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開篇：寫作不僅是一種記錄，更是一種創造，它讓我們能夠捕捉那些稍縱即逝的靈感，將它們永久地定格在紙上。下面是小編精心整理的12篇量子力學最新研究，希望這些內容能成為您創作過程中的良師益友，陪伴您不斷探索和進步。
關鍵詞：量子力學；教學探索；普通高校
中圖分類號：G642.0 文獻標志碼：A 文章編號：1674-9324（2013）50-0212-02
一、概論
量子力學從建立伊始就得到了迅速的發展，并很快融合其他學科，發展建立了量子化學、分子生物學等眾多新興學科。曾謹言曾說過，量子力學的進一步發展，也許會對21世紀人類的物質文明有更深遠的影響[1]。
地處西部地區的貴州省，基礎教育水平相對落后。表1列出了2005年到2012年來的貴州省高考二本理科錄取分數線，從中可知：自2009年起二本線已經低于60%的及格線，并呈顯越來越低的趨勢。對于地方性新升本的普通本科學校來講，其生源質量相對較低。同時，在物理學（師范）專業大部分學生畢業后的出路主要是中學教師、事業單位一般工作人員及公務員，對量子力學的直接需求并不急切。再加上量子力學的“曲高和寡”，學生長期以來形成學之無用的觀念，學習意愿很低。在課時安排上，隨著近年教育改革的推進，提倡重視實習實踐課程、注重學生能力培養的觀念的深入，各門課程的教學時數被壓縮，量子力學課程課時從72壓縮至54學時，課時被壓縮25%。
總之，在學校生源質量逐年下降、學生學習意愿逐年降低，且課時量大幅減少的情況下，教師的教學難度進一步增大。以下本人結合從2005至10級《量子力學》的教學經驗，談一下教學方面的思考。
二、依據學生情況，合理安排教學內容
1.根據班級的基礎區別化對待，微調課程內容。考慮到我校學生的實際情況和需要，教學難度應與重點院校學生有差別。同時，通過前一屆的教學積累經驗，對后續教學應有小的調整。在備課時，通過微調教學內容來適應學習基礎和能力不同的學生。比如，通過課堂教學及作業的反饋，了解該班學生的學習狀態，再根據班級學習狀況的不同，進行后續課程內容的微調。教學中注重量子力學基本概念、規律和物理思想的展開，降低教學內容的深度，注重面上的擴展，進行全方位拓寬、覆蓋，特別是降低困難題目在解題方面要求，幫助學生克服學習的畏難心理。
2.照顧班內大多數，適當降低數學推導難度。對于教學過程中將要碰到的數學問題，可采取提前布置作業的方法，讓學生主動去復習，再輔以教師課堂講解復習，以解決學生因為數學基礎差而造成的理解困難。同時，可以通過補充相關數學知識，細化推導過程，降低推導難度來解決。比如：在講解態和力學量的表象時[2]，要求學生提前復習線性代數中矩陣特征值、特征向量求解及特征向量的斯密特正交化方法。使學生掌握相關的數學知識，這對理解算符本征方程的本征值和本征函數起了很大的推動作用。
3.注重量子論思想的培養。量子論的出現，推動了哲學的發展，給傳統的時空觀、物質觀等帶來了巨大的沖擊，舊的世界觀在它革命性的沖擊下分崩離析，新的世界觀逐漸形成。量子力學給出了一套全新的思維模式和解決問題的方法，它的思維模式跟人們的直覺和常識格格不入，一切不再連續變化，而是以“量子”的模式一份一份的增加或減少。地方高校的學生數學基礎較差，不愿意動手推導，學習興趣較低，量子力學的教學，對學生量子論思維方式的培養就顯得尤為重要。為了完成從經典理論到量子理論思維模式的轉變，概念的思維方式是基礎、是重中之重。通過教師的講解，使學生理解量子力學的思考方式，并把經典物理中機械唯物主義的絕對的觀念和量子力學中的概率的觀念相聯系起來，在生活中能夠利用量子力學的思維方式思考問題，從而達到學以致用的目的。
4.跟蹤科學前沿，隨時更新科研進展。科學是不斷向前發展的，而教材自從編好之后多年不再變化，致使本領域的最新研究成果，不能在教材中得到及時體現。而發生在眼下的事件，最新的東西才是學生感興趣的。因此，我們可以利用學生的這種心理，通過跟蹤科學前沿，及時補充量子力學進展到教學內容中的方式，來提高學習量子力學的興趣。教師利用量子力學基本原理解釋當下最具轟動性的科技新聞，提高量子力學在現實生活中出現的機會，同時引導學生利用基本原理解釋現實問題，從而培養學生理論聯系實際的能力。
三、更新教學手段，提高教學效率
1.拓展手段，量子力學可視化。早在上世紀90年代初，兩位德國人就編制完成了名為IQ的量子力學輔助教學軟件，并在此基礎上出版了《圖解量子力學》。該書采用二維網格圖形和動畫技術，形象地表述量子力學的基本內容，推動了量子力學可視化的前進。近幾年計算機運算速度的迅速提高，將計算物理學方法和動畫技術相結合，再輔以數學工具模擬，應用到量子力學教學的輔助表述上，使量子力學可視化。通過基本概念和原理形象逼真的表述，學生理解起來必將更加輕松，其理解能力也會得到提高。
2.適當引入英語詞匯。在一些漢語解釋不是特別清楚的概念上，可以引入英文的原文，使學生更清晰的理解原理所表述的含義。例如，在講解測不準關系時，初學者往往覺得它很難理解。由于這個原理和已經深入人心經典物理概念格格不入，因此初學者往往缺乏全面、正確的認識。有學生根據漢語的字面意思認為，測量了才有不確定度，不測量就不存在不確定。這時教師引入英文“Uncertainty principle”可使學生通過英文原意“不確定原理”知道，這個原理與“測量”這個動作的實施與否并沒有絕對關系，也就是說并不是測量了力學量之間才有不確定度，不測量就不存在，而是源于量子力學中物質的波粒二象性的基本原理。
3.提出問題，引導學生探究。對于學習能力較強的學生，適當引入思考題，并指導他們解決問題，從而使學生得到基本的科研訓練。比如，在講解氫原子一級斯塔克效應時，提到“通常的外電場強度比起原子內部的電場強度來說是很小的”[2]。這時引入思考題：當氫原子能級主量子數n增大時，微擾論是否還適用？在哪種情況下可以使用，精確度為多少？當確定精度要求后，微擾論在討論較高激發態時，這個n能達到多少？學生通過對問題的主動探索解決，將進一步熟悉微擾論這個近似方法的基本過程，理解這種近似方法的精神。這樣不僅可以加深學生對知識點的理解，還可以得到基本的科研訓練，從而引導學生走上科研的道路。
4.師生全面溝通，及時教學反饋。教學反饋是教學系統有效運行的關鍵環節，它對教和學雙方都具有激發新動機的作用。比如：通過課堂提問及觀察學生表情變化的方式老師能夠及時掌握學生是否理解教師所講的內容，若不清楚可以當堂糾正。由此建立起良好的師生互動，改變單純的灌輸式教學，在動態交流中建立良好的教學模式，及時調整自己的教學行為。利用好課程結束前5分鐘，進行本次課程主要內容的回顧，及時反饋總結。通過及時批改課后作業，了解整個班級相關知識及解題方法的掌握情況。依據反饋信息，對后續課程進行修訂。
通過雙方的反饋信息，教師可以根據學生學習中的反饋信息分析、判定學生學習的效果，學生也可以根據教師的反饋，分析自己的學習效率，檢測自己的學習態度、水平和效果。同時，學生學習行為活動和結果的反饋是教師自我調控和對整個教學過程進行有效調控的依據[6]。
四、結論
量子力學作為傳統的“難課”，一直是學生感到學起來很困難的課程。特別是高校大擴招的背景下，很多二本高校都面臨著招生生源質量下降、學生學習意愿不高的現狀，造成了教師教學難度進一步增大。要增強學生的學習興趣，提高教學質量，教師不僅要遵循高等教育的教學規律，不斷加強自身的學術水平，講課技能，適時調整教學內容，采取與之相對應的教學手段，還需要做好教學反饋，加強與學生的溝通交流，了解學生的真實想法，并有針對性的引入與生活、現實相關的事例，提高學生學習量子力學的興趣。
參考文獻：
[1]曾謹言.量子力學教學與創新人才培養[J].物理，2000，（29）：436.
[2]周世勛，陳灝.量子力學教程[M].高等教育出版社，2009：101.
[3]楊林.氫原子電子概率分布可視化及其性質研究[J].綏化學院學報，2009，（29）：186.
[4]常少梅.利用Mathematica研究量子力學中氫原子問題[J].科技信息，2011，（26）：012.
[5]喻力華，劉書龍，陳昌勝，項林川.氫原子電子云的三維空間可視化[J].物理通報，2011，（3）：9.
這本納米電子學領域的經典教科書已經更新到了第2版。自從2007年第1版問世以來，納米技術突飛猛進，作者根據最新的研究進展及時對第1版的部分章節和文字進行了更新，特別增加了對量子力學的介紹，對掃描探針顯微鏡方法進行了更細致的闡述，同時還增加了有關金屬納米線和分子電子學的內容，并提供了新的實驗結果。
隨著高科技的發展，手機、筆記本、平板電腦等小型電子設備在我們的生活中得到了廣泛應用，以晶體管為中心的半導體技術使這些成為可能。固態晶體管的發明已成為人類在過去一個世紀中最重要的科技進步，其影響力遍及我們生活的各個方面。
將電子設備的尺度再降低一個等級，就到了納米層次，在納米維度上理解電流的特性越來越重要。本書力求對從宏觀尺度到原子層次的傳輸現象做一個深入淺出的概述。有兩種方法可以制造納米尺度的設備，一種是自上而下的方法，這種方法在半導體工業中已被成功應用，另一種是自下而上的方法，這種方法正是目前納米科學研究的前沿。自下而上的納米技術并不能完全取代自上而下的技術，兩者往往相輔相成。但無論哪種方法，都需要深刻理解納米尺度的傳輸效應。
本書共分為6章：1.量子力學的基本概念及其與材料電特性的關系，并從量子力學角度對電阻和晶體管中的傳輸效應進行了解釋；2.從量子力學角度闡述了電流、電壓和電阻之間的量子特征關系；3.量子與宏觀區域的邊界，并介紹了幾何、尺寸和微觀結構是如何影響納米尺度下的阻抗特性的；4.用于在納米尺度下探測結構電特性的技術――掃描探針顯微鏡方法；5.電流產生的負面效應――納米線中的熱效應和電子遷移，這些負面效應非常重要，因為微處理器中晶體管的收縮會造成它們之間的連接體也產生收縮，而納米尺度上小線的回彈性與微米尺度上長線的回彈性不同；6.分子電子學，通過對這一領域的研究有望實現新型的電路功能。
本書可作為量子力學、掃描探針顯微鏡法和電子傳輸的入門參考書。
褚鵬飛，博士生
（國家納米科學中心）
科學家們目前已經研發出了一種新方法，來控制鉆石晶體內的原子，從而可以將量子信息儲存在原子內部。鉆石不僅可以做珠寶，也可以當做量子記憶體來用。用這種技術來制造量子計算機的話，可以讓電腦科技突飛猛進。
用來儲存信息的鉆石要有雜質
你知道鉆石除了可以讓女性更迷人之外，還有更高精尖的用途嗎？美國加州的科學家們正在將它用在未來的超級電腦上。鉆石可以作為用來儲存量子信息的記憶體。不過，科學家們所用的鉆石，不是珠寶店售賣的潔凈無瑕的鉆石，而必須是有雜質的鉆石。這是該項技術的關鍵。
鉆石最常見的瑕疵之一是氮。氮會讓鉆石變得發黃。當氮原子與碳晶體內的孔洞相鄰時，這種侵入性元素能將自己額外的電子轉移到孔洞中。幾年前，科學家們開始利用灌注了氮原子的鉆石來研發新的量子信息系統。他們用微波能量來改變電子的自旋，以使之按量子比特或者量子位運作。這就使得信息不單可以用“0”和“1”來儲存，也可以按電子自旋的方向來存儲。
科學家們也一直在尋找一種更為穩定的方法來儲存量子信息。他們找到方法將電子的自旋和附近氮原子核的自旋鏈接起來。其他量子系統需要接近絕對零度，而這種鉆石的記憶體可以在室溫下運作。通過射入激光，鉆石內部的自旋可以加以改變。這也讓鉆石成為對科學家而言很有吸引力的納米光電系統材料。
除了更好的穩定性以外，鉆石也可以克服量子計算機面臨的另一個障礙――大小。可以按比例利用鉆石制造更大尺寸的量子計算機。鉆石量子記憶體也能夠用來建構更大的量子網絡。量子中繼器可以利用鉆石的碎片去捕捉、儲藏和轉發信息，可以讓量子網絡覆蓋更遠的距離。
鉆石是未來電腦的好友
量子計算機研究是目前最前沿的電腦研究領域。2009年11月，世界首臺量子計算機正式在美國誕生，可處理兩個量子比特的數據。較之傳統計算機中的“0”和“1”比特，量子比特能存儲更多的信息，因而量子計算機的性能將大大超越傳統計算機。半導體靠控制集成電路來記錄和運算信息，量子電腦則希望控制原子或小分子的狀態，記錄和運算信息。量子計算機成為超級電腦新的發展方向。而氮填充孔洞的鉆石會是最新一代超級電腦研發的關鍵。未來的鉆石系統會比現在以硅為基礎的系統多儲存幾百萬倍的信息，而信息處理的速度也會加快很多倍。
科學家們早些年已經開始用灌注了氮的天然黃色鉆石做各種量子力學測試。加州大學的科學家David Awschalom表示，他們已能用非常成熟的技術在完美無瑕的鉆石里創造原子大小的瑕疵。以量子力學為基礎的新超級電腦需要更高的精確度。而這種處理過的鉆石滿足了科學家們的需求。（據《廣州日報》）
University in St.Louis
Dimitri V Y.VanNeck，Laboratory of
Theoretical Physics，Ghent University
Many body Theory Exposed!
Propagator Description of Quantum
Mechanics in Many body Systems
2005，732pp.
Hardback，USD：84
ISBN：9789812562944
W.H.迪克霍夫，D.V.內克 著
本書為一本多體量子理論的教科書，是由作者們給高年級大學生開設的相關課程的講義基礎上發展成書的。作者認為當前已有的許多關于多體量子理論的教科書往往使人產生一種誤解，認為近二十多年來，該領域幾乎沒有取得什么新的進展。事實當然并非如此，關于低溫下稀薄原子氣的BoseEinsten凝聚的發現以及關于電子的許多奇妙性質的研究都是典型的事例。作者認為超越每個研究者從事的狹小領域，對多體系統的性質及其復雜的結構給出一種統一的描述，對于大學生是極有益處的。它可以使剛剛開始研究工作的研究生節省很多時間。本書旨在利用源于量子場論的傳播子或格林函數方法，在相同的理論框架之下，對于諸如原子、分子、固體中的電子、量子液體、核物質等各種不同的多體系統，予以統一的描述，發展相關的近似方法，并注重計算結果與實驗數據的比較，強調了這一方法的最新的應用。
全書內容共分22章，各章目次為：1.全同粒子；2.二次量子化；3.有限系統費米子的獨立粒子模型；4.兩粒子態與相互作用；5.無相互作用的玻色子和費米子；6.單粒子量子力學中的傳播子；7.在多體系統中單粒子傳播子；8.單粒子傳播子的微擾展開；9.Dyson方程和自洽格林函數；10.平均場或HartreeFock近似；11.超出平均場近似；12.相互作用玻色子系統；13.有限系統中的激發態；14.無限系統中的激發態；15.N±2系統中的激發態和介質中的散射；16.無限系統中自能的動力學處理；17.有限系統中自能的動力學處理；18.玻色氣體的Bogoliubov微擾展開；19.玻色子微擾理論用于物理系統；20.介質中的相互作用及著衣粒子；21.守恒近似和激發態；22.配對現象。
本書內容新穎、詳盡。大部分推導均給出了詳盡的步驟，以降低初次面對挑戰性資料的學生們的困難程度。因此本書不僅適用于相關領域的大學生與研究生，對多個領域的研究人員也極具參考價值。
丁亦兵，教授
(中國科學院研究生院)
黑洞成為大眾文化的一部分已有數十年了，在電影《星際迷航》中，它還扮演了主要的角色。這一點兒也不奇怪，這些恒星塌縮后的陰暗殘骸，似乎專門用來引發我們最原始的恐懼：黑洞會將某些秘密隱藏在其簾幕之后(c包就是它的“事件視界”)，任何人或物只要墜落其中，就注定無從逃脫，所有被它吸入的東西，必然被徹底摧毀。
對理論物理學家來說，黑洞是愛因斯坦場方程式的一個解，而該方程式是廣義相對論的核心。在廣義相對論中，時空就像是由彈性材質所建構的，而物質與能量可將其扭曲，所造成的時空曲率又控制了物質與能量的運動，產生了我們所認知的重力。這些方程式清楚地預測，在時空中有些區域里的訊號無法傳到遙遠的觀測者所在，這些區域就是黑洞。在黑洞內的“奇異點”，物質密度趨近于無限大，環繞其四周的空曠地帶具有極強大的重力，沒有任何東西(包括光)能夠逃離。物理學家以事件視界將此重力強大的地帶與其他區域分隔開來。在最簡單的情況下，事件視界是個球體，若黑洞的質量與太陽相當，此球的直徑只有6千米。
談過了科幻與理論，那么實際的狀況又是如何呢?各式各樣精密的天文觀測結果都指出，宇宙中確實存在一些超致密物體，它們完全不散發任何光芒或輻射。這些幽暗天體的質量在數個到數百萬個太陽質量之間，而依據最優秀的天文物理學家估算，它們的直徑范圍則在區區數百千米到數百萬千米之間，符合廣義相對論對此質量范圍內黑洞的預測。
但這些被觀測到的、既幽暗又致密的物體，真的就是廣義相對論預言的黑洞嗎?雖然目前的觀測與理論相當吻合，但理論本身對黑洞的描述卻不太令人滿意。尤其是，廣義相對論預測在每個黑洞里都有顆“奇異點”，顯示廣義相對論在這里失效。廣義相對論會失效，大概是因為它并未計人物質與能量在微觀尺度上才會顯現的量子效應。合并了量子力學的修正理論，一般稱為量子重力論，將可帶動理論物理領域的許多新研究。
對量子重力論的需求，引發了一些迷人的問題：被量子重力論修正過的黑洞會是什么樣子的呢?它們會和古典黑洞大相徑庭嗎?或者古典敘述依然是可行的?研究顯示，某些量子效應是可以完全避免形成黑洞的，取而代之的是被我們命名為“黑星”的天體，它的密度不會跳升到無限大，也不會被事件視界包覆。黑星是由空間本身支撐起來的，這種“建材”意外的堅固。
我們運用一種稱為“半古典重力論”的古老方法得出這項結論，但我們并沒有使用關于塌縮物質的所有假設，這樣或許能夠避免在那些研究中得出矛盾的結果。在量子重力論尚未完備的情況下，過去的30多年里，理論物理學家在分析量子力學如何改變黑洞時，都訴諸半古典重力論。半古典重力論將量子物理的觀點，特別是量子場論部分納入了古典的愛因斯坦重力理論中。
量子場論以充滿空間的場來描述電子、光子、夸克等任何你想得到的基本粒子，這方式非常類似電磁場。量子場論的方程式通常是建立在平坦空間里的，也就是沒有重力的空間，半古典重力論則使用在彎曲空間里構建出來的量子場論。
廣義來說，半古典重力論所使用的策略如下：根據古典的廣義相對論，當一群物質聚積成某一狀態時，將產生某種特定的彎曲時空，但時空的曲率又會修改量子場的能量，受影響的能量再進一步改變時空曲率，如此不斷循環。
這個做法的目標是要獲得自我一致的解――一個彎曲時空，它的曲率產生于它所包含的量子場的能量。雖然重力本身還無法以量子理論來描述，但這種自治的解，在涉及量子效應與重力的許多情況下，應該可以相當近似地預測真實情形。半古典重力論以一種極“輕微”的方式，把量子修正加入到廣義相對論里。因此，半古典重力論雖然仍以古典方法處理重力(也就是時空曲率)，但已考慮到物質的量子行為。
但是，這個方法立即遭遇到一個尷尬的問題：如果直接以它計算量子場的最低可能能量，也就是沒有任何粒子出現時的能量(稱為“零點能量”或“真空能量”)，會產生無限大的結果。事實上，這個問題老早就出現在一般的量子場論里(也就是在乎坦空間、沒有重力的狀況)。幸運的是，理論物理學家在預測不牽涉重力的粒子物理現象時，粒子的行為只取決于狀態間的能量差，因此量子真空能量的值并沒有任何影響；我們可以使用稱為“重整化”的一種謹慎的減法技巧，以極高的精確度來計算能量差。
然而，當必須考慮重力時，真空能量就變得重要了。無限大的能量密度會產生極大的時空曲率，也就是說，
鏈接
2004年7月21日，在愛爾蘭都柏林舉行的“第17屆國際廣義相對論和萬有引力大會”上。英國傳奇科學家斯蒂芬?霍金教授宣布了他對宇宙黑洞的最新研究結果：黑洞并非如他和其他大多數物理學家以前認為的那樣，對其周遭的一切“完全吞食”，事實上被吸入黑洞深處的物質的某些信息實際上可能會在某個時候被釋放出來。
宇宙學家相信，太空中有許多類型的黑洞，從質量相當于一座山的小黑洞，到位于星系中央的超級黑洞。不一而足。科學家過去認為，從巨大的星體到星際塵埃等。一旦掉進去，就再不能逃出，就連光也不能“幸免于難”。而霍金教授關于黑洞的最新研究有可能打破這一結論。經過長時間的研究，他發現，一些被黑洞吞沒的物質隨著時間的推移，慢慢地從黑洞中“流淌”出來。
霍金關于黑洞的這一新理論解決了關于黑洞信息的一個似是而非的觀點，他的劍橋大學的同行都為此興奮不已。過去，黑洞一直被認為是一種純粹的破壞力量。而現在的最新研究表明，黑洞在星系形成過程中可能扮演了重要角色。
1976年，霍金稱自己通過計算得出結論，他認為黑洞在形成過程中，其質量減少的同時還不斷在以能量的形式向外界發出輻射。這就是著名的“霍金輻射”理論。但是，理論中提到的黑洞輻射中并不包括黑洞內部物質的任何信息，一旦這個黑洞濃縮并蒸發消失后，其中的所有信息就都隨之消失了。這便是所謂的“黑洞悖論”。
這種說法與量子力學的相關理論出現相互矛盾之處。因為現代量子物理學認定這種物質信息是永遠不會完全消失的。如今，霍金終于給了這個當年自相矛盾觀點一個更具有說服力的答案。霍金稱，黑洞從來都不會完全關閉自身，它們在一段漫長的時間里逐步向外界輻射出越來越多的熱量，隨后黑洞將最終開放自己并釋放出其中包含的物質信息。
即使是空間都能蘊藏極強大的重力，這與我們實際觀測到的宇宙完全不符；過去10年來的天文觀測指出，零點能量對宇宙總能量密度的貢獻非常微小。半古典重力論并沒有嘗試去解決這個問題，但不論解決的方案為何，我們通常假設在平坦時空中，零點能量對能量密度的貢獻一定會被抵消掉。這項假設與半古典真空一致：在每個地方的能量密度都是零，廣義相對論因而預測出平坦的時空。
如果有某些物質出現，時空彎曲了，那必然改變量子場的零點能量密度，零點能量因而不再被精準抵消。較之于電荷會將介質極化的效應，我們說這多出來的能量是來自真空極化。
我們已利用質量與能量密度來描述半古典重力論的這些特性，但在廣義相對論中，能夠產生空間曲率的，并不只有這些東西，凡是重力物質所產生的動量密度、壓力和應力，都會影響空間的曲率。在物理的研究上，有一項稱為“應力能量張量”
(sET)的研究，可用來描述所有這些產生曲率的量。半古典重力論假設在平坦時空里，量子場的零點對sET的貢獻剛好被完全抵消，在sET上應用這種相減法得到的結果，就稱為“重整的應力能量張量”
(RSET)。
關鍵詞：熱力學與統計物理學；國家精品課程；統計熱力學體系
“熱力學與統計物理學”（簡稱“熱統”）是我國高等院校本科物理專業的一門必修課程，是研究物質有關熱現象（即宏觀過程）規律的理論物理課，也是普通物理“熱學”的后續課。內蒙古大學“熱統”教學組在20多年教學實踐中，不斷更新教育觀念，探索課程教學體系的改革，逐步建立了以微觀理論為主線的教學體系，建設了首門“熱統”國家精品課程（2004年）——“統計熱力學”，陸續出版了配套教材[1]和學習輔導書[2]。
一、關于“熱統”教學體系的思考
關于熱現象的理論包括兩部分，即宏觀理論——“熱力學”和微觀理論——“統計物理學”。我國目前的“熱統”課程由早年設置的 “熱力學”和“統計物理學”兩門課程合并而成，一直沿襲“熱”、“統”相對獨立的“一分為二”教學體系[3-5]。教學內容安排大體以學科發展歷史和認識層次為序，由唯象到唯理，由宏觀到微觀。這種體系十分成熟，在多年教學實踐中獲得很大成功。隨著科學技術和人類現代文明的飛速發展，人們認識世界的條件、增長知識的方式和獲取信息的渠道發生了質的變化：昔日深奧難解的名詞，今天已可聞之于街巷；諸多科學概念的理解，逐漸變得不很困難。在這種知識氛圍和學習環境下，從中學到大學的物理教學內容均在不斷地改革和深化。同時，現代科學成就在高新技術中的廣泛應用向21世紀人才培養提出更高的要求。這一切，催動著大學物理課程改革的進程，也激發起我們對傳統體系的思考。
從“熱物理”系列課程改革現狀來看，一方面，普通物理“熱學”課程的內容已進行了必要的深化和后延，原有“熱統”課程與現行“熱學”課程內容出現較多重復。僅以汪志誠著《熱力學 · 統計物理》[5]和秦允豪著《熱學》[6]為例，二者內容重疊約為1/3。過多重復造成學習時間與精力的浪費，甚至引發學生的厭學情緒，使學習效益降低。另一方面，飛速發展的高新技術拉近了基礎理論與應用技術的距離，就熱物理而言，無論實際工作中的應用，還是繼續深造時的基礎，都對“熱統”課程教學提出更高的要求。增加課程的統計物理比重，深化微觀理論的系統理解勢在必然。此外，改革開放以來，我國高等教育從學制到專業及課程設置均有較大幅度的變動，“熱統”課教學時數多次削減（1208672、64），課堂教學的信息量和效益問題變得更加突出。面對這種形勢，各校對“熱統”課程的內容進行了不斷的改革，逐步增加統計物理比重，努力減少和避免與“熱學”的重復。然而，由于沒有觸動“一分為二”的體系，大量的簡單重復難以避免，“熱力學”內容仍然偏多，實際教學中統計物理的系統性難以保證。
針對上述問題，我們從體系結構著眼，對“熱統”課程進行了較大力度的改革[1]。我們的改革思路是：打通“熱物理”宏觀與微觀理論的壁壘，融二者為一體，削減學時、充實內容，有效地避免與普通物理的簡單重復，提高教學效益；以微觀理論為主導，確保統計物理體系的完整性與系統性，增加課程的先進性與適用性。在上述思想指導下，構建了“熱統”課程的“統計熱力學”體系。新體系從根本上解決了熱物理課程中理論物理與普通物理之間層次交疊、內容重復的問題；大幅增加統計物理比重，使其理論及應用內容在總學時中占到3/4以上。
二、統計熱力學體系的特色
統計熱力學教學體系的主要特色是：熱物理學以微觀理論為框架；微觀理論以系綜理論為主線；系綜理論以量子論為基礎。體系知識結構框如上圖所示。
1．以微觀理論為框架，融微觀與宏觀一體
“統計熱力學”以微觀理論——統計物理為主導，建立了從微觀到宏觀、完整自恰的理論體系。
在傳統的“一分為二”體系下，學生往往將過多精力用于熱力學計算，不能很好地理解統計物理的理論體系，容易將熱現象的宏觀和微觀理論割裂開來。本體系從微觀理論出發，用統計物理理論導出熱力學基本定律，討論體系熱力學性質，給出統計物理概念與宏觀現象的對應，融熱現象的微觀、宏觀理論于一體，結束了兩種理論割裂的傳統教學格局，提高了認識層次。同時，使理論物理與普通物理的分工更趨合理，便于解決傳統體系難以避免的“熱統”與“熱學”過多重復問題。
本體系按照統計物理學的知識框架，將主要知識點劃分為孤立系、封閉系和開放系等三個模塊（參見上圖）。各塊均首先給出相應的統計分布，進而引入熱力學勢（特性函數），導出熱力學基本定律，再用微觀和宏觀理論相結合的方法研究具體系統的熱力學性質。例如：在孤立系一章，從等概率基本假設出發，引入統計物理的熵，導出熱力學第一、第二定律，進而研究理想氣體的平衡性質。在討論封閉系時，從正則分布出發，引入熱力學勢——自由能，給出均勻系熱力學基本微分式，進而導出麥克斯韋關系，介紹用熱力學理論研究均勻物質宏觀性質的方法，再具體討論電、磁介質熱力學、焦-湯效應等典型實例。同時用正則分布研究近獨立子系構成的體系，導出麥-玻分布，介紹最概然法；進一步導出能均分定理，介紹運用統計理論研究半導體缺陷、負溫度、理想和非理想氣體等問題的方法。對于開放系，首先導出巨正則分布，再引入巨勢，給出描述開放系的熱力學微分式，研究多元復相系的平衡性質，討論相變和化學熱力學問題；用量子統計理論導出熱力學第三定律，討論低溫化學反應的性質。另一方面，考慮全同性原理，用巨正則分布導出玻色、費密兩種量子統計分布，給出它們的準經典極限——麥-玻統計分布，并運用獲得的量子統計分布分別討論電子氣、半導體載流子、光子系的統計性質和玻色—愛因斯坦凝聚等應用實例。
2．以系綜理論為主線，完善統計物理體系
與國內現流行體系不同，“統計熱力學”的統計物理以“系綜理論”為基礎，具有更強的系統性。
現流行體系為便于學生理解，大多先避開系綜理論，講解統計物理中常用的分布和計算方法，如近獨立粒子的最概然分布、玻耳茲曼統計、玻色統計和費米統計及其應用等，而在課程的最后介紹系綜理論有關知識[5]。這種體系除內容不可避免地出現重復外，還在一定程度上犧牲了統計物理的系統性。在實際教學中，為了闡明有關分布和統計法，往往不可避免地運用如等概率假設、配分函數、巨配分函數等系綜理論的基本概念，難免出現生吞活剝、“消化不良”的弊端。從體系實施現狀來看，不少院校因學時有限，在熱力學和基本統計方法的教學之后，對系綜理論的介紹只能一帶而過，學生難以完整掌握統計物理理論。
我們多年采用系綜理論為主線的教學實踐表明，“統計分布”與“系綜”的“分割”是不必要的。本體系首先引入“系綜”概念，將整個“統計熱力學”的基礎建立在系綜理論之上，從一個基本假設——等概率假設（微正則系綜）入手，漸次導出各種宏觀條件下的系綜分布，建立配分函數、巨配分函數等基本概念，給出相應的熱力學勢和熱力學基本微分公式；同時，順暢地導出如最概然分布、玻耳茲曼統計、玻色統計和費米統計法等常用分布和計算方法，并用于實際問題。在教學過程中，力求循序漸進地闡明統計物理的基本理論，使學生準確、清晰地掌握統計物理的基本概念，對熱物理理論有完整系統的理解，能夠全面、靈活地運用，為進一步學習更高深的知識和了解物理學的最新成果奠定扎實的基礎。
3. 以量子理論為基礎，認識微觀運動本質
為使學生準確認識微觀運動本質，“統計熱力學”將系綜理論建立在量子論的基礎上，而經典統計則作為量子統計的極限給出。
傳統體系多從經典統計入手，然后進入量子統計。我們教學實踐的體會是，物理學歷史上由經典論到量子論的認識過程沒有必要在統計物理教學中重演。通過現設“普通物理學”課程的學習，學生已理解微觀運動遵從量子力學規律，并具備了一定的量子論知識基礎，在量子論基礎上建立統計物理理論順理成章。事實上，微觀運動的正確描述須用量子理論，而量子統計與經典統計就統計規律性而言并無本質區別，經典統計只是量子統計的極限情形而已。以量子論為基礎構建統計物理體系，更有利于學生盡快認識事物的本質，迅速進入對前沿科學的學習。
三、關于體系的兼容性——幾個共同關注的問題
“統計熱力學”以系綜理論為主線，以量子論為基礎,大幅提高統計物理比重，適當地增加了課程深度。在課時縮減，招生規模擴大的形勢下,實施上述改革更有一定風險和難度。另一方面，新體系能否與流行體系兼容，也是國內同行普遍關注，需要在優化改革方案過程中解決的問題。為化解難度，提高兼容性，在體系建立和教學實踐中，我們著力解決了以下幾個問題：
問題之一：量子理論與系綜理論理解困難問題。如前所述，學習本體系前應具備一定的量子論知識。目前國內物理專業的“熱統”課程多排在“量子力學”之前。這就不可避免地出現了“前量子力學”困難。為解決這一問題，我們在課程引論中安排了量子論基本知識的講授，介紹量子態、能級、簡并、全同性、對應關系等概念。如此處理，再結合普通物理“原子物理學”中學到的量子力學初步知識，學生就能夠較好地接受“量子統計”有關概念。此外，我們將“量子態”和“量子統計法”兩個初學者較難理解的概念做分散處理：分別在第1章引入“系綜”概念之前和第6章巨正則系綜概念之后講授，既分散了難點，又使概念和運用銜接緊密，有利于及時消化。
系綜理論是統計物理中最核心、最抽象的內容，也是統計物理教學的難點。國內流行體系將系綜理論與常用統計分布及計算方法分離，安排在課程最后集中單獨介紹。我們實踐的體會是，這種處理將多個難點（三種系綜及相應熱力學關系）集中，增加了學生的理解困難；加之系綜概念孤立于基本統計方法和應用之外，更顯抽象枯燥。學生學后或覺不知所云，或難縱觀全局，終致應用乏力。鑒于此，我們遵循由表及里、由淺入深、循序漸進、層層推進的認識規律，將系綜的基本概念和三個系綜分散在七章中穿插講授、逐步深入，并及時運用理論對相應系統的性質加以討論。這樣做，可分散認知難點，并及時結合應用，實現宏觀微觀的交錯，避免枯燥無味的困惑，既保證了熱物理理論的系統性和完整性，又解決了系綜理論為主線的教學困難。
問題之二：關于最概然法與麥-玻統計問題。最概然（可幾）法與麥克斯韋-玻爾茲曼（麥-玻）統計法，是統計物理中應用較廣的兩個方法。采用系綜理論為主線的教學體系，是否會影響這兩種方法的學習和運用？這也是國內同仁關注的問題之一。在新體系課程改革和教材編寫中，對這兩部分內容均給予充分的注意。在第三章（封閉系）導出正則分布和相應熱力學公式之后，用兩種方法導出麥-玻分布：一是作為近獨立子系的平均分布，由正則分布導出；二是從微正則系綜出發，用最概然法導出。同時還由麥-玻分布給出熱力學公式，并討論幾種分布之間的關系，給出分布的應用實例。實踐表明，這種處理模式能全面深化學生對最概然法與麥-玻分布的理解，以致在應用中得心應手；還能強化對系綜理論和統計物理體系的理解。
問題之三：熱力學基本方法掌握問題。熱力學作為一種可靠的宏觀理論，從基本定律出發，通過嚴格的數學推演，系統地給出熱力學函數之間的有機聯系，將其用于實際問題。深入理解熱力學定律的主要推論和熱力學關系，熟悉它們的應用，掌握熱力學演繹推理方法，是“熱統”課程不可或缺的內容。“統計熱力學”體系以微觀理論為框架組織教學，是否會削弱學生在熱力學理論的理解和應用方面的訓練？對這個問題，國內同行關注有加，各見仁智，也是我們在課程改革中始終注意的問題。我們的處理模式是：打通熱物理宏觀與微觀理論的壁壘，針對不同宏觀條件，在相應章節給出各種系綜分布，然后導出熱力學公式，并插入相應的熱力學理論訓練內容，確保足夠篇幅討論平衡態的熱力學性質。例如：在建立封閉系的正則系綜理論后，插入“均勻物質熱力學性質”一章，集中講授麥克斯韋關系、基本熱力學函數和關系、特性函數等概念，介紹熱力學基本方法和對典型實例的應用。建立開放系的巨正則系綜理論后，又集中介紹與之相關的相平衡、化學平衡等問題的宏觀理論。事實上，熱物理的微觀和宏觀理論相得益彰、不可分割。在學習運用統計物理研究宏觀過程的規律時，勢必也會反復地運用熱力學函數、公式和相應方法，使學習者得到相應訓練。此外，再提供一定數量的習題，輔之以課外練習，以達到“學而時習之”的效果。這樣，新體系雖然大量削減純粹“熱力學”內容，并未削弱對熱力學理論的理解和方法的訓練，相反可使其得到加強和升華。
內蒙古大學“熱統”教學組近20年的課程改革和教學實踐證明，用“統計熱力學”體系組織本科物理專業“熱統”課教學是可行的。采用同樣的體系和教材，適當取舍內容，在應用物理和電子科學技術專業組織2學分“統計物理”教學，亦取得一定的經驗，其效果令人欣慰。毋庸置疑，筆者主張統計熱力學體系，絲毫無意否定“熱統分治”的傳統教學體系。兩種體系，各有千秋，互補互鑒。究竟采用何種體系組織教學，還應視培養目標、師資力量、學生狀況等，因地制宜地選擇。
參考文獻：
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[2] 梁希俠，班士良，宮箭，崔鑫. 統計熱力學（第二版）學習輔導[M]. 北京：科學出版社，2010.
[3] 王竹溪. 熱力學簡程[M]. 北京：高等教育出版社，1964.
[4] 王竹溪. 統計物理學導論[M]. 北京：高等教育出版社，1965.
固體物理學是凝聚態物理和材料物理專業的必備基礎課，它融合了普通物理、熱力學與統計物理、量子力學等多學科的知識。也是因為知識面廣、量大、深奧難懂，在教學過程中，學生普遍反映較難掌握這門課程。如何取舍教學內容、如何深入淺出地講解基礎知識點、如何改變教學手段和教學形式提高學生的學習和應用能力等，這些都是教學中遇到的主要問題。作者從數年的教學中總結了一些心得體會，希望對這門課的教學有所借鑒作用。
一、多媒體與三維模型的應用
固體物理學是一門研究固體的微觀結構、組成固體的粒子（原子、離子、電子等）之間的相互作用與規律，并在此基礎上闡明固體宏觀性質的學科。因此，固體的微觀結構是這門課程的基礎。許多固體物理學的教材，例如黃昆等的《固體物理學》經典教材，開篇即討論晶體的結構。但對晶體結構的理解，特別是對三維的晶體結構的理解，需要學生較好的空間想象能力。由于晶格的周期平移不變性，理想晶格可以通過原胞或單胞的周期平移、重復而得到。那么，如何選取合適的原胞或單胞？原胞的形狀如何？原胞內有多少個原子？單胞內的各個原子是否等價？在教學過程中，許多學生對這些問題一時不能很好理解。
隨著計算機的普及和利用，多媒體教室普遍存在，并被廣泛使用。多媒體教學手段的利用，有助于學生對固體微觀結構的理解。例如，可以通過視頻或PowerPoint文件，可以直觀地展示晶體的微觀結構、原胞的選取、原胞的形狀等。與傳統板書相比，利用多媒體呈現并分析固體的微觀結構以及晶體的結構特征，對教師而言，更加省時、省力；幾何關系的表達也更為準確，便于學生的理解。此外，若能結合三維的原子實物模型，那么，固體的微觀結構將能更為直觀地展現在學生眼前。多媒體與三維模型的應用對于學生理解固體的微觀結構、晶格的周期性、原胞、晶體的對稱性等基礎概念很有好處。
當然，多媒體教學也存在著一定的局限性。例如，在公式的推導、基礎概念的講解等方面，板書其實更受學生的歡迎。與多媒體教學相比，板書的節奏慢，師生間可以有較多的互動；學生相對容易跟上教師思考問題、解決問題的步伐，學生也能有較充分的時間來理解各個知識點、梳理要點以及做筆記等。因此，多媒體教學還需適當地與傳統板書相結合才能達到較好的教學效果。
二、教學內容的取舍
由于固體物理學融合了普通物理、熱力學與統計物理、量子力學、晶體學等多學科的知識，其知識面廣、量大，在有限的學時里，不可能面面俱到地討論固體物理學所涉及的所有知識點。因此，實際教學中可以結合本專業的特色，有選擇地取舍部分教學內容。例如，側重固體熱學性質的專業可以考慮以晶格振動等內容為主；而側重微電子的專業則可以考慮以能帶理論、半導體中的電子等內容為主。當然，一些多個領域都涉及到的基礎知識也應是這門課程不可缺少的一部分內容。
固體的微觀結構和結合方式是固體物理學的基礎，因此，晶體的結構和晶體的結合等知識點應是這門課程的基礎知識之一。考慮到理想晶格由原子實和電子組成，晶格的運動主要在晶格振動等部分討論；而電子的運動主要在能帶理論等部分討論，具體還可以分為金屬中電子的運動和半導體中電子的運動等部分。盡管這原子實和電子的運動實際上相互聯系，但很多時候，可以分別側重討論。此外，實際晶體也并非理想晶體；實際晶體除了有邊界之外，也常含有缺陷。但在許多情況下，晶格的振動、電子的運動和缺陷的影響依然可以依據實際情況分別討論，并得到與實際較為符合的理論結果。因此，晶格振動、能帶理論和缺陷等知識點之間相對獨立，或可根據各專業的實際情況取舍部分教學內容。
在許多固體物理學的教材中，例如黃昆等的《固體物理學》教材和閻守勝的《固體物理基礎》教材，密度泛函理論并沒有被提到。事實上，密度泛函理論是一個被廣泛使用的基礎理論，它是凝聚態物理前言研究的有效手段之一，也是材料設計的一種有效方法。教學過程中，教師可以結合各專業的實際情況介紹一些密度泛函理論的基礎知識。同時，還可以介紹一些最新的相關研究進展，以拓展學生的知識面、提高學生的學習興趣。
三、模塊化的教學形式
如前所述，固體物理學中的許多知識點間相對獨立；基于這門課程的特征，教師在教學過程中可以考慮模塊化的教學形式，以子課題的形式將相應內容呈現給學生。可能的模塊如：討論晶體的結構和晶體的結合方式的基礎模塊――晶體的結構與結合；討論晶體中原子實運動的模塊――晶格振動；討論晶體中電子運動的模塊――能帶理論；討論實際晶體中可能存在的缺陷的模塊――晶體的缺陷等；其中，能帶理論部分還可分為：近自由電子模型、緊束縛模型、贗勢方法等數個部分。這樣做首先有利于教學內容的取舍；其次，有利于學生對各知識點的理解、有利于學生梳理清楚各個知識點之間的關系。
此外，固體物理學是凝聚態物理前沿研究的基礎之一；其基礎知識、理論推導、實驗背景以及處理問題的方式方法等，都是開展凝聚態物理研究的基礎。而模塊化教學，以課題研究的形式提出問題、解決問題，將教學內容以問題為導向呈現給學生，這有助于培養學生的學習能力和解決實際問題的能力。而且，課題研究的教學模式，既是在教授學生知識，也是在開展科研，有助于提高學生對科研的認識、有助于培養學生的科研能力。這種課題研究的模塊化教學形式還可以結合基于原始問題的教學來開展。
四、基于原始問題的教學
所謂原始問題，可簡單理解為：現實生活中實際存在的、未被抽象加工或簡化的問題。于克明教授、邢教授等人詳細探討了原始物理問題的諸多方面；此外，周武雷教授等人還討論了原始物理問題含義的界定等相關問題，并呼吁將基于原始物理問題的教學實踐引入大學物理的教學中。這應是個值得提倡的建議，畢竟現實生活中遇到的具體問題都是原始問題。與傳統的習題不同，原始問題未被抽象、加工或簡化。學生處理實際問題的第一步便是將問題適當簡化，這也是學生需要學習的一種能力。
事實上，合理的模型簡化是各種理論的基礎，也是實際應用或科研必不可少的一種能力。例如，討論晶格熱容的愛因斯坦模型和德拜模型，盡管模型簡單，但它們數十年來是我們討論、分析相應問題的基礎。今天，那些被寫進教科書的基礎理論，在當時、在理論剛被提出時，都是為了原始問題的解決。下面以晶體熱容為例，稍加詳述。
問題的背景：根據經典的熱力學理論，晶體的定體摩爾熱容是個與溫度無關的常數。實驗發現晶體的熱容在高溫下確實接近于常數，但是晶體的熱容在低溫下并不是個常數，其與溫度的三次方成比例關系。
問題的提出：理論預言與實驗觀測為何不相符？如何解釋實驗現象？20世紀初剛剛發展起來的量子力學是否能解釋這個實驗現象？這些問題在愛因斯坦的年代應該都是前言的科研問題。
問題的簡化：（1）不考慮邊界、缺陷、雜質等的影響，將實際晶體抽象為理想晶體；（2）基于絕熱近似，不考慮電子的具體空間分布，將原子當作一個整體，原子―原子間存在相互作用；（3）基于近鄰近似，只考慮近鄰原子間的相互作用；（4）基于簡諧近似，將原子間的相互作用勢在原子的平衡位置作泰勒級數展開，并保留到二階項。
問題的解決：基于上面的模型簡化，寫出描述原子運動的牛頓第二定律，并求解方程組，這些方程組與相互獨立的簡諧振子的運動方程組相對應。結合量子力學，得到體系的能量本征值；寫出晶格振動總能的表達式，繼而給出由晶格振動貢獻的晶格熱容的表達式。由于晶格熱容的表達式復雜，很難直接與實驗結果對比，因此引入進一步的簡化和近似――愛因斯坦模型或德拜模型。
這種提出問題、分析問題、解決問題的方式與做前言科學研究的方式相接近，既能提高學生對科研的認識、培養學生的科研能力，又能培養學生理論聯系實際、解決實際問題的能力。
五、小結
針對固體物理學這門課程的一些特點，本文從教學手段、教學內容和教學形式等方面提出了一些教學改革的心得體會。教學手段上，可以利用多媒體和三維模型等教學手段，以便讓學生更容易理解固體的微觀結構。教學內容上，可以針對專業特色，有選擇地取舍部分章節。而模塊化的教學形式，可以將相對獨立的知識點以子課題的形式呈現給學生，既能幫助學生梳理知識點，又能讓學生對課題研究有所認識。最后，通過課題研究的教學形式、理論聯系實際的討論分析以及基于原始問題的教學，培養學生學習和應用的能力。
致謝：感謝上海高校外國留學生英語授課示范性課程《英文大學物理》建設項目的資助。
參考文獻：
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[2]閻守勝.固體物理基礎[M].第二版.北京：北京大學出版社，2003.
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[4]馮端，金國鈞.凝聚態物理學[M].北京：高等教育出版社，2003.
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網絡搜索改變大腦
幾千年來，人類都依賴彼此日常生活的細枝末節。現在我們依賴的是“云”，許多人遇事的第一反應就是掏出手機上網搜索，這正是互聯網帶給我們的最大改變，“永不離線”的狀態不僅改變了我們的記憶方式，以及對自己的主觀感覺，甚至個人記憶與互聯網信息之間的界限也開始模糊。在我們成為“互聯腦”一員的同時，也發展出一種不再依賴我們大腦中本地記憶的新型智力。（來源：《環球科學》2014年1月號）
Zc（3900）當選《物理》2013成果之首
北京譜儀實驗國際合作組（BESIII合作組）發現的四夸克物質Zc（3900），入選美國物理學會（APS）《物理》雜志評選的2013年國際物理學領域重要成果，并在11個入選項目中位列第一。同時入選的還有中國科技大學在量子計算機領域取得的成果。
據介紹，這個評選在物理學界極有公信力和影響力，入選成果在物理學界內外都曾引起轟動。同時評選還綜合考慮了成果在網絡上的影響力、創新性，以及產生更先進技術的可能性等。（來源：新華網2014年1月2日）植物也會學習和記憶
大象常被認為有著驚人的記憶力，現在科學家又發現，雖然植物沒有大腦，也會學習和記憶。
科學家研究了含羞草（Mimosapudica），他們用專門的裝置反復往含羞草上滴水，在強光和弱光環境中分析這種植物的短期和長期記憶，結果顯示，一旦含羞草知道水滴對它的生存不構成威脅，就會停止卷起來的行為。這表明含羞草和科學家對動物預期的那樣具有學習和記憶能力，當然前者是在沒有大腦的情況下做到的。
科學家指出這項研究從根本上改變了人類了解植物的方法以及動植物間的界限，其中包括我們對學習是有神經系統的生物體特性的定義。（來源：新浪科技2014年1月23日）
中國網民突破6億
中國互聯網信息中心（CNNIC）的《第33次中國互聯網絡發展狀況統計報告》顯示，截至2013年底，我國網民規模達6.18億，全年新增網民5358萬人，互聯網普及率45.8%：中國網站320萬個，全年增長52萬個，增長率19.4%。其中手機網民超5億，占網民總人數的81%：網民中農村人口占28.6%，人數為1.77億，較去年增長2101萬人；通過臺式和筆記本電腦上網的比例分別為69.7%和44.1%，相比201 2年有所下降。（來源：中新網2014年1月16日）
“海鷗”年內強勢回歸
2014年元旦剛過，沉寂了近10年的中國最早的相機品牌“海鷗”牌相機對外兩款最新中高端數碼機型CF100與CK20，頗具時尚氣息，搭載多項最新核心技術，即將批量生產。
曾幾何時，“海鷗”就是照相機的代名詞，折翅“海鷗”如今“數字”起飛，在攝影愛好者和海鷗迷中激起溫暖回憶、掀起巨大波瀾：海鷗強勢回歸了。（來源：《解放日報》2014年1月10日）
耐克等品牌童裝被指含毒
環保組織“綠色和平”新發表的一份報告稱，全球12個知名品牌童裝如博柏利、阿迪達斯、耐克、彪馬、李寧、迪斯尼、C&A、H&M、優衣庫等被檢出有毒有害物質。
調查報告顯示，有61%的樣品檢出壬基酚聚氧乙烯醚（NPE），有50件樣品檢測出含有壬基酚聚氧乙烯醚（NPE）。此次檢測中有超過1/3的樣品產自中國（29件），有毒有害物質的檢出率高達96.6%。這或將影響兒童的生殖發育。（來源：環球網2014年1月15日）
歐美科研創新“腦”有可為
金融危機以來的世界依舊面臨增長的不確定性，在這一背景下，世界各大經濟體通過科研創新帶動經濟穩定復蘇已成為共識。因而進入2014年，全球各科研“國家隊”新項目引人注目。比如美國“腦計劃”進入快車道，歐盟“人腦工程”放眼10年，日本打造“機器人大國”，德國“數字化”增強競爭力。（來源：《北京晨報》2014年1月13日）
青藏高原將繼續變暖
位于我國青海的瓦里關全球大氣本底站監測表明，青藏高原大氣中的二氧化碳濃度年平均值已由1994年的360ppm（ppm：1000000個空氣分子有1個CO2）上升至2013年的395ppm，增加了9.5%。青藏高原對氣候變化的反應是極其敏感、脆弱的，在維系國家乃至全球生態安全方面地位非常特殊。監測結果意味著青藏高原將會在很長一段時間內繼續變暖，脆弱環境堪憂。（來源：新華網2014年1月9日）
“清華簡”發現最早算具
清華大學所藏戰國竹簡第4輯整理報告，其中《算表》文獻被數學史專家認定是目前國內發現最早的實用算具。利用它能快速計算100以內的2個任意整數乘除，還能對包含分數1/2的兩位數做乘法。
全國數學史學會理事長、中國科學院自然科學史研究所研究員郭書春介紹，《算表》首次展現了戰國計算技術的原始文獻，為春秋戰國時期數學已經相當發達提供了直接證據，是中國數學史乃至世界數學史上的一項重大發現。（來源：《科技日報》2014年1月8日）
智能手機還能這么玩
如今，幾乎每個人都會隨身攜帶一部相當強大的智能手機。智能手機讓人們隨時隨地與外界保持聯系，將世界連接成一個前所未有的緊密整體。
科學家們一直在試圖通過各種新穎的方式，利用智能手機來承擔起“拯救世界”的重任。例如空氣污染監視器、便攜式顯微鏡、地震預警、醫療附屬裝置、天氣預測、野外數據收集、幸福指數研究、云計算等。（來源：《科技日報》2014年1月10日）
為什么會得自閉癥？
自閉癥（Autism）也叫孤獨癥，是指一種在社會生活及人際交往方面伴有困難的發育障礙。20世紀40年代，美國精神科醫生里奧·坎那和奧地利兒科醫生漢斯·阿斯伯格分別獨立發現了這種疾病。
研究表明，懷孕初期吸煙、哺乳期營養物質不足、出生時父親或母親高齡化、不孕治療等，都可能與自閉癥的發病有關。目前患上自閉癥的孩子越來越多，但醫學界還未找到有效的標準療法。（來源：《科學世界》2014年第1期）
糖分變新型“煙草”
最新研究表明，充斥在我們生活中的含糖食品可能像煙草一樣，對人體并不健康。
來自英國利物浦大學的臨床流行病學教授西蒙·凱普韋爾稱，糖分已經變成一種新型的“煙草”，易引發糖尿病和肥胖問題；聯合國機構表示，大量的證據顯示含糖飲料和其他糖類食品可以直接導致肥胖疾病、糖尿病和心血管疾病。英國的食品巨頭已被告知，必須減少人們日常食品中30%的含糖量。（來源：英國《每日郵報》2014年1月9日）
最復雜量子集成電路誕生
多年來雖然摩爾定律已走到極限的說法不絕于耳，但是半導體工藝的進步卻從來沒有停止。目前特征尺寸32nm的半導體工藝已成熟，大量用于高端芯片的制造。在不斷縮小工藝尺寸的同時，結構上的改進也在進行。2011年5月4日，Intel宣布經過近十年的研究，在半導體技術上取得革命性突破，將推出被稱為三柵極（Tri-Gate）的全新3D架構晶體管設計，并將在年內開始批量制造。傳統的二位平面柵極結構被豎起的3D硅鰭狀物代替，實現在晶體管在“關”狀態下的低功耗，并可實現“開”、“關”狀態的快速切換，從而可以實現高性能、低功耗的電子器件。
多核處理器的成熟
2006年出現的雙核處理器標志著以主頻論英雄的年代正式結束開始，處理器領域已進入一個多核時代，無論是業界巨 擘Intel還是AMD都已經明確表示，今后CPU將會是雙核乃至多核的世界。多核設計為摩爾定律帶來了新的生命力，在保持較低的時鐘頻率的同時，提高并行處理能力和計算密度，大大減少了散熱和功耗。多核處理器提供了高性價比和高效節能的新途徑，可以緩解當今處理器設計所面臨的各種挑戰。多核處理器是已成為主流處理器的發展趨勢。
由于多核技術仍然是基于傳統的“馮·諾依曼”結構，處理器內核數量的增加并沒有緩解并行處理技術中算法并行化、并行編程的難題，多核的性能并不能充分發揮。因此近年來內核數量增加的速度有所減緩，集成多種功能電路的混合異構多核成為流行的結構，目前Intel的酷睿二代處理器采用四核結構，內部集成顯示芯片。
超級計算機從高性能到高效能轉變
國外歷來強調高性能計算器在國家安全關鍵領域的戰略作用。美國早年提出的“加速戰略計算創新”（ASCI）計劃，其目的就是在全球全面禁止核試驗的情況下，美國能夠繼續保持它的核威懾能力和核壟斷地位。主要的手段是利用數學方程和三維建模仿真核武器的爆炸效果，確保現有庫存核武器的性能、安全和可靠性。從1997年到2007年，為ASCI計劃專門研制的高性能計算機系統，已經經歷了五代，2004年達到100萬億次，2010年達到1000萬億次量級的高性能計算機，預計2015年達到萬萬億次以上量級。我國的“天河一號”目前名列超級計算機TOP500榜首，速度高達4700萬億次。
除了性能的不斷提高，計算機處理的效能也在軍事作戰領域逐步得到重視。據估算，一臺持續千萬億次計算的超級計算機系統可能需要消耗20兆瓦或更高的功耗，需要專門建設發電站，每年的電費開銷可能高達1億元以上。根據超級計算機世界500強排行榜重新排序的綠色500強排行榜中，IBM的超級計算機排名榜首，功耗效率達到1684Mflops/瓦，“天河一號”排在第十位，為635 Mflops/瓦。
不斷探索采用新器件、新原理的計算機
以硅晶體管為基本單元的傳統計算機在小型化的過程中將逐步接近其物理極限。研究表明，計算機運行速度的快慢與芯片之間信號傳輸的速度直接相關，然而，目前普遍使用的硅二氧化物在傳輸信號的過程中會吸收掉一部分信號，從而延長了信息傳輸的時間。
據報道，美國紐約倫斯雷爾·保利技術公司的科學家發明了一種利用空氣的絕緣性能來成倍地提高計算機運行速度的新技術：芯片或晶體管之間由膠滯體包裹的導線連接，“空氣膠滯體”導線幾乎不吸收任何信號，因而能夠更迅速地傳輸各種信息，可以成倍地提高計算機的運行速度。
將納米技術與計算機制造技術相結合的納米計算機（Nanometer Computer）也是很有發展前景。現在納米技術正從MEMS（微電子機械系統）起步，把傳感器、電動機和各種處理器都放在一個硅芯片上而構成一個系統。應用納米技術研制的計算機內存芯片，其體積不過數百個原子大小，相當于人的頭發絲直徑的千分之一。納米計算機不僅幾乎不需要耗費任何能源，而且其性能要比今天的計算機強大許多倍。專家預測，10年后納米技術將會走出實驗室，成為科技應用的一部分。納米計算機體積小、造價低、存量大、性能好，將逐漸取代芯片計算機，推動計算機行業的快速發展。
此外，以生物計算機、光計算機和量子計算機為代表的新概念計算機研究也非常引人注目。
生物計算機（Biology computer）
生物采用了生物芯片，由生物工程技術產生的蛋白質分子構成（所以又稱分子計算機）。在這種芯片中，信息以波的形式傳播，運算速度比當今最新一代計算機快10萬倍，能量消耗僅相當于普通計算機的十分之一，并且擁有巨大的存儲能力。由于蛋白質分子能夠自我組合，再生新的微型電路，使得生物計算機具有生物體的一些特點，如能發揮生物本身的調節機能自動修復芯片發生的故障，還能模仿人腦的思考機制。
美國已研制出生物計算機分子電路的基礎元器件，可在光照幾萬分之一秒的時間內產生感應電流。以色列科學家已經研制出一種由DNA分子和酶分子構成的微型分子計算機。預計20年后，分子計算機將進入實用階段。
光子計算機（Optical Computer）
光子計算機利用光作為信息的傳輸媒體。由于光子具有電子所不具備的頻率及偏振特征，從而大大提高了傳載信息的能力。此外，光信號傳輸根本不需要導線，即使在光線交匯時也不會互相干擾、互相影響。一塊直徑僅2厘米的光棱鏡可通過的信息比特率可以超過全世界現有全部電纜總和的300多倍。光腦還具有與人腦相似的容錯性，如果系統中某一元件遭到損壞或運算出現局部錯誤時，并不影響最終的計算結果。目前光腦的許多關鍵技術，如光存儲技術、光存儲器、光電子集成電路（OIC）等都已取得突破。科學家們預計，光子計算機的進一步研制將是21世紀高科技領域的重大課題。
量子計算機（Quantum Computer）
量子計算機是一類遵循量子力學規律進行高速數學和邏輯運算、存儲及處理量子信息的物理裝置。它利用一種鏈狀分子聚合物的特性來表示開與關的狀態，利用激光脈沖來改變分子的狀態，使信息沿著聚合物移動，從而進行計算。量子計算機能夠實行量子并行計算, 其運算速度可能比目前計算機的PentiumⅢ晶片快10億倍。除具有高速并行處理數據的能力外，量子計算機還將對現有的保密體系、國家安全意識產生重大的沖擊。
人類從此不再一直奔跑在未來后面
“未來”作為一個時間概念，在人類的思想意識里一直都是前置的。幾乎所有人都知道，對于自己來說，“未來”是無可選擇的選擇。所以，每個人都對未來抱有美好的憧憬和無限的期待。如果您認真閱讀了《撞見未來》這本書就能體會到，在從猿類動物開始到人類長期的進化中，在今天，時間概念的“未來”已經走到了盡頭，“未來”也許從此不再僅僅屬于人類。我們面對的未來再也不是把今天當做起點的時間的射線，而是對各種概念、思想、意識進行完全的重構和解構的宏大場域。在這個場域里，一切都將被重新定義，包括我們人類，包括即將出現的人工智能概念下的超人，等等。從此，世界將不再是我們的，而是“未來”的。
時間概念的歷史就像是一個平衡木，幾千年來人類在上面艱難舞蹈。雖然常常忽左忽右，戰戰兢兢，甚至波折頗多，但今天我們終于走到了平衡木的盡頭。在這平衡木的盡頭，人類只要存在就不能自由滑落，而是必將如滑行到一定速度的飛機一樣騰空而起，舍棄時間，舍棄歷史，奔向“未來”。毫無疑問，信息技術、人工智能和量子科學把我們已經帶到了這樣一道門前，門前是我們，門后就是未來。作者初次談到《撞見未來》的時候，把它定義為關于未來學的著作。從他的努力來看，作者用洪荒之力和驚天勇氣將信息技術、人工智能和量子科學等一系列新科技知識和概念聚合起來，作為他書中的“未來”的“起點”。
在人類所認知的范圍內建立的邏輯和倫理體系中，人類在這個世界長期占有統治地位，概念、思想和意識幾乎是全人類的私屬財產，這已經成為一種普遍認同的客觀和自然。當宇宙倫理和更新的科技邏輯擺在大家面前，成為大家思考問題的依據的時候，人類在倫理上的優勢地位是否還能確保？這成了一個現實的問題。我是誰？我來自哪里？這些將不再是人類的自我追問，而是超人的來自未來的隔空喊話。作者試圖把這喊話盡可能清晰準確地傳給我們現在的人類，但人類從來沒有有意識地試圖把一些喊話傳給這個現實世界的其他生物。所以，我們和地球上的其他生命從來就沒有建立真正的共生關系。而今天，在人類即將走進未來場域的時候，我們需要和未來的一切共生、永生。
跨出這一步，進入共生和永生的人類最終將把時間和歷史從我們的頭腦中抽離，成為一種現實的物質。從此，人類不再慌張地一直奔跑在“未來”的身后，而是在“未來”的場域里舞蹈、歌唱。過去我們太慌張，經歷了太多的戰爭、瘟疫，承受了太久的饑餓、匱乏。現如今，《撞見未來》告訴我們這一切都將改變，作者系統分析了可再生、可分享、可替代等“七可”，為大家描述了一個思想和意識之外的全新世界。這個世界是我們人類新的家園嗎？在這個世界里的人類還將是不是今天的人類？我們在“未來”身后觀望，卻無法冷靜，被這種疑惑緊緊伴隨。
人類到底相信不相信未來
好R塢等機構的大制作下出品的各類著名災難片等等，超炫的未來描述和表現，讓太多人類幾乎都患上了未來恐懼癥。這使人分化成兩類：一種是徹底的虛無主義者，從來不相信有什么實在的未來，他們眼里的未來就是即將到來的明天，后天好像就與他們再無任何關系。一種是或輕易或全身心地把未來交給上帝的人。不管是信眾眼里的上帝還是牛頓眼中的上帝，這些人都將面向他托付自己的靈魂和終生。在人類歷史中，對于這個問題幾乎從無可解，更無中間路線可行。毫無疑問，這兩類人都不是“未來”的信徒，前一種人的“未來”只是他們預期的享樂，后一種人的“未來”只是他們心目中的想象。
《撞見未來》一書試圖找到這樣一條途徑，盡力把靠近真實的未來呈現在所有人面前。這是很困難的事情，于是作者就從他對全球能源互聯網的思考和探討，從他在學習和工作中的積累與沉淀出發，行囊里裝上信息科技、人工智能和量子科學等概念，走向未來。作為未來學概念下的研究成果，《撞見未來》里面顯然運用了許多預測手段。這些預測不是憑空而來，而是來自于作者系統的學習和長期的探討、思考。從《撞見未來》的系統表達來看，這種思考已經自成體系，能夠啟發人的心智，使人有能力、有胸懷去領悟未來。
在這個體系里，《撞見未來》的第一部分提到的“七可”源自具體，帶來的卻是顛覆，比如可再生、可替代、可預測、可分享等等，顯然超出了我們現有的理論體系和認知能力。雖然作者對此給予了很技術很系統的解釋，但讓人實實在在地信以為真，恐怕還有很長的路要走。我們的生活真的可以是這個樣子嗎？在更多人無法克服對未來的懷疑與恐懼的情況下，怎么去驗證它呢？面對這個問題，作者在書的第二部分給出了答案。這一部分的題目叫人類的解放事業。確實是，科技解放了人類，在這場行走中信息技術的傳播是第一功臣。那么解放之后是什么樣子？必然帶來自我的重生、經濟的革新、政治的重構、文化的轉型等等。
《撞見未來》的第三部分指出了未來場域下人所面臨的機遇和挑戰，這也許是人類面臨的最后一次最為宏大悲壯的選擇。最終，人類要么成為超人，要么被超人替代，從而進入被選擇的未來時空中。其實，在人類甚至生物歷史上，這些帶著生命概念的物種所有的選擇的正確率和準確率都是極低的。特別是在遙遠的上古時代，這種正確率和準確率極低的選擇為進化論提供了條件，因為這種高代價使每個物種都在慎重選擇，保持著漸變的演進態勢，這更多的體現的是一種對舊有體系的維持。
漸變是進化論的基礎，是一種相對機械的演進方式。而今天，日益發達的信息技術、人工智能和量子科學以及大數據、云計算、物聯網從技術上解決了選擇的準確性和正確性問題，突變成為常態，物質流動的高速度使選擇變得近乎悲壯，速度快得天翻地覆，常常是你生我死，死而復生的慘烈場面。隨著物質流動速度越來越快，對尋常世界的顛覆必將成為尋常的事情。《撞見未來》顯然準確地把握和科學地分析了這一點，作者在用思想和未來競賽，雖然無法分出輸贏，但總是比我們看得清晰、遼遠。
當算法和技術清算了倫理、邏輯等概念
科技的本質是發展了的工具。人類創造了工具，但工具也在改變著人類。從最初的石器到現代的信息技術、量子科學、人工智能，人類對于自己創造的工具或者今天的科技越來越難把握。直接的感受就是科學家們研究越深入，發現越多卻感覺對未來世界的了解越少，越無知，以至于幾乎無法把控，甚至是從來沒有把控過。這符合輪回的規律，未來世界的不可知是一種真理存在，跨越此世奔向彼世的人畢竟鳳毛麟角。技術進步和迷惑認識的剪刀差越大，我們距離未來世界一定就越近。于是，牛頓走向了神的世界。這種無力感是不是一種輪回？人類終將走到這個輪回的終點，我們的一切對于下一個輪回來說，就是洪荒世界。那么，下一個輪回所面臨的世界其實就是超人或者神的世界，牛頓只是比我們更早更透地看到了這一點。
在已經走進我們的信息技術、人工智能和量子科學的時代，一旦越過橫亙在我們面前的那道門檻走進“未來”，一切都重新定義之后，現實世界中的倫理、邏輯等一大堆人類運用嫻熟的概念就會突然失效。隨之而來的是大數據、蟲洞、量子力學、人工智能等撲面而來的概念，依托極其強大的科技、算法技術作為重構未來世界的詞匯將統治一切。由此造成人類所擁有的所有概念的集體失效，難道不是對人類的一次全面清算？這是必然？還是偶然？《撞見未來》告訴我們，這當然是一種必然，也是一次全面徹底的清算。就像我們走進一個殿堂之前，都會在門前稍作停留。不管你有意識還是無意識，這種停留既有整理衣冠的需要，也是整理情緒的表現。就像衣服上的灰塵和不良情緒一樣，在面向未來的這道門前，倫理、邏輯這些概念必將毫不可惜地被拋棄，被無情覆蓋。
在超人的世界里，全新的概念體系為我們建筑了一個什么樣的未來？這將不是我們所能掌控的話題，因為，隨著科學技術的發展，在“未來”世界，我們將失去主導地位，被超人所取代。眾多倫理、邏輯、概念集體失效的背后，是人類讓出占統治地位的主角位置。當然，當前對超人的塑造看似還掌控在我們的手里，幾乎可以不用杞人憂天。然而，人工智能終究有一天會超過我們人類，這個節點一定是人工智能能夠自我創造智能的那一天。讓人工智能模仿人是我們人類的事情，讓人工智能超越人將是人工智能自己的事情。《撞見未來》明確地告訴我們，科學技術已經進入幾何級的升級速度，這意味著科學技術在能量概念下將面臨著爆炸性的增長。那么，按照這個道理分析，這個節點距離人類還會遠嗎？
當人類被超人完全取代，退到配角地位，我們也許會重新認識這個世界。在宇宙倫理、超人邏輯作為規范的未來世界里，科學技術帶給我們的不僅是永生，還是全新算法下的變身。變身之后的我們人類在這個宇宙處于什么位置？是在宇宙的演藝廳的觀眾席上看超人肆意演出？還是被超人扔到各類動物或者其他生命形式充斥的紛亂舞臺？對此，作者在《撞見未來》一書中沒有明確的答案。畢竟，在量子時代，作為未來學概念下的預測技術還沒有脫離物理概念，問題的提出并未必然帶有方向。《撞見未來》描述的本來就是一個多維度視角下構建的關于“未來”的宏大場域，用二進制的傳統思維解答人類和未來命題顯然還顯無力。
人類為超人設置算法，但按照線性的發展趨勢來分析和認識，超人終有一天會有屬于自己的算法，或者他們終將牢牢掌控算法，直到“超”超人的出現。在人類的算法世界里，今天的我們并不比洪荒時代的人類掌控更多的人性，愛、恨、生、死，甚至夢境、幻想等等，在人類的世界里，總有那么一些的不可掌控的東西要交給神或者上帝。但在超人邏輯或未來宇宙邏輯下的算法技術中，今天的這些不能掌控必將被超人掌控。那么，什么人性，什么夢幻，都可能會物質化并技術地隨意組合。也許，超人的世界里從此彩虹不一定七色，開水未必L燙，雪山不再清冷，超人的世界不由我們假設，人類也不會懂。
超人是人類的再生還是毀滅
在概念上，大多數宗教強調的神性其實是放大了的人性，是人性自我掙脫意識的現實反映，或者說是人性自我救贖過程中的集體映像。那么超人是不是應該具有超人性？超人性是不是就是我們一直所崇敬的神性？那么，超人是不是也意味著就是我們想象中的“神”？人類造神幾千上萬年，被自己所創造的神統治了幾千上萬年，突然人類自己升級成為了“神”，會不會像嬰兒來到世界一樣，一切都是陌生和新鮮的，一切又都不是自己的，除了這條生命。超人跳出人類圈子，在“神”的世界里還要像一個嬰兒一樣，呀呀學語，蹣跚學步，邁出神的生命旅程的第一步。
連通現實和未來的通道就是物質，動力來自于科學技術。于是，死亡，從形而上走進形而下。作者在《撞見未來》一書中寫到，死亡成了物質的一種轉換形式，而不是生命的消亡。這種生命概念的絕對物化，是放在未來世界里重新構建的。有了物質的支撐，也許這個生命概念將會融入類似今天的操作系統、量子力學、信息技術等內容，那么，升級我們人類將成為非常技術的可能和撲面而來的現實，而不是手術刀和各類肌肉、臟器的生硬搏殺。血液里流淌了太多技術元素的超人還是不是人？如果超人是人，超人將意味人類的升級或者再生；如果超人不再是人，那么是不是就意味著我們人類將面臨覆滅，或者退回動物的群落，由超人取而代之？
超人的一小步，甩開人類千萬步，輕易跨越了人類和超人之間的千溝萬壑。隨著科技的發展、意識的升級、人與世界的重構，必將建立全新的邏輯和倫理體系，假設中的宇宙倫理、超人邏輯將成為超人的生存和發展準則，這必將給當下的道德體系和思想意識帶來無情的碾壓，一些基本的概念從此失去了意義，人類有可能從此不再崇高。這種不崇高使人徹底失去了積累萬年的萬物靈長之優越感，之后人類面臨的將是什么心情？也許，進入超人的輪回里，我們人類的區區幾萬年只是一個痕跡？一位院士曾經說過，不要說拯救地球，地球沒有問題，有問題的是人類，需要拯救的是人類。確實是，地球存在了幾十億年，而人類存在時間與之相比不過是那么短暫的一瞬，短暫到對地球的影響幾乎可以忽略不計。沒有人類，地球依然在，失去了人類，地球依然在。在我們還無法跳出我們的世界，遇到未來的挑戰時，超人會拯救我們嗎？
一切科學的最終結果就是哲學。雖然科學和技術取得了極大的進步，但科學依然遠遠落在哲學的后面。天地廣闊，卻不能任鳥飛。超越一切，卻無法超越理性。這是人之為人的一種根本狀態。當科學技術以及其他一切學科都回歸工具本質，唯有哲學才能給人類留有生存的空間，對接未來的世界的人類。毫無疑問，這是人類的法則，也是我們作為生命的意義所在。但面對未來，信息溢出、權利溢出、概念溢出等等，讓意義從此不再純潔無瑕，意義退位，力量上位。力量是什么？就是物質，物質靠什么推動，眼見的就是信息技術、量子力學和人工智能等等。
[關鍵詞]高效 復雜 絕對安全
中圖分類號：TP39 文獻標識碼：A 文章編號：1009-914X（2016）10-0295-01
人類的實踐活動產生需求，并在具備了一定的技術條件后，就有新的計算機產生。雖然計算機技術取得了非常巨大的進步，但隨著人類實踐活動的不斷拓展，對計算機技術也在不斷提出新的需求。現在得到廣泛應用的電子計算機提高性能的一個重要途徑，就是不斷提高集成電路芯片的集成度。但是，受到芯片散熱，器件工藝技術及制造成本等因素的制約，芯片集成度的持續提高將會遇到很大的困難，進而影響到計算機速度新的突破。因此量子計算機的研究和探索成為了當今計算機技術發展的一個重要趨勢。
基于量子理論的量子計算機，遵循量子力學規律進行高速數學和邏輯運算、存儲及處理量子信息的物理裝置。量子計算機源于對可逆計算機的研究。量子計算機應用的量子比特，可以同時處在多個狀態，而不像傳統計算機那樣只能處于0或1的二進制狀態。Qubit，是通過囚禁原子技術，降低原子溫度讓原子保持量子形態。量子的最大特點是其包羅萬象，可以根據用戶所提取信息而定。這種設置從根本上提升了計算機的運行速度。量子計算機可同時處理0及1以上，只需3個Byte（字節）便可處理1600萬項任務，理論上，現時最快的超級計算機需要花10億年處理那極端復雜的排程運算，量子計算機只1分鐘即可完成。
原子的旋轉可能向上也可能向下，但不可能同時都進行。對量子來說，原子被描述為兩種狀態的總和，一個向上轉的原子和一個向下轉的原子的總和。每一種物體都被使用所有不可思議狀態的總和來描述。一串原子排列在一個磁場中，以相同的方式旋轉。如果一束激光照射在這串原子上方，激光束會躍下這組原子，迅速翻轉一些原子的旋轉軸。通過測量進入的和離開的激光束的差異，我們完成了一次復雜的量子“計算”，涉及了許多自旋的快速移動。從數學抽象上看，量子計算機執行以集合為基本運算單元的計算。
一、關于量子計算機在信息傳輸安全的問題
量子計算機對信息傳輸的幫助。“就是絕對的安全。”用量子加密通信就能保證絕對的安全！在光纜傳輸信息的時候，由單個光子作為信息的載體，攜帶所需的信息。因此從光子角度看。
嘗試竊聽信息
竊聽信息首先就意味著光子被截獲，接收方將無法獲得信息。按照目前的科技水平，光子的捕獲是可行的，但并不能達到竊聽信息的目的。
2012年諾貝爾物理學獎得主阿羅什已經發現一種超高Q值的腔體，能夠將光子存儲在鏡子之間，時間超過0.1秒。這就意味著人們對信息的截獲，而且并不影響接收端的接受，因為網絡信息的傳輸本身就存在延遲的問題，而且0.1秒人們的感官一般是感覺不到這種細微的差別的。同時這個代價是巨大的，只有著名的學術機構才可能擁有這套設備，并且在上萬次的實驗中才有可能成功一次。而且將光量子儲存在腔體之后，就可以無破壞地對相同的場進行重復測量，將場投影到具有確定光子數數目的狀態上（即Fock態），同時可以觀察腔體獲得或丟失單個光子時引發的光量子躍遷。因此這種信息的捕獲和解讀并不會影響下文中所提到的光子狀態的改變.但是這里又會出現另一個問題，一個光子所攜帶的信息是有限的，若想同時捕獲兩個光子的概率為10^（-34），而且捕獲一個光子所需的時間為10^（-11）秒。因此，若想捕獲由量子計算機傳輸的全部信息，對于現在的人類來說是完全不可能的，正如潘建偉院士所說，這就是完全的加密。
二、嘗試克隆信息
嘗試克隆信息則意味著單個光子的狀態改變，接收方一樣會發現問題。根據海森堡不確定性原理，量子的不可分割和量子的不可克隆，決定了在絕大多數情況下竊聽必然被發現（除了上文中提到的特殊情況）。在此基礎上，量子密鑰分發“一次一密，完全隨機”，就保證了加密內容不可破譯，也就是理論上的絕對安全。但是還有另一種極為特殊的情況，“除非改變熵增不可減這一宇宙法則被改變，這種逆過程在目前人類所處的三維空間世界里還無法想象，畢竟，多維平行世界目前還無法體驗。就如牛頓經典力學適用于低速宏觀世界，在高速微觀世界就得用愛因斯坦相對論和量子理論一樣。至少在目前人類已經感知的世界中，絕對的安全就出現了。
關于量子隱形傳態和量子計算。
利用量子糾纏技術，借助衛星網絡、光纖網絡等信道，傳輸量子態攜帶的量子信息。量子態就可以在一個地方消失，不需要任何載體的攜帶，又在另一個地方瞬間出現。這就可以極大的加快現在的信息傳輸速度。根據海森堡的不確定性關系，量子本身是可以同時存在于兩個地方的。一般情況來說量子波是可以瞬間展開充滿宇宙的。
數據是不會丟失的。如果用光子作為信息的載體，就很有可能面臨信息的丟失。但是這一點目前可以結合倫納德?歐拉的最小作用量原理，粒子的運行軌跡是使得此路線上的任何兩點之間的作用總是盡可能小。同時加上海森堡的不確定性原理，ΔPΔX～h當量子想要躍遷到更遠的地方時，由于量子干涉的規模也會變大，所以量子本身只會運動很小的距離（這是在極大概率下發生的） 。例如，在一個0.0009m2的空間中，讓1微克的物體完全移動出去大概需要10^21秒。這個數值是宇宙年齡的1000倍，因此數據的丟失是幾乎不會發生的，光子可以幾乎按照人們預先設計好的路線，完成信息的傳輸，因此量子計算機的實現，對信息的傳輸是絕對安全的。
關于量子通信的實際應用
在量子通信的實際應用中，我們則需要保證終端的安全，身份的安全，傳輸途徑的安全，以及相關軟件和云應用環境的安全，因此理論上的絕對安全在實際應用中會受到這樣那樣的條件限制。
2015年12月11日，谷歌量子人工智能實驗室宣布量子計算機最新進展：在兩次測試中D-Wave2X的運行速度比傳統模擬裝置計算機芯片運行速度快1億倍。
這項突破性的成果打破了業內對于量子計算機真偽的存疑。這次，谷歌和NASA一同證實了量子計算機的可操作性。
由于量子形態的不穩定，量子計算機只是在理論層面可行，加上能夠用運用量子計算的算法有限相對編程也較傳統計算機難度更大，因此并不具備可行性。這次的2X系統，采用了1152Qubit的架構，對比之前的系統，研發團隊重點從提升量子的運行速度轉移到保持量子穩定性以提升性能上。
即便克服了量子穩定性的問題，量子計算機在實際落地推廣方面會遇到一些實質問題，如何在實驗上實現對微觀量子態的操縱。已經提出的方案主要利用了原子和光腔相互作用、冷阱束縛離子、電子或核自旋共振、量子點操縱、超導量子干涉等。很難說哪一種方案更有前景，只是量子點方案和超導約瑟夫森結方案更適合集成化和小型化。也許我們需要一種全新的設計，而這種新設計又是以某種新材料為基礎，就像半導體材料對于電子計算機一樣。但摩爾定律的失效，對半導體行業和量子計算機的發展無疑又產生了一個更大的障礙。研究量子計算機的目的絕不是要用它來取代現有的計算機，而是為了在某些方面滿足人類對實踐活動的需要。隨著科技的發展，量子計算機將變成可能。
參考文獻
智商一直是一個有爭議的概念。目前流行的IQ測試,其原理是基于測試人的空間能力、數學能力、語言能力和記憶能力。這些分數有高有低,因此有種觀點認為人類一般智力水平取決于大腦特定區域的功能強弱。
發表于2月份《國家科學院院刊》(PNAS)上的一項最新研究成果卻顯示,一般智力水平的高低通常取決于大腦兩個半球共同組成的網絡所發揮功能的強弱,而并非單一的結構所能控制。該文章第一作者格蘭舍認為,大腦當中存在著一種分布式系統,若干個大腦部位的聯同作用是決定一般智力水平高低層次的關鍵。
該研究一共對241名患有大腦功能障礙病人的IQ測試結果進行了仔細地分析。研究人員將每位病人大腦中存在功能障礙的部位進行了定位,同時,他們根據病人參加IQ測試所得的分數,劃定出了大腦中可能影響智力水平的區域。
與基于還原論的研究結果不同,這一成果為從整體論的角度理解智力提供了有效的論據。
用“混沌”理論思考的機器人
如何提高機器人處理復雜環境信息的能力?確實,在這點上機器人還遠遠不如一只昆蟲。
這不僅僅是機械結構上的設計和材料問題,如何將不同性質、不同時空的信息進行整合、快速處理,然后迅速地輸出行為,一直是機器人研究的難點。
英國《自然―物理學》(NaturePhysics )雜志報道,德國科學家團隊設計了一個6條腿的機器人,它通過18個微型馬達驅動,另有18個光、熱和觸覺傳感器獲得外界信息。這個機器人的重要特點,是將“混沌控制”應用于控制行為的神經回路中,這種神經回路在動物節律運動中就是所謂的“中央模式發生器”(CPGs)。當這個發生器沒有被控制時,機器人就處于一種“混沌”的活動模式。當有信息輸入時,發生器就進入到另一種模式來決定采用何種行為。
在“混沌”的神秘控制下,該機器人的中央模式發生器雖然只是一個由兩種電路元件構成的簡單神經回路,但能夠應付復雜環境,比如可以在困難的地形里爬山、下山,并且同時繞開障礙物。如果機器人掉入陷阱,它會主動放棄控制,而不是做無謂的努力直到能量耗盡或者損壞。
月球上又發現了6億噸水冰
去年10月,美國宇航局向月球南極投下兩顆撞擊器,通過分析撞擊產生的塵埃云團,發現云團里有大量水和水蒸氣,為月球存在水冰提供了確鑿的證據。
3月1日,美國宇航局宣布在月球北極的隕石坑內又發現了大量水冰。總共有40多個直徑從1英里(2公里)到9英里(15公里)的隕石坑里都存在水冰,他們總含量至少有6億噸。
對于該發現的意義,休斯頓月球和行星研究所Mini-SAR實驗首席研究人員保羅•施普迪斯認為,月球上水誕生、轉移和堆積等現象,使月球成為比過去更加有趣和更具吸引力的科研、探索及操作目的地。這項研究成果將在《地球物理研究快報》上進行詳細介紹。
這些存在于北極和南極的水,因為不會受到陽光的照射,所以能永久地保持冰凍狀態。水冰資源十分重要,它為人類探索和開發月球提供了可選擇的區域,為宇航員提供飲用水,或者制成氧氣或火箭燃料,供給月球基地。
朊蛋白使神經高興
令人“談牛色變”的瘋牛病是由朊病毒(prion)導致。朊病毒不是常見的微生物病毒,而是一種錯誤折疊的蛋白,它的積累使動物腦的灰質發生海綿狀病變,引發腦功能紊亂。
盡管朊病毒聲名狼藉,但它在誕生之初是健康正常的蛋白,即PrP,并在腦里無處不在。消滅朊病毒,必須先了解PrP的功能,可是PrP的作用一直知之甚少。
1月份的《自然―神經科學》(Nature Neuroscience)報道,一個研究團隊初步發現了PrP在神經系統里的功能。信息在生物體內由神經細胞的軸突傳遞,神經細胞的軸突一般會被髓鞘(myein)包圍,往往髓鞘外面還有一層神經膜,即施旺細胞(Schwann cells)。
通過觀察缺失了髓鞘的小鼠,研究結果發現,當PrP僅存在于軸突上時,能夠防止脫髓鞘疾病的發生。當PrP在軸突里缺失,而存在于施旺細胞里時,小鼠表現出病癥。
簡單地說,朊蛋白只要在軸突里出現就能防止病變的發生。這說明PrP是軸突里一個的信號分子,用領導該團隊的Aguzzi話說:“它讓施旺細胞保持高興”。
量子糾纏在固態電路中完美實現
《物理評論快報》(PRL)雜志報道,一個由法國、德國和西班牙物理學家組成的研究團隊,首次在固體狀態的裝置中確鑿地實現了量子糾纏。這一現象與光的量子糾纏相似,只不過代替在光學系統的光子,在電路中使用了其他粒子。
量子糾纏是量子世界里的一個著名現象,呈現出量子糾纏的兩個粒子仿佛“心有靈犀”,即使兩者處于很遠的距離,雙方都能知道對方的狀態,一旦其中一個的狀態發生變化,另一個也會立刻發生相應的變化。
比如一個粒子發生衰變,發射出了兩個光子,當其中一個光子在某個時刻被阻擋,另一個也會同時表現出同樣的阻擋狀態,仿佛兩顆電子擁有超光速的秘密通信一般。
此次,實驗人員在超導材料中用電子取代了光子,通過碳納米管實現了粒子的分離。盡管兩個粒子分離的距離只有1微米,但對于此類實驗來說,這個距離已經足以展現糾纏態。
這一研究成果開啟了在固體材料里研究量子機械糾 .的新前景,意味著量子力學真正走進了電子元件中。
雖然無論是在光學態還是在固體狀態,都能通過量子糾纏實現量子計算和安全通訊,但后者顯然更容易最終納入電子設備里。掌握了量子糾纏這一“鑰匙”,意味著打開了量子密碼、量子通訊和量子計算機的大門。
DNA物質通過“筑堤”助長壽
意大利博洛尼亞大學日前發表公告說,該校科學家詹皮耶羅•斯帕達和在法國斯特拉斯堡大學工作的意大利人保羅•薩莫里用高分辨率顯微鏡,觀察到DNA的組成物質之一,鳥嘌呤,通過“筑堤”的方式,從直線排列轉變成四個一組,然后聚集在一起,將端粒包圍在中心,起到保護端粒的作用。
端粒是染色體末端的DNA重復序列,在正常細胞中,端粒會隨著細胞分裂而逐漸縮短。端粒隨年齡增加而越來越短。端粒最終消失時,染色體發生畸變,從而使人類細胞喪失復制能力,最終導致細胞衰老。同時端粒的狀態也與腫瘤細胞緊密相關,比如,端粒酶可能參與腫瘤的惡性轉化。
科學家還發現,只要給予簡單的化學刺激,比如在細胞中加入鹽或者抽出鹽,就可以對鳥嘌呤的排列進行控制。
這一發現表明,鳥嘌呤既在細胞老化過程中也在腫瘤細胞繁殖中起關鍵作用。因此,深入了解鳥嘌呤排列形態和組合機制,就可以為研制治療腫瘤或延年益壽的藥物開辟新道路。
基因揭示貓科動物斑紋的秘密
發表在2 0 1 0 年《遺傳學》(G e n e t i c s )雜志1月刊上的研究,首次報道找到了與貓科動物斑紋有關的基因,為揭示老虎身上條紋、美洲豹身上的斑點和家貓紋理模式提供了線索。理解形成斑紋的基因原理,也為治療人類皮膚病提供了新的策略。
科學家將不同紋理模式的家貓,比如條紋和斑點,進行雜交,在它們的后代里追蹤這些模式的遺傳情況。實驗的原理是,基因樣本被標上各種分子標記。如果發現當某種模式的斑紋出現在小貓上,同一種分子標記也同時出現,這說明該分子標記和控制該紋理模式的基因位于同一DNA區域內。
利用稱為連鎖圖譜的統計程序,科學家確定了2個基因的位置。科學家希望識別出所有相關的基因,并確定基因的功能是否適用于其它的哺乳動物。這項研究可為治療人類皮膚疾病提供更多的科學依據。
《遺傳學》雜志主編約翰斯頓(Mark Johnston)說:“這項研究可以幫助我們更好的了解其它哺乳動物頭發和皮膚顏色相關的基因。同時,可以為皮膚疾病提供新的治療手段。”
壓力導致腫瘤
環境壓力會導致癌癥,但壓力怎樣導致腫瘤的發生卻一直是個謎。來自霍德華休斯醫學院,復旦大學生科院復旦-耶魯生物醫學研究中心的研究團隊,發表于《自然》1月份的在線版的論文里報道腫瘤形成的新途徑,并同時描述了壓力促使細胞演變成腫瘤的信號途徑。
研究觀察了兩個與癌癥有關的重要基因,一個是RAS的基因,它牽涉到30%的癌癥。另一個是叫做scribble的抑癌基因,它發生突變時會促進腫瘤的發展。正常情況下,當細胞里只有其中一種基因發生突變時,不會引發癌變。
該研究發現,當變異的RAS細胞核和有缺陷的scribble基因細胞相鄰時,可能會誘發癌變,發展成惡性腫瘤。而且他們還發現諸如創傷之類的壓力情況也會誘發癌癥的形成,原因就在于兩種現象都會導致被稱為JNK的信號產生過程,而這一過程會受到環境壓力情況的激發。
這一研究結果突破了一個常見的觀點:只有當單個細胞內發生一個以上的致癌突變時才能促使腫瘤生長。這說明癌癥要比人們先前了解的更容易在人體內發生,也為預防和治療癌癥提供了新的思路和線索。
母乳的成分影響幼兒行為
美國科學家通過監測母猴的母乳營養成分和幼猴行為,發現不同的母乳成分會對幼猴的行為造成顯著影響,幼猴可以從母乳中獲得環境信息,并表現出相應的行為和性格。該研究發表在《美國靈長類動物雜志》(AmericanJournal of Primatology)。
科學家給圈養的59只母猴提供相同的食物,并在幼猴1個月和3.5個月時收集母猴的母乳,分析母乳中糖、蛋白質和脂肪的成分,然后換算成能量。
結果表明,相比體重輕、第一次育兒的母猴,體重大、有過生產經驗的母猴的母乳能提供更高的能量。在3〜4個月時,將幼猴從母親身邊帶走,聚集在一起觀察,分別記錄每只幼猴的行為和性格。科學家發現,能夠在母乳中提供更高能量母猴的幼猴能夠更有效的處理環境,比如更好動,更多探索行為,以及吃喝;在性格上也更加自信,表現在玩耍、好奇心和積極性上。那些母乳能量低的幼猴則表現得不夠積極和自信。
該文章的作者Katie Hinde認為,母乳所含能量的多少可能是一種營養的線索,傳達出的信息能調控出生后的幼猴對環境和母體狀態的行為。
恐龍的祖先是四條腿?
一個多世紀以來,人們一直在尋找恐龍起源的線索。輿論的觀點一直在兩種觀點之間搖擺。一種認為恐龍的祖先是爬行動物,用四條腿走路;另一種觀點是兩足動物,身體呈鳥形,但不能飛。兩足動物祖先的觀點已經獲得了勝利,但最新發現的恐龍化石又將輿論的趨勢拉回到四足動物上。
2007年,科學家在坦桑尼亞南部發現了14塊恐龍化石,這足以讓他們拼成完整的骨架,并命名為新物種Asilisaurus kongwe。
