时间：2023-11-19 16:10:21
开篇：写作不仅是一种记录，更是一种创造，它让我们能够捕捉那些稍纵即逝的灵感，将它们永久地定格在纸上。下面是小编精心整理的12篇量子力学最新研究，希望这些内容能成为您创作过程中的良师益友，陪伴您不断探索和进步。
关键词：量子力学；教学探索；普通高校
中图分类号：G642.0 文献标志码：A 文章编号：1674-9324（2013）50-0212-02
一、概论
量子力学从建立伊始就得到了迅速的发展，并很快融合其他学科，发展建立了量子化学、分子生物学等众多新兴学科。曾谨言曾说过，量子力学的进一步发展，也许会对21世纪人类的物质文明有更深远的影响[1]。
地处西部地区的贵州省，基础教育水平相对落后。表1列出了2005年到2012年来的贵州省高考二本理科录取分数线，从中可知：自2009年起二本线已经低于60%的及格线，并呈显越来越低的趋势。对于地方性新升本的普通本科学校来讲，其生源质量相对较低。同时，在物理学（师范）专业大部分学生毕业后的出路主要是中学教师、事业单位一般工作人员及公务员，对量子力学的直接需求并不急切。再加上量子力学的“曲高和寡”，学生长期以来形成学之无用的观念，学习意愿很低。在课时安排上，随着近年教育改革的推进，提倡重视实习实践课程、注重学生能力培养的观念的深入，各门课程的教学时数被压缩，量子力学课程课时从72压缩至54学时，课时被压缩25%。
总之，在学校生源质量逐年下降、学生学习意愿逐年降低，且课时量大幅减少的情况下，教师的教学难度进一步增大。以下本人结合从2005至10级《量子力学》的教学经验，谈一下教学方面的思考。
二、依据学生情况，合理安排教学内容
1.根据班级的基础区别化对待，微调课程内容。考虑到我校学生的实际情况和需要，教学难度应与重点院校学生有差别。同时，通过前一届的教学积累经验，对后续教学应有小的调整。在备课时，通过微调教学内容来适应学习基础和能力不同的学生。比如，通过课堂教学及作业的反馈，了解该班学生的学习状态，再根据班级学习状况的不同，进行后续课程内容的微调。教学中注重量子力学基本概念、规律和物理思想的展开，降低教学内容的深度，注重面上的扩展，进行全方位拓宽、覆盖，特别是降低困难题目在解题方面要求，帮助学生克服学习的畏难心理。
2.照顾班内大多数，适当降低数学推导难度。对于教学过程中将要碰到的数学问题，可采取提前布置作业的方法，让学生主动去复习，再辅以教师课堂讲解复习，以解决学生因为数学基础差而造成的理解困难。同时，可以通过补充相关数学知识，细化推导过程，降低推导难度来解决。比如：在讲解态和力学量的表象时[2]，要求学生提前复习线性代数中矩阵特征值、特征向量求解及特征向量的斯密特正交化方法。使学生掌握相关的数学知识，这对理解算符本征方程的本征值和本征函数起了很大的推动作用。
3.注重量子论思想的培养。量子论的出现，推动了哲学的发展，给传统的时空观、物质观等带来了巨大的冲击，旧的世界观在它革命性的冲击下分崩离析，新的世界观逐渐形成。量子力学给出了一套全新的思维模式和解决问题的方法，它的思维模式跟人们的直觉和常识格格不入，一切不再连续变化，而是以“量子”的模式一份一份的增加或减少。地方高校的学生数学基础较差，不愿意动手推导，学习兴趣较低，量子力学的教学，对学生量子论思维方式的培养就显得尤为重要。为了完成从经典理论到量子理论思维模式的转变，概念的思维方式是基础、是重中之重。通过教师的讲解，使学生理解量子力学的思考方式，并把经典物理中机械唯物主义的绝对的观念和量子力学中的概率的观念相联系起来，在生活中能够利用量子力学的思维方式思考问题，从而达到学以致用的目的。
4.跟踪科学前沿，随时更新科研进展。科学是不断向前发展的，而教材自从编好之后多年不再变化，致使本领域的最新研究成果，不能在教材中得到及时体现。而发生在眼下的事件，最新的东西才是学生感兴趣的。因此，我们可以利用学生的这种心理，通过跟踪科学前沿，及时补充量子力学进展到教学内容中的方式，来提高学习量子力学的兴趣。教师利用量子力学基本原理解释当下最具轰动性的科技新闻，提高量子力学在现实生活中出现的机会，同时引导学生利用基本原理解释现实问题，从而培养学生理论联系实际的能力。
三、更新教学手段，提高教学效率
1.拓展手段，量子力学可视化。早在上世纪90年代初，两位德国人就编制完成了名为IQ的量子力学辅助教学软件，并在此基础上出版了《图解量子力学》。该书采用二维网格图形和动画技术，形象地表述量子力学的基本内容，推动了量子力学可视化的前进。近几年计算机运算速度的迅速提高，将计算物理学方法和动画技术相结合，再辅以数学工具模拟，应用到量子力学教学的辅助表述上，使量子力学可视化。通过基本概念和原理形象逼真的表述，学生理解起来必将更加轻松，其理解能力也会得到提高。
2.适当引入英语词汇。在一些汉语解释不是特别清楚的概念上，可以引入英文的原文，使学生更清晰的理解原理所表述的含义。例如，在讲解测不准关系时，初学者往往觉得它很难理解。由于这个原理和已经深入人心经典物理概念格格不入，因此初学者往往缺乏全面、正确的认识。有学生根据汉语的字面意思认为，测量了才有不确定度，不测量就不存在不确定。这时教师引入英文“Uncertainty principle”可使学生通过英文原意“不确定原理”知道，这个原理与“测量”这个动作的实施与否并没有绝对关系，也就是说并不是测量了力学量之间才有不确定度，不测量就不存在，而是源于量子力学中物质的波粒二象性的基本原理。
3.提出问题，引导学生探究。对于学习能力较强的学生，适当引入思考题，并指导他们解决问题，从而使学生得到基本的科研训练。比如，在讲解氢原子一级斯塔克效应时，提到“通常的外电场强度比起原子内部的电场强度来说是很小的”[2]。这时引入思考题：当氢原子能级主量子数n增大时，微扰论是否还适用？在哪种情况下可以使用，精确度为多少？当确定精度要求后，微扰论在讨论较高激发态时，这个n能达到多少？学生通过对问题的主动探索解决，将进一步熟悉微扰论这个近似方法的基本过程，理解这种近似方法的精神。这样不仅可以加深学生对知识点的理解，还可以得到基本的科研训练，从而引导学生走上科研的道路。
4.师生全面沟通，及时教学反馈。教学反馈是教学系统有效运行的关键环节，它对教和学双方都具有激发新动机的作用。比如：通过课堂提问及观察学生表情变化的方式老师能够及时掌握学生是否理解教师所讲的内容，若不清楚可以当堂纠正。由此建立起良好的师生互动，改变单纯的灌输式教学，在动态交流中建立良好的教学模式，及时调整自己的教学行为。利用好课程结束前5分钟，进行本次课程主要内容的回顾，及时反馈总结。通过及时批改课后作业，了解整个班级相关知识及解题方法的掌握情况。依据反馈信息，对后续课程进行修订。
通过双方的反馈信息，教师可以根据学生学习中的反馈信息分析、判定学生学习的效果，学生也可以根据教师的反馈，分析自己的学习效率，检测自己的学习态度、水平和效果。同时，学生学习行为活动和结果的反馈是教师自我调控和对整个教学过程进行有效调控的依据[6]。
四、结论
量子力学作为传统的“难课”，一直是学生感到学起来很困难的课程。特别是高校大扩招的背景下，很多二本高校都面临着招生生源质量下降、学生学习意愿不高的现状，造成了教师教学难度进一步增大。要增强学生的学习兴趣，提高教学质量，教师不仅要遵循高等教育的教学规律，不断加强自身的学术水平，讲课技能，适时调整教学内容，采取与之相对应的教学手段，还需要做好教学反馈，加强与学生的沟通交流，了解学生的真实想法，并有针对性的引入与生活、现实相关的事例，提高学生学习量子力学的兴趣。
参考文献：
[1]曾谨言.量子力学教学与创新人才培养[J].物理，2000，（29）：436.
[2]周世勋，陈灏.量子力学教程[M].高等教育出版社，2009：101.
[3]杨林.氢原子电子概率分布可视化及其性质研究[J].绥化学院学报，2009，（29）：186.
[4]常少梅.利用Mathematica研究量子力学中氢原子问题[J].科技信息，2011，（26）：012.
[5]喻力华，刘书龙，陈昌胜，项林川.氢原子电子云的三维空间可视化[J].物理通报，2011，（3）：9.
这本纳米电子学领域的经典教科书已经更新到了第2版。自从2007年第1版问世以来，纳米技术突飞猛进，作者根据最新的研究进展及时对第1版的部分章节和文字进行了更新，特别增加了对量子力学的介绍，对扫描探针显微镜方法进行了更细致的阐述，同时还增加了有关金属纳米线和分子电子学的内容，并提供了新的实验结果。
随着高科技的发展，手机、笔记本、平板电脑等小型电子设备在我们的生活中得到了广泛应用，以晶体管为中心的半导体技术使这些成为可能。固态晶体管的发明已成为人类在过去一个世纪中最重要的科技进步，其影响力遍及我们生活的各个方面。
将电子设备的尺度再降低一个等级，就到了纳米层次，在纳米维度上理解电流的特性越来越重要。本书力求对从宏观尺度到原子层次的传输现象做一个深入浅出的概述。有两种方法可以制造纳米尺度的设备，一种是自上而下的方法，这种方法在半导体工业中已被成功应用，另一种是自下而上的方法，这种方法正是目前纳米科学研究的前沿。自下而上的纳米技术并不能完全取代自上而下的技术，两者往往相辅相成。但无论哪种方法，都需要深刻理解纳米尺度的传输效应。
本书共分为6章：1.量子力学的基本概念及其与材料电特性的关系，并从量子力学角度对电阻和晶体管中的传输效应进行了解释；2.从量子力学角度阐述了电流、电压和电阻之间的量子特征关系；3.量子与宏观区域的边界，并介绍了几何、尺寸和微观结构是如何影响纳米尺度下的阻抗特性的；4.用于在纳米尺度下探测结构电特性的技术――扫描探针显微镜方法；5.电流产生的负面效应――纳米线中的热效应和电子迁移，这些负面效应非常重要，因为微处理器中晶体管的收缩会造成它们之间的连接体也产生收缩，而纳米尺度上小线的回弹性与微米尺度上长线的回弹性不同；6.分子电子学，通过对这一领域的研究有望实现新型的电路功能。
本书可作为量子力学、扫描探针显微镜法和电子传输的入门参考书。
褚鹏飞，博士生
（国家纳米科学中心）
科学家们目前已经研发出了一种新方法，来控制钻石晶体内的原子，从而可以将量子信息储存在原子内部。钻石不仅可以做珠宝，也可以当做量子记忆体来用。用这种技术来制造量子计算机的话，可以让电脑科技突飞猛进。
用来储存信息的钻石要有杂质
你知道钻石除了可以让女性更迷人之外，还有更高精尖的用途吗？美国加州的科学家们正在将它用在未来的超级电脑上。钻石可以作为用来储存量子信息的记忆体。不过，科学家们所用的钻石，不是珠宝店售卖的洁净无瑕的钻石，而必须是有杂质的钻石。这是该项技术的关键。
钻石最常见的瑕疵之一是氮。氮会让钻石变得发黄。当氮原子与碳晶体内的孔洞相邻时，这种侵入性元素能将自己额外的电子转移到孔洞中。几年前，科学家们开始利用灌注了氮原子的钻石来研发新的量子信息系统。他们用微波能量来改变电子的自旋，以使之按量子比特或者量子位运作。这就使得信息不单可以用“0”和“1”来储存，也可以按电子自旋的方向来存储。
科学家们也一直在寻找一种更为稳定的方法来储存量子信息。他们找到方法将电子的自旋和附近氮原子核的自旋链接起来。其他量子系统需要接近绝对零度，而这种钻石的记忆体可以在室温下运作。通过射入激光，钻石内部的自旋可以加以改变。这也让钻石成为对科学家而言很有吸引力的纳米光电系统材料。
除了更好的稳定性以外，钻石也可以克服量子计算机面临的另一个障碍――大小。可以按比例利用钻石制造更大尺寸的量子计算机。钻石量子记忆体也能够用来建构更大的量子网络。量子中继器可以利用钻石的碎片去捕捉、储藏和转发信息，可以让量子网络覆盖更远的距离。
钻石是未来电脑的好友
量子计算机研究是目前最前沿的电脑研究领域。2009年11月，世界首台量子计算机正式在美国诞生，可处理两个量子比特的数据。较之传统计算机中的“0”和“1”比特，量子比特能存储更多的信息，因而量子计算机的性能将大大超越传统计算机。半导体靠控制集成电路来记录和运算信息，量子电脑则希望控制原子或小分子的状态，记录和运算信息。量子计算机成为超级电脑新的发展方向。而氮填充孔洞的钻石会是最新一代超级电脑研发的关键。未来的钻石系统会比现在以硅为基础的系统多储存几百万倍的信息，而信息处理的速度也会加快很多倍。
科学家们早些年已经开始用灌注了氮的天然黄色钻石做各种量子力学测试。加州大学的科学家David Awschalom表示，他们已能用非常成熟的技术在完美无瑕的钻石里创造原子大小的瑕疵。以量子力学为基础的新超级电脑需要更高的精确度。而这种处理过的钻石满足了科学家们的需求。（据《广州日报》）
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.内克 著
本书为一本多体量子理论的教科书，是由作者们给高年级大学生开设的相关课程的讲义基础上发展成书的。作者认为当前已有的许多关于多体量子理论的教科书往往使人产生一种误解，认为近二十多年来，该领域几乎没有取得什么新的进展。事实当然并非如此，关于低温下稀薄原子气的BoseEinsten凝聚的发现以及关于电子的许多奇妙性质的研究都是典型的事例。作者认为超越每个研究者从事的狭小领域，对多体系统的性质及其复杂的结构给出一种统一的描述，对于大学生是极有益处的。它可以使刚刚开始研究工作的研究生节省很多时间。本书旨在利用源于量子场论的传播子或格林函数方法，在相同的理论框架之下，对于诸如原子、分子、固体中的电子、量子液体、核物质等各种不同的多体系统，予以统一的描述，发展相关的近似方法，并注重计算结果与实验数据的比较，强调了这一方法的最新的应用。
全书内容共分22章，各章目次为：1.全同粒子；2.二次量子化；3.有限系统费米子的独立粒子模型；4.两粒子态与相互作用；5.无相互作用的玻色子和费米子；6.单粒子量子力学中的传播子；7.在多体系统中单粒子传播子；8.单粒子传播子的微扰展开；9.Dyson方程和自洽格林函数；10.平均场或HartreeFock近似；11.超出平均场近似；12.相互作用玻色子系统；13.有限系统中的激发态；14.无限系统中的激发态；15.N±2系统中的激发态和介质中的散射；16.无限系统中自能的动力学处理；17.有限系统中自能的动力学处理；18.玻色气体的Bogoliubov微扰展开；19.玻色子微扰理论用于物理系统；20.介质中的相互作用及着衣粒子；21.守恒近似和激发态；22.配对现象。
本书内容新颖、详尽。大部分推导均给出了详尽的步骤，以降低初次面对挑战性资料的学生们的困难程度。因此本书不仅适用于相关领域的大学生与研究生，对多个领域的研究人员也极具参考价值。
丁亦兵，教授
(中国科学院研究生院)
黑洞成为大众文化的一部分已有数十年了，在电影《星际迷航》中，它还扮演了主要的角色。这一点儿也不奇怪，这些恒星塌缩后的阴暗残骸，似乎专门用来引发我们最原始的恐惧：黑洞会将某些秘密隐藏在其帘幕之后(c包就是它的“事件视界”)，任何人或物只要坠落其中，就注定无从逃脱，所有被它吸入的东西，必然被彻底摧毁。
对理论物理学家来说，黑洞是爱因斯坦场方程式的一个解，而该方程式是广义相对论的核心。在广义相对论中，时空就像是由弹性材质所建构的，而物质与能量可将其扭曲，所造成的时空曲率又控制了物质与能量的运动，产生了我们所认知的重力。这些方程式清楚地预测，在时空中有些区域里的讯号无法传到遥远的观测者所在，这些区域就是黑洞。在黑洞内的“奇异点”，物质密度趋近于无限大，环绕其四周的空旷地带具有极强大的重力，没有任何东西(包括光)能够逃离。物理学家以事件视界将此重力强大的地带与其他区域分隔开来。在最简单的情况下，事件视界是个球体，若黑洞的质量与太阳相当，此球的直径只有6千米。
谈过了科幻与理论，那么实际的状况又是如何呢?各式各样精密的天文观测结果都指出，宇宙中确实存在一些超致密物体，它们完全不散发任何光芒或辐射。这些幽暗天体的质量在数个到数百万个太阳质量之间，而依据最优秀的天文物理学家估算，它们的直径范围则在区区数百千米到数百万千米之间，符合广义相对论对此质量范围内黑洞的预测。
但这些被观测到的、既幽暗又致密的物体，真的就是广义相对论预言的黑洞吗?虽然目前的观测与理论相当吻合，但理论本身对黑洞的描述却不太令人满意。尤其是，广义相对论预测在每个黑洞里都有颗“奇异点”，显示广义相对论在这里失效。广义相对论会失效，大概是因为它并未计人物质与能量在微观尺度上才会显现的量子效应。合并了量子力学的修正理论，一般称为量子重力论，将可带动理论物理领域的许多新研究。
对量子重力论的需求，引发了一些迷人的问题：被量子重力论修正过的黑洞会是什么样子的呢?它们会和古典黑洞大相径庭吗?或者古典叙述依然是可行的?研究显示，某些量子效应是可以完全避免形成黑洞的，取而代之的是被我们命名为“黑星”的天体，它的密度不会跳升到无限大，也不会被事件视界包覆。黑星是由空间本身支撑起来的，这种“建材”意外的坚固。
我们运用一种称为“半古典重力论”的古老方法得出这项结论，但我们并没有使用关于塌缩物质的所有假设，这样或许能够避免在那些研究中得出矛盾的结果。在量子重力论尚未完备的情况下，过去的30多年里，理论物理学家在分析量子力学如何改变黑洞时，都诉诸半古典重力论。半古典重力论将量子物理的观点，特别是量子场论部分纳入了古典的爱因斯坦重力理论中。
量子场论以充满空间的场来描述电子、光子、夸克等任何你想得到的基本粒子，这方式非常类似电磁场。量子场论的方程式通常是建立在平坦空间里的，也就是没有重力的空间，半古典重力论则使用在弯曲空间里构建出来的量子场论。
广义来说，半古典重力论所使用的策略如下：根据古典的广义相对论，当一群物质聚积成某一状态时，将产生某种特定的弯曲时空，但时空的曲率又会修改量子场的能量，受影响的能量再进一步改变时空曲率，如此不断循环。
这个做法的目标是要获得自我一致的解――一个弯曲时空，它的曲率产生于它所包含的量子场的能量。虽然重力本身还无法以量子理论来描述，但这种自治的解，在涉及量子效应与重力的许多情况下，应该可以相当近似地预测真实情形。半古典重力论以一种极“轻微”的方式，把量子修正加入到广义相对论里。因此，半古典重力论虽然仍以古典方法处理重力(也就是时空曲率)，但已考虑到物质的量子行为。
但是，这个方法立即遭遇到一个尴尬的问题：如果直接以它计算量子场的最低可能能量，也就是没有任何粒子出现时的能量(称为“零点能量”或“真空能量”)，会产生无限大的结果。事实上，这个问题老早就出现在一般的量子场论里(也就是在乎坦空间、没有重力的状况)。幸运的是，理论物理学家在预测不牵涉重力的粒子物理现象时，粒子的行为只取决于状态间的能量差，因此量子真空能量的值并没有任何影响；我们可以使用称为“重整化”的一种谨慎的减法技巧，以极高的精确度来计算能量差。
然而，当必须考虑重力时，真空能量就变得重要了。无限大的能量密度会产生极大的时空曲率，也就是说，
链接
2004年7月21日，在爱尔兰都柏林举行的“第17届国际广义相对论和万有引力大会”上。英国传奇科学家斯蒂芬・霍金教授宣布了他对宇宙黑洞的最新研究结果：黑洞并非如他和其他大多数物理学家以前认为的那样，对其周遭的一切“完全吞食”，事实上被吸入黑洞深处的物质的某些信息实际上可能会在某个时候被释放出来。
宇宙学家相信，太空中有许多类型的黑洞，从质量相当于一座山的小黑洞，到位于星系中央的超级黑洞。不一而足。科学家过去认为，从巨大的星体到星际尘埃等。一旦掉进去，就再不能逃出，就连光也不能“幸免于难”。而霍金教授关于黑洞的最新研究有可能打破这一结论。经过长时间的研究，他发现，一些被黑洞吞没的物质随着时间的推移，慢慢地从黑洞中“流淌”出来。
霍金关于黑洞的这一新理论解决了关于黑洞信息的一个似是而非的观点，他的剑桥大学的同行都为此兴奋不已。过去，黑洞一直被认为是一种纯粹的破坏力量。而现在的最新研究表明，黑洞在星系形成过程中可能扮演了重要角色。
1976年，霍金称自己通过计算得出结论，他认为黑洞在形成过程中，其质量减少的同时还不断在以能量的形式向外界发出辐射。这就是著名的“霍金辐射”理论。但是，理论中提到的黑洞辐射中并不包括黑洞内部物质的任何信息，一旦这个黑洞浓缩并蒸发消失后，其中的所有信息就都随之消失了。这便是所谓的“黑洞悖论”。
这种说法与量子力学的相关理论出现相互矛盾之处。因为现代量子物理学认定这种物质信息是永远不会完全消失的。如今，霍金终于给了这个当年自相矛盾观点一个更具有说服力的答案。霍金称，黑洞从来都不会完全关闭自身，它们在一段漫长的时间里逐步向外界辐射出越来越多的热量，随后黑洞将最终开放自己并释放出其中包含的物质信息。
即使是空间都能蕴藏极强大的重力，这与我们实际观测到的宇宙完全不符；过去10年来的天文观测指出，零点能量对宇宙总能量密度的贡献非常微小。半古典重力论并没有尝试去解决这个问题，但不论解决的方案为何，我们通常假设在平坦时空中，零点能量对能量密度的贡献一定会被抵消掉。这项假设与半古典真空一致：在每个地方的能量密度都是零，广义相对论因而预测出平坦的时空。
如果有某些物质出现，时空弯曲了，那必然改变量子场的零点能量密度，零点能量因而不再被精准抵消。较之于电荷会将介质极化的效应，我们说这多出来的能量是来自真空极化。
我们已利用质量与能量密度来描述半古典重力论的这些特性，但在广义相对论中，能够产生空间曲率的，并不只有这些东西，凡是重力物质所产生的动量密度、压力和应力，都会影响空间的曲率。在物理的研究上，有一项称为“应力能量张量”
(sET)的研究，可用来描述所有这些产生曲率的量。半古典重力论假设在平坦时空里，量子场的零点对sET的贡献刚好被完全抵消，在sET上应用这种相减法得到的结果，就称为“重整的应力能量张量”
(RSET)。
关键词：热力学与统计物理学；国家精品课程；统计热力学体系
“热力学与统计物理学”（简称“热统”）是我国高等院校本科物理专业的一门必修课程，是研究物质有关热现象（即宏观过程）规律的理论物理课，也是普通物理“热学”的后续课。内蒙古大学“热统”教学组在20多年教学实践中，不断更新教育观念，探索课程教学体系的改革，逐步建立了以微观理论为主线的教学体系，建设了首门“热统”国家精品课程（2004年）——“统计热力学”，陆续出版了配套教材[1]和学习辅导书[2]。
一、关于“热统”教学体系的思考
关于热现象的理论包括两部分，即宏观理论——“热力学”和微观理论——“统计物理学”。我国目前的“热统”课程由早年设置的 “热力学”和“统计物理学”两门课程合并而成，一直沿袭“热”、“统”相对独立的“一分为二”教学体系[3-5]。教学内容安排大体以学科发展历史和认识层次为序，由唯象到唯理，由宏观到微观。这种体系十分成熟，在多年教学实践中获得很大成功。随着科学技术和人类现代文明的飞速发展，人们认识世界的条件、增长知识的方式和获取信息的渠道发生了质的变化：昔日深奥难解的名词，今天已可闻之于街巷；诸多科学概念的理解，逐渐变得不很困难。在这种知识氛围和学习环境下，从中学到大学的物理教学内容均在不断地改革和深化。同时，现代科学成就在高新技术中的广泛应用向21世纪人才培养提出更高的要求。这一切，催动着大学物理课程改革的进程，也激发起我们对传统体系的思考。
从“热物理”系列课程改革现状来看，一方面，普通物理“热学”课程的内容已进行了必要的深化和后延，原有“热统”课程与现行“热学”课程内容出现较多重复。仅以汪志诚著《热力学 · 统计物理》[5]和秦允豪著《热学》[6]为例，二者内容重叠约为1/3。过多重复造成学习时间与精力的浪费，甚至引发学生的厌学情绪，使学习效益降低。另一方面，飞速发展的高新技术拉近了基础理论与应用技术的距离，就热物理而言，无论实际工作中的应用，还是继续深造时的基础，都对“热统”课程教学提出更高的要求。增加课程的统计物理比重，深化微观理论的系统理解势在必然。此外，改革开放以来，我国高等教育从学制到专业及课程设置均有较大幅度的变动，“热统”课教学时数多次削减（1208672、64），课堂教学的信息量和效益问题变得更加突出。面对这种形势，各校对“热统”课程的内容进行了不断的改革，逐步增加统计物理比重，努力减少和避免与“热学”的重复。然而，由于没有触动“一分为二”的体系，大量的简单重复难以避免，“热力学”内容仍然偏多，实际教学中统计物理的系统性难以保证。
针对上述问题，我们从体系结构着眼，对“热统”课程进行了较大力度的改革[1]。我们的改革思路是：打通“热物理”宏观与微观理论的壁垒，融二者为一体，削减学时、充实内容，有效地避免与普通物理的简单重复，提高教学效益；以微观理论为主导，确保统计物理体系的完整性与系统性，增加课程的先进性与适用性。在上述思想指导下，构建了“热统”课程的“统计热力学”体系。新体系从根本上解决了热物理课程中理论物理与普通物理之间层次交叠、内容重复的问题；大幅增加统计物理比重，使其理论及应用内容在总学时中占到3/4以上。
二、统计热力学体系的特色
统计热力学教学体系的主要特色是：热物理学以微观理论为框架；微观理论以系综理论为主线；系综理论以量子论为基础。体系知识结构框如上图所示。
1．以微观理论为框架，融微观与宏观一体
“统计热力学”以微观理论——统计物理为主导，建立了从微观到宏观、完整自恰的理论体系。
在传统的“一分为二”体系下，学生往往将过多精力用于热力学计算，不能很好地理解统计物理的理论体系，容易将热现象的宏观和微观理论割裂开来。本体系从微观理论出发，用统计物理理论导出热力学基本定律，讨论体系热力学性质，给出统计物理概念与宏观现象的对应，融热现象的微观、宏观理论于一体，结束了两种理论割裂的传统教学格局，提高了认识层次。同时，使理论物理与普通物理的分工更趋合理，便于解决传统体系难以避免的“热统”与“热学”过多重复问题。
本体系按照统计物理学的知识框架，将主要知识点划分为孤立系、封闭系和开放系等三个模块（参见上图）。各块均首先给出相应的统计分布，进而引入热力学势（特性函数），导出热力学基本定律，再用微观和宏观理论相结合的方法研究具体系统的热力学性质。例如：在孤立系一章，从等概率基本假设出发，引入统计物理的熵，导出热力学第一、第二定律，进而研究理想气体的平衡性质。在讨论封闭系时，从正则分布出发，引入热力学势——自由能，给出均匀系热力学基本微分式，进而导出麦克斯韦关系，介绍用热力学理论研究均匀物质宏观性质的方法，再具体讨论电、磁介质热力学、焦-汤效应等典型实例。同时用正则分布研究近独立子系构成的体系，导出麦-玻分布，介绍最概然法；进一步导出能均分定理，介绍运用统计理论研究半导体缺陷、负温度、理想和非理想气体等问题的方法。对于开放系，首先导出巨正则分布，再引入巨势，给出描述开放系的热力学微分式，研究多元复相系的平衡性质，讨论相变和化学热力学问题；用量子统计理论导出热力学第三定律，讨论低温化学反应的性质。另一方面，考虑全同性原理，用巨正则分布导出玻色、费密两种量子统计分布，给出它们的准经典极限——麦-玻统计分布，并运用获得的量子统计分布分别讨论电子气、半导体载流子、光子系的统计性质和玻色—爱因斯坦凝聚等应用实例。
2．以系综理论为主线，完善统计物理体系
与国内现流行体系不同，“统计热力学”的统计物理以“系综理论”为基础，具有更强的系统性。
现流行体系为便于学生理解，大多先避开系综理论，讲解统计物理中常用的分布和计算方法，如近独立粒子的最概然分布、玻耳兹曼统计、玻色统计和费米统计及其应用等，而在课程的最后介绍系综理论有关知识[5]。这种体系除内容不可避免地出现重复外，还在一定程度上牺牲了统计物理的系统性。在实际教学中，为了阐明有关分布和统计法，往往不可避免地运用如等概率假设、配分函数、巨配分函数等系综理论的基本概念，难免出现生吞活剥、“消化不良”的弊端。从体系实施现状来看，不少院校因学时有限，在热力学和基本统计方法的教学之后，对系综理论的介绍只能一带而过，学生难以完整掌握统计物理理论。
我们多年采用系综理论为主线的教学实践表明，“统计分布”与“系综”的“分割”是不必要的。本体系首先引入“系综”概念，将整个“统计热力学”的基础建立在系综理论之上，从一个基本假设——等概率假设（微正则系综）入手，渐次导出各种宏观条件下的系综分布，建立配分函数、巨配分函数等基本概念，给出相应的热力学势和热力学基本微分公式；同时，顺畅地导出如最概然分布、玻耳兹曼统计、玻色统计和费米统计法等常用分布和计算方法，并用于实际问题。在教学过程中，力求循序渐进地阐明统计物理的基本理论，使学生准确、清晰地掌握统计物理的基本概念，对热物理理论有完整系统的理解，能够全面、灵活地运用，为进一步学习更高深的知识和了解物理学的最新成果奠定扎实的基础。
3. 以量子理论为基础，认识微观运动本质
为使学生准确认识微观运动本质，“统计热力学”将系综理论建立在量子论的基础上，而经典统计则作为量子统计的极限给出。
传统体系多从经典统计入手，然后进入量子统计。我们教学实践的体会是，物理学历史上由经典论到量子论的认识过程没有必要在统计物理教学中重演。通过现设“普通物理学”课程的学习，学生已理解微观运动遵从量子力学规律，并具备了一定的量子论知识基础，在量子论基础上建立统计物理理论顺理成章。事实上，微观运动的正确描述须用量子理论，而量子统计与经典统计就统计规律性而言并无本质区别，经典统计只是量子统计的极限情形而已。以量子论为基础构建统计物理体系，更有利于学生尽快认识事物的本质，迅速进入对前沿科学的学习。
三、关于体系的兼容性——几个共同关注的问题
“统计热力学”以系综理论为主线，以量子论为基础,大幅提高统计物理比重，适当地增加了课程深度。在课时缩减，招生规模扩大的形势下,实施上述改革更有一定风险和难度。另一方面，新体系能否与流行体系兼容，也是国内同行普遍关注，需要在优化改革方案过程中解决的问题。为化解难度，提高兼容性，在体系建立和教学实践中，我们着力解决了以下几个问题：
问题之一：量子理论与系综理论理解困难问题。如前所述，学习本体系前应具备一定的量子论知识。目前国内物理专业的“热统”课程多排在“量子力学”之前。这就不可避免地出现了“前量子力学”困难。为解决这一问题，我们在课程引论中安排了量子论基本知识的讲授，介绍量子态、能级、简并、全同性、对应关系等概念。如此处理，再结合普通物理“原子物理学”中学到的量子力学初步知识，学生就能够较好地接受“量子统计”有关概念。此外，我们将“量子态”和“量子统计法”两个初学者较难理解的概念做分散处理：分别在第1章引入“系综”概念之前和第6章巨正则系综概念之后讲授，既分散了难点，又使概念和运用衔接紧密，有利于及时消化。
系综理论是统计物理中最核心、最抽象的内容，也是统计物理教学的难点。国内流行体系将系综理论与常用统计分布及计算方法分离，安排在课程最后集中单独介绍。我们实践的体会是，这种处理将多个难点（三种系综及相应热力学关系）集中，增加了学生的理解困难；加之系综概念孤立于基本统计方法和应用之外，更显抽象枯燥。学生学后或觉不知所云，或难纵观全局，终致应用乏力。鉴于此，我们遵循由表及里、由浅入深、循序渐进、层层推进的认识规律，将系综的基本概念和三个系综分散在七章中穿插讲授、逐步深入，并及时运用理论对相应系统的性质加以讨论。这样做，可分散认知难点，并及时结合应用，实现宏观微观的交错，避免枯燥无味的困惑，既保证了热物理理论的系统性和完整性，又解决了系综理论为主线的教学困难。
问题之二：关于最概然法与麦-玻统计问题。最概然（可几）法与麦克斯韦-玻尔兹曼（麦-玻）统计法，是统计物理中应用较广的两个方法。采用系综理论为主线的教学体系，是否会影响这两种方法的学习和运用？这也是国内同仁关注的问题之一。在新体系课程改革和教材编写中，对这两部分内容均给予充分的注意。在第三章（封闭系）导出正则分布和相应热力学公式之后，用两种方法导出麦-玻分布：一是作为近独立子系的平均分布，由正则分布导出；二是从微正则系综出发，用最概然法导出。同时还由麦-玻分布给出热力学公式，并讨论几种分布之间的关系，给出分布的应用实例。实践表明，这种处理模式能全面深化学生对最概然法与麦-玻分布的理解，以致在应用中得心应手；还能强化对系综理论和统计物理体系的理解。
问题之三：热力学基本方法掌握问题。热力学作为一种可靠的宏观理论，从基本定律出发，通过严格的数学推演，系统地给出热力学函数之间的有机联系，将其用于实际问题。深入理解热力学定律的主要推论和热力学关系，熟悉它们的应用，掌握热力学演绎推理方法，是“热统”课程不可或缺的内容。“统计热力学”体系以微观理论为框架组织教学，是否会削弱学生在热力学理论的理解和应用方面的训练？对这个问题，国内同行关注有加，各见仁智，也是我们在课程改革中始终注意的问题。我们的处理模式是：打通热物理宏观与微观理论的壁垒，针对不同宏观条件，在相应章节给出各种系综分布，然后导出热力学公式，并插入相应的热力学理论训练内容，确保足够篇幅讨论平衡态的热力学性质。例如：在建立封闭系的正则系综理论后，插入“均匀物质热力学性质”一章，集中讲授麦克斯韦关系、基本热力学函数和关系、特性函数等概念，介绍热力学基本方法和对典型实例的应用。建立开放系的巨正则系综理论后，又集中介绍与之相关的相平衡、化学平衡等问题的宏观理论。事实上，热物理的微观和宏观理论相得益彰、不可分割。在学习运用统计物理研究宏观过程的规律时，势必也会反复地运用热力学函数、公式和相应方法，使学习者得到相应训练。此外，再提供一定数量的习题，辅之以课外练习，以达到“学而时习之”的效果。这样，新体系虽然大量削减纯粹“热力学”内容，并未削弱对热力学理论的理解和方法的训练，相反可使其得到加强和升华。
内蒙古大学“热统”教学组近20年的课程改革和教学实践证明，用“统计热力学”体系组织本科物理专业“热统”课教学是可行的。采用同样的体系和教材，适当取舍内容，在应用物理和电子科学技术专业组织2学分“统计物理”教学，亦取得一定的经验，其效果令人欣慰。毋庸置疑，笔者主张统计热力学体系，丝毫无意否定“热统分治”的传统教学体系。两种体系，各有千秋，互补互鉴。究竟采用何种体系组织教学，还应视培养目标、师资力量、学生状况等，因地制宜地选择。
参考文献：
[1] 梁希侠，班士良. 统计热力学[M]. 呼和浩特：内蒙古大学出版社，2000.
梁希侠，班士良. 统计热力学(第二版)[M]. 北京：科学出版社，2008.
[2] 梁希侠，班士良，宫箭，崔鑫. 统计热力学（第二版）学习辅导[M]. 北京：科学出版社，2010.
[3] 王竹溪. 热力学简程[M]. 北京：高等教育出版社，1964.
[4] 王竹溪. 统计物理学导论[M]. 北京：高等教育出版社，1965.
固体物理学是凝聚态物理和材料物理专业的必备基础课，它融合了普通物理、热力学与统计物理、量子力学等多学科的知识。也是因为知识面广、量大、深奥难懂，在教学过程中，学生普遍反映较难掌握这门课程。如何取舍教学内容、如何深入浅出地讲解基础知识点、如何改变教学手段和教学形式提高学生的学习和应用能力等，这些都是教学中遇到的主要问题。作者从数年的教学中总结了一些心得体会，希望对这门课的教学有所借鉴作用。
一、多媒体与三维模型的应用
固体物理学是一门研究固体的微观结构、组成固体的粒子（原子、离子、电子等）之间的相互作用与规律，并在此基础上阐明固体宏观性质的学科。因此，固体的微观结构是这门课程的基础。许多固体物理学的教材，例如黄昆等的《固体物理学》经典教材，开篇即讨论晶体的结构。但对晶体结构的理解，特别是对三维的晶体结构的理解，需要学生较好的空间想象能力。由于晶格的周期平移不变性，理想晶格可以通过原胞或单胞的周期平移、重复而得到。那么，如何选取合适的原胞或单胞？原胞的形状如何？原胞内有多少个原子？单胞内的各个原子是否等价？在教学过程中，许多学生对这些问题一时不能很好理解。
随着计算机的普及和利用，多媒体教室普遍存在，并被广泛使用。多媒体教学手段的利用，有助于学生对固体微观结构的理解。例如，可以通过视频或PowerPoint文件，可以直观地展示晶体的微观结构、原胞的选取、原胞的形状等。与传统板书相比，利用多媒体呈现并分析固体的微观结构以及晶体的结构特征，对教师而言，更加省时、省力；几何关系的表达也更为准确，便于学生的理解。此外，若能结合三维的原子实物模型，那么，固体的微观结构将能更为直观地展现在学生眼前。多媒体与三维模型的应用对于学生理解固体的微观结构、晶格的周期性、原胞、晶体的对称性等基础概念很有好处。
当然，多媒体教学也存在着一定的局限性。例如，在公式的推导、基础概念的讲解等方面，板书其实更受学生的欢迎。与多媒体教学相比，板书的节奏慢，师生间可以有较多的互动；学生相对容易跟上教师思考问题、解决问题的步伐，学生也能有较充分的时间来理解各个知识点、梳理要点以及做笔记等。因此，多媒体教学还需适当地与传统板书相结合才能达到较好的教学效果。
二、教学内容的取舍
由于固体物理学融合了普通物理、热力学与统计物理、量子力学、晶体学等多学科的知识，其知识面广、量大，在有限的学时里，不可能面面俱到地讨论固体物理学所涉及的所有知识点。因此，实际教学中可以结合本专业的特色，有选择地取舍部分教学内容。例如，侧重固体热学性质的专业可以考虑以晶格振动等内容为主；而侧重微电子的专业则可以考虑以能带理论、半导体中的电子等内容为主。当然，一些多个领域都涉及到的基础知识也应是这门课程不可缺少的一部分内容。
固体的微观结构和结合方式是固体物理学的基础，因此，晶体的结构和晶体的结合等知识点应是这门课程的基础知识之一。考虑到理想晶格由原子实和电子组成，晶格的运动主要在晶格振动等部分讨论；而电子的运动主要在能带理论等部分讨论，具体还可以分为金属中电子的运动和半导体中电子的运动等部分。尽管这原子实和电子的运动实际上相互联系，但很多时候，可以分别侧重讨论。此外，实际晶体也并非理想晶体；实际晶体除了有边界之外，也常含有缺陷。但在许多情况下，晶格的振动、电子的运动和缺陷的影响依然可以依据实际情况分别讨论，并得到与实际较为符合的理论结果。因此，晶格振动、能带理论和缺陷等知识点之间相对独立，或可根据各专业的实际情况取舍部分教学内容。
在许多固体物理学的教材中，例如黄昆等的《固体物理学》教材和阎守胜的《固体物理基础》教材，密度泛函理论并没有被提到。事实上，密度泛函理论是一个被广泛使用的基础理论，它是凝聚态物理前言研究的有效手段之一，也是材料设计的一种有效方法。教学过程中，教师可以结合各专业的实际情况介绍一些密度泛函理论的基础知识。同时，还可以介绍一些最新的相关研究进展，以拓展学生的知识面、提高学生的学习兴趣。
三、模块化的教学形式
如前所述，固体物理学中的许多知识点间相对独立；基于这门课程的特征，教师在教学过程中可以考虑模块化的教学形式，以子课题的形式将相应内容呈现给学生。可能的模块如：讨论晶体的结构和晶体的结合方式的基础模块――晶体的结构与结合；讨论晶体中原子实运动的模块――晶格振动；讨论晶体中电子运动的模块――能带理论；讨论实际晶体中可能存在的缺陷的模块――晶体的缺陷等；其中，能带理论部分还可分为：近自由电子模型、紧束缚模型、赝势方法等数个部分。这样做首先有利于教学内容的取舍；其次，有利于学生对各知识点的理解、有利于学生梳理清楚各个知识点之间的关系。
此外，固体物理学是凝聚态物理前沿研究的基础之一；其基础知识、理论推导、实验背景以及处理问题的方式方法等，都是开展凝聚态物理研究的基础。而模块化教学，以课题研究的形式提出问题、解决问题，将教学内容以问题为导向呈现给学生，这有助于培养学生的学习能力和解决实际问题的能力。而且，课题研究的教学模式，既是在教授学生知识，也是在开展科研，有助于提高学生对科研的认识、有助于培养学生的科研能力。这种课题研究的模块化教学形式还可以结合基于原始问题的教学来开展。
四、基于原始问题的教学
所谓原始问题，可简单理解为：现实生活中实际存在的、未被抽象加工或简化的问题。于克明教授、邢教授等人详细探讨了原始物理问题的诸多方面；此外，周武雷教授等人还讨论了原始物理问题含义的界定等相关问题，并呼吁将基于原始物理问题的教学实践引入大学物理的教学中。这应是个值得提倡的建议，毕竟现实生活中遇到的具体问题都是原始问题。与传统的习题不同，原始问题未被抽象、加工或简化。学生处理实际问题的第一步便是将问题适当简化，这也是学生需要学习的一种能力。
事实上，合理的模型简化是各种理论的基础，也是实际应用或科研必不可少的一种能力。例如，讨论晶格热容的爱因斯坦模型和德拜模型，尽管模型简单，但它们数十年来是我们讨论、分析相应问题的基础。今天，那些被写进教科书的基础理论，在当时、在理论刚被提出时，都是为了原始问题的解决。下面以晶体热容为例，稍加详述。
问题的背景：根据经典的热力学理论，晶体的定体摩尔热容是个与温度无关的常数。实验发现晶体的热容在高温下确实接近于常数，但是晶体的热容在低温下并不是个常数，其与温度的三次方成比例关系。
问题的提出：理论预言与实验观测为何不相符？如何解释实验现象？20世纪初刚刚发展起来的量子力学是否能解释这个实验现象？这些问题在爱因斯坦的年代应该都是前言的科研问题。
问题的简化：（1）不考虑边界、缺陷、杂质等的影响，将实际晶体抽象为理想晶体；（2）基于绝热近似，不考虑电子的具体空间分布，将原子当作一个整体，原子―原子间存在相互作用；（3）基于近邻近似，只考虑近邻原子间的相互作用；（4）基于简谐近似，将原子间的相互作用势在原子的平衡位置作泰勒级数展开，并保留到二阶项。
问题的解决：基于上面的模型简化，写出描述原子运动的牛顿第二定律，并求解方程组，这些方程组与相互独立的简谐振子的运动方程组相对应。结合量子力学，得到体系的能量本征值；写出晶格振动总能的表达式，继而给出由晶格振动贡献的晶格热容的表达式。由于晶格热容的表达式复杂，很难直接与实验结果对比，因此引入进一步的简化和近似――爱因斯坦模型或德拜模型。
这种提出问题、分析问题、解决问题的方式与做前言科学研究的方式相接近，既能提高学生对科研的认识、培养学生的科研能力，又能培养学生理论联系实际、解决实际问题的能力。
五、小结
针对固体物理学这门课程的一些特点，本文从教学手段、教学内容和教学形式等方面提出了一些教学改革的心得体会。教学手段上，可以利用多媒体和三维模型等教学手段，以便让学生更容易理解固体的微观结构。教学内容上，可以针对专业特色，有选择地取舍部分章节。而模块化的教学形式，可以将相对独立的知识点以子课题的形式呈现给学生，既能帮助学生梳理知识点，又能让学生对课题研究有所认识。最后，通过课题研究的教学形式、理论联系实际的讨论分析以及基于原始问题的教学，培养学生学习和应用的能力。
致谢：感谢上海高校外国留学生英语授课示范性课程《英文大学物理》建设项目的资助。
参考文献：
[1]黄昆，韩汝琦.固体物理学[M].北京：高等教育出版社，1988.
[2]阎守胜.固体物理基础[M].第二版.北京：北京大学出版社，2003.
[3]谢希德，陆栋.固体能带理论[M].上海：复旦大学出版社，2007.
[4]冯端，金国钧.凝聚态物理学[M].北京：高等教育出版社，2003.
[5]陈志远，熊钢，易伟松.多媒体技术应用于固体物理教学的探讨[J].咸宁师专学报2002，22（6）：53-55.
[6]梁先庆，何小荣.固体物理学课程教学研究与探讨[J].广西物理，2011，32（3）：47-49.
网络搜索改变大脑
几千年来，人类都依赖彼此日常生活的细枝末节。现在我们依赖的是“云”，许多人遇事的第一反应就是掏出手机上网搜索，这正是互联网带给我们的最大改变，“永不离线”的状态不仅改变了我们的记忆方式，以及对自己的主观感觉，甚至个人记忆与互联网信息之间的界限也开始模糊。在我们成为“互联脑”一员的同时，也发展出一种不再依赖我们大脑中本地记忆的新型智力。（来源：《环球科学》2014年1月号）
Zc（3900）当选《物理》2013成果之首
北京谱仪实验国际合作组（BESIII合作组）发现的四夸克物质Zc（3900），入选美国物理学会（APS）《物理》杂志评选的2013年国际物理学领域重要成果，并在11个入选项目中位列第一。同时入选的还有中国科技大学在量子计算机领域取得的成果。
据介绍，这个评选在物理学界极有公信力和影响力，入选成果在物理学界内外都曾引起轰动。同时评选还综合考虑了成果在网络上的影响力、创新性，以及产生更先进技术的可能性等。（来源：新华网2014年1月2日）植物也会学习和记忆
大象常被认为有着惊人的记忆力，现在科学家又发现，虽然植物没有大脑，也会学习和记忆。
科学家研究了含羞草（Mimosapudica），他们用专门的装置反复往含羞草上滴水，在强光和弱光环境中分析这种植物的短期和长期记忆，结果显示，一旦含羞草知道水滴对它的生存不构成威胁，就会停止卷起来的行为。这表明含羞草和科学家对动物预期的那样具有学习和记忆能力，当然前者是在没有大脑的情况下做到的。
科学家指出这项研究从根本上改变了人类了解植物的方法以及动植物间的界限，其中包括我们对学习是有神经系统的生物体特性的定义。（来源：新浪科技2014年1月23日）
中国网民突破6亿
中国互联网信息中心（CNNIC）的《第33次中国互联网络发展状况统计报告》显示，截至2013年底，我国网民规模达6.18亿，全年新增网民5358万人，互联网普及率45.8%：中国网站320万个，全年增长52万个，增长率19.4%。其中手机网民超5亿，占网民总人数的81%：网民中农村人口占28.6%，人数为1.77亿，较去年增长2101万人；通过台式和笔记本电脑上网的比例分别为69.7%和44.1%，相比201 2年有所下降。（来源：中新网2014年1月16日）
“海鸥”年内强势回归
2014年元旦刚过，沉寂了近10年的中国最早的相机品牌“海鸥”牌相机对外两款最新中高端数码机型CF100与CK20，颇具时尚气息，搭载多项最新核心技术，即将批量生产。
曾几何时，“海鸥”就是照相机的代名词，折翅“海鸥”如今“数字”起飞，在摄影爱好者和海鸥迷中激起温暖回忆、掀起巨大波澜：海鸥强势回归了。（来源：《解放日报》2014年1月10日）
耐克等品牌童装被指含毒
环保组织“绿色和平”新发表的一份报告称，全球12个知名品牌童装如博柏利、阿迪达斯、耐克、彪马、李宁、迪斯尼、C&A、H&M、优衣库等被检出有毒有害物质。
调查报告显示，有61%的样品检出壬基酚聚氧乙烯醚（NPE），有50件样品检测出含有壬基酚聚氧乙烯醚（NPE）。此次检测中有超过1/3的样品产自中国（29件），有毒有害物质的检出率高达96.6%。这或将影响儿童的生殖发育。（来源：环球网2014年1月15日）
欧美科研创新“脑”有可为
金融危机以来的世界依旧面临增长的不确定性，在这一背景下，世界各大经济体通过科研创新带动经济稳定复苏已成为共识。因而进入2014年，全球各科研“国家队”新项目引人注目。比如美国“脑计划”进入快车道，欧盟“人脑工程”放眼10年，日本打造“机器人大国”，德国“数字化”增强竞争力。（来源：《北京晨报》2014年1月13日）
青藏高原将继续变暖
位于我国青海的瓦里关全球大气本底站监测表明，青藏高原大气中的二氧化碳浓度年平均值已由1994年的360ppm（ppm：1000000个空气分子有1个CO2）上升至2013年的395ppm，增加了9.5%。青藏高原对气候变化的反应是极其敏感、脆弱的，在维系国家乃至全球生态安全方面地位非常特殊。监测结果意味着青藏高原将会在很长一段时间内继续变暖，脆弱环境堪忧。（来源：新华网2014年1月9日）
“清华简”发现最早算具
清华大学所藏战国竹简第4辑整理报告，其中《算表》文献被数学史专家认定是目前国内发现最早的实用算具。利用它能快速计算100以内的2个任意整数乘除，还能对包含分数1/2的两位数做乘法。
全国数学史学会理事长、中国科学院自然科学史研究所研究员郭书春介绍，《算表》首次展现了战国计算技术的原始文献，为春秋战国时期数学已经相当发达提供了直接证据，是中国数学史乃至世界数学史上的一项重大发现。（来源：《科技日报》2014年1月8日）
智能手机还能这么玩
如今，几乎每个人都会随身携带一部相当强大的智能手机。智能手机让人们随时随地与外界保持联系，将世界连接成一个前所未有的紧密整体。
科学家们一直在试图通过各种新颖的方式，利用智能手机来承担起“拯救世界”的重任。例如空气污染监视器、便携式显微镜、地震预警、医疗附属装置、天气预测、野外数据收集、幸福指数研究、云计算等。（来源：《科技日报》2014年1月10日）
为什么会得自闭症？
自闭症（Autism）也叫孤独症，是指一种在社会生活及人际交往方面伴有困难的发育障碍。20世纪40年代，美国精神科医生里奥·坎那和奥地利儿科医生汉斯·阿斯伯格分别独立发现了这种疾病。
研究表明，怀孕初期吸烟、哺乳期营养物质不足、出生时父亲或母亲高龄化、不孕治疗等，都可能与自闭症的发病有关。目前患上自闭症的孩子越来越多，但医学界还未找到有效的标准疗法。（来源：《科学世界》2014年第1期）
糖分变新型“烟草”
最新研究表明，充斥在我们生活中的含糖食品可能像烟草一样，对人体并不健康。
来自英国利物浦大学的临床流行病学教授西蒙·凯普韦尔称，糖分已经变成一种新型的“烟草”，易引发糖尿病和肥胖问题；联合国机构表示，大量的证据显示含糖饮料和其他糖类食品可以直接导致肥胖疾病、糖尿病和心血管疾病。英国的食品巨头已被告知，必须减少人们日常食品中30%的含糖量。（来源：英国《每日邮报》2014年1月9日）
最复杂量子集成电路诞生
多年来虽然摩尔定律已走到极限的说法不绝于耳，但是半导体工艺的进步却从来没有停止。目前特征尺寸32nm的半导体工艺已成熟，大量用于高端芯片的制造。在不断缩小工艺尺寸的同时，结构上的改进也在进行。2011年5月4日，Intel宣布经过近十年的研究，在半导体技术上取得革命性突破，将推出被称为三栅极（Tri-Gate）的全新3D架构晶体管设计，并将在年内开始批量制造。传统的二位平面栅极结构被竖起的3D硅鳍状物代替，实现在晶体管在“关”状态下的低功耗，并可实现“开”、“关”状态的快速切换，从而可以实现高性能、低功耗的电子器件。
多核处理器的成熟
2006年出现的双核处理器标志着以主频论英雄的年代正式结束开始，处理器领域已进入一个多核时代，无论是业界巨 擘Intel还是AMD都已经明确表示，今后CPU将会是双核乃至多核的世界。多核设计为摩尔定律带来了新的生命力，在保持较低的时钟频率的同时，提高并行处理能力和计算密度，大大减少了散热和功耗。多核处理器提供了高性价比和高效节能的新途径，可以缓解当今处理器设计所面临的各种挑战。多核处理器是已成为主流处理器的发展趋势。
由于多核技术仍然是基于传统的“冯·诺依曼”结构，处理器内核数量的增加并没有缓解并行处理技术中算法并行化、并行编程的难题，多核的性能并不能充分发挥。因此近年来内核数量增加的速度有所减缓，集成多种功能电路的混合异构多核成为流行的结构，目前Intel的酷睿二代处理器采用四核结构，内部集成显示芯片。
超级计算机从高性能到高效能转变
国外历来强调高性能计算器在国家安全关键领域的战略作用。美国早年提出的“加速战略计算创新”（ASCI）计划，其目的就是在全球全面禁止核试验的情况下，美国能够继续保持它的核威慑能力和核垄断地位。主要的手段是利用数学方程和三维建模仿真核武器的爆炸效果，确保现有库存核武器的性能、安全和可靠性。从1997年到2007年，为ASCI计划专门研制的高性能计算机系统，已经经历了五代，2004年达到100万亿次，2010年达到1000万亿次量级的高性能计算机，预计2015年达到万万亿次以上量级。我国的“天河一号”目前名列超级计算机TOP500榜首，速度高达4700万亿次。
除了性能的不断提高，计算机处理的效能也在军事作战领域逐步得到重视。据估算，一台持续千万亿次计算的超级计算机系统可能需要消耗20兆瓦或更高的功耗，需要专门建设发电站，每年的电费开销可能高达1亿元以上。根据超级计算机世界500强排行榜重新排序的绿色500强排行榜中，IBM的超级计算机排名榜首，功耗效率达到1684Mflops/瓦，“天河一号”排在第十位，为635 Mflops/瓦。
不断探索采用新器件、新原理的计算机
以硅晶体管为基本单元的传统计算机在小型化的过程中将逐步接近其物理极限。研究表明，计算机运行速度的快慢与芯片之间信号传输的速度直接相关，然而，目前普遍使用的硅二氧化物在传输信号的过程中会吸收掉一部分信号，从而延长了信息传输的时间。
据报道，美国纽约伦斯雷尔·保利技术公司的科学家发明了一种利用空气的绝缘性能来成倍地提高计算机运行速度的新技术：芯片或晶体管之间由胶滞体包裹的导线连接，“空气胶滞体”导线几乎不吸收任何信号，因而能够更迅速地传输各种信息，可以成倍地提高计算机的运行速度。
将纳米技术与计算机制造技术相结合的纳米计算机（Nanometer Computer）也是很有发展前景。现在纳米技术正从MEMS（微电子机械系统）起步，把传感器、电动机和各种处理器都放在一个硅芯片上而构成一个系统。应用纳米技术研制的计算机内存芯片，其体积不过数百个原子大小，相当于人的头发丝直径的千分之一。纳米计算机不仅几乎不需要耗费任何能源，而且其性能要比今天的计算机强大许多倍。专家预测，10年后纳米技术将会走出实验室，成为科技应用的一部分。纳米计算机体积小、造价低、存量大、性能好，将逐渐取代芯片计算机，推动计算机行业的快速发展。
此外，以生物计算机、光计算机和量子计算机为代表的新概念计算机研究也非常引人注目。
生物计算机（Biology computer）
生物采用了生物芯片，由生物工程技术产生的蛋白质分子构成（所以又称分子计算机）。在这种芯片中，信息以波的形式传播，运算速度比当今最新一代计算机快10万倍，能量消耗仅相当于普通计算机的十分之一，并且拥有巨大的存储能力。由于蛋白质分子能够自我组合，再生新的微型电路，使得生物计算机具有生物体的一些特点，如能发挥生物本身的调节机能自动修复芯片发生的故障，还能模仿人脑的思考机制。
美国已研制出生物计算机分子电路的基础元器件，可在光照几万分之一秒的时间内产生感应电流。以色列科学家已经研制出一种由DNA分子和酶分子构成的微型分子计算机。预计20年后，分子计算机将进入实用阶段。
光子计算机（Optical Computer）
光子计算机利用光作为信息的传输媒体。由于光子具有电子所不具备的频率及偏振特征，从而大大提高了传载信息的能力。此外，光信号传输根本不需要导线，即使在光线交汇时也不会互相干扰、互相影响。一块直径仅2厘米的光棱镜可通过的信息比特率可以超过全世界现有全部电缆总和的300多倍。光脑还具有与人脑相似的容错性，如果系统中某一元件遭到损坏或运算出现局部错误时，并不影响最终的计算结果。目前光脑的许多关键技术，如光存储技术、光存储器、光电子集成电路（OIC）等都已取得突破。科学家们预计，光子计算机的进一步研制将是21世纪高科技领域的重大课题。
量子计算机（Quantum Computer）
量子计算机是一类遵循量子力学规律进行高速数学和逻辑运算、存储及处理量子信息的物理装置。它利用一种链状分子聚合物的特性来表示开与关的状态，利用激光脉冲来改变分子的状态，使信息沿着聚合物移动，从而进行计算。量子计算机能够实行量子并行计算, 其运算速度可能比目前计算机的PentiumⅢ晶片快10亿倍。除具有高速并行处理数据的能力外，量子计算机还将对现有的保密体系、国家安全意识产生重大的冲击。
人类从此不再一直奔跑在未来后面
“未来”作为一个时间概念，在人类的思想意识里一直都是前置的。几乎所有人都知道，对于自己来说，“未来”是无可选择的选择。所以，每个人都对未来抱有美好的憧憬和无限的期待。如果您认真阅读了《撞见未来》这本书就能体会到，在从猿类动物开始到人类长期的进化中，在今天，时间概念的“未来”已经走到了尽头，“未来”也许从此不再仅仅属于人类。我们面对的未来再也不是把今天当做起点的时间的射线，而是对各种概念、思想、意识进行完全的重构和解构的宏大场域。在这个场域里，一切都将被重新定义，包括我们人类，包括即将出现的人工智能概念下的超人，等等。从此，世界将不再是我们的，而是“未来”的。
时间概念的历史就像是一个平衡木，几千年来人类在上面艰难舞蹈。虽然常常忽左忽右，战战兢兢，甚至波折颇多，但今天我们终于走到了平衡木的尽头。在这平衡木的尽头，人类只要存在就不能自由滑落，而是必将如滑行到一定速度的飞机一样腾空而起，舍弃时间，舍弃历史，奔向“未来”。毫无疑问，信息技术、人工智能和量子科学把我们已经带到了这样一道门前，门前是我们，门后就是未来。作者初次谈到《撞见未来》的时候，把它定义为关于未来学的著作。从他的努力来看，作者用洪荒之力和惊天勇气将信息技术、人工智能和量子科学等一系列新科技知识和概念聚合起来，作为他书中的“未来”的“起点”。
在人类所认知的范围内建立的逻辑和伦理体系中，人类在这个世界长期占有统治地位，概念、思想和意识几乎是全人类的私属财产，这已经成为一种普遍认同的客观和自然。当宇宙伦理和更新的科技逻辑摆在大家面前，成为大家思考问题的依据的时候，人类在伦理上的优势地位是否还能确保？这成了一个现实的问题。我是谁？我来自哪里？这些将不再是人类的自我追问，而是超人的来自未来的隔空喊话。作者试图把这喊话尽可能清晰准确地传给我们现在的人类，但人类从来没有有意识地试图把一些喊话传给这个现实世界的其他生物。所以，我们和地球上的其他生命从来就没有建立真正的共生关系。而今天，在人类即将走进未来场域的时候，我们需要和未来的一切共生、永生。
跨出这一步，进入共生和永生的人类最终将把时间和历史从我们的头脑中抽离，成为一种现实的物质。从此，人类不再慌张地一直奔跑在“未来”的身后，而是在“未来”的场域里舞蹈、歌唱。过去我们太慌张，经历了太多的战争、瘟疫，承受了太久的饥饿、匮乏。现如今，《撞见未来》告诉我们这一切都将改变，作者系统分析了可再生、可分享、可替代等“七可”，为大家描述了一个思想和意识之外的全新世界。这个世界是我们人类新的家园吗？在这个世界里的人类还将是不是今天的人类？我们在“未来”身后观望，却无法冷静，被这种疑惑紧紧伴随。
人类到底相信不相信未来
好R坞等机构的大制作下出品的各类著名灾难片等等，超炫的未来描述和表现，让太多人类几乎都患上了未来恐惧症。这使人分化成两类：一种是彻底的虚无主义者，从来不相信有什么实在的未来，他们眼里的未来就是即将到来的明天，后天好像就与他们再无任何关系。一种是或轻易或全身心地把未来交给上帝的人。不管是信众眼里的上帝还是牛顿眼中的上帝，这些人都将面向他托付自己的灵魂和终生。在人类历史中，对于这个问题几乎从无可解，更无中间路线可行。毫无疑问，这两类人都不是“未来”的信徒，前一种人的“未来”只是他们预期的享乐，后一种人的“未来”只是他们心目中的想象。
《撞见未来》一书试图找到这样一条途径，尽力把靠近真实的未来呈现在所有人面前。这是很困难的事情，于是作者就从他对全球能源互联网的思考和探讨，从他在学习和工作中的积累与沉淀出发，行囊里装上信息科技、人工智能和量子科学等概念，走向未来。作为未来学概念下的研究成果，《撞见未来》里面显然运用了许多预测手段。这些预测不是凭空而来，而是来自于作者系统的学习和长期的探讨、思考。从《撞见未来》的系统表达来看，这种思考已经自成体系，能够启发人的心智，使人有能力、有胸怀去领悟未来。
在这个体系里，《撞见未来》的第一部分提到的“七可”源自具体，带来的却是颠覆，比如可再生、可替代、可预测、可分享等等，显然超出了我们现有的理论体系和认知能力。虽然作者对此给予了很技术很系统的解释，但让人实实在在地信以为真，恐怕还有很长的路要走。我们的生活真的可以是这个样子吗？在更多人无法克服对未来的怀疑与恐惧的情况下，怎么去验证它呢？面对这个问题，作者在书的第二部分给出了答案。这一部分的题目叫人类的解放事业。确实是，科技解放了人类，在这场行走中信息技术的传播是第一功臣。那么解放之后是什么样子？必然带来自我的重生、经济的革新、政治的重构、文化的转型等等。
《撞见未来》的第三部分指出了未来场域下人所面临的机遇和挑战，这也许是人类面临的最后一次最为宏大悲壮的选择。最终，人类要么成为超人，要么被超人替代，从而进入被选择的未来时空中。其实，在人类甚至生物历史上，这些带着生命概念的物种所有的选择的正确率和准确率都是极低的。特别是在遥远的上古时代，这种正确率和准确率极低的选择为进化论提供了条件，因为这种高代价使每个物种都在慎重选择，保持着渐变的演进态势，这更多的体现的是一种对旧有体系的维持。
渐变是进化论的基础，是一种相对机械的演进方式。而今天，日益发达的信息技术、人工智能和量子科学以及大数据、云计算、物联网从技术上解决了选择的准确性和正确性问题，突变成为常态，物质流动的高速度使选择变得近乎悲壮，速度快得天翻地覆，常常是你生我死，死而复生的惨烈场面。随着物质流动速度越来越快，对寻常世界的颠覆必将成为寻常的事情。《撞见未来》显然准确地把握和科学地分析了这一点，作者在用思想和未来竞赛，虽然无法分出输赢，但总是比我们看得清晰、辽远。
当算法和技术清算了伦理、逻辑等概念
科技的本质是发展了的工具。人类创造了工具，但工具也在改变着人类。从最初的石器到现代的信息技术、量子科学、人工智能，人类对于自己创造的工具或者今天的科技越来越难把握。直接的感受就是科学家们研究越深入，发现越多却感觉对未来世界的了解越少，越无知，以至于几乎无法把控，甚至是从来没有把控过。这符合轮回的规律，未来世界的不可知是一种真理存在，跨越此世奔向彼世的人毕竟凤毛麟角。技术进步和迷惑认识的剪刀差越大，我们距离未来世界一定就越近。于是，牛顿走向了神的世界。这种无力感是不是一种轮回？人类终将走到这个轮回的终点，我们的一切对于下一个轮回来说，就是洪荒世界。那么，下一个轮回所面临的世界其实就是超人或者神的世界，牛顿只是比我们更早更透地看到了这一点。
在已经走进我们的信息技术、人工智能和量子科学的时代，一旦越过横亘在我们面前的那道门槛走进“未来”，一切都重新定义之后，现实世界中的伦理、逻辑等一大堆人类运用娴熟的概念就会突然失效。随之而来的是大数据、虫洞、量子力学、人工智能等扑面而来的概念，依托极其强大的科技、算法技术作为重构未来世界的词汇将统治一切。由此造成人类所拥有的所有概念的集体失效，难道不是对人类的一次全面清算？这是必然？还是偶然？《撞见未来》告诉我们，这当然是一种必然，也是一次全面彻底的清算。就像我们走进一个殿堂之前，都会在门前稍作停留。不管你有意识还是无意识，这种停留既有整理衣冠的需要，也是整理情绪的表现。就像衣服上的灰尘和不良情绪一样，在面向未来的这道门前，伦理、逻辑这些概念必将毫不可惜地被抛弃，被无情覆盖。
在超人的世界里，全新的概念体系为我们建筑了一个什么样的未来？这将不是我们所能掌控的话题，因为，随着科学技术的发展，在“未来”世界，我们将失去主导地位，被超人所取代。众多伦理、逻辑、概念集体失效的背后，是人类让出占统治地位的主角位置。当然，当前对超人的塑造看似还掌控在我们的手里，几乎可以不用杞人忧天。然而，人工智能终究有一天会超过我们人类，这个节点一定是人工智能能够自我创造智能的那一天。让人工智能模仿人是我们人类的事情，让人工智能超越人将是人工智能自己的事情。《撞见未来》明确地告诉我们，科学技术已经进入几何级的升级速度，这意味着科学技术在能量概念下将面临着爆炸性的增长。那么，按照这个道理分析，这个节点距离人类还会远吗？
当人类被超人完全取代，退到配角地位，我们也许会重新认识这个世界。在宇宙伦理、超人逻辑作为规范的未来世界里，科学技术带给我们的不仅是永生，还是全新算法下的变身。变身之后的我们人类在这个宇宙处于什么位置？是在宇宙的演艺厅的观众席上看超人肆意演出？还是被超人扔到各类动物或者其他生命形式充斥的纷乱舞台？对此，作者在《撞见未来》一书中没有明确的答案。毕竟，在量子时代，作为未来学概念下的预测技术还没有脱离物理概念，问题的提出并未必然带有方向。《撞见未来》描述的本来就是一个多维度视角下构建的关于“未来”的宏大场域，用二进制的传统思维解答人类和未来命题显然还显无力。
人类为超人设置算法，但按照线性的发展趋势来分析和认识，超人终有一天会有属于自己的算法，或者他们终将牢牢掌控算法，直到“超”超人的出现。在人类的算法世界里，今天的我们并不比洪荒时代的人类掌控更多的人性，爱、恨、生、死，甚至梦境、幻想等等，在人类的世界里，总有那么一些的不可掌控的东西要交给神或者上帝。但在超人逻辑或未来宇宙逻辑下的算法技术中，今天的这些不能掌控必将被超人掌控。那么，什么人性，什么梦幻，都可能会物质化并技术地随意组合。也许，超人的世界里从此彩虹不一定七色，开水未必L烫，雪山不再清冷，超人的世界不由我们假设，人类也不会懂。
超人是人类的再生还是毁灭
在概念上，大多数宗教强调的神性其实是放大了的人性，是人性自我挣脱意识的现实反映，或者说是人性自我救赎过程中的集体映像。那么超人是不是应该具有超人性？超人性是不是就是我们一直所崇敬的神性？那么，超人是不是也意味着就是我们想象中的“神”？人类造神几千上万年，被自己所创造的神统治了几千上万年，突然人类自己升级成为了“神”，会不会像婴儿来到世界一样，一切都是陌生和新鲜的，一切又都不是自己的，除了这条生命。超人跳出人类圈子，在“神”的世界里还要像一个婴儿一样，呀呀学语，蹒跚学步，迈出神的生命旅程的第一步。
连通现实和未来的通道就是物质，动力来自于科学技术。于是，死亡，从形而上走进形而下。作者在《撞见未来》一书中写到，死亡成了物质的一种转换形式，而不是生命的消亡。这种生命概念的绝对物化，是放在未来世界里重新构建的。有了物质的支撑，也许这个生命概念将会融入类似今天的操作系统、量子力学、信息技术等内容，那么，升级我们人类将成为非常技术的可能和扑面而来的现实，而不是手术刀和各类肌肉、脏器的生硬搏杀。血液里流淌了太多技术元素的超人还是不是人？如果超人是人，超人将意味人类的升级或者再生；如果超人不再是人，那么是不是就意味着我们人类将面临覆灭，或者退回动物的群落，由超人取而代之？
超人的一小步，甩开人类千万步，轻易跨越了人类和超人之间的千沟万壑。随着科技的发展、意识的升级、人与世界的重构，必将建立全新的逻辑和伦理体系，假设中的宇宙伦理、超人逻辑将成为超人的生存和发展准则，这必将给当下的道德体系和思想意识带来无情的碾压，一些基本的概念从此失去了意义，人类有可能从此不再崇高。这种不崇高使人彻底失去了积累万年的万物灵长之优越感，之后人类面临的将是什么心情？也许，进入超人的轮回里，我们人类的区区几万年只是一个痕迹？一位院士曾经说过，不要说拯救地球，地球没有问题，有问题的是人类，需要拯救的是人类。确实是，地球存在了几十亿年，而人类存在时间与之相比不过是那么短暂的一瞬，短暂到对地球的影响几乎可以忽略不计。没有人类，地球依然在，失去了人类，地球依然在。在我们还无法跳出我们的世界，遇到未来的挑战时，超人会拯救我们吗？
一切科学的最终结果就是哲学。虽然科学和技术取得了极大的进步，但科学依然远远落在哲学的后面。天地广阔，却不能任鸟飞。超越一切，却无法超越理性。这是人之为人的一种根本状态。当科学技术以及其他一切学科都回归工具本质，唯有哲学才能给人类留有生存的空间，对接未来的世界的人类。毫无疑问，这是人类的法则，也是我们作为生命的意义所在。但面对未来，信息溢出、权利溢出、概念溢出等等，让意义从此不再纯洁无瑕，意义退位，力量上位。力量是什么？就是物质，物质靠什么推动，眼见的就是信息技术、量子力学和人工智能等等。
[关键词]高效 复杂 绝对安全
中图分类号：TP39 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2016）10-0295-01
人类的实践活动产生需求，并在具备了一定的技术条件后，就有新的计算机产生。虽然计算机技术取得了非常巨大的进步，但随着人类实践活动的不断拓展，对计算机技术也在不断提出新的需求。现在得到广泛应用的电子计算机提高性能的一个重要途径，就是不断提高集成电路芯片的集成度。但是，受到芯片散热，器件工艺技术及制造成本等因素的制约，芯片集成度的持续提高将会遇到很大的困难，进而影响到计算机速度新的突破。因此量子计算机的研究和探索成为了当今计算机技术发展的一个重要趋势。
基于量子理论的量子计算机，遵循量子力学规律进行高速数学和逻辑运算、存储及处理量子信息的物理装置。量子计算机源于对可逆计算机的研究。量子计算机应用的量子比特，可以同时处在多个状态，而不像传统计算机那样只能处于0或1的二进制状态。Qubit，是通过囚禁原子技术，降低原子温度让原子保持量子形态。量子的最大特点是其包罗万象，可以根据用户所提取信息而定。这种设置从根本上提升了计算机的运行速度。量子计算机可同时处理0及1以上，只需3个Byte（字节）便可处理1600万项任务，理论上，现时最快的超级计算机需要花10亿年处理那极端复杂的排程运算，量子计算机只1分钟即可完成。
原子的旋转可能向上也可能向下，但不可能同时都进行。对量子来说，原子被描述为两种状态的总和，一个向上转的原子和一个向下转的原子的总和。每一种物体都被使用所有不可思议状态的总和来描述。一串原子排列在一个磁场中，以相同的方式旋转。如果一束激光照射在这串原子上方，激光束会跃下这组原子，迅速翻转一些原子的旋转轴。通过测量进入的和离开的激光束的差异，我们完成了一次复杂的量子“计算”，涉及了许多自旋的快速移动。从数学抽象上看，量子计算机执行以集合为基本运算单元的计算。
一、关于量子计算机在信息传输安全的问题
量子计算机对信息传输的帮助。“就是绝对的安全。”用量子加密通信就能保证绝对的安全！在光缆传输信息的时候，由单个光子作为信息的载体，携带所需的信息。因此从光子角度看。
尝试窃听信息
窃听信息首先就意味着光子被截获，接收方将无法获得信息。按照目前的科技水平，光子的捕获是可行的，但并不能达到窃听信息的目的。
2012年诺贝尔物理学奖得主阿罗什已经发现一种超高Q值的腔体，能够将光子存储在镜子之间，时间超过0.1秒。这就意味着人们对信息的截获，而且并不影响接收端的接受，因为网络信息的传输本身就存在延迟的问题，而且0.1秒人们的感官一般是感觉不到这种细微的差别的。同时这个代价是巨大的，只有著名的学术机构才可能拥有这套设备，并且在上万次的实验中才有可能成功一次。而且将光量子储存在腔体之后，就可以无破坏地对相同的场进行重复测量，将场投影到具有确定光子数数目的状态上（即Fock态），同时可以观察腔体获得或丢失单个光子时引发的光量子跃迁。因此这种信息的捕获和解读并不会影响下文中所提到的光子状态的改变.但是这里又会出现另一个问题，一个光子所携带的信息是有限的，若想同时捕获两个光子的概率为10^（-34），而且捕获一个光子所需的时间为10^（-11）秒。因此，若想捕获由量子计算机传输的全部信息，对于现在的人类来说是完全不可能的，正如潘建伟院士所说，这就是完全的加密。
二、尝试克隆信息
尝试克隆信息则意味着单个光子的状态改变，接收方一样会发现问题。根据海森堡不确定性原理，量子的不可分割和量子的不可克隆，决定了在绝大多数情况下窃听必然被发现（除了上文中提到的特殊情况）。在此基础上，量子密钥分发“一次一密，完全随机”，就保证了加密内容不可破译，也就是理论上的绝对安全。但是还有另一种极为特殊的情况，“除非改变熵增不可减这一宇宙法则被改变，这种逆过程在目前人类所处的三维空间世界里还无法想象，毕竟，多维平行世界目前还无法体验。就如牛顿经典力学适用于低速宏观世界，在高速微观世界就得用爱因斯坦相对论和量子理论一样。至少在目前人类已经感知的世界中，绝对的安全就出现了。
关于量子隐形传态和量子计算。
利用量子纠缠技术，借助卫星网络、光纤网络等信道，传输量子态携带的量子信息。量子态就可以在一个地方消失，不需要任何载体的携带，又在另一个地方瞬间出现。这就可以极大的加快现在的信息传输速度。根据海森堡的不确定性关系，量子本身是可以同时存在于两个地方的。一般情况来说量子波是可以瞬间展开充满宇宙的。
数据是不会丢失的。如果用光子作为信息的载体，就很有可能面临信息的丢失。但是这一点目前可以结合伦纳德・欧拉的最小作用量原理，粒子的运行轨迹是使得此路线上的任何两点之间的作用总是尽可能小。同时加上海森堡的不确定性原理，ΔPΔX～h当量子想要跃迁到更远的地方时，由于量子干涉的规模也会变大，所以量子本身只会运动很小的距离（这是在极大概率下发生的） 。例如，在一个0.0009m2的空间中，让1微克的物体完全移动出去大概需要10^21秒。这个数值是宇宙年龄的1000倍，因此数据的丢失是几乎不会发生的，光子可以几乎按照人们预先设计好的路线，完成信息的传输，因此量子计算机的实现，对信息的传输是绝对安全的。
关于量子通信的实际应用
在量子通信的实际应用中，我们则需要保证终端的安全，身份的安全，传输途径的安全，以及相关软件和云应用环境的安全，因此理论上的绝对安全在实际应用中会受到这样那样的条件限制。
2015年12月11日，谷歌量子人工智能实验室宣布量子计算机最新进展：在两次测试中D-Wave2X的运行速度比传统模拟装置计算机芯片运行速度快1亿倍。
这项突破性的成果打破了业内对于量子计算机真伪的存疑。这次，谷歌和NASA一同证实了量子计算机的可操作性。
由于量子形态的不稳定，量子计算机只是在理论层面可行，加上能够用运用量子计算的算法有限相对编程也较传统计算机难度更大，因此并不具备可行性。这次的2X系统，采用了1152Qubit的架构，对比之前的系统，研发团队重点从提升量子的运行速度转移到保持量子稳定性以提升性能上。
即便克服了量子稳定性的问题，量子计算机在实际落地推广方面会遇到一些实质问题，如何在实验上实现对微观量子态的操纵。已经提出的方案主要利用了原子和光腔相互作用、冷阱束缚离子、电子或核自旋共振、量子点操纵、超导量子干涉等。很难说哪一种方案更有前景，只是量子点方案和超导约瑟夫森结方案更适合集成化和小型化。也许我们需要一种全新的设计，而这种新设计又是以某种新材料为基础，就像半导体材料对于电子计算机一样。但摩尔定律的失效，对半导体行业和量子计算机的发展无疑又产生了一个更大的障碍。研究量子计算机的目的绝不是要用它来取代现有的计算机，而是为了在某些方面满足人类对实践活动的需要。随着科技的发展，量子计算机将变成可能。
参考文献
智商一直是一个有争议的概念。目前流行的IQ测试,其原理是基于测试人的空间能力、数学能力、语言能力和记忆能力。这些分数有高有低,因此有种观点认为人类一般智力水平取决于大脑特定区域的功能强弱。
发表于2月份《国家科学院院刊》(PNAS)上的一项最新研究成果却显示,一般智力水平的高低通常取决于大脑两个半球共同组成的网络所发挥功能的强弱,而并非单一的结构所能控制。该文章第一作者格兰舍认为,大脑当中存在着一种分布式系统,若干个大脑部位的联同作用是决定一般智力水平高低层次的关键。
该研究一共对241名患有大脑功能障碍病人的IQ测试结果进行了仔细地分析。研究人员将每位病人大脑中存在功能障碍的部位进行了定位,同时,他们根据病人参加IQ测试所得的分数,划定出了大脑中可能影响智力水平的区域。
与基于还原论的研究结果不同,这一成果为从整体论的角度理解智力提供了有效的论据。
用“混沌”理论思考的机器人
如何提高机器人处理复杂环境信息的能力?确实,在这点上机器人还远远不如一只昆虫。
这不仅仅是机械结构上的设计和材料问题,如何将不同性质、不同时空的信息进行整合、快速处理,然后迅速地输出行为,一直是机器人研究的难点。
英国《自然―物理学》(NaturePhysics )杂志报道,德国科学家团队设计了一个6条腿的机器人,它通过18个微型马达驱动,另有18个光、热和触觉传感器获得外界信息。这个机器人的重要特点,是将“混沌控制”应用于控制行为的神经回路中,这种神经回路在动物节律运动中就是所谓的“中央模式发生器”(CPGs)。当这个发生器没有被控制时,机器人就处于一种“混沌”的活动模式。当有信息输入时,发生器就进入到另一种模式来决定采用何种行为。
在“混沌”的神秘控制下,该机器人的中央模式发生器虽然只是一个由两种电路元件构成的简单神经回路,但能够应付复杂环境,比如可以在困难的地形里爬山、下山,并且同时绕开障碍物。如果机器人掉入陷阱,它会主动放弃控制,而不是做无谓的努力直到能量耗尽或者损坏。
月球上又发现了6亿吨水冰
去年10月,美国宇航局向月球南极投下两颗撞击器,通过分析撞击产生的尘埃云团,发现云团里有大量水和水蒸气,为月球存在水冰提供了确凿的证据。
3月1日,美国宇航局宣布在月球北极的陨石坑内又发现了大量水冰。总共有40多个直径从1英里(2公里)到9英里(15公里)的陨石坑里都存在水冰,他们总含量至少有6亿吨。
对于该发现的意义,休斯顿月球和行星研究所Mini-SAR实验首席研究人员保罗•施普迪斯认为,月球上水诞生、转移和堆积等现象,使月球成为比过去更加有趣和更具吸引力的科研、探索及操作目的地。这项研究成果将在《地球物理研究快报》上进行详细介绍。
这些存在于北极和南极的水,因为不会受到阳光的照射,所以能永久地保持冰冻状态。水冰资源十分重要,它为人类探索和开发月球提供了可选择的区域,为宇航员提供饮用水,或者制成氧气或火箭燃料,供给月球基地。
朊蛋白使神经高兴
令人“谈牛色变”的疯牛病是由朊病毒(prion)导致。朊病毒不是常见的微生物病毒,而是一种错误折叠的蛋白,它的积累使动物脑的灰质发生海绵状病变,引发脑功能紊乱。
尽管朊病毒声名狼藉,但它在诞生之初是健康正常的蛋白,即PrP,并在脑里无处不在。消灭朊病毒,必须先了解PrP的功能,可是PrP的作用一直知之甚少。
1月份的《自然―神经科学》(Nature Neuroscience)报道,一个研究团队初步发现了PrP在神经系统里的功能。信息在生物体内由神经细胞的轴突传递,神经细胞的轴突一般会被髓鞘(myein)包围,往往髓鞘外面还有一层神经膜,即施旺细胞(Schwann cells)。
通过观察缺失了髓鞘的小鼠,研究结果发现,当PrP仅存在于轴突上时,能够防止脱髓鞘疾病的发生。当PrP在轴突里缺失,而存在于施旺细胞里时,小鼠表现出病症。
简单地说,朊蛋白只要在轴突里出现就能防止病变的发生。这说明PrP是轴突里一个的信号分子,用领导该团队的Aguzzi话说:“它让施旺细胞保持高兴”。
量子纠缠在固态电路中完美实现
《物理评论快报》(PRL)杂志报道,一个由法国、德国和西班牙物理学家组成的研究团队,首次在固体状态的装置中确凿地实现了量子纠缠。这一现象与光的量子纠缠相似,只不过代替在光学系统的光子,在电路中使用了其他粒子。
量子纠缠是量子世界里的一个著名现象,呈现出量子纠缠的两个粒子仿佛“心有灵犀”,即使两者处于很远的距离,双方都能知道对方的状态,一旦其中一个的状态发生变化,另一个也会立刻发生相应的变化。
比如一个粒子发生衰变,发射出了两个光子,当其中一个光子在某个时刻被阻挡,另一个也会同时表现出同样的阻挡状态,仿佛两颗电子拥有超光速的秘密通信一般。
此次,实验人员在超导材料中用电子取代了光子,通过碳纳米管实现了粒子的分离。尽管两个粒子分离的距离只有1微米,但对于此类实验来说,这个距离已经足以展现纠缠态。
这一研究成果开启了在固体材料里研究量子机械纠 .的新前景,意味着量子力学真正走进了电子元件中。
虽然无论是在光学态还是在固体状态,都能通过量子纠缠实现量子计算和安全通讯,但后者显然更容易最终纳入电子设备里。掌握了量子纠缠这一“钥匙”,意味着打开了量子密码、量子通讯和量子计算机的大门。
DNA物质通过“筑堤”助长寿
意大利博洛尼亚大学日前发表公告说,该校科学家詹皮耶罗•斯帕达和在法国斯特拉斯堡大学工作的意大利人保罗•萨莫里用高分辨率显微镜,观察到DNA的组成物质之一,鸟嘌呤,通过“筑堤”的方式,从直线排列转变成四个一组,然后聚集在一起,将端粒包围在中心,起到保护端粒的作用。
端粒是染色体末端的DNA重复序列,在正常细胞中,端粒会随着细胞分裂而逐渐缩短。端粒随年龄增加而越来越短。端粒最终消失时,染色体发生畸变,从而使人类细胞丧失复制能力,最终导致细胞衰老。同时端粒的状态也与肿瘤细胞紧密相关,比如,端粒酶可能参与肿瘤的恶性转化。
科学家还发现,只要给予简单的化学刺激,比如在细胞中加入盐或者抽出盐,就可以对鸟嘌呤的排列进行控制。
这一发现表明,鸟嘌呤既在细胞老化过程中也在肿瘤细胞繁殖中起关键作用。因此,深入了解鸟嘌呤排列形态和组合机制,就可以为研制治疗肿瘤或延年益寿的药物开辟新道路。
基因揭示猫科动物斑纹的秘密
发表在2 0 1 0 年《遗传学》(G e n e t i c s )杂志1月刊上的研究,首次报道找到了与猫科动物斑纹有关的基因,为揭示老虎身上条纹、美洲豹身上的斑点和家猫纹理模式提供了线索。理解形成斑纹的基因原理,也为治疗人类皮肤病提供了新的策略。
科学家将不同纹理模式的家猫,比如条纹和斑点,进行杂交,在它们的后代里追踪这些模式的遗传情况。实验的原理是,基因样本被标上各种分子标记。如果发现当某种模式的斑纹出现在小猫上,同一种分子标记也同时出现,这说明该分子标记和控制该纹理模式的基因位于同一DNA区域内。
利用称为连锁图谱的统计程序,科学家确定了2个基因的位置。科学家希望识别出所有相关的基因,并确定基因的功能是否适用于其它的哺乳动物。这项研究可为治疗人类皮肤疾病提供更多的科学依据。
《遗传学》杂志主编约翰斯顿(Mark Johnston)说:“这项研究可以帮助我们更好的了解其它哺乳动物头发和皮肤颜色相关的基因。同时,可以为皮肤疾病提供新的治疗手段。”
压力导致肿瘤
环境压力会导致癌症,但压力怎样导致肿瘤的发生却一直是个谜。来自霍德华休斯医学院,复旦大学生科院复旦-耶鲁生物医学研究中心的研究团队,发表于《自然》1月份的在线版的论文里报道肿瘤形成的新途径,并同时描述了压力促使细胞演变成肿瘤的信号途径。
研究观察了两个与癌症有关的重要基因,一个是RAS的基因,它牵涉到30%的癌症。另一个是叫做scribble的抑癌基因,它发生突变时会促进肿瘤的发展。正常情况下,当细胞里只有其中一种基因发生突变时,不会引发癌变。
该研究发现,当变异的RAS细胞核和有缺陷的scribble基因细胞相邻时,可能会诱发癌变,发展成恶性肿瘤。而且他们还发现诸如创伤之类的压力情况也会诱发癌症的形成,原因就在于两种现象都会导致被称为JNK的信号产生过程,而这一过程会受到环境压力情况的激发。
这一研究结果突破了一个常见的观点:只有当单个细胞内发生一个以上的致癌突变时才能促使肿瘤生长。这说明癌症要比人们先前了解的更容易在人体内发生,也为预防和治疗癌症提供了新的思路和线索。
母乳的成分影响幼儿行为
美国科学家通过监测母猴的母乳营养成分和幼猴行为,发现不同的母乳成分会对幼猴的行为造成显著影响,幼猴可以从母乳中获得环境信息,并表现出相应的行为和性格。该研究发表在《美国灵长类动物杂志》(AmericanJournal of Primatology)。
科学家给圈养的59只母猴提供相同的食物,并在幼猴1个月和3.5个月时收集母猴的母乳,分析母乳中糖、蛋白质和脂肪的成分,然后换算成能量。
结果表明,相比体重轻、第一次育儿的母猴,体重大、有过生产经验的母猴的母乳能提供更高的能量。在3〜4个月时,将幼猴从母亲身边带走,聚集在一起观察,分别记录每只幼猴的行为和性格。科学家发现,能够在母乳中提供更高能量母猴的幼猴能够更有效的处理环境,比如更好动,更多探索行为,以及吃喝;在性格上也更加自信,表现在玩耍、好奇心和积极性上。那些母乳能量低的幼猴则表现得不够积极和自信。
该文章的作者Katie Hinde认为,母乳所含能量的多少可能是一种营养的线索,传达出的信息能调控出生后的幼猴对环境和母体状态的行为。
恐龙的祖先是四条腿?
一个多世纪以来,人们一直在寻找恐龙起源的线索。舆论的观点一直在两种观点之间摇摆。一种认为恐龙的祖先是爬行动物,用四条腿走路;另一种观点是两足动物,身体呈鸟形,但不能飞。两足动物祖先的观点已经获得了胜利,但最新发现的恐龙化石又将舆论的趋势拉回到四足动物上。
2007年,科学家在坦桑尼亚南部发现了14块恐龙化石,这足以让他们拼成完整的骨架,并命名为新物种Asilisaurus kongwe。
