本文发表在《大众科学》的前博客网络中，反映了作者的观点，不一定反映《大众科学》的观点
欢迎本月的 Scicurious 客座作家，Rory Fenton！
小时候，我闭上眼睛会以为其他人也都陷入了黑暗。但很快我就意识到，实际上，无论你看与不看，世界的其他部分都保持不变。但二十年后，拿到物理学学位后，我开始问我在三岁时认为已经解决的同一个问题：当我们不看它们时，事物真的保持不变吗？根据量子力学，答案是否定的。事实上，正当我们不看时，宇宙才处于最不寻常的状态。这一理论可能正在进入日常生活，从医疗设备到计算机。我们所有人内心的孩子可能只是理解了一些道理。
（量子文学：《双城记》，正常大小的 1/25,000。来源）
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得益于纳米技术的最新飞跃，量子力学可能很快就会在您的计算机上运行。随着技术越来越小，计算机组件可能很快就会在原子级别上构建。这意味着更小、更快的计算机。它也可能导致机器表现得非常古怪。
量子力学是关于物理学中最小粒子的理论；例如电子、质子和中微子。它在上世纪初的发现对于物理学家看待世界的方式来说，不亚于一场革命，甚至比爱因斯坦的相对论还要重要。其结论对我们理解宇宙的影响是如此激进，以至于许多科学家最初强烈抵制这一观点。受到攻击的是科学的基石：精确测量。精确测量是科学的基础。唯一应该影响您测量准确性的因素是您的显微镜、尺子或时钟等设备的质量。理论上，应该可以完美地精确测量任何东西。但在上世纪初，量子力学的出现颠覆了这一观点。
量子力学的怪异之处在于它使用的数学。旧的、精确科学的数学就像日常生活的数学一样，数字的顺序并不重要。因此 6+2 与 2+6 相同，4x3 与 3x4 相同。量子力学的数学更像单词；字母的顺序很重要。想想养宠物狗和养宠物神之间的区别。这些是两种不同的事物这一事实意味着，当我们把它们拿走时，与 3x4-4x3 不同，我们不会得到零。更重要的是，我们剩下的部分（诚然，思考“狗减去神”在这里不会有太大进展）是一个“虚数”，这意味着负数的平方根，而且并不是你可以用尺子测量的东西。这就是物理学家所说的“不确定性原理”；由于量子力学使用字母的数学而不是数字的数学，因此我们始终会在实验中留下一些我们无法正确测量的东西。更重要的是，我们进行测量这一事实将影响我们的实验如何发展。电子的路径将取决于您是否测量其位置。想象一下把一个球扔到空中，结果却发现它落在哪里取决于你是否看过它。这就是科学证实童年迷信；世界受到你看它的影响。
当第一次发现不确定性原理时，它给了科学一记耳光。无论我们的测量设备多么精确，我们的实验中总会有一小部分我们无法测量。这个新理论唯一的安慰是这个未知量的大小；它太小了，以至于对我们日常世界的桌子、汽车、树木和手表来说都无关紧要，因此科学界可以松一口气。也就是说，在我们开始将量子世界变成我们自己的世界之前。
计算机革命认为越小越好，而纳米革命是这种说法的最极端体现。计算机和机械机器正在以越来越小的规模构建，这一趋势始于诺贝尔奖获得者理查德·费曼的挑战。在 1959 年的一次演讲中，费曼阐述了他对未来技术的愿景。他想象构建一套我们自己 1/4 大小的机械手，然后可以用它来构建一套 1/16 大小的机械手，然后可以用它来构建更小的手，以此类推，从而可以通过最小的手来构建和操作微小的设备。他还宣布了两项 1000 美元的奖金，价值虽小，但对于如此重要的物理学家来说，却具有巨大的声望。宣布的第一个奖项是颁给第一个制造出直径仅为 1/64 英寸的电机的人。令费曼惊讶的是，仅仅一年后，他就颁发了该奖项，不是颁给科学家，而是颁给一位技艺高超的工匠威廉·麦克莱伦，他使用显微镜和镊子的传统工具构建了这样一个工作电机，重量仅为千分之四克。费曼的第二个奖项花了更长的时间才被认领。它将颁发给第一个将文本缩小到足够小的规模，以便将整本《不列颠百科全书》写在针头上的人，使文本缩小 25,000 倍。这最终由斯坦福大学的研究生汤姆·纽曼在 1985 年实现，他使用电子束刮擦薄塑料膜的表面，将《双城记》的第一段缩小到正常大小的 1/25,000。
费曼的挑战点燃了微机电系统领域：在千分之一毫米（微米）的尺度上构建的具有电气和机械部件的机器。虽然最初更多的是研究人员炫技，但这些设备很快就进入了日常生活，从医疗设备到地震探测器。它们的小尺寸使它们对微小的变化非常敏感；非常适合制造非常灵敏的探测器。你的汽车安全气囊很可能包含一个微机电系统，正等着被你的头撞击。
自 1959 年以来，微型机器领域取得了长足的进步，但它们还不够小，无需担心量子力学。这种情况现在正在改变，过去十年见证了第一个纳米机电系统的构建；现在的机器尺寸为百万分之一毫米。在这种尺度下，科学家不再依赖经典力学来控制他们的创造物，因为量子不确定性已经足够大，足以引起重视。这意味着量子领域占据主导地位，一个全新的可能性世界正在打开。
迄今为止构建的最成功的纳米机电系统（NEMS）是微小的杠杆。杠杆是理想的 NEMS，因为它们在微小尺度上振动的方式。杠杆的谐振频率，即它最强烈振动的频率，与它的长度成反比。这意味着如果使杠杆缩小一半，它将以两倍的速度振动。如果你能制造一个比你的手指小十亿倍的杠杆，它将确实快速振动。目前的技术允许制造长度仅为千万分之一毫米的杠杆，它将每秒振动 100 亿次。与日常机器相比，汽车发动机的振动频率不会超过每秒一百次。
杠杆将与相邻的电场和磁场相互作用，从而可以检测附近的粒子。NEM 杠杆的快速运动意味着可以非常迅速地发现其运动的任何突然变化。如果我每十秒钟敲一下你的胳膊，并要求你告诉我何时注意到延迟，你至少需要等待十秒钟才能告诉我我花费的时间更长。如果我每秒钟敲一下你，你会更快地检测到变化。这使得 NEM 杠杆非常适合超灵敏探测器，能够快速检测到任何干扰其正常振动的物体。理论上，NEM 杠杆探测器的灵敏度可以一直降至量子极限，从而可以检测到单个质子，这可能会带来超灵敏的 MRI 扫描。现代医学 MRI 扫描仪需要大约一百万亿个质子才能获得信号；NEM 设备已经显示出十倍的精度，并且肯定会变得更加精确。在 MRI 扫描仪可以扫描大脑的地方，NEM 扫描仪可以显示我们单个神经元。
除了潜在的医疗用途之外，这种精度的水平还为量子宇宙提供了令人兴奋的一瞥。物理学家通过从相对较大的原子尺度推断出量子力学的定律，但他们尚未实现对量子活动的直接测量。随着 NEM 设备探测器变得越来越小、越来越精确，这可能很快就能实现。
当一个原子被激发时，它不会逐渐积累能量，而是“跳跃”到下一个能级，而不会在两者之间经过。这就像数 1、2、3、4 而不提 1.01、1.02 等。我们可以知道这一点，因为受激原子会以非常特定的频率释放光，对应于正好是“1”或正好是“2”，而永远不会是 1.546 或其他任何数字。现在想象一个 NEM 设备测量一个原子的能量。随着这些微小的测量杠杆变得越来越小，物理学家希望很快能够直接测量这些能量跳跃之一，即所谓的“量子跃迁”，从而为量子力学提供迄今为止最直接的证据。
量子世界的另一个奇怪之处是纠缠；两个独立物体在某种程度上“连接”的趋势，对一个物体的作用会立即影响到另一个物体，而无论距离多远。爱因斯坦正确地称之为“幽灵般的”。其中一个 NEM 杠杆有可能与附近的电子纠缠在一起。最终，环境因素（如热振动）将消除这种纠缠。通过测量消除纠缠所花费的时间，可以证明杠杆确实是纠缠的，从而再次直接测量量子现象，无可否认地证明大自然确实可以“幽灵般”。
这些微型机器最令人兴奋和实用的未来应用之一是在计算领域。一个微小的计算机组件，例如晶体管，可以非常精确地控制单个电子的运动。晶体管是微小的开关，它们在 40 年代的发明为更小、更轻、更经济的计算机铺平了道路。您正在阅读的这台计算机将包含数百万个晶体管。物理学家提出了一个“量子穿梭机”来单独地将电子跨越间隙传输。这涉及到一种“量子点”，它是一种可以捕获电子的设备。该量子点在两根导线之间振荡，使电子可以跳上跳下。通过控制两根导线的能量，可以确保电子仅沿一个方向移动。附近带电的纳米杠杆可用于微妙地调整量子点的振荡，从而控制电流。电子将使用一种称为“量子隧穿”的现象移动，这种现象使它们能够穿过原本对它们来说太强的电场，从而节省能量。这不仅效率更高，而且比传统晶体管快得多；大约快一千倍。
一个令人难以置信的想法是，计算机最初是机械计算机器，很快就变成了速度快得多的电子设备，但现在可能再次由机械的、移动的部件构成。当您考虑到数十亿个这样的部件可以放入您的手中时，您就可以看到这项技术对未来计算的意义有多么令人兴奋。
当然，纳米机电系统 (NEMS) 也并非没有挑战。最大的障碍是温度。热量会导致物体振动。在人类尺度上，这根本不明显，但对于原子来说，即使是最低的温度也会像狂风暴雨中的小艇一样摇晃它们，这使得控制它们的尝试变得徒劳。要克服这个问题，需要只有几毫开尔文的温度；也就是仅比绝对零度高几千分之一度，在绝对零度时，所有运动都会停止。这些温度仅在少数实验室中可用。更重要的是，这些设备以令人难以置信的速度振动，需要非常高质量和精确的工程设计，以避免损坏。
这些挑战是巨大的，但并不一定比创建原始计算机所面临的挑战更大；最初仅用于实验室的第一个晶体管很快就成为摩尔定律的主题——每两年成本减半。纳米机电系统代表了当前技术研究中最令人兴奋和最有前景的领域之一。从超灵敏探测器到超高速计算以及对量子宇宙的洞察，这些微型机器带来了巨大的希望。您何时能在智能手机中使用它尚不清楚，但正如理查德·费曼所说，底部有很大的空间。
Rory Fenton 是伦敦帝国理工学院的流行病学硕士学生，他在那里获得了理论物理学理学硕士学位。他研究过量子机器的理论，但现在从事全球健康数据分析。他的推特账号是@roryfenton。