第2章
未来技术的物理基础

基础物理的进步将为物理与技术的关系带来质变，并开创一个新局面。牢固的基础能够让我们更清晰地认识到机会和挑战。光明的前途就在前面，但同时也潜伏着危险。

基础物理学在限制技术发展的同时，也带来促进作用。从理论上说，这也是正确的，因为很多技术都体现在机器和建筑等物理实体上，这些实体必须遵守物理规律。但是在大部分历史中，几乎在所有的技术领域，基础理论和实际应用的关系都不是那么紧密。例如，有些罗马时代的杰出工程——道路、渡槽和斗兽场，正如维特鲁威在《建筑十书》（De Architectura）中所说：这些成就的取得都是靠长期积累的经验，并且这些经验都已经成了约定俗成的行规。例如，我们发现，关于建筑材料选择和制造的详细说明，某种程度上像我们今天的复合材料，但我们并不能认为这就是系统的材料科学。同样，罗马建筑中的中心主题——拱，已经成为一种模板，但并不是从数学的角度来解决负载和承压的问题（其实基于圆形的拱模板并不是最优的方案）。

今天，基础物理与技术之间的联系更加密切。值得注意的是，现在的微电子与电子通信能够以前所未有的速度处理和传输信息，这在几十年前都被认为是不可思议的。如果没有量子理论对于物质和光（包括无线电、微波以及其他电磁波谱）的深入、可靠的理解，这些基础支撑技术基本是不可能存在的，不管人们进行多少捣鼓或者所谓的“创新”都无济于事。

在本章中，我的主要目的是研究基础物理的发展现状，因为它与未来50年可能出现的技术息息相关，同时也为未来指明方向和机会。

从神秘到精通

首先让我开宗明义地提出自己的中心论断，随后我将对其进行解释：

今天我们有准确的、完整的方程来为核物理、材料科学、化学以及所有合理形式的工程提供基础。

因此，理论上，对于所有这些应用的研究，我们都可以通过求解相应的方程式来进行，用计算来替代实验。这在人类历史上代表了一种质的飞跃。这种飞跃产生于20世纪，主要是因为量子力学的巨大进步。

为了支持我的论断，回顾一下历史也许能够带来一些启发。

在20世纪初，自然世界里有很多基本的、很重要的特征无法用基础物理学进行解释。化学家根据经验推导出了元素周期表，还绘制出了分子的几何形状，特别是苯和其他有机物的环状结构，并成功地用于发现新的分子和化学反应。但是当时已有的物理定律不能解释稳定原子的存在，更不用说分析它们的性质以及化学键的构成方式。同样，基础物理定律对于解释材料的基本性质，如导电性、强度和颜色等也无能为力。太阳能量的来源也完全是个谜，开尔文爵士计算的太阳冷却速度，与达尔文的进化生物学完全对不上。生命活动（代谢和繁殖）和思想（认知）这些基本现象是身体正常活动的结果，还有其他额外的“重要”因素？这在当时是一个没有答案的问题。

在过去几十年里，所有这些问题都有了让人信服的答案。这些问题并不是直接解决的，而是得益于牛顿所说的“分析与综合”法，现在这种方法经常被贴上“还原论”的半贬义标签。通过这种方法，我们可以深入了解物体各基本结构的属性和相互作用（分析），然后利用这些知识从数学角度推导出更为复杂的属性（综合）。

现在回想，我们可以确定20世纪初的两件事是物理学发展的关键。一是1897年汤姆森发现了物质里面广泛存在的电子。电子有显著的特征，所有电子无论在何时何地观察都是一样的，因此它们是典型的“基本粒子”。因为电子遵守完美简单的方程，它们至今还被当作基本粒子。电子还在化学中起到关键作用，当然电子学也是。

另外就是1900年马克斯·普朗克引入的不可分的能量单位，也就是量子，量子的大小就是普朗克常数h（理论公式，普朗克常量=时间×能量）。普朗克在讨论辐射热力学时引入了这个常数，他对常数的使用也局限于此。1905年，爱因斯坦根据普朗克理论解释了光是以很小的不可分的粒子进行传输的。今天，我们称这种粒子为光子。光子是第二种基本粒子。普朗克–爱因斯坦理论消除了光与其他物质之间的区别，认为它们都是由基本粒子组成的。这个理论已经经受了时间的考验。在本章其余部分，当我提及“物质”的时候，光也是包含在内的。

接下来的一大进步是发现了原子的物理基础模型，这发生在1911—1913年，包括了理论和实验两方面。1911年，汉斯·盖革和欧内斯特·马斯登在欧内斯特·卢瑟福的建议下，研究了快速移动的阿尔法粒子轰击金箔时产生的偏转。金箔给粒子带来意想不到的大偏转，让卢瑟福认为金原子大多数的正电荷以及几乎所有的质量都集中在一个很小的核心区域，也就是原子核，其占据了原子体积的千亿分之一。从卢瑟福的实验中，可以想象到电子被电场力束缚在原子的核心。但是这个场景与已知的物理规律不相符，无法解释电子为什么不被核吸引而螺旋坠入其中。玻尔于1913年提出，电子只在一些特定的轨道上运行，这与牛顿的经典力学原则公然相悖。玻尔的理论把当时应用于光子的普朗克常数引入对电子的描述。

玻尔模型是如此直接简单，当它应用于氢原子时获得了巨大的成功，被爱因斯坦称为“思想领域最高的音乐神韵”。但是玻尔模型并不能以公式的形式解释其他问题。它本身以经典理论为基础，但又与牛顿的宏观力学原理矛盾，无法把玻尔的理论总结为具有数学一致性、能广泛应用的公式。

在接下来的十几年中，多个物理学家为解决这个问题都做出了重要的贡献，在这里我简单地介绍一下。1925年，沃纳·海森堡从粒子的角度建立了描述电子的统一方程（矩阵力学）。1926年，薛定谔从波的角度建立了描述电子的统一方程（波动力学）。刚开始海森堡的方程与薛定谔的方程之间并没有关系，但1926年保罗·狄拉克证明了它们在数学上是等价的，并且都可以从一个更普遍的、更通用的公式推导出来。狄拉克的数学公式能够把电子和光子统一在一起，他创建的量子电动力学（QED）主要研究电子与光的相互作用，成功地从更大的范围对物理现象进行解释，1929年他称：

大部分的物理学和全部化学的数学理论所需的基本物理定律都已知了，唯一的难点是这些定律应用带来了复杂得难以求解的计算方程。

当然，这个断言就是本章一开始提出的中心论断的起源。

在20世纪40年代，原子物理实验达到了更高的精度，需要新的、更精确的方法来求解量子动力学的基本方程，更严格地检验该理论。理查德·费曼、朱利安·施温格、朝永振一郎、弗里曼·戴森等人提出了新的方法，能够让量子动力学在更大的范围内解释电子的运动规律（包括所有相关的化学以及工程学），精度是以前方法的10亿倍。

通过这些理论成就，原子的外部结构已经能被人类充分了解，但是原子核仍然保持着神秘性。20世纪70年代出现的亚核作用力理论，即所谓的强相互作用和弱相互作用，于90年代被严格地论证测试，从而成为今天我们使用的“有效理论”，这里不再详述。

对世界进行编码

当普通人听到物理学家说他们的基础理论很“简单”时，总是会感到不可思议。现实中只有很小一部分人能够理解这些理论，任何人要理解这些理论都需要多年坚持不懈地学习、思考。但有一个明确的、基本的标准——理论必须是简洁的，认识到这一点很重要。这是本章前面提出的中心论断的一个重要补充，解释了其中“完整”一词的意义。

基本的物理公式可以编写成一段简短的计算机代码。按照计算机指令，时间足够的话，并不需要额外的外部输入，就可以计算出确切的结果。

但是据我所知，实际并没有人编过这样的程序。这也许是一个有趣的练习，我估计使用高级编程语言，例如，Mathematica（一款科学计算软件），只需要几百行代码就可以了。不过需要注意的是，所谓有效编码（能够在应用中对公式快速求解）完全是另外一个不同的问题，有可能是没有答案的。

物理学的三个基本原理

按照目前的理解，物理学的基础被概括为四大相关的核心理论，代表了四种基本力：重力、电磁力、强力和弱力。它们组合在一起通常被称为标准模型，从中能体现并推导出三个基本原理：相对性、规范不变性（也被称为局部对称性）以及量子力学。

这些原理中的两个——相对性和规范不变性都是对于对称性的描述。这里的“对称性”是指“变换保持不变”，或者更优雅地说是“不变之变”（change without change）。圆形能很好地解释这个概念，我们可以围绕圆心旋转来对圆进行变换，圆上的每个点都在移动，所以这是一个真正的变换，但是圆作为一个整体并没有改变。同样，狭义相对论的核心假设是，我们可以以恒定的速度来变换物理世界中所有物体的属性（从而改变我们观察到的物体的速度），但保持这些物体所遵守的物理定律不变。规范不变性涉及更多我们不熟悉的属性（相对于“速度”这个属性来说），但是表达的思想是一样的。这就是物理定律的不变性，这样我们就可以让物理定律在不同情况下都表现相同的结果。

第三个原理——量子力学是一个广泛的框架，而不是一个具体的假设。这方面它类似于经典（牛顿）力学，告诉你物体在力的作用下如何运动，但不告诉你力是什么。量子力学在细节上更加模糊（这里我是指动态变量的替代选择和所谓的顺序不确定性）。因此，在我们的核心理论出现之前，量子力学在一些特定的物理问题上总是需要进行猜想。但是核心理论总是要求唯一的答案，下一节我会深入地讨论为什么会这样。虽然并不是所有的人都认可这样，但是我觉得，公平地讲，只有从核心理论的角度，我们才能准确地理解什么是量子力学。

结果证明，很难找到一个统一的公式把相对论与量子力学的理论结合起来。研究这一领域的是相对论性的量子场理论（relativistic quantum field theories），包含了很多定义不明确的基本量或者无限量。只有精心地进行组合，消除无限量，才能用于物理世界建模。为了得到这些，我们必须用非常特殊的方法来确定量子力学的框架，才能消除所有的不确定性。这些用于解释基本原理的理论很难被发现，因为它们并不太一致。但这些也给我们带来了明显的好处，让我们能找到非常精确的公式和方法，这些公式非常有用，因为它们对于变化能够保持一致性。

新原理

从基本原理得出的两个结论也很基础、很重要，虽然本章只是一篇简介，但还是值得一提。

自然世界中的主要物质是空间填充（space-filling）、持久场（persistent fields，如时间填充）。粒子，如电子，是相应的场的激发态。所以所有的电子都有相同的性质，不管在何时何地遇到它们，因为每个电子都是同一个场的激发态。所有电子（以及其他基本粒子）的精确相同性是非常重要的。19世纪工业技术的一大进步就是开发了通用的可互换件，这就可以进行大规模的生产、组装和维修。正如我们所知，化学、生物学以及工程学都依赖于大自然能够提供丰富的可互换件。

当电子与原子核结合在一起组成原子，或者夸克与胶子结合组成质子时，所得到的物质具有独特的、稳定的结构，除非施加强大的能量，否则很难对其进行拆分（这与基于经典力学的系统形成鲜明对比，例如，太阳系可以吸收任意小的能量，只需以微小的结构变化为代价）。这种“量子审查”（quantum censorship）意味着我们可以在适当的环境下（如没有太多的能量时），将原子或者光子视为一个黑盒子，其内部结构是被隐藏的。例如，当我们设计晶体管时，不需要去考虑夸克和胶子。

基本原理的这两个新特性能够让我们逐步建立自然的统一，可以使用统计的方法来处理大量的（不可区分的）实体。这样，化学家和工程师的很多实际操作就有了坚实的基础，就如同从更深层次“还原”出来的结果一样。

构造单元

基本粒子学的标准模型把质子和中子描述为原子核的构造单元，电子填充在原子的大部分空间，原子组合成分子和物质。为了充分体现这种结构的艺术性，需要对基本粒子学说进行一些改进。

第一，如前所述，我们已经认识到将光与物质分开是不自然的、没必要的，因此要把光子加入进来。

第二，我们不能认为质子和中子就是物质的基础组成成分。实验表明，质子和中子都是复杂的物体，具有精细的内部结构。质子和中子是由更基本的粒子——夸克和胶子——组成的。所有已有的证据都证实夸克和胶子遵守前面提及的量子色动力学（quantum chromodynamics，QCD）的简单公式。有两种重要的夸克，被称为上夸克（符号u）和下夸克（符号d）。

第三，我们必须把中微子（电子中微子）加入进来。这些粒子在太阳内部进行核反应时产生并发射出来，并且被应用于各种核技术（包括医学诊断、某些形式的放射治疗、核反应堆以及核武器）。

有了电子、光子、胶子、上夸克、下夸克以及（电子）中微子作为基本组成部分，我们就足以构建一个满足本章中心思想的“有效理论”。它包含的基础成分比传统元素周期表更少，拥有更精确的操作手册（其基础公式），并能涵盖更为广泛的现象。

正如前面所讨论的，我们的“有效理论”具有一些已知的局限性，但是在可预见的将来，这些局限性似乎并不会给任何重要的技术带来影响。

宇宙资源

过去的几十年是物理宇宙学的黄金时代。宇宙大爆炸理论（宇宙的历史从一个高度均匀的、温度极高的奇点大爆炸开始，通过引力的不稳定性产生结构）的证据越来越明确并取得了压倒性优势。本章并不太适合来介绍大爆炸理论，但是其带来的两个结果与本章的中心论断特别相关，因此值得在此说一下。

“有效理论”告诉我们物质有哪些不同的形式，但它本身并没有告诉我们哪些物质是可用的。根据大爆炸理论，宇宙早期非常热，这就意味着原子核由原始的夸克和胶子混合凝结而成，并且我们可以计算在宇宙早期、星系形成之前不同化学元素的浓度。计算的结果表明，绝大多数都是氢和氦。较重的元素在恒星内部形成，然后随着超新星爆炸中恒星的灭亡而消逝。根据这种场景，我们对于今天在宇宙中发现的物质能有一个很好的解释。基础物理理论与观察之间的这种互相印证进一步加强了我们对理论的信心，甚至有信心把这些理论应用到化学、生物学以及工程学之外的领域。

然而，天文学家也掌握了另外一些令人信服的证据，表明基于电子、光子、夸克和胶子的普通物质只占宇宙重量的4%，剩下的都被归类为暗物质（约25%）和暗能量（约70%）。目前只能通过它们对普通物质的微弱（但在不断累积）引力作用，暗物质和暗能量才能被发现，因为暗物质和暗能量与普通物质的相互作用非常微弱，甚至很难被检测到，很难想象技术能如何利用这种资源。

其他问题

日益复杂：新的加入者

“分析与综合”法或者还原论方法最具决定性的实验是在大型粒子加速器上完成的，如欧洲粒子物理实验室（CERN）的LHC（大型强子对撞机）。利用LHC，质子被加速到巨大的能量并相互碰撞。这种碰撞产生的能量密度远远大于地球上（或者就我们目前所知，在宇宙中任何地方）自然产生的能量密度。这让我们能够用更精确的数据来检验基础作用力理论，这比在实际应用中遇到的条件苛刻得多。

对于我们来说，这项工作有两个重要的结果。对于“有效理论”来说，有好消息，也有坏消息。不过坏消息是表面的，好消息才是本质的。

首先，我们看看坏消息：我们的“有效理论”极其不完整。为了更好地解释我们在加速器上观察到的所有现象，需要增加四种类型的夸克（奇夸克s、粲夸克c、底夸克b、顶夸克t），两种较重的类电子粒子（渺子µ、陶子τ）以及各自对应的中微子，两种重的、类似光子和胶子的粒子——W玻色子和Z玻色子，以及最近发现的希格斯粒子。

因此坏消息是，虽然看起来我们与真相很近了，这中间却有着意想不到的复杂性。

我们再来看看好消息：真相的复杂性有助于我们完善有效理论的原理，并且不会有损于其实际应用。对于新粒子的研究为我们提供了很多机会用新方法来测试有效理论的通用原理：相对论、量子理论和局部对称性。事实上，这些原理预测了在不同情况下产生粒子的速度、衰减后的情况以及其他细节。到目前为止，这些预测都无一例外地被证明与现实是吻合的。这样我们就能够更有信心地做出另外一个预测：这些粒子在正常环境中（非加速器）的影响是可以忽略的。

因此好消息是，我们在有效理论之外新加入的粒子能够很好地被量化解释。从这些粒子上观测到的行为增强了一般原理的有效性。但这些粒子都是难以产生的，并且大部分（新的中微子除外）极不稳定。因此它们的实际影响是可以忽略的，过去如此，将来也肯定如此。

量子理论的质疑，量子引力

很多量子理论的先驱，特别是普朗克、爱因斯坦和薛定谔，对于其成熟形态不太满意。他们对于量子理论中天生就有的概率性感到不舒服，量子理论认为在亚原子世界中进行“完美”的测量（不会影响被测量系统的测量）不仅太理想化，并且在物理上是不可能的。量子理论的这些特征似乎破坏了客观世界这个概念，以前我们认为客观世界包含各种确定性的对象，并且根据确定的规律演变。

后来的几代物理学家，大部分人在量子理论上都不再争论。量子理论不断地得到新实验的验证，获得了很多新的进展。另外，“退相干”（decoherence）等相关技术解释了宏观物体，特别是宏观物体的确定性行为是如何从微观世界的量子行为中产生的。但即使在今天，还是有一些著名的物理学家认为量子理论的基础存在一些问题（我不这样认为）。量子计算机的设计就是利用了量子理论中最奇怪、最玄妙的一些特征，如果最终意外失败，那就非常有意思了。

其实，调和引力理论、广义相对论与量子力学基本原理的困难被人们故意夸大了，因此需要更为客观地看待这些争论。在实际操作层面，三者其实是不存在冲突的。天体物理学家与宇宙学家经常成功地通过计算来解释物理现象，其中引力理论和量子理论同时发挥了作用。纵观他们的整个工作，没有明显的分歧。

不过，如果我们试图把公式应用于大爆炸最初时刻可能发生的极端条件，或者黑洞的内部，则会出现问题，公式只有奇解（singular）。在小黑洞的内部，量子理论同样存在计算求解的困难。

如果人们能够识别和观察到任何具体可观察的、带有量子引力真实特征的现象，那将是一个可喜的成就和重大的进步。到目前为止，尽管人们进行了广泛的研究，也吸引了强烈的关注，并有着极为诱人的名利前景，但还没有人挑战成功。

臆想之事

理解基本理论的作用之一，是能够让我们免于陷入无效的想法，无法自拔。这里我想提一下在大众媒体中曝光度很高，但与基础物理不太相符的三种潜在的“技术”。当然，也可能会有惊喜，自然界是最终的裁判。但是如果按照这些方向发展，会让我们抛弃至今一直运行良好的理论。

•超光速信息传输与广义相对论相悖。在存在强引力场的极端情况下，时空可能会扭曲，并且可能存在连接其他远点的近道（虫洞）。但是就像我下面将讨论的一样，利用虫洞似乎远远超出了现有技术的应用极限。

•超距离作用，就像占星术中描述的那样，不在我们的标准模型范畴内。不巧的是，它们也与我们科学长期积累的经验背道而驰，一旦我们采取一些常规的预防措施，与外部世界进行隔离，即使经过精心设计的实验，也难以kkkk产生可重复的结果。

•超感知能力、心灵感应、透视能力等精神力量，或者类似于与物理基础脱离的“意识”等相关概念，都是臆想。在今天的基础物理学中并没有它们的一席之地，即使在最精确的测量中，实验者也没有发现他们自己能被别人的思想影响。

机遇

模拟现实世界

我们可以期待这么一天，也许在不久的将来，计算机可以为核物理、天体物理、材料科学以及化学做它们今天已经为飞机设计所做的工作一样，来补充或者彻底替代实验室中的实验。

我们的强相互作用理论——QCD的最新发展为我们指明了一条道路。QCD理论的初步验证来源于其在极高能量下对其过程的精确定量描述，在高能量条件下，该理论的行为被简化了。核物理学虽然是激发大家进行强相互作用研究的第一个领域，却是一块难啃的硬骨头。人们投入了大量的精力，用分析的方法来求解QCD公式，但目前最成功的方法是把公式转换为可以在计算机上运行的模型，然后让计算机来运算。现在我们可以对未来进行一些预测，当核物理达到了原子物理学今天所达到的精度和通用性，我们就可以通过改进的核化学获得比今天的反应堆（或炸弹）更小、更易控制、更通用的超稠密能量体。

计算将越来越多地取代发明了各种有用的催化剂和药物的实验，极大地提高效率，并为创造性的探索开辟一条新路。

现在技术遇到的一些问题很多都源于材料的性质：更高效的电池（提供能量）可以为机器人带来革命；更高效的光伏发电材料能够缩短大规模使用太阳能的过渡期；室温超导体可以实现无摩擦轨道运输；高强度的材料能够让我们建造太空电梯，把地球和太空连接起来，又便宜又可靠。在这些以及更多的重要应用中，对关键材料进行相对较小的改进就可以带来翻天覆地的变化。我们能做到吗？答案就在我们的公式里面，但为了求解它们，我们必须进行计算。

这里涉及两个问题：硬件和软件。已经经历了25个周期的摩尔定律（见第4章）分别为普通人和物理学家带来了通用的与特殊用途的具有超强性能的计算工具。指数级增长的速度正在放缓，集成电路中的器件数量不再每两年翻一番，因为当器件达到原子尺度时，就会受到新的物理规则的制约。尽管如此，我们仍然可以预测在未来几十年内还是至少可以继续发展几个周期的，即使现有的半导体技术不会发生巨变。

目前，还有其他几个有前景的新方向。如今绝大部分的信息处理还是基于电荷（包含在电子里面）移动来实现的。但是电子的移动比光慢得多，并且它们的运动会产生热量，这为降温带来很大的麻烦。光已经被用于长距离的高密度信息传输，这需要进行从电子编码到光编码的互相转换。现在光转换器的效率越来越高，也更加通用，并且可以演变为独立的“光子”计算机。

量子计算机更具革命性的前景，其以量子系统之间的微妙关联（纠缠）的形式对信息进行编码。原则上，这些关联具有非常丰富的结构，所以能够存储和操作超高密度的信息。遗憾的是，纠缠之复杂，无论如何夸大也不为过。在未来，似乎可以找到几种开发和利用它的技术，但目前只是在酝酿中。如果能够制造大型的、实用的量子计算机，它们应该非常善于解决量子力学中的问题，揭示本章中心论断的潜能。

另外一个方向是从生物学中寻找灵感。现在主流计算机本质上都是二维的，都是基于芯片的，这些芯片必须在严格的净室条件下生产，任何错误都是致命的。如果被损坏，它们将无法恢复。人类的大脑在这些方面有所不同：它是三维的，可以适应杂乱无序的环境，并且可以在受伤或者出错时继续运作。在保持半导体技术高密度、高速度以及可扩展性的特征的同时，我们强烈地希望能让半导体获得人类大脑的这些特性，目前，没有明显的物理障碍阻止我们这样去做。

高效算法都是充分利用了所针对问题的特性，这类算法的提出是一个内在创造的过程，很难推广到一般性问题。关于软件开发，在这里我只提一个特别需要注意的方面。为了保持摩尔定律继续有效，特别是最近几个周期，人们投入了大量的工作用于设计复杂的软件和CAD（计算机辅助设计），这些软件和工具通过分析新环境下基础物理带来的影响，让工程师可以探索和完善制作电路原件（如微型晶体管）的新方法，从而优化电路结构。这样就得到了一个强大的正反馈循环，计算能力的增强能够更好地进行计算机设计，而计算机设计能力的提高又带来更强的计算能力。随着人工智能越来越复杂，我们可以期待会有更多类似的正反馈循环，这些性能更强（并且自主能力更强）的计算机将创造出更多性能更强大的计算机。

扩展现实世界

基础物理学告诉我们，这个世界上还有很多可能存在，但目前没有被我们认识的重要领域。下面，我将介绍几个可能性最大的领域。

最近，由加州理工学院和麻省理工学院共同运营的LIGO（激光干涉引力波天文台）公布发现了引力波信号，这是由两个质量相当于几十个太阳的黑洞合并在一起而形成的。设计LIGO的目的是检测几对反射镜之间距离的微小变化，相关的数字有些令人难以置信，反射镜之间相距4公里，并且它们之间距离的预期改变小于质子直径的千分之一。各种各样的因素可能会触动镜子，但是引力波能够产生独特的变化模式，所以其信号能够从噪声中被分辨出来。这个观察是50年来持续努力的结果。当然，如果没有基础物理指导我们期望看到什么样的信号，以及如何测量这样微小的距离变化，那将是不可想象的。另外，值得一提的是，这种灾难事件产生的微小时空扭曲，将葬送工程虫洞（engineering wormholes）、曲速引擎（warp drives）、时间机器及其他梦想。

引力波为我们在宇宙中打开了一扇新窗户，能够让我们探索宇宙中被隐藏的时空以及各种灾难性事件。为了发挥其全部潜力，我们需要在太空中安装百万公里的精密仪器阵列。

让我们回过头来看看自身，人类的感知能力还有很多没被利用。以视觉为例，到达我们眼睛的电磁信号包含无穷的、连续的一段频率，也有偏振光。我们所认为的“颜色”是对一个单一倍频（octave）进行的粗略哈希编码，光谱被采样过滤，只剩下三个区域，偏振光被丢弃了。很多动物能够进行精细的采样，并且对于红外线和紫外线都很敏感。人类对于声音的频率能进行更精细的分析，能够分辨琴声中很多不同的音调。

关于我们的自然环境，也能提供有价值的信息，更不用说在数据可视化以及艺术方面的可能性。现代微电子学以及计算机让我们看到了获取这些信息的希望。通过适当的转换，我们可以把这些信息编码到现有的通道中，形成某种类型的诱导通感（induced synaesthesia）。这样我们将极大地扩展人类的感官系统，为人类打开感知的大门。

通过使用更强大的传感器和驱动器，“出体体验”（out-ofbody experience）将变得更加引人注目。很容易就能想象到其将给我们带来的各种精彩的可能性：待在家里就能进行随时随地的沉浸式旅游。脆弱的人体不适合深入太空环境，但我们的意识可以任意遨游。通过机器人探测器，天文学将获益匪浅，相比于把脆弱、易病的人送入太空深处，虚拟远程呈现（virtual telepresence）以及合适的生物植入更为现实。

生物学的启发

如果我们接受本章的中心论断，那么生物学可以为那些看起来很模糊的事物提供“存在性证明”。我在前面已经提及了具有复杂三维结构、能自我组装及自我修复的信息处理器。这看起来似乎有点不太可能，但是我们大多数人的大脑就是具有这些特性的实例。同样，基于慢速、不可靠的电路器件进行海量数据流的高度并行、快速处理看起来也是一个遥远的梦，但是人类的视觉系统就有这样的功能。

当然，生物学当年还启发了约翰·冯·诺伊曼设计自复制“通用构造”系统。他设计的计算机结构已经成为改变世界的技术基础，与之不同的是，自复制（以及能进化的）机器目前仍然只存在于学者的脑海里。但人类自身为这种机器的潜力提供了可行性证明，我们在分子水平对自然的理解有了很大的进步，对信息流和物质流的控制能力也得到了提高，特别是3D打印（见第10章），是时候激活这个伟大的构想了。

相反，人类作为物理性的存在，自然界中的物质，本身就表明衰老或者疾病是与生俱来的。我们对于物质基本层面的理解和监控能力，应该能够让我们弥补这些缺陷。在现实中，它们带来了一系列具有挑战性的问题，将继续启发我们在显微镜（大家已经熟知）、数据分析（可以进行复杂的诊断），以及分子工程（可以进行复杂的治疗）等方面前进。

总结：失败的模式

随着对于物质的理解不断成熟和深入，我们有更多为人类服务的机会。基于我前面提到的那些理由，作为一名物理学家，我有信心断言，我们对于世界如何运转的深刻的新认识，为我们创造更高水平的物质文明和精神文明指明了令人振奋的前景。我们知道哪些是可能的，也能预想到还有哪些工作需要去做。

在结束本章之前，我觉得还是很有必要给出一些提醒。

由于现代技术能够对已有或者新获得的知识进行妥善的保存并广泛传播，人们不可避免地会去想，技术的发展甚至最终人类的历史是不是可以避免出现严重的倒退？历史的发展可能不均衡，但退步是不是就不会发生了？

是这样吗？对于我来说，现代技术本身带来的三种风险特别让人忧心：核战争、生态崩溃，以及人工智能战争。

对于和平的习以为常，以及70多年来的好运，不应该让我们远离对于核武器的恐惧。现在还有9个不同的国家控制着几千枚核武器。就像奇爱博士（Dr. Strangelove）说的那样：“看好导火索！”

另外一种风险是由人为因素引发的气候改变造成的生态崩溃。部分由于政治原因，大气中的碳污染不断加重，一种可行的应对方法可能需要耗费几万亿美元的资产，来自资产持有人的抵制难以取得突破。人类是否能足够成熟和聪明地解决这个潜在的问题，还是一个未知数。

无论是人类，还是人工智能，都逃脱不了大卫·休谟的观点：对于道德问题，使用逻辑或者科学方法，都无法从“是什么”推导出“应该是什么”。他的著名结论“理性是且只应该是激情的奴隶，除了服从激情和为激情服务之外，它不应该扮演任何其他角色”。

自主智能体（如类人机器人）的创造者将对其潜在的目标和动机进行设置，有可能通过明确的编程，也可能隐含在设计目标里面，这就是他们的“激情”。很多人工智能的设计方案都是旨在为人类提供坦诚、友好的服务。这些可以通过自主智能体来实现，因为它们的目标和动机就是坦诚和友好。但是如果将高级人工智能用于军事目的可能带来很多问题：想象一下机器人军队，或者更普遍的高度自动的武器系统，如奇爱博士的末日机器，设置成不需要人为干预就能感知威胁并采取应对措施。我们可以预料到，人类设计的具有怀疑性和侵略性的超级智能体，将以意想不到的方式表现出它们的怀疑性和侵略性。拥有这些智能体的人群将陷入疯狂的战争，以整个人类以及文明的毁灭作为代价。