计算机

　　如果互联网能够理解你所想的事情，是不是很伟大呢？一定是的，互联网也正在以更快的速度研究其人类共生体。

　　（31）互联网望远镜：观测网络如何进入我们的皮肤之下

　　社会科学的基本问题，一言以蔽之，就是你如何能够将一群人放在一起，最终得到的却不是一群人，而是很多不同的家庭、公司、市场以及社会。

　　长久以来，我们一直在个人和组织之间的相互作用中寻找这个问题的答案。随着成千上万人通过电子邮件、社交网络服务、搜索引擎以及电子商务网站以及目前使用人数越来越多的智能手机来随时更新自己的社会和经济活动，测量这些交互作用最终将成为可能。网络之于社会科学正如望远镜之于天文学，正在使以前看不见的世界变得可见。

　　电子邮件可用来安排成千上万人参与的社交网络；大规模的实验已经证明社会影响如何产生热门歌曲；搜索引擎已经用来预测过某部电影的票房收益或者某地的流感趋势；Facebook（脸谱）网站上的更新甚至已经用来衡量社会的幸福指数。

　　美国哥伦比亚大学社会学教授邓肯·沃茨说，这些方面初步取得的成功并不能解决社会科学中诸如经济不平等的起源或者宗教不宽容等等这些“大”问题。宇航员收集的数据曾改变了我们对于宇宙的认识，但是，为什么互联网数据革命还没有改变我们对于自身的理解，我们还不知道答案。

　　（32）十万亿亿级超级计算机：新计算机更有威力    

　　现在的超级计算机确实很了不起，但其运算能力还不到我们期望的一半。即使现在世界上最快的计算机之一——位于美国橡树岭国家实验室的“美洲豹”（Cray Jaguar）每秒能够进行1.7千万亿次浮点计算，但是，它还是缺乏魅力。科学家希望能够使用超级计算机重现宇宙最初几秒钟的情景，或者详细预测地球未来的气候。科学家还是继续做梦吧，这些超级计算机目前还无法做到这些。

　　然而，科学家表示，到2030年，将超快的、低能耗的芯片和高速光子连接结合在一起，人们可以设计出每秒进行十万亿亿次浮点计算的超级计算机，其运算能力相当于1万亿台现在计算机的计算能力。届时，我们能够模拟出新药对人体的影响、社会对气候变化的反应以及相互碰撞的星系如何产生新的太阳系等等。

　　（33）语义网：我的计算机能理解我

　　网页搜索有其局限性，在一个搜索引擎中输入一个问题，比如“多少女性多次获得过诺贝尔奖”，你能够找到答案。但是，答案只在你进行多次点击并且做一些阅读后才会“现身”。

　　那是因为搜索引擎并不知道这些单词的意思。简单来讲，搜索引擎会通过一个被搜索的单词出现在网页上的频率和多少流行站点同这些网页链接在一起来对网页进行排序。网页并不知道诺贝尔奖是一个奖励，以及获奖者会赢得奖金。

　　如果将语义的“元数据”注入网页中，这将帮助搜索引擎直接给出答案。语义网是全球信息网联盟的蒂姆·伯纳斯-李在1998年提出的一个概念，它的核心是：通过给全球信息网上的文档添加能够被计算器所理解的语义（Meta data），从而使整个因特网成为一个通用的信息交换媒介。

　　一个网页的作者可以用计算机能够理解的链接（如Dbpedia.org网络）来给“诺贝尔奖”这个词组添加注释。在这里，“诺贝尔奖”可能被链接到很多名字上，每个名字上都注释了其性别。拥有了这一点以后，搜索引擎就能对人们的句子结构有基本的理解，并且，网页搜索引擎提供的可能不再是网页，而是答案。例如会直接给出上一个题目的答案：“一个：玛丽·居里”。

　　（34）“记录生命”技术：数字将获得永生

　　1945年，美国工程师范内瓦·布什提出了个人的“扩展存储器（Memex）”设想：Memex是对人们记忆的一种补充，它是一个基于微缩胶卷存储的“个人图书馆”，可以存储、搜索和检索一个人终生所阅读的书、记录和同他人的联系。50多年以后，比尔·盖茨表示：“终有一天，计算机能够记录下一个人终其一生所看到和听到的任何信息。”

　　微软公司旧金山实验室首席科学家戈登·贝尔表示，这一天正慢慢朝我们走来。2001年以来，他已经证明了完全“记录生命”的很多方面，在一个有注释的、能够搜索到的数据库中存储下了信件、论文、照片、视频和与他生命有关的声音记录。将百万兆字节级内存条同数字照相机、生物传感器以及全球定位系统结合在一起，人类能够实时记录一个人所有的事情，从所处方位到诸如能源消耗、心率和压力程度等物理情况。

　　这是乌托邦的想象还是反乌托邦的噩梦？那将主要取决于我们建立的与隐私有关的法律和规则，例如，我们有什么权利来记录我们同其他人之间的联系呢？但是，记录生命的好处是无穷的，在2009年，英国研究人员证明，记录生命同一个延时的照相机结合能够帮助那些遭遇记忆丧失的人重新掌控自己的生活。

　　对于社会学家来说，广义上的记录生命意味着人们将会获得一个前所未有庞大的数据流来增进对人类行为的了解，而对每个人来说，它可能意味着一个小的有限的永生。

　　（35）可验证软件：我的计算机不会让我失败

　　网页浏览器崩溃很令人厌烦，不过，和软件失灵一样，其造成的后果倒是比较温和。但是，如果软件失灵发生在一驾飞机的自动驾驶仪上或者一个核电站的控制室内，那就另当别论了。随着我们生活中处处都是计算机，我们怎么知道它们不会失灵呢？

　　就目前而言，我们对所有可以想象的场景都进行了测试，更保险的方案将是逻辑。计算机程序是语句和命令组成的序列，这些语句和命令最终都将归纳为逻辑。逻辑能够被归纳为数学定理，这些定理能够使用其他确定性来获得证明。

　　这种使用常规逻辑来检查软件的数学技术自从上世纪60年代就已经出现了，但是，更快的计算机、更好的算法以及更聪明的验证理论程序正在使“可验证软件”在商业上变得可行。在逻辑上无懈可击的软件也很容易挡住恶意的攻击。因此，可验证软件将带来一场革命，让我们变得更加安全。

　　纳米技术

　　量子力学将变得更加呆板，你的计算机将依靠自旋电子，甚至慢光来运行。

　　（36）量子光力学：探究量子力学和经典力学的边界

　　实验一次又一次地告诉我们，世界一直根据违反直觉的量子力学法则运转。然而，我们所生活的宏观世界似乎始终如一地遵循经典法则。

　　量子光力学可能帮助我们解决这个悖论。它使用受限的光子——光的量子力学粒子的压力来操纵力学对象的属性，这些力学对象涵盖范围从纳米级别到宏观规模。

　　最近的实验已经证明，激光冷却（利用激光和原子的相互作用减速原子运动以获得超低温原子的高新技术）能够用于控制小型力学设备的振动。这让机械谐振器可以在量子效应起作用的严苛温度下操作，展示了机械谐振器迷人的前景，可以应用于很多方面，诸如传感、计量以及量子信息处理等。

　　最令人着迷的是，一个裸眼能见的物体能够被放在位于两个独立位置之间的量子叠加中，该物体既可能在这儿，也可能在那儿。在一个全新的尺寸和重量范围内检测量子理论的预言将给我们提供新鲜视角，让我们更清晰地知道经典世界和量子世界的边界在何处，甚至可让我们实现统一量子物理和经典力学这一物理学领域伟大的未竟事业。

　　（37）慢光：降低光的速度

　　光是宇宙间最快的物质，谁能想到，它也能被减速、慢慢地行走甚至被阻止在其轨道中呢？

　　实际上，这里有点花招：并不是放慢或者阻止光线的速度，而是放慢或者阻止它所携带的信息。将一束协能光脉冲发送进入一团超冷原子中，这束光脉冲会同凝聚原子产生谐振，信息从光转移到原子中。接着，发送第二束激光脉冲，可以将信息从原子中拉出并且拿走它。这是好消息，如果我们能够掌握这个技术的细节，那么，我们就能够存储光所携带的数据，这无疑让我们能够更快地进入超快的光子计算机时代，让笨重麻烦的硅元器件成为历史。

　　慢光效应是在高色散器件和媒质中存在的一种反常物理现象。一方面，人们利用这种效应，可以构造光纤延时器、光缓存等，这些器件将是解决全光光纤通信系统和网络中路由和交换问题的核心器件。另一方面，由于具有慢光效应的器件本身有很强的群色散，这种性质有可能被利用来实现高灵敏度传感。

　　（38）拓扑绝缘体：一种新的电子自旋

　　电子学之后是自旋电子学，在自旋电子学中，信息被运输，而且设备不被许多电子组成的电流所控制，而是被单个电子的量子力学自旋所控制。

　　在这条路上仍然存在很多障碍，其一，自旋是一个磁场，在较小的规模上，是一个计算机芯片，然而，现在我们仅仅知道如何控制电场。这就是为什么我们引进拓扑绝缘体的原因，2005年，科学家推想拓扑绝缘体存在。拓扑绝缘体是一种新的量子物质态，完全不同于传统意义上的“金属”和“绝缘体”。这种物质态的体电子态是有能隙的绝缘体，而其表面则是无能隙的金属态。拓扑绝缘体内的量子力学效应使得在它们表面的电子自旋能够直接被电场控制。

　　其结果是出现“电子高速公路”，沿着这条“高速公路”，电子根据其自旋方向，沿着一个方向

　　流动。电子之间的碰撞被压制住并且电子的动作被更加智能地引导。因此，拓扑绝缘体不会被加热到同现在高耗能芯片一样的温度。如果这项技术能够被规模化生产，我们可能会获得温度更低、更快的电子自旋设备。

　　（39）任意子：量子计算需要的一个微不足道的事物

　　物理学家最近发现，量子粒子也能给数字编码，现在，物理学家正在齐头并进，尝试两种想法，使用粒子的回旋轨迹来代表信息比特。

　　这种“结绳记事”的方法名叫拓扑学。而且，拓扑量子计算能够在迅速进行大量复杂运算方面做出新的革新和突破。所使用的粒子并非一般我们所熟知的电子或者原子，而是非阿贝尔规范场的任意子，这是一种实体，仅仅作为其他事物运动的产物而存在。如果你想看到风暴之眼，你首先需要风暴；如果你想要非阿贝尔规范场的任意子，你首先需要在很薄的二维晶体中创造和控制电子的运动。

　　这仍然是一个很难解决的问题，但是，如果我们获得了成功，最终将大大提升量子计算的能力，为人类所用。

　　（40）磁单极子：电磁学上缺失的一环

　　磁单极子，是理论上预言的带单极性磁荷粒子。这是一种到目前为止还基本上只是存在于理论之中的物质，如果找到了它们，不仅现有的电磁理论要作重大修改，而且物理学和天文学的许多基础理论也都将得到重大发展。但是十分奇怪的是，量子场论告诉我们，在基本粒子的理论中(准确地讲是非阿贝尔规范场理论)，磁单极子的出现是十分自然的。

　　物理学家表示，我们能够得到磁单极子。磁性被电磁学理论所描述。“带电”的一边主要同吸引力和排斥力、独立的正电荷和负电荷有关。于是，对称性要求两极也具有磁性的吸引力和排斥力。而且，我们描述宇宙诞生之初最好的理论也要求单极子存在。

　　过去80年间，我们一直尝试着在诸如月球灰尘、宇宙射线、粒子加速器中的碰撞碎片中找到磁单极子。我们刚刚开始觉察到一些事物，这些事物适合用来描述高度结晶的自旋冰，问题是我们没有在茫茫宇宙中找到一个磁单极子。

　　工程学

　　巨型射电望远镜阵能够让我们回到宇宙的最初，并且我们将为每个人制造一个模型。

　　（41）平方千米阵：探测黑暗的宇宙

　　平方千米阵（SKA）是计划中的下一代巨型射电望远镜阵，工作在0.10GHz—25GHz的波段，有效接收面积可以达到大约1平方千米，灵敏度将比目前世界上最大的射电望远镜还要高50倍。平方千米阵将由3000台天线组成。科学家预计，它能够探测到宇宙大爆炸之后第一代恒星和星系形成时发出的电磁波、揭示磁场在恒星和星系演化过程中的作用、探测暗能量产生的种种效应，甚至有人希望能够接受到地外生命发出的无线电信号。        

　　（42）火星岩石：红色星球的袭击者

　　据英国《每日邮报》今年8月报道，火星上是否存在生命？日前，科学家一项最新研究更加接近这一谜团。他们称，火星岩石中可能包含着早期火星远古生命的化石残骸。这项发现意味着大约40亿年前火星有机生命可能掩埋在火星表面之下。

　　（43）核转变

　　核转变是发生核反应或核衰变形成新核素的过程，原子核种类发生变化。有些原子核能自发放出射线而转变为另一种放射性或稳定核，属核自发转变。另一类核转变则是诱发的，用一个带足够能量的粒子，如电子、光子、中子、氦核等轰击一个原子核，当它们接近到间距为10米—15米量级时引发核转变。如用α粒子轰击氮-14：结果，氮-14被转化为氧-17，同时放出一个质子。

　　这一过程是人工核反应。如果被轰击的核为铀-235，则有可能产生核裂变，给出中等质量的核碎片及中子。如果是由重的原子核变为轻的原子核，称为核裂变，如原子弹爆炸；如果是由较轻的原子核变为较重的原子核，称为核聚变，如恒星持续发光发热的能量来源。

　　相比核裂变，核聚变的放射性污染等环境问题少很多。如氘和氚之核聚变反应，其原料可直接取自海水，来源几乎取之不尽，因而是比较理想的能源取得方式。

　　（44）基于个体的模型：毕竟，这是一个人组成的世界

　　今年6月底，在美国弗吉尼亚州召开了一次专题研讨会，研讨会探讨了经济上采用“基于个体模型”（ABMs）来帮助汲取此次金融危机教训、开发早期预警系统以防再次发生金融危机的可能性。

　　基于个体的模型认为经济无法实现稳定的均衡，也不会有自上而下强加的秩序或者顶层设计。和许多模型不同，ABMs不要求有很多的代表性个体（指同类的经营者、公司或商家的代表，其个体行为映射出整体经济的全貌）参与。相反，这一模型是自下而上的，每一个体都有其独特的行为准则。比如，有的个体会认为价格反映基本面；而另一些则通过身体力行观察以往的价格走势定价。ABMs并不假设存在有效的市场调节机制或者一般均衡，相反，这一模型认为市场更像一条汹涌澎湃的河流或者剧烈变化的天气，大幅波动甚至崩盘都是其固有的特点。正因为如此，ABMs模型中设计了反馈机制，能够把引起泡沫或崩盘的“羊群效应”或者市场恐慌等事件放大观察。用数学术语讲，这一模型是“非线性的”，表示“因与果之间是不成比例的”。

　　（45）纳米发电机：来自于人的电力

　　据英国《科学》杂志报道，今年8月，美国佐治亚理工学院王中林领导的团队研究出了一种微型“纳米发电机”。这种发电机可植入体内，从心脏跳动获得能量，向动物活体内植入的传感器提供电能，为体内低血糖等多种疾病状况进行早期预警。王中林们建造了一台柔韧性微型发电机，可将动物活体的呼吸或心跳等行为转变成为电能。目前，他们已成功地将“纳米发电机”植入实验老鼠体内，并从老鼠的心脏跳动中获得电流。

　　光和物质

　　未来诺贝尔奖获得者将会给人们带来什么新鲜的物质呢？怎样让光来执行我们的命令？电子脑缺失的一环是什么？为什么太赫兹辐射是新的X射线？

　　（46）转换光学：光接触

　　今年3月份，德国科学家在《科学》杂志上撰文指出，他们研制出一种通过弯曲光线来隐藏物体的三维“隐形斗篷”。转换光学通常使用一种“超材料”来引导和控制光束。转换光学领域曾出现过各种与光学设备有关的提议，如波束集中器、波束移位器以及可将来自多个方向的光集中于一点的超级天线等等。很难说转换光学未来还会给人们带来多大的惊喜，但是转换光学绝对是个范围广、充满无限可能的领域。

　　（47）电子黏土：重塑任何形体或生物    

　　“电子黏土”（又叫可编程物质）是一个研究项目的名称。2002年，它在美国科学家塞特·格尔德斯坦和多德·莫里的脑海里酝酿而生。该项目的目标是创造出一种可以人工控制，任意改变其形状、颜色、大小及其他一切特征的电子材料。这种听命于程序的“橡皮泥”由沙粒般大小的球体—电子黏土原子（catoms）构成。这些电子黏土原子可以移动，互相黏连，还可以披上和所要模拟的物体一样的颜色。用几千个这样的微型机器人，就可以搭成一个茶几。这两位科学家还想到另一种用途：一种可随身携带的万能球，在将来，给电子黏土原子配备微型充电电池，使其更为便携。现在，科学家已经开始探索塑造一个和布沙发一样舒适的电子黏土沙发。

　　（48）忆阻器：人工大脑缺失的一环

　　忆阻器被认为是电路的第四种基本元件，仅次于电阻器、电容器及电感元件。忆阻器可以记忆流经它的电荷数量，即使关闭电源也不会受到影响。2008年，惠普实验组的组长斯坦·威廉姆斯宣布，他们制造了一个忆阻器，这个忆阻器采用一个二氧化硅掺杂纳米线的形式，以增加其导电性。惠普公司今年的最新研究表明，忆阻器不仅可在断电状态下保持信息，还可以用于计算。这意味着忆阻器可以集中央处理器（CPU）和内存功能于一身，这将彻底颠覆现在的计算机体系结构。CPU从内存中读取数据进行计算，然后把结果存回到内存这种模式将被淘汰，因为忆阻器即可独立完成这一切。

　　（49）石墨烯：竭尽全力迈向未来

　　今年10月，英国曼彻斯特大学安德烈·盖姆和康斯坦丁·诺沃肖洛夫因在石墨烯方面的卓越研究而分享了诺贝尔物理学奖，从而使石墨烯在量子计算、生物计算、光计算、碳纳米管等硅替代者中，脱颖而出。石墨烯不仅是最薄且导热性能最好的材料，而且电特性更为出众，它也是制造高速晶体管的希望所在。石墨烯还是透光性很好的材料。据《技术评论》报道，韩国三星已经研发出柔性可弯曲的石墨烯触摸显示屏。今年2月6日，IBM宣布研制出100GHz石墨烯晶体管。这项研究成果使石墨烯在成为硅的继承者的道路上迈出了实质性一步。

　　（50）太赫兹辐射：X射线的继任者

　　相对于X射线，太赫兹辐射也被称为T射线，属远红外线范畴。对这一频率范围内电磁波的研究具有广泛的科学内涵和应用前景，可以应用于遥测、显像与通讯领域。另外，不少人对X光检查心存芥蒂，X射线对身体的确有负面影响。同样能够为人体做透视检查的T射线能够穿透衣物、包装，并进入人体皮肤几毫米。但由于其频率介于电磁波频谱中微波和红外线之间，不会诱发癌症，是医疗检测中更理想的射线。（完）