苗千

進入未來之前，我們需要觀察并思考基礎科學正待解決的重大問題，它們決定未來。

預測未來從來難以顯得討好，預測人類科學發(fā)展的走向就更容易顯得愚蠢。即便是人類最聰明的頭腦在預測未來時留下的也大多是讓現(xiàn)代人感到可笑的言論，一些預測或是判斷正是因為其局限性而在100多年之后仍然時常被人提起。在19世紀后半葉，大名鼎鼎的德國物理學家古斯塔夫·基爾霍夫（Gustav Kirchhoff）就曾經(jīng)滿懷信心地說：“物理學已經(jīng)無所作為，往后無非在已知規(guī)律的小數(shù)點后面加上幾個數(shù)字而已?！边@句話差點影響人類科學發(fā)展的進程，后來當年輕的學生馬克思·普朗克（Max Planck）打算選擇物理學為專業(yè)時，包括基爾霍夫在內的不止一位老師都曾經(jīng)勸他，物理學的發(fā)展已經(jīng)到頭了，再沒有什么可研究的地方，還不如找一個更能發(fā)揮個人能力的學科。淳樸的普朗克回答：“我只是想弄清物理學的一些細節(jié)而已?！闭且驗榍嗄昶绽士说膱猿趾秃髞淼淖拷^探索，才有了20世紀初量子力學的開端，有了以他的名字命名的量子力學常數(shù)，人類文明才開啟了新的紀元。

對于人類科學發(fā)展最著名的預言來自19世紀的最后一天，在回顧人類物理學的進展時，開爾文男爵，威廉·湯姆生（William Thomson）感慨古典物理學大廈已經(jīng)完成，接下來只剩下一些裝飾性的工作而已，接著他就做出了“兩朵烏云”的比喻，“（物理學）它的美麗而晴朗的天空卻被兩朵烏云籠罩了”。這句看似是無心之語偏偏有著一語成讖的魔力，100多年之后，人們已經(jīng)無法辨明當時開爾文男爵做出這個論斷時的心情，究竟是充滿了終于了解上帝創(chuàng)世意圖的自豪，還是對于這兩朵孕育著不祥的烏云感到憂心忡忡，或是這兩種心情交雜在一起。已知的是在這個預言出現(xiàn)之后的幾年之內，古典物理學大廈轟然倒塌，隨著古典物理學一同成為歷史的還有人類的古典文明。

無論現(xiàn)代人是否還在懷念想象中優(yōu)雅的慢節(jié)奏的古典文明，它都已經(jīng)隨著19世紀成為不可逆轉的歷史。20世紀成為人類文明發(fā)展的一個重要轉折點，在這100年間科學與技術都發(fā)生了爆炸式的發(fā)展，這與之前人類科學技術緩慢的發(fā)展速度形成了鮮明的對比。只有站在20世紀之外觀察，我們才能看到創(chuàng)造了這個世紀奇跡的源頭正是開爾文男爵描述的兩朵烏云，在這兩朵烏云之下誕生的相對論和量子力學，成為人類現(xiàn)代文明的兩根支柱，我們生活的方方面面無不以這兩個物理學支柱理論作為支撐。

進入21世紀之后，雖然人類已經(jīng)認識到科學發(fā)展為社會帶來的巨大推動，但是在本世紀是否還能延續(xù)20世紀的爆炸式發(fā)展，至今仍不明朗。在過去的幾十年里，人類在基礎物理學領域實際上并未取得太大的進步，盡管各種復雜的數(shù)學模型和大統(tǒng)一理論層出不窮，實際上仍然受困于量子力學和相對論之間不可調和的矛盾，這對于21世紀的人類將產(chǎn)生怎樣的影響尚不可知。

當涉及量子力學的本質和未來發(fā)展時，大多數(shù)現(xiàn)代物理學家干脆放棄了預測，“閉上嘴巴乖乖地做計算”，未嘗不是一種聰明的態(tài)度。人類早已經(jīng)習慣了量子世界各種光怪陸離的現(xiàn)象，甚至干脆把“古怪”看作量子力學的本質。在現(xiàn)代量子力學研究中，廣為流行的是物理學家理查德·費曼說的：“我想可以說，沒有人理解量子力學?！睈垡蛩固挂苍?jīng)說：“沒有人知道，我在量子力學上花費的時間比我在相對論上花費的時間還要多?！彪S著量子力學的發(fā)展，愛因斯坦對于這個理論愈發(fā)持不信任的態(tài)度，作為量子力學的創(chuàng)始人之一，他開始不斷質疑這個理論的基礎是不完備的，愛因斯坦認為量子力學最令人迷惑的現(xiàn)象量子糾纏必定有著更深層的原因，這個現(xiàn)象也正是量子力學不完備性的證據(jù)，但是至今為止一切實驗證據(jù)都指向了愛因斯坦的反面：愛因斯坦后來的說法或許是錯的，量子糾纏現(xiàn)象或許正是自然界中一種最基本的現(xiàn)象，它甚至還可能是連接時空不至于分崩離析的必不可少的一個要素——現(xiàn)在人類將自己的文明建立在一個自己尚不理解其本質的理論之上，并且取得了如此輝煌的成就。但是量子疊加態(tài)究竟是什么，波函數(shù)究竟是一種純粹的數(shù)學形式，還是一種物理實在？人類究竟能否利用量子態(tài)進行計算，并且獲得遠超電子計算機的計算能力？這些問題就埋伏在未來，人類文明的每一步前進，都會受到這些問題的阻撓，人類未來生活的方方面面，必定將會被這些問題所改變。

與量子力學相比，幾乎與之同齡的相對論給人的感覺與之完全相反，這個理論繼承了牛頓力學的傳統(tǒng)，優(yōu)雅、清晰、令人信賴。它描繪了整個宇宙存在的方式，一個連續(xù)的、平滑的、相互作用又生機勃勃的宇宙在人類的眼前展開。從一開始“世界上只有十二個人理解廣義相對論”，到現(xiàn)在人類把這套理論的每一個細節(jié)都研究得清晰透徹，沒有物理學家敢于質疑相對論的正確性，但這個理論仍然在給人帶來驚喜，它做出的預測遠遠超出人類的想象力。廣義相對論是人類望向宇宙的一雙眼睛，人類利用廣義相對論探索宇宙的形態(tài)，回溯宇宙的過去，預測宇宙的未來，也用它尋找著與地球相似的行星、地球之外的生命形式，甚至是其他文明。地外文明是否存在？文明之間是否存在相互通信的可能？時空之間是否可能存在蟲洞？人類何時才能探測到廣義相對論預言的引力波？這些問題，與量子力學帶給人類的疑問同等重要，同等艱難。

如果說人類在20世紀發(fā)展出的全新的現(xiàn)代文明起源于開爾文男爵的兩朵烏云，那么在21世紀，人類文明的走向則取決于這兩朵烏云何時能夠合并，并催生出一場更加摧枯拉朽的暴雨。從根本上來說，人類未來的生活，取決于人類如何實現(xiàn)對于自然界在極小尺度和極大尺度上的認識上的統(tǒng)一。

尋找地外文明、尋找引力波、研究量子計算機，本文中將要討論的三個問題未必與每個人的日常生活息息相關，卻無一不關系到人類文明的發(fā)展方向。這些目前人們都還沒有找到答案的難題，有的看起來近在咫尺，有的似乎還遙遙無期。

電子計算機需要花費上百萬年時間才能完成的工作，量子計算在幾分鐘內就能完成？這樣的差距難免讓人有些難以置信，量子計算機將是人類對于量子力學的神奇特性趨于極致的發(fā)揮。盡管目前看來在理論上可行，人類仍然只有在極其嚴苛的條件下才能利用目前量子計算機的雛形進行一些簡單的計算。雖然起步緩慢，但越來越多的物理學家開始對于量子計算抱有樂觀的態(tài)度，想象當年開發(fā)第一款沉重而龐大的電子計算機時的情景，與現(xiàn)在的情景倒是頗有類似。一臺在理論上擁有超級計算能力的量子計算機將會使機器學習和人工智能領域發(fā)生質的飛躍，必將催生人類的又一次技術革命。對量子計算機的研究或許對目前人類的另一個難題也有所幫助——人類大腦進行運算時會使用量子力學嗎？為了建設一個能夠進行簡單計算的量子計算機，人類需要在接近絕對零度的條件下讓一個量子比特在極短的時間內保持其量子態(tài)（因此目前量子計算機所消耗的絕大部分能量都是用來維持低溫環(huán)境），而在溫暖潮濕的人類大腦中，神經(jīng)元是否也會利用量子力學進行工作，才使大腦獲得了遠超目前電子計算機的計算速度？直覺，意識的起源，是否也有可能與量子力學有關？

無論是在理論還是應用方面，引力波探測在21世紀人類文明的發(fā)展過程中都有著尤為獨特的作用。經(jīng)過多年的失敗之后，如果人類終能夠探測到引力波存在的直接證據(jù)，必將開啟宇宙學研究的新局面——人類將理解在我們的周圍環(huán)繞著多少黑洞和中子星，更詳細了解超新星的爆發(fā)過程。引力波探測也將詳細地解釋宇宙中各種強度，或長或短的伽馬射線爆發(fā)。另外，因為引力波無法被物質吸收或反射，理論上一種極其特殊的來自于宇宙創(chuàng)生時代的引力波可能告訴人類在宇宙誕生之初的秘密。盡管大多數(shù)宇宙學家們都已經(jīng)接受了宇宙暴漲的假說，但人們仍然需要找到原初引力波存在的切實證據(jù)，完成宇宙創(chuàng)生故事的最后一環(huán)。

行動受困于輪椅幾十年的物理學家史蒂芬·霍金（Steven Hawking）曾經(jīng)警告人類，人工智能最終將會凌駕于人類智慧之上，從人類的仆役變?yōu)槿祟惖闹魅?，相比之下對于可能的外星文明同樣忌憚的他卻樂于尋找外星文明存在的證據(jù)。人類是不是孤獨的？文明的發(fā)展是否是單線條的？人類有沒有可能與其他星球的文明形式進行交流？現(xiàn)在似乎還不是回答這些問題的時候。尋找到一顆與一個恰當?shù)暮阈蔷嚯x適當?shù)膸r石行星就可以讓地球上的行星科學家們興奮不已，因為這是發(fā)現(xiàn)外星生命信號或是為人類尋找下一個落腳點的第一步，只有先邁出這一步，人類才有希望尋找其他形式的文明。探索地外行星的20多年來，行星科學家們發(fā)現(xiàn)地外行星的數(shù)量遠比他們此前想象的多，至今人類已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了超過2000顆地外行星，但是，那顆與地球非常類似的，表面覆蓋著液態(tài)水并被溫暖的大氣層所包裹保護著的行星仍然還沒有出現(xiàn)。

研究歷史雖然難以幫助人類預測未來，倒或許可以給人類帶來些安慰。在19世紀末20世紀初量子力學與相對論蓬勃發(fā)展的年代，西方社會正在被其他一些更加具體的難題所困擾。在倫敦和紐約的街頭，擁擠的大街上奔跑著越來越多的馬車，遍地的馬尿和馬糞讓街道變得骯臟難聞，而一旦有馬匹受傷倒地，往往會立刻造成整條街長時間的交通堵塞，人類只能殺掉無法繼續(xù)拉車的馬，留下一地觸目驚心的血跡。為了解決這個問題，當時的城市規(guī)劃者們聚集在紐約召開國際城市規(guī)劃會議，但是仍然對此一籌莫展。現(xiàn)代人當然了解最終解決這個馬車困境的方式，那就是汽車的出現(xiàn)讓人類最終不再需要馬車運輸——這個故事，或許可以給對未來缺乏信心的現(xiàn)代人帶來些許的慰藉。

100多年過去了，基礎物理學發(fā)展的激蕩年代已經(jīng)過去。與20世紀初的情景已經(jīng)不同，過去半個世紀里基礎科學的進展緩慢，雖然技術仍在不斷創(chuàng)新，網(wǎng)絡社會越來越深刻地改變著人類的生活模式，但是潛在的問題也更加深重：人類如何結合這兩個至今無法融合的物理學支柱理論？如果無法進行實驗驗證，人類對自然界的認識如何繼續(xù)加深？科學哲學是否需要變革？量子力學的本質是什么？量子計算機能否最終取代電子計算機？人類何時才能發(fā)現(xiàn)引力波存在的直接證據(jù)？人類是否終有一天能夠發(fā)現(xiàn)地外文明并且與之對話？生命是什么？意識又是什么？在人類進入未來生活之前，這一連串的問題拷問著21世紀的人類。

尋找地外文明

“他們都在哪兒呢？”在1950年的一天，物理學家恩里克·費米（Enrico Fermi）問了這樣一句話，從此這個問題成了人類的一個心結。如果真的有地球之外的生命，甚至是文明存在的話，他們都在哪兒呢？在有著2000億至4000億顆恒星分布的廣闊的銀河系，人類文明為何顯得如此孤單？

目前唯一已知有生命現(xiàn)象存在的行星就是地球，要想尋找其他生命存在的信號，人類別無選擇，首先要尋找與地球條件相仿的行星。2009年3月，美國航空航天局（NASA）的開普勒太空望遠鏡（Kepler Space Telescope）升空，從此開始了它探索地外行星之旅。這個太空望遠鏡在地球軌道上始終保持著一個固定的角度，觀測銀河系的一隅。它可以同時跟蹤15萬顆恒星，通過觀測恒星亮度的變化來尋找可能存在的圍繞恒星運轉的行星（行星掠過恒星時，會因為遮擋住光線使恒星顯得略微閃爍）。幾年來，它已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了數(shù)以千計的行星跡象，這個數(shù)字遠超此前人們的猜想。

2015年7月，美國航空航天局公布，開普勒計劃確認發(fā)現(xiàn)了第一顆與地球規(guī)模接近，同樣處在“宜居區(qū)域”的一顆被命名為“Kepler-186f”的行星。所謂宜居區(qū)域，指的是行星與其所圍繞運轉的恒星距離適當，在其表面上可能有液態(tài)水存在（這正是人類得以生存的基礎）——此前發(fā)現(xiàn)的處于這個區(qū)域的行星至少都要比地球大上40%。

這顆距離地球大約500光年遠的屬于天鵝座的巖石行星，以130天為周期圍繞著一顆大小和質量都大約只有太陽一半的恒星運轉，它能夠從所屬恒星吸收的能量大約只相當于地球從太陽吸收能量的三分之一。這顆名為“Kepler-186”的恒星屬于銀河系中最常見的M型紅矮星，銀河系中大約70%的恒星都屬于此類恒星，因此，搜尋地外生命的行星學家們認為未來最有可能在這一類的恒星周圍發(fā)現(xiàn)生命存在的跡象。盡管是在宜居區(qū)域內發(fā)現(xiàn)了這顆行星，我們仍然不知道這顆行星是否可以存在生命，這與行星表面的溫度至關重要，而決定其表面溫度的因素，除了與恒星的距離之外，還取決于恒星的大氣層密度和成分。現(xiàn)在開普勒太空望遠鏡還在繼續(xù)尋找著與地球更加類似的行星，任何發(fā)現(xiàn)都可能成為人類未來發(fā)射的太空探測器的目標。

開普勒太空望遠鏡主要通過觀測恒星亮度的變化幅度來探測其附近可能存在的行星，正是因為如此，它在2009年到2013年之間觀測到恒星“KIC8462852”的奇異閃爍才令人至今浮想聯(lián)翩。嚴肅的行星科學家們一再解釋，盡管面對這個現(xiàn)象現(xiàn)在人們還沒找到完美的解釋，但“地外文明”應該是我們最后考慮的可能?？蓪嶋H上，地外文明的存在是人類最熱衷考慮的可能，以至于不愿相信還有其他任何可能性的存在。

一個文明的發(fā)達程度，與其獲得能量的方式相關。在1964年，蘇聯(lián)天文學家尼古拉·卡爾達肖夫（Nikolai Kardashev）在科學與幻想之間，制定了一個衡量文明發(fā)達程度的指數(shù)，卡爾達肖夫指數(shù)（Kardashev Scale）。在這個標準中，根據(jù)一個文明是否能利用自身所在行星的所有能源、所屬恒星的所有能源，或是所屬星系的所有能源，由低到高分成了三個類別。這個對于文明程度的劃分標準面對目前人類只能孤單面對自己的事實，除了為科幻小說作家提供了一些素材之外，更像是屠龍之技，但我們畢竟無法預知未來。

開普勒太空望遠鏡發(fā)現(xiàn)，恒星KIC8462852在幾年的時間里一直出現(xiàn)有規(guī)律的閃爍，但是這種閃爍的幅度太大（光強度的變化在20%以上），見所未見，無法用行星掠過來解釋。這個發(fā)現(xiàn)一經(jīng)公布之后，人們就迅速聯(lián)想到了同樣來源于想象的“戴森球”（Dyson Sphere），這是物理學家弗里曼·戴森（Freeman Dyson）想象出來的一種高級文明為了獲得恒星能源建造起來的一種巨大的球形結構，以此從恒星獲得能量。人們樂于想象，一種達到卡爾達肖夫標準的遠超人類的第二類別文明，一種可以獲得整個恒星能量的高級文明建造了一個巨大的戴森球，才使距離這顆恒星1500光年之外的人類發(fā)現(xiàn)了它不同尋常的閃爍。在沒有獲得進一步的證據(jù)之前，行星科學家們只能不停地潑冷水。他們指出，可能有各種現(xiàn)象造成恒星這種反常的巨大閃爍：有可能是正在形成行星的物質阻擋了光線——問題在于這是一顆成熟的F型主序星，有太陽的1.5倍大，不大可能再形成行星；有可能是屬于恒星的行星之間發(fā)生了劇烈的碰撞——但這同樣是一種想象，人類目前還沒有任何這方面的數(shù)據(jù)；也有可能是眾多的彗星不停地掠過恒星表面阻擋住光線——這種可能性同樣微乎其微。

無論如何，這顆恒星已經(jīng)吸引了人類的關注，多個望遠鏡都在等待著它下一次巨大的閃爍，并且分析星光的光譜，也許不久之后就會有結論，告訴我們這顆恒星的光線在離開恒星之后都經(jīng)過了哪些物質，是星際塵埃還是星際氣體，或者是一個巨大的戴森球。

在尋找地外生命的過程中，人類也許應該不停地提醒自己，我們所居住的銀河系已經(jīng)存在了130億年，這是一段漫長的時間，應該已經(jīng)足以產(chǎn)生出各種生命形式。但是，他們都在哪兒呢？

最急于回答這個問題的人們成立了各種協(xié)會和組織，試圖從接收到的宇宙電磁信號中分析出可能來自地外文明的信息，這些組織被統(tǒng)稱為SETI（搜尋地外文明計劃）。在2015年7月，俄羅斯投資人尤里·米爾納（Yuri Milner）與物理學家史蒂芬·霍金宣布向為期10年尋找地外文明的“突破聆聽計劃”（Listen Breakthrough）投資1億美元，他們打算雇用世界著名的天文學家，并且利用美國綠岸天文臺（Green Bank Observatory）和位于澳大利亞的帕克斯天文臺（Parkes Observatory）功能強大的射電望遠鏡進行搜尋?！巴黄岂雎犛媱潯笔侨祟愔两駷橹棺钊?、最昂貴的搜尋外星文明信息的計劃。

尋找地球之外的生命訊號，乃至地外文明，固然是漫長且孤獨的任務，但人類所面對的最大的謎團仍然是其自身。生命的本質是什么？意識的本質又是什么？大腦究竟如何工作以產(chǎn)生意識？大腦的工作過程究竟是否存在量子作用？如何理解人類的直覺、靈感和創(chuàng)造力？人類在未來不得不面對這些涉及自身的問題，不回答這些問題，我們就無法真正地了解自己，也很難實現(xiàn)真正意義上的人工智能。

尋找引力波

從2015年9月起，一個未經(jīng)證實的消息開始在物理學界流傳開來。據(jù)說經(jīng)過了幾年升級改建的先進激光干涉引力波天文臺（Advanced Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory）在重新開始工作之后的一個星期內就探測到了引力波的信號。這個傳言一直都沒有得到官方的證實或否認——這個態(tài)度被很多人認為算是一種默認。

2015年正是愛因斯坦的廣義相對論發(fā)表100周年，如果能在這個特殊的年份里找到廣義相對論做出的最為縹緲的預測，無疑具有特殊的意味。幾十年來物理學家們苦苦地尋找引力波，不僅因為它對物理學的意義重大，也是因為它可能開啟一個新的時代。

幾千年來人類觀察宇宙的方式大多都只是仰望星空，直到幾百年前人們才能通過望遠鏡進行觀察，影像固然更加清晰，但所看到的仍然只限于可見光的頻率范圍之內。直到20世紀，人類理解了電磁學，才能從紅外線到伽馬射線，在更廣闊的頻率范圍內觀測宇宙。想要看清宇宙的面貌，僅僅通過電磁波還遠遠不夠，中微子為宇宙學家們打開了又一扇門，通過藏在地下的一個個中微子天文臺，人類才多了一個觀測宇宙的手段，但是這種方式的局限性仍然非常明顯。因此，如果能夠在地球上觀測到引力波，人類將會增加一個非常獨特而靈敏的宇宙學觀測方式。

引力是自然界中最為微弱的相互作用，廣義相對論所描述的正是引力作用。根據(jù)廣義相對論的預測，當質量進行加速運動時，會對時空產(chǎn)生干擾，進而使時空產(chǎn)生出以光速行進的引力波。因為引力作用太過微弱，想要探測到這種時空的褶皺，就需要格外敏感的實驗裝置。

在美國華盛頓州和路易斯安那州建造的隸屬于美國國家自然基金（National Science Foundation）的兩個相似的激光干涉引力波天文臺，每一個天文臺都有兩個長達4公里的相互垂直的長臂，激光在真空的管道中沿著兩條長臂來回反射，并且發(fā)生干涉。現(xiàn)在有超過900名科學家在這里工作，人們有一個共同的目標，就是通過激光的干涉現(xiàn)象尋找引力波。根據(jù)理論預測，一旦有引力波經(jīng)過，將會使空間發(fā)生拉伸和壓縮，兩個長臂中的激光的干涉現(xiàn)象就將發(fā)生變化。但是從2002至2010年九年的時間里，這兩個高精度引力波探測器沒有任何收獲。這些年的一無所獲與周圍環(huán)境對儀器的干擾有關，因為儀器的過分敏感，華盛頓州的探測器經(jīng)常會受到大風的干擾，而路易斯安那州的探測器則經(jīng)常會受到經(jīng)過的火車和周圍倒下的樹木所產(chǎn)生的震動帶來的干擾。

在經(jīng)過了5年時間，花費了2億英鎊之后，激光干涉引力波天文臺完成了升級。在2015年9月18日重新開始工作的先進激光干涉引力波天文臺比之前的精度可以高出三倍，激光器的功率提高了10倍，抗干擾的能力也大幅增強，無論是樹木，火車，還是地震波都無法影響到儀器的探測。進行了全面的升級之后，盡管先進激光干涉引力波天文臺的靈敏度會隨著調試逐漸上升，將在未來三年左右的時間里達到頂峰，也就是說探測到引力波的可能性會逐漸增加，但是樂觀的物理學家們認為，三個月內，這臺極其靈敏的機器就將探測到引力波。在先進激光干涉引力波天文臺工作的物理學家們則顯得更加謹慎，他們希望在發(fā)現(xiàn)引力波的信號之后能有三個月的時間對信號進行分析，之后合作撰寫一篇論文，再投票選擇是否要對外宣布。

物理學家們的樂觀心態(tài)可以理解，這個世界上最靈敏的先進激光干涉引力波天文臺靈敏到可以探測到相當于質子直徑長度萬分之一的變化，即便如此，物理學家們也只能把探測目標放在宇宙中極為劇烈的天體活動上，例如黑洞之間的碰撞，中子星和脈沖星之間的合并，都可能釋放出劇烈的引力波，并且到達地球。在理論上3億光年以內的黑洞碰撞所釋放的引力波都可能被探測到，不僅如此，先進激光干涉引力波天文臺正在進行又一輪的升級，預計在2017年重新開始工作的機器的靈敏度將提高10倍，探測范圍也將擴展到6億光年。另外，在意大利境內，還有一個稍小的“先進Virgo”引力波探測器目前也在進行升級，屆時兩個引力波探測團隊將共同研究在兩個大陸所獲得的探測數(shù)據(jù)，進行比較以確認引力波的痕跡。

雖然人類早已從一個旋轉周期逐漸縮小的脈沖雙星系統(tǒng)發(fā)現(xiàn)了引力波存在的間接證據(jù)——那個雙星系統(tǒng)的行為與廣義相對論的預測完全一致——但直接發(fā)現(xiàn)引力波的意義將完全與之完全不同。人類將會有一個更為靈敏的宇宙學探測手段，天文學也可能會出現(xiàn)一個新的分支——引力波天文學。在理論上，通過引力波進行天文學探測，人類將可以了解恒星坍塌的具體過程，恒星內部質量的移動和改變過程都會通過引力波傳播到地球。

物理學家們熱情地幻想著首次發(fā)現(xiàn)引力波的那一刻，最好是一個脈沖雙星系統(tǒng)，因為人們可以細致地預測脈沖雙星系統(tǒng)發(fā)出的引力波。一旦發(fā)現(xiàn)了引力波的信號，先進激光干涉引力波天文臺的計算機將會自動發(fā)出聲音，提醒物理學家們馬上進行觀測，他們不僅可能看到尚未結束的引力波探測過程，如果馬上對天空進行觀測，還有可能發(fā)現(xiàn)放射出引力波的天文學現(xiàn)象（比如超新星的爆炸）。物理學家們同時也想象著在未來，引力波探測成為家常便飯，每年都可以探測到10次左右的中子星碰撞。歐洲航天局（European Space Agency）計劃在2034年開始一個太空引力波探測項目，在未來的幾十年里，或許人類將會迎來在各個頻率范圍內引力波探測的爆發(fā)。

萬一最靈敏的引力波探測裝置也無法發(fā)現(xiàn)引力波該怎么辦？并沒有太多物理學家考慮過這個問題。即使人類無法在近期發(fā)現(xiàn)引力波，也不能說明廣義相對論的預測是錯誤的（畢竟人類是如此的信賴和依賴廣義相對論），也許物理學家們將會檢查自己的探測手段和預測模型。

宇宙學家們也在關心著何時才能探測到原初引力波的痕跡。在宇宙大爆炸之后，宇宙有可能發(fā)生過暴漲過程，在極短的時間內宇宙從微觀狀態(tài)被拉伸到宏觀狀態(tài)。想要驗證這個重要的宇宙學假說，就需要找到原初引力波存在的證據(jù)。這種來自宇宙開端的引力波，因為無法被物質吸收和反射，將攜帶宇宙創(chuàng)生時的痕跡，人類就有可能了解宇宙誕生的每一個細節(jié)。而更為重要的可能是那些人類還沒預想到的結果，引力波物理學將會開啟一個怎么樣的時代？這是21世紀的人類需要面對和回答的問題——但僅僅是知道整個宇宙都在顫動，這個事實本身就已經(jīng)足夠令人感到震撼。

量子計算機

一臺機器，哪怕僅僅是一個概念，只要是和Google和NASA這樣的科技巨人有了聯(lián)系，一定會吸引到全世界的關注，何況這臺機器是一臺量子計算機。

人類對于計算能力的渴求絲毫不遜于對于能源的渴求。電子計算機，乃至計算機網(wǎng)絡的出現(xiàn)，在幾十年里就徹底地改變了人類的生活方式。但是物理學家們相信，與量子計算機相比，傳統(tǒng)的電子計算機的計算能力不值一提，量子計算機必定會再一次改變全人類。

隨著半導體物理技術的進展，電子計算機的基本器件變得越來越小，在納米級的電子器件上每時每刻都在發(fā)生著量子現(xiàn)象。但是從電子計算機的工作原理來看，它工作的邏輯仍然是機械式的，與其他的計算機器并沒有本質區(qū)別。在微觀領域，盡管每一個電子的行為無法預測，但是大量電子的整體行為方式卻是可以預測的，這就是電子計算機中最基本的單元，邏輯門工作的基礎。

量子物理學家們則想要徹底改變這種計算方式，把量子力學的奇異性轉換為難以想象的計算能力，也就是說，量子計算機的計算過程將不再是機械化，而是利用到量子過程。在普通的計算機中一個比特（bit）只能是“0”或“1”兩個值其中之一，但是量子比特（qubit）卻可以同時擁有“0”和“1”這兩個狀態(tài)，也就是說，一個量子內存可以是“0”和“1”狀態(tài)的任意排列組合，不僅如此，量子過程將可以對這些狀態(tài)同時進行計算，它的計算效率與電子計算機自然不可同日而語。

量子計算廣泛的應用前景已經(jīng)吸引了眾多目光，包括美國中央情報局（CIA）、美國航空航天局（NASA）、洛克希德·馬丁（Lockheed Martin）和眾多的賭博公司等各個領域的巨頭都期待著量子計算為行業(yè)帶來的巨大推動，但進行量子計算的巨大困難使其前景尚不樂觀。就是因為微觀粒子的量子態(tài)極其脆弱并且難于控制，乃至有人把量子計算與可控核聚變相提并論——兩者都是聽起來會對人類有極大幫助的技術，但是也都同樣的遙遙無期。

從上世紀80年代開始，物理學家們就開始研究可以通過量子效應進行計算的機器。到了1994年，美國麻省理工學院的數(shù)學家彼得·秀爾（Peter Shor）發(fā)表了“秀爾算法”（Shors Algorithm），在理論上提出了通過量子過程分解整數(shù)的算法——分解整數(shù)對于傳統(tǒng)計算機來說是一個非常耗費時間的工作，因此常被用作加密算法，但相比之下這個任務對于量子計算機來說將毫無困難。受到啟發(fā)的眾多物理學家都開始嘗試利用量子過程實現(xiàn)秀爾算法，兩年以后，貝爾實驗室的科學家又發(fā)表了一個可以快速搜索海量數(shù)據(jù)的量子算法，人類對量子計算機的研究從此進入了新階段。

想要實現(xiàn)量子計算絕非易事。想要保持量子比特的量子態(tài)不受外界環(huán)境的干擾，需要把量子計算的環(huán)境設置在沒有電磁干擾的極低溫度條件下，如何利用量子比特進行量子計算，目前在學術界也是一個熱門話題。說到量子計算機就無法繞開D-Wave公司，這家公司推出了第一代量子計算機D-Wave One，聲稱是世界上第一臺商用量子計算機，這使它迅速獲得全世界的關注和懷疑。物理學家們質疑它的工作過程是否真的涉及量子過程，同時又質疑它的運算速度相比于傳統(tǒng)計算機是否真的具有優(yōu)勢。

在質疑聲中，美國的科技巨頭Google公司在2013年采購了一臺D-Wave量子計算機進行研究。實際上，Google公司從2009年起就與D-Wave公司合作開發(fā)量子計算機。在2014年，瑞士聯(lián)邦理工學院的物理學家馬蒂斯·特羅埃爾（Matthias Troyer）對這臺機器進行了研究，他在報告中指出，相比于傳統(tǒng)計算機，這臺計算機的運算速度并沒有明顯的優(yōu)勢。但到了2015年，Google公司使用這臺D-Wave與一臺傳統(tǒng)計算機在“最優(yōu)化”問題上進行比較，Google公司人工智能實驗室主任哈姆特·奈文（Hartmut Neven）聲明，他有切實的證據(jù)表明D-Wave在計算過程中確實有量子過程參與，并且它的計算速度比傳統(tǒng)計算機“快了1億倍”。這個結果對于傳統(tǒng)的電子計算機來說或許有失公允，因為目前D-Wave還不能和傳統(tǒng)計算機一樣完成“通用”的任務，它只能進行最優(yōu)化計算，另一方面?zhèn)鹘y(tǒng)計算機如果使用其他的算法速度有可能會更快。但無論如何這個結果都算是對于量子計算機研究者的一劑強心針。馬蒂斯·特羅埃爾在研究過后也表示，“Google的結果顯示D-Wave在處理一些精心選擇的問題時（相比傳統(tǒng)計算機）擁有巨大的優(yōu)勢”。

Google不僅是D-Wave至今為止最大的主顧，也是它潛在的競爭對手。D-Wave量子計算機的“量子退火”算法在機器學習和人工智能領域都有著巨大的應用前景，自然會吸引到Google的關注。在購買了D-Wave的同時，Google也成立了自己的量子計算機實驗室，美國加州大學圣巴巴拉分校著名的量子物理學家約翰·馬提尼斯（John Martinis）和他研究團隊的20名成員在2014年9月加入Google的量子計算團隊——在過去幾年的時間里，約翰·馬提尼斯的研究團隊已經(jīng)把量子比特的持續(xù)時間提高了上萬倍，這說明Google絕不愿意只成為量子計算機的消費者，同樣他們也不會滿足于只能進行最優(yōu)化計算的量子計算機，他們要研制自己的通用量子計算機。

隨著Google、IBM、微軟等幾家科技巨頭和一些大學量子計算實驗室的加入，量子計算的前景正在逐漸明朗，現(xiàn)在物理學家們已經(jīng)可以使量子比特的狀態(tài)維持到數(shù)分鐘，量子計算也具有了糾錯功能，更不容易受到外界的干擾。荷蘭代爾夫特科技大學（Delft Technology University）的物理學家羅納德·漢森（Ronald Hanson）在2014年表示，花費10年左右的時間，他將制造出通用量子計算機的雛形。

人們估計Google的第一款量子計算機可能會是在D-Wave的基礎上發(fā)展出來的某種功能單一的量子計算機，IBM公司也在2015年初展示了他們研制的第一款量子計算芯片，而更多財力有限的量子計算實驗室則希望緩慢穩(wěn)妥地研究通用型量子計算機——使用量子邏輯門的通用型計算機將可以完成更多的工作。

對量子計算機持悲觀態(tài)度的人會說D-Wave并不能算是真正的量子計算機，而真正如家用電腦一樣的通用量子計算機目前看來還遙遙無期；對量子計算機持樂觀態(tài)度的人則會把電子計算機研究的初期形態(tài)與現(xiàn)在的D-Wave進行對比，表達對于量子計算未來的信心。量子計算涉及量子過程的本質，在真正實現(xiàn)量子計算之前，人類也許需要對基礎科學有更深入的理解，并耐心地容忍看起來無止境的失敗。

兩個理論的結合

為什么要追求統(tǒng)一？理論物理學家，2004年諾貝爾物理學獎得主弗蘭克·維爾澤克（Frank Wilczek）給出的理由是，因為這很美。在物理學中發(fā)現(xiàn)事物深層次的規(guī)律，找到其中所蘊含的統(tǒng)一規(guī)律，是一個充滿著奇跡和美感的歷程。

在20世紀初幾乎同時出現(xiàn)的兩個物理學理論，量子力學和廣義相對論，至今仍然存在著不可彌合的矛盾。這種矛盾是如此的深刻，以至于物理學家在處理一個問題時，需要根據(jù)問題的尺度來選擇所需要的理論——量子力學描述的是人們日常生活中無法接觸到的微觀領域，在納米級以下的微觀世界里，粒子開始顯出光怪陸離的性質，一個粒子可能同時處于幾種狀態(tài)之中，至于人類會觀測到其中的哪一種狀態(tài)，則完全是一個概率問題。一個粒子的位置和動量也無法被同時測量，這就是制約著量子力學的測不準原理。

人類的生活常識在量子領域完全被顛覆，而另一方面，在更為廣大的尺度下，當我們觀察和思考日月星辰的運轉，我們的生活常識同樣沒有用處。人類習以為常的光線會因為引力場而彎曲，而迅捷的光速在宇宙的尺度下顯得步履蹣跚……星系、黑洞，這些宇宙中既詭異又宏大的對象都要受到廣義相對論的制約。

包含了目前所有已知基本粒子的標準模型，描述了自然界的三種基本相互作用，強相互作用、弱相互作用和電磁相互作用，卻把最弱的引力相互作用排斥在外，留給廣義相對論，這個模型因此被稱為“幾乎包含了一切”（當然在這個模型中也不包含宇宙中更加神秘的暗物質和暗能量）。

上個世紀初的物理學家們沒有想到這兩個理論是如此的難以實現(xiàn)統(tǒng)一。有歷史學家認為，愛因斯坦之所以在發(fā)表狹義相對論之后用了10年才發(fā)表了廣義相對論，就是因為在此期間他花費了好幾年的時間試圖解開量子力學之謎，后來也只能無奈地留下了一句：“我花在量子力學上面的時間比花在相對論上的時間還要多。”而在他完成了廣義相對論之后，他把自己的整個后半生都用在發(fā)展出一種可以包含廣義相對論和量子力學的“統(tǒng)一場論”上面，結果又是無奈的失敗，以至于他的傳記作家評論說：“愛因斯坦即使把他的下半生都用來釣魚，物理學也不會損失些什么?！?

在量子世界里，被顛覆的不僅僅是人類生活的常識，甚至包括因果律，這讓愛因斯坦尤其不能接受，他說：“上帝不是在擲骰子。”這句話目前看來大有可商榷的余地，在微觀領域，上帝可能確實是一個骰子玩家。在微觀領域和宏觀領域里，是否存在著兩個上帝？無論是量子力學還是廣義相對論，當我們回歸到日常生活的尺度下，這兩個理論都會簡化為人們早已熟悉的牛頓力學——這個事實可能為我們思考自己存在的理由提供出一些線索，在理論上時空最小的尺度到理論上可觀測宇宙的最大尺度之間，人類日常生活的尺度恰好處在中間的位置，因此，支配我們日常生活的，是一種可以預測的、便于計算的簡單力學。只有當我們向更小或是更大的尺度上求索，整個宇宙的奧秘才向我們展開。

物理學家們急于找到一套可以涵蓋量子力學和廣義相對論的理論，弦理論正是這樣一個具有包容性的理論。弦理論描述在極小的尺度下，時空由11個維度組成，在這個基礎上，量子力學和廣義相對論實現(xiàn)了數(shù)學上的統(tǒng)一。但問題在于弦理論并沒有對自然現(xiàn)象做出任何預測，人類也無法對于這個理論進行試驗驗證。這樣數(shù)學形式上的統(tǒng)一，對于物理學究竟有什么樣的指導意義，物理學家們至今仍然感到迷惑。人類在探索物理學的過程中感受到了統(tǒng)一和對稱性所帶來的美感，但當把美感來作為一個理論成立的證據(jù)，這就難以讓大多數(shù)物理學家所接受。

人類希望從量子力學或是廣義相對論的錯誤中尋找到新理論的突破口，出于這個原因，很多物理學家在當年都希望標準模型不會被完成，這樣人們就不得不對這個模型進行修改。但歐洲核子中心（CERN）依然在2012年夏天發(fā)現(xiàn)了完成標準模型的最后一塊拼圖——希格斯玻色子，標準模型正式宣告完成，成為“幾乎包含一切的理論”。至今為止，量子力學依然保持著100%的準確性。

在物理學的另一端，廣義相對論同樣保持著完全的準確性，這個優(yōu)雅古典的理論是宇宙學家們研究宇宙行為的圣經(jīng)。正是因為如此，在2011年9月，歐洲核子中心的OPERA小組宣布發(fā)現(xiàn)了超光速中微子時才引起了物理學家們一片歡呼，突破了狹義相對論，就意味著打開了物理學的一個缺口。但在幾個月之后OPERA小組宣布這個發(fā)現(xiàn)是因為設備故障，中微子依然老實地遵守著相對論的約束，物理學家們沮喪的心情也就可想而知。

人類花費了100年的時間，發(fā)展出準確又相互矛盾的量子力學與廣義相對論，這兩個描述極小與極大尺度的理論，究竟什么時候能夠實現(xiàn)統(tǒng)一？宏觀世界的因果律是否是在微觀世界的測不準原理的基礎之上產(chǎn)生出來的？廣義相對論所描述的平滑的時空，是否具有量子化的微觀構造？除了在理論上的探索之外，人類也在實踐中尋求著答案。只有在量子力學和相對論同時起作用的條件下才有可能發(fā)現(xiàn)使之融合的方法。出于這個原因，人類才熱衷于討論黑洞的性質，探討在宇宙大爆炸剛剛發(fā)生時宇宙的狀態(tài)。

人類所需要的究竟是某個天才在某一天的靈光乍現(xiàn)，還是如同在中世紀建造大教堂一般，需要無數(shù)人幾百年的努力才能逐漸完成？弦理論究竟是引導人類走向大統(tǒng)一的理論，還是一個數(shù)學家搭建的幻影？這個理論所描述的尺度是目前人類最強有力的粒子對撞機所能探索尺度的一千萬億分之一，要想對于這樣的尺度進行檢驗，人類需要建造一個有銀河系大小的粒子對撞機，這顯然無法完成，這些問題目前也都沒有答案。

時間的本質是什么？存在的本質又是什么？這些看上去形而上學的問題也許正是一個大統(tǒng)一理論所給能解答的。人類熱衷于尋找一個大統(tǒng)一理論，盡管并不知道這個理論是否存在，可以肯定的是，在尋找大統(tǒng)一的路途上，人類對于自然界各個領域的認識都會更加深刻，或許這就是尋求大統(tǒng)一理論最重要的意義。

2015年6月25日，兩個孩子在倫敦攝政街上和“Meccanoid G15 KS”拼裝變形機器一起玩耍。這款機器人是倫敦哈姆雷斯玩具店公布的圣誕熱門玩具之一

1.電腦繪制的美國航空航天局開普勒太空望遠鏡

2.位于美國路易斯安那州利文斯頓縣的激光干涉引力波天文臺

3.美國航空航天局發(fā)布的“Kepler186f”行星藝術概念圖

如果說人類在20世紀發(fā)展出的全新的現(xiàn)代文明起源于開爾文男爵的兩朵烏云，那么在21世紀，人類文明的走向則取決于這兩朵烏云何時能夠合并，并催生出一場更加摧枯拉朽的暴雨。

美國物理學家恩里克·費米在粒子回旋加速器控制室（攝于20世紀50年代）

尋找地球之外的生命訊號，乃至地外文明，固然是漫長且孤獨的任務，但人類所面對的最大的謎團仍然是其自身。不回答這些問題，我們就無法真正地了解自己，也很難實現(xiàn)真正意義上的人工智能。

澳大利亞帕克斯天文臺的射電望遠鏡

普通計算機中一個比特（bit）只能是“0”或“1”兩個值其中之一

但是量子比特（qubit）卻可以同時擁有“0”和“1”這兩個狀態(tài)

有切實的證據(jù)表明D-Wave在計算過程中確實有量子過程參與，并且它的計算速度比傳統(tǒng)計算機“快了1億倍”。

D-Wave 2X

量子計算機

希格斯玻色子概念圖