超级技术：改变未来社会和商业的技术趋势(txt+pdf+epub+mobi电子书下载)

作者：（美）梅琳达·盖茨等

出版社：中信出版社

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超级技术：改变未来社会和商业的技术趋势试读：

本书旨在从较长的时间维度来思考技术的发展。我们把目光锁定在2050年，是为了找到这段时间内有可能改变世界的基本动力。本系列的第一本——《大转变：2050年的世界》（Megachange: The World in 2050）于2012年出版，对全球的人口、宗教、经济和文化的发展进行了预测。本书仅关注一点——技术，但是超级技术的范围很广泛，几乎会给所有一切带来影响。

显然，我们无法肯定2050年的技术将会是什么样，就像30年前，没人可以预测到今天的苹果、亚马逊、脸谱网和谷歌，但进行有根据的预测还是很有趣、很有意义的。本书汇集了各个领域专家的观点，囊括了科学家、企业家、学者、科幻作家以及《经济学人》杂志的记者等，大家对于未来几十年技术将怎样演变和影响我们做出了预测。工具和平台

本书从基础开始，第一部分的前六章，讨论了未来技术的一些基本问题，以及技术变革的驱动力和限制。我们应如何着手研究未来的发展？科学，特别是物理学和生物学将取得哪些进展？技术的发展将会遇到哪些瓶颈？投资者如何看待新技术，目前他们正把资金投到哪些领域？技术的变革是否会像大家预测的那样迅猛，抑或逊色于20世纪的技术革命？

为了更好地预测未来的技术，最好是找到相关工具。汤姆·斯丹迪奇为我们提供了一些这样的工具，他建议我们到过去的发展模式、现有的“边界案例”，以及科幻作家的“想象中的未来”里寻找线索。然后，他把这些工具在四个很有前景的领域进行测试：虚拟现实、自动驾驶、私人太空旅行以及基因工程。这些案例表明我们将迎来一个技术的孕育期（两位科幻作家称这个即将到来的变革时代为“加速带”），这将与17世纪中期的科学革命遥相呼应。

科学领域的进步让“加速带”看起来是可行的。弗朗克·韦尔切克在其对基础物理学的精湛概述（很多读者会觉得相见恨晚，如果大学里面有如此清晰的解释就好了）中，给出了一个惊人的论断：

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

因此，计算可以越来越多地取代技术开发中的实验，从而实现更快的进步。这让我们“有更多的机会为人类服务”，同时“为我们取得更高水平的物质文明和精神文明带来了令人振奋的前景”。但是，它也为我们呈现了一些可怕的错误（或“失败模式”）。其中，最令人担忧的三种是：核战争、生态崩溃，以及人工智能战争。

如果说物理学已经成熟到可以进行创新，那么生物学就是刚刚升起的太阳。罗伯特·卡尔森预测，到2050年之前的几十年中，我们将会研究生命科学中各个部分和各个系统是如何协调工作的。在未来一段时间可能会出现的一些技术，包括人的大脑连接互联网、身体各个部件以旧换新，都可能带来伦理方面的问题。同时，整个行业（从食品到制药）都将因为生物工程而转变，因为它将成为一个“制造任何我们在大自然中看到的物体”的平台，以及其他更多的可能。

生物技术的巨大潜力的背后是DNA（脱氧核糖核酸）测序能力的超指数增长。10年前，《经济学人》把这种效率的飙升称为“卡尔森曲线”，类似于大家熟知的芯片行业驱动数字技术发展的“摩尔定律”。其实，摩尔定律的效用正在消失。这是否意味着对于计算能力的巨大需求（本书中提及的很多有趣的事情都需要运用计算能力）将来会受制于物理极限呢？在蒂姆·克罗斯看来，答案很简单：也许不会。其他技术将弥补摩尔定律的失效。没有摩尔定律这个“主节拍器”，进步可能不会那么规律和可预测，但是结合3D芯片、量子计算以及云计算，计算革命将继续下去。

根据近几十年的经验来看，信息技术总以技术“浪潮”的形式出现。从20世纪50年代起，大概经历了六波这样的浪潮，从早期的大型主机到现在的智能设备以及物联网。在每一波浪潮中，都会涌现一堆公司，但只有很少的公司能够顺利到达彼岸。每一波浪潮都会吸取上一波浪潮的力量，长江后浪推前浪。硅谷的投资者已经站在了最新的第七波浪潮上，目前还处于形成阶段：人工智能。早期的风险投资家在2010年左右就开始投资人工智能，目前，有数十亿美元正砸向人工智能软件工具和应用公司。安·温布莱德认为“第七波浪潮中，一个快速的、良性的、互相竞争的创新循环为第七波浪潮的形成带来了无形的动力”，我们将在未来几十年内感受到这种力量。

人工智能以及其他新技术的影响到底会有多大呢？包括美国经济学家罗伯特·戈登在内的一些人认为，数字革命虽然影响深刻，但是与19世纪下半叶伟大的工业革命相比，它带来的潜在变革还是相对有限的。电力、汽车、室内下水管道和现代医学推动了生产力长达一个多世纪的快速增长，尽管今天互联网、智能手机、移动应用以及机器人的应用很广泛，生产力及人们的收入增长速度却让人失望。这些技术增加的只是社会的不平等和愤怒，但是正如瑞安·埃文特阐述的那样，对于未来几十年，我们还是有充足的理由更加乐观些。学会如何充分利用新技术需要一定的时间，对于当时的电气化也是如此（事实上，到目前为止，信息技术时代的劳动生产率增长模式与电气化时代基本一致）。与以前技术驱动的经济增长相比，未来的进步将以现在很难想象的方式出现。这并不是说未来的快速变革会很容易应对，相反，它会很困难并且带有破坏性，本书后面的章节将更深入地分析这个问题。工业革命

在第二部分，我们首先将分析技术为不同的关键行业带来的变革。在这些行业中，农业是最重要的。到2050年，如何养活地球上近100亿的人口？杰弗里·凯尔认为，消费者也许能够接受各种即将到来的食品生产技术。这些技术，包括对植物进行精确的基因编辑，能够让农作物进行涡轮增压光合作用（turbo-boost photosynthesis），从而生长得更快，极大地提高产量。城市渔场能够把海洋引到内陆，会让鱼成为动物蛋白的主要来源。除非被大规模生产的动物产品取代，牛排、牛奶、无壳鸡蛋等产品，可以直接从细胞进行培育，不需要真正的动物。

如果我们不需为饥饿担心，那么就应该考虑让大家的生活更健康一些。过去，医疗保健行业采用新技术的速度相对较慢，如今变化节奏正在加快。搅局者将来自多个领域，包括人工智能、大数据、更廉价的基因组测序。医疗保健行业将迎来非凡的改变：新的应用程序以及更加复杂的人工智能工具将完成以前医生的工作；针对特定分子或细胞的“靶向治疗”将主导药物的开发；全新的子行业将出现，如再生医疗以及与数据聚合相关的领域。基安里科·法鲁吉亚指出，有一点很关键，那就是这些变革将带来似曾相识的结果：医疗行业将和其他行业一样，把患者视为客户。

能源行业的未来可能就没有这么明晰了，我们将逐渐减少使用造成气候变化的燃料。安妮·舒卡特预计，在未来几十年，化石燃料的使用量将大幅减少，可再生能源会迅速崛起，特别是太阳能和风能，其成本正在不断下降。电池技术的巨大进步也将带来帮助：家用以及商用的“分布式”能源存储技术将逐渐推广。过去大家都担心会出现能源短缺，但随着可再生能源的兴起，以及使用“压裂法”开采到更多的石油和天然气，未来的能源将十分丰富。

新材料的使用也将有助于大幅提高制造业的能源使用效率。正如保罗·麦基里指出的那样，从宝马i3电动汽车由碳纤维“编织”而成，可以看到未来的一些端倪：与传统工艺及材料相比，i3的生产过程节省了50%的能源以及70%的水。这只是材料科学革命的一部分，除了碳纤维，还有诸如具有记忆功能和自我组装功能的“智能”材料，以及通过分子级操作创造特定物质，甚至改变物质对光、电、水、热的反应。新材料也有助于叠加制造的普及，也就是大家熟知的3D打印。随着材料以及工艺成为企业的核心竞争力，很多曾经流向海外的制造业将会回流美国，以便更加靠近用户。

新材料也将应用于军事工业，如为士兵提供更为轻便、更加灵活的盔甲。其他技术，包括激光枪和军用机器人也将投入战场。在防御系统制造方面，美国仍引领全球，但是其潜在的对手正在奋起直追。本杰明·萨瑟兰认为，到21世纪中期，西方世界在精确武器方面的垄断地位将被打破。西方还保存的一个希望是文化优势：思想自由也许能让他们的士兵更加有效地使用智能设备来发挥其聪明才智。

其实，这些技术的影响极为深远。利奥·米拉尼预测，他们给人类行为带来的影响可能将超过智能手机和网络。他的笔下描述了一个这样的2050年世界：虚拟现实眼镜取代了智能手机，在与说外语的人交流时它会同步进行翻译，你将不会忘记任何人的名字，因为当你与别人交谈时，所有你知道的关于这个人的信息都会自动显现。他认为技术将越来越接近我们的身体，甚至进入我们的身体。当这一切发生后，人们将更加关心那些从我们身上收集的大量数据，以及收集这些数据的公司将如何使用它们。社会变革

目前来看，即将出现的各种技术对社会和政策的影响显然是巨大的。这是本书第三部分关注的内容，首先，我们看看史蒂芬·霍金和埃隆·马斯克担忧的领域：人工智能。超级智能机器会对人类的生存造成威胁吗？卢西亚诺·弗洛里迪认为机器并不是问题所在，人类为这些机器创造的环境有可能是症结所在。

虽然存在一些困难，但还是有很大的进步空间。肯尼思·库克耶指出，在一个数据驱动的世界里，目前难以做到的事情将会变得更加容易，昂贵的东西将变得更加便宜，稀缺的事物将变得更加丰富。因此，医生可以使用大数据系统来做诊断，老师将使用数据来针对每个学生因材施教，律师能够更快、更低成本地找到相关的证据和判例。虽然这些以及其他职业不会被技术消灭（我们甚至可能会需要更多的医生、老师和律师），但是人们需要改变自己的工作方法、学习新的技能。

即将到来的数字革命会给发达国家带来剧变，但这并不是技术引起剧变的唯一方式，它给贫困国家带来的变化有过之而无不及。在梅琳达·盖茨想象的世界里，每个妇女都有一部智能手机。这将给包括医疗保健、农业、银行业等带来变革，到2050年，肯定可以实现。

这是技术减少世界不平等的一个例子。阿德里安·伍尔德里奇列举了最近一些导致不平等加剧的例子，将来，技术也许能扭转这种情况。例如，技术能帮助我们发现和挑选更有才能的年轻人，而不管其社会背景，给那些原本可能一生默默无闻的人一个发光的机会。无论是在教育领域，还是在健康领域，无论是打击腐败，还是维持社会安定，技术都会为决策者提供强有力的工具。

即将到来的破坏性是如此之大，人们越来越担心这对于工作来说意味着什么。机器是将导致工作“空心化”，还是会创造就业岗位？新的工作岗位能否快速提供给失去工作的人？琳达·格拉顿提出了企业家和决策者在面对未来工作不确定的情况下需要考虑的一些问题，并得出一个结论——企业取得成功的关键都是具有适应能力。这就意味着在设计职业阶梯时需要创造性，在培养人才时需要想象力，在进行培训时需要灵活性，并用一种新的态度面对机器伙伴：“工人和他们的机器人同事一起合作将取得怎样伟大的成就呢？”

还记得汤姆·斯丹迪奇提到想象力（以科幻作品的形式）是展望技术未来的工具之一吗？在本书中也包含了一些“想象中的未来”，我邀请两位科幻作家撰写了两篇以2050年为背景的短篇故事。阿拉斯泰尔·雷诺兹和南希·克雷斯写得非常精彩，把技术融入生活，同时提出了一些相关的道德问题，让人感觉非常真实。充满风险的超级技术

贯穿本书的三条主线，从开始到结束一直交织在一起。第一条反映了本书的主题：超大的感觉。到2050年，技术给我们带来的可能性是巨大的。我们很难不为即将取得如此巨大的成就而感到兴奋。这是一个充满诱人前景的世界：更快、更好、更便宜的服务；能够在更广的范围、更平等地使用这些服务；食物更丰富、能源更清洁、交通更安全；人们更加健康，也有更多的机会。

但就像奥利弗·莫顿在最后一章的深刻总结那样，还是有可能出现很多问题，可能会带来很多人们预想不到的后果，技术的力量可能会被滥用或带来破坏。保持对前方潜在风险的谨慎是本书的第二条主线：超级技术可能变成破坏性的技术（negatech）。弗兰克·韦尔切克提出了“失败模式”的警告，其他人也提到了一些决策者必须考虑的、技术可能带来的问题，每个行业都将面临动乱：各个工作岗位以及以此为生的人都将受到威胁。卢西亚诺·弗洛里迪一针见血地指出了变革的节奏：

农业革命用了上千年的时间来完成其对社会的全面影响，工业革命也经历了几个世纪，但是数字革命仅仅用了几十年。这也难怪我们会感到困难和措手不及。

变革加速充满了挑战和机遇。

与超大的感觉、风险交织在一起的是本书的第三个主题：一个经常被人们提及的观点——未来与我们每个人都是息息相关的。科学家、极客、企业家们的创新只是影响技术的一部分。2050年将如何，还取决于政府的决策、公司的战略以及个人的选择，充分利用超级技术取决于每一个人。第一部分基础第1章 预测未来的水晶球如果要窥探技术的未来，可以从三个方面着手：过去、现在，以及科幻小说中的未来世界。

新的网络通信技术给远程交流带来了革命，使之变得前所未有的廉价和方便，同时也得到了商业世界的热情拥抱，引发了一轮投机泡沫。对于新技术，支持者极力吹捧，反对者则大肆鞭挞。它带来了新的商业模式，也带来了新的犯罪方法。政府极力阻止人们使用加密技术，要求有权掌握所有信息。人们在网上结交朋友、谈情说爱。有人说，新技术将会给世界带来和平，因为沟通能够消除隔阂、团结所有人。这听起来像是20世纪90年代互联网的故事，实际上，却是19世纪中期电报的故事，被人们称为“思想大道”。

当前的技术和150年以前的两种技术有着惊人的相似之处——都起源于娱乐，又都具有实用性。以史为鉴是我们预测未来的三种工具之一，或者至少让我们的猜测更加有的放矢。历史之镜

通过这种横跨几年、几十年甚至几个世纪的历史对比，我们有可能预测新技术会给社会和文化带来的影响，更加全面、理性地看待各种炒作和质疑，为预测技术发展走向提供线索，并提醒我们，人类对新技术的各种指责往往源于自身的天性。例如，现在被我们称为“网络犯罪”的技术，在拿破仑时代的机械电报网络中就出现了。一个执法部门的官员这样说：“众所周知，没有哪个群体能够比罪犯更快地用最新的技术来武装自己。”这样的话听起来就像现在说的一样，实际上，却是出自1888年一位芝加哥警察之口。

当然，这样的对比并不是完美的，历史从来不会重复自己。这种对比虽然不完美，但并不妨碍其为我们提供足够的信息。仔细观察，我们会发现技术的发展，无论是在较短还是在较长的时间尺度上，都有很多重复的模式。

人们经常担心新发明会侵犯他们的隐私。19世纪80年代，第一台柯达相机引发了人们对于被偷拍的恐慌，这与2013年谷歌眼镜带来的争议何其相似。18世纪90年代的小说，20世纪前10年的电影、50年代的漫画书、90年代的视频游戏，都曾被指责会腐蚀年轻人的思想道德。从19世纪的卢德主义者到现代机器人带来的大规模失业，关于新机器抢夺人类工作岗位的恐惧已经持续了几个世纪。人们同样担心有些新技术能让人类成为上帝，如核武器、基因工程、人工智能等。这些都是现代版的普罗米修斯神话——人类是否值得拥有火种。无论这种担心是否值得，充分了解历史上人们对新技术的反应，能够让未来学家、企业家和发明家评估新产品能否被人类接受。明天重复今天

前面说了这么多历史，第二个瞥见未来的方法就是审视现在。正如科幻小说作家威廉·吉布森所说，“未来已经到来，只是还分布不均”。技术有着异乎寻常的孕育期，有时它们好像是一夜之间涌现出来的，实际上并不是这样。所以如果你能瞄准正确的地方，就能在今天看到明天的技术。这种方法通常被记者和企业人类学家（corporate anthropologist）用来了解新趋势。这种方法可以用来寻找“边界案例”（edge cases）：已经被个别群体或者个别国家采用的技术和方法，并没有在全世界大规模普及。边界案例的一个典型例子就是在世纪之交，智能手机在日本的出现。

2001年左右，带摄像头和彩色屏幕的手机在日本已经司空见惯。这些手机可以显示有行走路线的地图，用户能够下载电子书、游戏和其他应用程序。记者和分析家蜂拥到日本实地考察这种手机。每当日本人到欧洲和美国展会展示他们的手机时，它们都被视为是从时空裂缝中掉出来的、来自未来的物品。日本之所以提前到达未来，是因为其电信业的独立性和专有性，其国内市场足够大，允许其技术公司能够尝试新技术，而不用担心与其他国家系统的兼容性。这比欧美消费者能够买到同样功能的手机早了几年。有一段时间，《连线》杂志开辟了一个“日本女学生观察”的专栏，专门预测日本女学生（早期智能手机最忠实的用户）今天使用的哪些东西，明天会让其他人纷纷效仿。

边界案例也可能发生在意想不到的地方。例如，肯尼亚长期以来在使用移动货币方面引领世界，人们可以把资金从一部手机实时转到另一部手机，就像发短信一样简单。很多年以前在内罗毕，你就可以用手机支付出租车车费，在纽约却不行。移动货币在肯尼亚的兴起，部分是因为肯尼亚银行基础设施匮乏，从而提供了一个没有历史包袱的零起点。在这个国家，大多数人没有银行账号，来自银行支付系统的竞争压力很小。政治因素也起到了一定作用：2007—2008年选举后的政治动荡期间，移动货币兴起，并被人们视为一种更安全的银行替代物，因为银行往往深陷于种族争端。

有时是一群拥有共同兴趣的人，而不是某个特定地区的人，会作为先锋尝试使用新技术。这个方面最突出的例子就是技术团体：极客们是新技术的最早使用者，从电子邮件到优步。他们也在其他更广泛的领域充当先锋。例如，技术人员引领了穿戴设备的潮流，所谓“量化自我”（quantified self）运动，就是对自身的健康状况和健身活动进行严格的监测，开始只是技术发烧友的小众行为，后来却吸引了大批其他追随者。

安德森·霍罗威茨公司的风险投资家克里斯·迪克森说，他经常会看看某项新技术或者方法是否会在红迪网（Reddit，一个在线电子公告栏网站）上流行。如果会，说明其已经得到了人们的关注。例如，越来越多的技术人员开始对新型食品技术感兴趣，从全营养代餐（不需烹饪，只要摇一摇）到替代咖啡的咖啡因糖。现在就判断这类东西能否更流行，还为时过早。

诚然，就像历史对比法并不完美一样，寻找边界案例也可能存在风险。一些技术从未能流行，一些却以一种意想不到的方式流行起来。例如，在西方，智能手机开始是跟随日本的轨迹，但随着iPhone以及其他触摸屏设备的出现，来了一个大转弯。但不可否认的是，所有最终崛起的技术都要经历一个地下发展的时期，仅限于某个特定人群，并不是凭空而来的。寻找这些边界案例，识别这些新兴的技术和方法，更像是艺术，而不是科学。掌握趋势是很难的，但这是无数咨询家和未来学家的拿手好戏，更不用说那些在不停地寻找新想法和新趋势的科技记者。从科幻小说中发现未来

第三个可以瞥见未来的地方在科幻故事的想象世界中，包括图书、电视、电影等各种形式。科幻故事经常会有各种有趣的想法，并且用逻辑推理得出一些结论。如果我们能制造通用机器人或者太空电梯会怎样？如果纳米技术或者生物技术不可控了，或者基因工程技术变得如同文身一样普遍，又将发生什么？这些未来的故事为我们提供了一种观察未来世界的视角，在这个世界里，人工智能无处不在，抗衰老医疗技术延长了人类的寿命，在火星以及太阳系其他地方建立了殖民地，或者人类分裂成多个后人类（post-human）部落。很难描绘未来世界会发生什么，埃隆·马斯克将其称为未来的“分支概率流”（branching probability streams）。

但科幻小说并不是纯粹的猜测，它还可以激发技术人员创新的灵感。你在路边随便找一些技术人员，就能发现一个科幻迷。例如，20世纪90年代的翻盖手机似乎就受到了60年代《星际迷航》中的便携式通信设备的启发。最近，同样来自《星际迷航》、与电脑进行语音交流的想法，激发了从亚马逊的Echo开始的一大波新的计算机设备浪潮，这些设备使用语音作为主要的交互接口，能永远在线并解放人们的双手。几代计算机科学家都是看着艾萨克·阿西莫夫的机器人故事长大的，如今包括马斯克在内的许多企业家，都说曾受到伊恩·班克斯的《文明》（Culture）的启发。如同《星际迷航》一行，这些小说描绘了一个后匮乏文明（post-scarcity civilisation），在这个社会中人类与人工智能共同生活和工作。

虽然很多时候科幻小说都在谈论未来，但目的是针砭时弊，反映现实中大家关心的问题，例如，对机器的过度依赖、对环境破坏的担忧等。通过科幻小说中描绘的各种可能性，可以让你更加思维发散地来畅想未来的技术和社会。科幻小说也在无意识中带来限制，因为其描绘的技术发展形式已经被广泛地接受和讨论。以机器人为例，现实中与科幻作品中就非常不一样，如果一味地模仿科幻作品中的形象，将可能导致机器人专家走岔路。所以应该看看20世纪中期的经典科幻作品有哪些预测错了、为什么错了，这有助于我们了解现在的哪些预测是错误的。实战

现在我们有了三个勾画未来的工具：分别从过去、现在以及将来的技术中汲取经验。下面就让我们应用这些工具在四个正在发生的例子上一试身手。每个例子都是本章写作时刚出现的技术，不过都没有得到时间的检验。换句话说，它们都是边界案例。通过对比历史上、当前趋势中以及科幻想象中的技术，我们可以看看它们的前景如何（在后续章节中，我们将更深入地讨论某些例子，这里的目的仅仅是实战应用一下我们的预测工具）。虚拟现实

在20世纪90年代，虚拟现实技术曾遭遇失败。当时，技术上还不足够成熟。2016年，虚拟现实又重返舞台，多家公司发布了高端的头戴设备，这些设备使用强大的个人计算机或者游戏机驱动，让穿戴者进入一个三维的、能够替代现实的世界。同时，出现了一些更廉价的技术，这些技术把智能手机与头戴设备适配器结合在一起使用。

现实如何呢？有一个很明显的趋势就是从个人计算机转向智能手机，智能手机正在变成最重要的设备。这样看来，基于个人计算机和游戏终端的虚拟现实设备将只是一个过渡阶段，基于智能手机的设备才是虚拟现实的未来（有些人可能会愿意为高端虚拟现实系统买单，就像他们愿意购买高级音响设备一样，但大部分人不会）。目前基于智能手机的头戴设备还比较笨拙，就像早期的手机一样，但在几年之内，这种头戴设备能变得足够小巧，人们可以日常携带，就像太阳镜或者耳机一样，这样你就可以用虚拟现实设备来看电影、玩游戏或者在火车上参加虚拟会议。

关于未来，技术圈以及科幻作家们普遍认为增强现实将是触摸屏之后，人机交互的又一大进步，增强现实能够把虚拟现实图像与现实世界进行叠加。在科幻作品中，经常有这种将图像叠加到现实的场景，通常用智能隐形眼镜或者脑部植入技术来实现。但历史上的经验教训告诉我们：虚拟现实和增强现实几乎肯定会引发人们对其影响儿童道德的恐慌，就像以前的电影和电子游戏一样。不过技术拥趸可以通过验证研究（commissioning research）的方式解决这个问题，这些研究可以消除猜测，强调这些技术除了在娱乐、沟通和协作方面具有潜力之外，还能用于教育和医学等领域。自动驾驶汽车

能够自动驾驶（至少有些时候能够自动驾驶）的汽车正在路上向我们驶来。关于自动驾驶目前有两种互相竞争的方案：在现有的汽车上增加自动驾驶功能，为司机提供协助；制造一种全新的汽车，只有自动驾驶功能，这种车可以在市中心作为出租车使用，人们可以使用打车软件召唤车辆。自动驾驶的卡车也正在研发中。

在一个多世纪以前发明汽车的时候，人们忧心忡忡：安全隐患、监管不确定、事故中的责任鉴定、新技术将剥夺工作的担忧等。汽车取代了以马车为基础的交通设施以及相关的工作岗位，但它也为工厂、司机、路边服务站、餐馆以及旅店的工人创造了新的工作机会，并且交通的便利带来了商业的繁荣。换到自动驾驶汽车，卡车和出租车司机的担心有相似的位错效应（dislocating effect），但从长远来看还是有利的。

数学模型显示，共享的自动驾驶出租车可以为一个城市减少大约90%的车辆。大多数人都不再需要自己的汽车，停车浪费的空间（占美国一些城市面积的20%）可用于住房或公园。同时，自动驾驶汽车可以用电力驱动，这样可以减少汽车尾气的排放。通过降低快递成本，自动驾驶的快递车可以极大地扩大对本地产品（如食品）的需求。在发展中国家，数十亿人可能会放弃购买汽车，交通事故及其造成的伤亡事件将急剧下降。就像在20世纪汽车重塑了城市面貌一样，历史经验和当前趋势都表明自动驾驶技术将在21世纪完成同样的使命。

不过科幻作品在预测自动驾驶技术这方面做得不够好，在科幻作品中为了叙述生动，汽车由人类来驾驶会显得更加刺激，这在将来很可能会成为例外，而不会一成不变。私人太空旅行

近年来，空间技术的最大进步不是由政府机构取得的，而是私人公司，特别是埃隆·马斯克创办的太空探索技术公司（SpaceX）。它开创了可重复使用的火箭技术，成功地将猎鹰9号火箭的第一级降落在陆地着陆台以及远洋无人机驳船上。这是一个重要的里程碑，因为火箭的第一级占到其总成本的70%左右，通常都是在发射之后掉到大海里。回收和重复利用火箭的第一级可以大大降低发射成本，从而降低人们通往太空的成本。亚马逊公司的老板杰夫·贝佐斯创建了另外一家与SpaceX竞争的公司——蓝色起源（Blue Origin），主要面向小型的、亚轨道火箭的发射和重复使用。SpaceX公司的火箭目前主要用于将火箭发射到轨道上，并将货物运送到国际空间站，但是马斯克的野心昭然若揭：在火星上建立殖民地，如果地球被灾难摧毁了，那里将成为人类的绿色方舟。

殖民太阳系在科幻作品中是老生常谈，这些作品详细讨论了在火星建立人类殖民地的复杂性，殖民地内部以及地球与火星之间可能产生的政治冲突，甚至已经开始讨论应该在火星以及其他殖民地采用哪种政治和法律体系。另外，对照历史也能为我们提供更多的信息。

一个明显的类比就是英国移民在美国建立殖民地，以及后来他们争取美国独立。还有一些其他的类比也值得探讨，例如，在南极和北极探险的时代，私人探险队一般都比政府资助的探险队更加成功，并有更高的生存率。淘金热的历史可以用来类比计划中的小行星采矿计划。其实，最引人注目的也许是与航空发展史的类比。

20世纪初，比空气更重的飞行器被人们认为是不可行的。当其被证明可行后，又被人们认为是危险的。从20世纪30年代开始，航空才发展成为一个行业，最初只为富人服务。到20世纪末，乘飞机旅行并不是什么大不了的事，普通大众都已经能负担得起。基于现在的发展速度，可以很合理地假设，在21世纪，太空旅行将按照类似的轨迹发展，从被视为疯狂到司空见惯。我们的后代在回顾21世纪的前20年时会发现，经过了在冷战时期太空竞赛的“假兴起”之后，这是太空飞行真正起飞的时代。人类基因工程

一组被称为CRISPR（基因编辑）的技术在科学圈内外引起了轰动。本质上，CRISPR就是在基因层面实现了文字编辑器的“查找和替换”功能：相对于以前的技术，它能够以更高的精度进行基因序列的定位和编辑，具有巨大的医疗潜力。例如，可以去除胚胎中引起遗传性疾病的基因，这样人们就不会把疾病遗传给他们的后代。但基因治疗很容易演变为基因微调（genetic tweaking）技术（为了更好的视力、更高的智商等），让“定制婴儿”成为可能。关于如何更好地监管这种技术的激烈辩论正在进行中。

科幻作家已经考虑到了更为长远的可能。如果有返老还童的技术能够让人活上几百岁，那么这会不会变成富人的专利？是否允许人们改造他们的身体，安装上翅膀、鳃或者鳍？与其改造其他星球来让人类生存，是不是改造人类自身让其适应各种不同的环境更有意义？在科幻作品中常见的场景是人类分裂成多个不同的后人类物种。有些人可能想把他们的大脑移植到机器人的身体中，其他人可能更倾向于通过改造自己的身体，从而具有非人类的功能。

在短期内，关于遗传治疗技术的讨论可能会与历史上关于扩大疫苗以及治疗艾滋病的讨论遥相呼应。关于基因自我修改（genetic self-modification）及其扩展到人类是否对自己的身体拥有自主权的讨论，可以看作当前关于医生是否可以协助病人安乐死讨论的延续。在过去的一个世纪里，人权在很多地方得到了扩张，它可能成为下个世纪论战的一部分。未来在加速前进？

上面只是利用当前趋势、历史案例以及科幻作品预测出来的在未来几十年有巨大进步潜力的四个领域及其相关争论。把这些放在一起可以与17世纪中叶的科学革命进行更广泛的对比。那个时代同时涌现了一批以显微镜与望远镜为代表的新工具和技术，以及新的科学和数学方法。自然哲学家（“科学家”这个词是19世纪才出现的）意识到他们在很多领域都是那么无知，从物理到生物，从而造就了一个探索和发明的丰收期。

科学和技术的当前状态在很多方面都有类似的感觉，例如，很显然现在人们对于基因和人工智能原理的理解还处于起步阶段，需要几十年的工作来进一步探索。就像17世纪数学理论的进步在很多领域给科学家带来帮助一样，今天信息处理技术也是如此，如大数据技术和机器学习系统等。

以前互相没有交集的领域也有很大的交叉发展的潜力。例如，基因技术让生物学和医学与信息科学进行融合。目前，跨界研究快速发展，并且是双向发展的，一方面是神经科学与脑结构，另一方面是计算机科学与人工神经网络。

这种快速发展在某些方面是前所未有的，但在另外一些方面又感觉似曾相识。我们有很多新的领域需要探索，并且需要开发探索这些领域的新工具。两位科幻作家——金·斯坦利·罗宾逊和查尔斯·斯特罗斯在他们构想的21世纪未来中把新兴的科学革命称为“加速带”。

当然，人们不可能精准地预测未来将怎样发展。如果你从正确的领域开始观察，还是有可能做出一些有根据的猜测的。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

试读结束[说明：试读内容隐藏了图片]

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