编者按：对大多数人而言，量子学依然是神秘的，但它对世界的影响却是革命性的：核能与核武器、以芯片为基础的现代电子工业、激光器件、超导体、纳米技术……这些领域的理论基础正是量子学。当你对量子世界有所了解时，你将发现自己对世界的认识也发生了很大的变化。现在，中国第一部“量子学”科普作品《上帝掷骰子吗——量子物理史话》的作者将带你进行一次全新的探索，你准备好了吗——
　　
　　计算不再只和计算机有关，它决定了我们的生存。
　　——尼葛洛庞帝，《数字化生存》
　　如果把时光倒退回20年前，我们会发现当时绝大多数的国人根本就不知道“计算机”是个什么东西。仅仅10年前，“互联网”对于公众来说也仍然是一个极其陌生的概念。然而今天，电脑和网络已经给几乎所有人的生活打上了不可磨灭的烙印。IT技术成全了信息时代最伟大的奇迹，它用一种难以想象的速度彻底改变了人类社会的面貌。
　　太空探索、新能源开发、人类基因组破译等进展固然伟大，似乎离我们的日常生活仍然遥不可及，但家用电脑的升级换代却是每一个人不得不注意的问题。以大家最熟悉的英特尔芯片为例，从当年的386、486到后来的奔腾、赛扬系列，再到如今的酷睿双核(Core 2)，乃至传说中的Penryn、Yorkfield等下一代处理器，我们每个人都在见证信息技术的日新月异。
　　在IT技术飞速发展的背后，有一条神秘的规律支撑着整个业界的信念，那就是大名鼎鼎的“摩尔定律”。1965年，后来成为英特尔创始人之一的戈登·摩尔在《电子学》杂志上发表了一篇不起眼的文章，大胆地预测，在保持成本最低的情况下，每单位面积芯片上所集成的晶体管数量将会每年翻一番。到了1975年，他对这个速率作了修正，改为每两年翻一番。令人惊奇的是，从那时起到如今的40多年里，整个芯片工业的发展果真大致保持着这样的速度。还是以英特尔为例，1971年，最初的4004芯片大约集成了2250个晶体管，到1989年推出486芯片时，该数字已经达到118万个，而今天的双核芯片则可能包含了超过17亿个晶体管。
　　与其说摩尔定律是对客观发展规律的一种描述，倒还不如说它已经成了IT业界不惜代价所要达到的一个目标：这个定律是如此地深入人心，难以想象一个竞争者居然可以落后于摩尔速度而不被市场淘汰。2005年，英特尔公司出价1万美元求购一本当年刊载摩尔文章的《电子学》杂志，以放在博物馆中，作为芯片产业40年奇迹发展的历史见证。
　　展望未来，我们自然要问到这样一个问题：摩尔定律能否永远成立，这样的发展速度会在未来的很长一段时间内保持不变吗?
　　答案可能并不那样乐观。显而易见的难题在于，当我们把晶体管做得越来越小时，它很快就会面对物理上的极限。今天，主流芯片的研发水平已经在65纳米这个层次上(纳米是长度单位，等于一米的十亿分之一，只相当于几十个原子的大小)，可能不久就会进军45纳米。为了保证晶体管在如此微观的水平上仍然能够正常工作，科学家们需要解决数不清的技术难题。还好，如今的纳米科技能够在很大程度上助我们一臂之力，这使得摩尔定律在未来的10年中仍然有望维持。但无可避免地，我们最后还是要面对这个问题：一个晶体管最终只占据数个原子的空间之后，再怎么办?
　　那时我们所需要解决的就不仅仅是技术上的困难了，而是要从物理理论上去重新审视整个问题。当我们在原子的水平上讨论问题时，我们实际已经进入了一个异常奇妙的世界，一个与我们日常生活截然不同的世界，一个不能用任何常识来判断的世界。
　　从此，我们进入了神秘的量子理论的领域。
　　
　　如果谁在第一次接触量子论时没有感到震惊，那他肯定是没有理解量子论。
　　——尼尔斯·玻尔，1927年答记者问
　　量子论和相对论齐名，是20世纪早期物理学最重要的两大突破之一。以牛顿力学为代表的经典物理曾经盛极一时，在所有人的心目中留下了神圣而不可置疑的形象，但我们今天知道，牛顿力学其实是有其局限性的。它有着自己的适用范围：在大家一般所能感受到的尺度，也就是日常大小和低速运动下，其理论仍然是一种相当完美的近似。事实上，哪怕我们要在太阳系内发射火箭或航天飞机，牛顿理论的精确性也足以适用了。问题在于，如果我们考察星系尺度上的引力效应或者接近光速的运动时，老牛顿开始力不从心，此时我们就需要爱因斯坦的帮助，以相对论的眼光来看待问题。同样，当我们要研究原子、电子尺度上的微小事物时，我们也必须放弃一般的经典电动力学概念，改从量子论的角度来理解。
　　量子世界是一个完完全全的奇幻世界，这个世界光怪陆离，和我们平常所感知认同的那个迥然不同。在这个新世界里，所有的概念和图像都显得疯狂而不理性，更像是爱丽丝梦中的奇境，而不是真真切切的现实。量子论是一个相当奇妙的理论，里面出现了许多令人难以置信和难以理解的结论，我们将在今后一一谈及。从历史上看，许多最出色的物理学家对量子论应该如何理解持有极端不同的意见，其中包括爱因斯坦本人。在一些有关量子论的争吵中，你会哭笑不得地发现科学大师们为了极其古怪的问题各执一词，像“月亮是不是在没有人观察它时仍然存在”，“一只猫有没有可能同时是又死又活的”，“我们的宇宙是不是每时每刻都在分裂为无穷多个分支”……
　　其实在古怪的表面之下，量子论有着精密和准确的数理表达，这也使它成为实际应用中最成功的物理理论之一。量子世界的一些不可思议的奇妙属性，如今已经得到了实验的广泛证实。而且，就像我们即将看到的那样，恰恰是这些奇妙的属性使得未来的量子计算成为可能。
　　正如前述，当计算机的核心芯片越来越小，乃至趋于原子级水平的时候，经典的电动力学就不再有效，我们必须考虑到量子效应。在这里，我们遇到了量子世界的第一个奇特性质：电子的行为从根本上来说，是无法准确预测的。
　　乍看起来，这像是对整个物理学的挑战。物理学所要实现的目标，难道不正是能够对自然界任何事物的运动作出准确的预测吗?苹果从树上掉下，地球围绕着太阳旋转，无论是天上还是人间，所有现象都能够用物理定律来加以解释，并对未来的情况作出进一步的预言，这是经典物理学带给我们的根深蒂固的信念。但在极其微观的尺度下，量子理论却告诉我们，这并不是完全正确的。
　　我们当然能够对电子的行为作出描述，不过是在一种略微不同的视角下。在量子世界里，我们不能准确地说出一个电子具体将会在哪里，我们只能给出它“可能出现在哪里”的概率。
　　
　　你应该知道：在这个量子世界里，你无法进行准确的瞄准， 也不能肯定是不是能击中目标。
　　——乔治·盖莫夫，《物理世界奇遇记》
　　这听上去似乎相当奇怪，但我们必须对量子论的种种特别之处做好足够的心理准备。在经典世界中，如果你射击，只要能完全瞄准，就可以有把握地预言100％会射中目标，无论开几次枪都是一样。但换成量子世界时，哪怕你瞄得再准，你最多也只能说，我有一定的把握(例如90％)击中目标。这里的关键在于，每开出一枪，你都无法凭借物理定律来准确地预测子弹究竟会飞向何处——它是不可预测的!瞄准靶心固然可以提高射中的概率，却永远也无法保证你一定成功。
　　这里面牵涉到的是自然界的一种神秘的属性，称为“不确定性”。不管你瞄得多准，也始终存在着这样一种可能，那就是子弹莫名其妙地脱靶了，原因只有天晓得。这是一桩没有严格因果理由的随机事件！100多年来量子力学的发展证明，这种不确定性是宇宙的基本属性，属于每一样事物——包括你我在内!只不过在宏观尺度下，不确定性极其微弱，完全可以忽略不计；只有在电子、光子的微观水平上，它才成为一种主导力量，这就是量子效应。
　　当然，这并不表明物理学从此没用了，因为一旦瞄准之后，我们虽然不能担保子弹会中靶，却可以严格地计算出它中靶的概率，比方说90％。在数学上，这可以通过计算子弹的“波函数”来得到。波函数的概念是一个极为伟大的发明，这要归功于量子力学的创始人之一，奥地利物理学家薛定谔。它向我们展示了量子世界的第二个奇异之处：任何事物都同时既由粒子又由波组成，这叫做“波粒二象性”。当电子或者子弹前进的时候，它并没有一条确定的轨迹，而是像波那样发散开去。这里的波是一种概率，其强度越大的地方就越有可能出现。
　　要再次强调的是，这种性质并不仅仅属于电子，它属于宇宙中的每一样事物——包括你我!任何东西都可以认为是波，但只有在电子这样的微观尺度上，它才表现得明显起来。
　　这些无疑都是奇特的观念，它似乎在告诉我们：当量子效应越来越明显时，我们根本就不可能预测和控制电子的行为，更不用说设计什么电路了。看起来，传统的计算机必将在量子论面前被宣判死刑，摩尔定律也终究要成为历史。
　　然而，量子世界的怪异之处却又留给了我们绝处逢生的希望。也许我们不能在芯片上植入更多的晶体管，但充分地利用量子效应，却有可能唤醒一种潜在的无比巨大的力量，彻底突破目前运算能力的瓶颈，做出前人根本无法想象的事情来。
　　或许，从最小的尺度上，我们能够获得计算宇宙的能力。
　　曹天元：上世纪80年代出生于上海，曾赴姜国求学。现居香港，从事金融工作。除量子学外，战争史也是他的研究兴趣之一，曾在专业杂志发表多篇明清史论文。