(jì)算機(jī)的強(qiáng)大之處，想象你被困在了一個(gè)籬笆迷宮里，你想要盡快找到出口。問題是，可以走的路太多了，而你卻只能一次試一條路，這就意味著要走很多死胡同，碰好多次墻，轉(zhuǎn)錯(cuò)好多個(gè)彎，直到你終于幸運(yùn)地找到了出口。這就是現(xiàn)今所有電腦解決問題的方式，雖然它們的運(yùn)算速度的確很快，但一次只能執(zhí)行一個(gè)任務(wù)，就像你一次只能走迷宮中的一條路一樣。而如果你可以同時(shí)嘗試所有路徑，那么情況就不同了。簡(jiǎn)單來說，量子計(jì)算機(jī)就是這么運(yùn)作的，因?yàn)榱Ｗ涌梢酝瑫r(shí)處于多個(gè)位置，電腦就可以同時(shí)分析處理大量的路線與解法，并在短時(shí)間內(nèi)找到答案。

傳統(tǒng)電腦的運(yùn)算速度已經(jīng)夠快，但是想象一下?lián)碛星f(wàn)上億種可能性的問題，比如預(yù)報(bào)天氣、地震、颶風(fēng)等等的自然災(zāi)害，目前想做到這一點(diǎn)幾乎是不可能的，因?yàn)檫@會(huì)極大地增加電腦的體積。而一臺(tái)量子計(jì)算機(jī)可以只動(dòng)用數(shù)百個(gè)原子就能解決問題，所以量子計(jì)算機(jī)的核心將會(huì)比一粒沙子還要小。