本文發表在《大眾科學》的前部落格網路中，反映了作者的觀點，不一定反映《大眾科學》的觀點
歡迎本月的 Scicurious 客座作家，Rory Fenton！
小時候，我閉上眼睛會以為其他人也都陷入了黑暗。但很快我就意識到，實際上，無論你看與不看，世界的其他部分都保持不變。但二十年後，拿到物理學學位後，我開始問我在三歲時認為已經解決的同一個問題：當我們不看它們時，事物真的保持不變嗎？根據量子力學，答案是否定的。事實上，正當我們不看時，宇宙才處於最不尋常的狀態。這一理論可能正在進入日常生活，從醫療裝置到計算機。我們所有人內心的孩子可能只是理解了一些道理。
（量子文學：《雙城記》，正常大小的 1/25,000。來源）
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得益於奈米技術的最新飛躍，量子力學可能很快就會在您的計算機上執行。隨著技術越來越小，計算機元件可能很快就會在原子級別上構建。這意味著更小、更快的計算機。它也可能導致機器表現得非常古怪。
量子力學是關於物理學中最小粒子的理論；例如電子、質子和中微子。它在上世紀初的發現對於物理學家看待世界的方式來說，不亞於一場革命，甚至比愛因斯坦的相對論還要重要。其結論對我們理解宇宙的影響是如此激進，以至於許多科學家最初強烈抵制這一觀點。受到攻擊的是科學的基石：精確測量。精確測量是科學的基礎。唯一應該影響您測量準確性的因素是您的顯微鏡、尺子或時鐘等裝置的質量。理論上，應該可以完美地精確測量任何東西。但在上世紀初，量子力學的出現顛覆了這一觀點。
量子力學的怪異之處在於它使用的數學。舊的、精確科學的數學就像日常生活的數學一樣，數字的順序並不重要。因此 6+2 與 2+6 相同，4x3 與 3x4 相同。量子力學的數學更像單詞；字母的順序很重要。想想養寵物狗和養寵物神之間的區別。這些是兩種不同的事物這一事實意味著，當我們把它們拿走時，與 3x4-4x3 不同，我們不會得到零。更重要的是，我們剩下的部分（誠然，思考“狗減去神”在這裡不會有太大進展）是一個“虛數”，這意味著負數的平方根，而且並不是你可以用尺子測量的東西。這就是物理學家所說的“不確定性原理”；由於量子力學使用字母的數學而不是數字的數學，因此我們始終會在實驗中留下一些我們無法正確測量的東西。更重要的是，我們進行測量這一事實將影響我們的實驗如何發展。電子的路徑將取決於您是否測量其位置。想象一下把一個球扔到空中，結果卻發現它落在哪裡取決於你是否看過它。這就是科學證實童年迷信；世界受到你看它的影響。
當第一次發現不確定性原理時，它給了科學一記耳光。無論我們的測量裝置多麼精確，我們的實驗中總會有一小部分我們無法測量。這個新理論唯一的安慰是這個未知量的大小；它太小了，以至於對我們日常世界的桌子、汽車、樹木和手錶來說都無關緊要，因此科學界可以鬆一口氣。也就是說，在我們開始將量子世界變成我們自己的世界之前。
計算機革命認為越小越好，而奈米革命是這種說法的最極端體現。計算機和機械機器正在以越來越小的規模構建，這一趨勢始於諾貝爾獎獲得者理查德·費曼的挑戰。在 1959 年的一次演講中，費曼闡述了他對未來技術的願景。他想象構建一套我們自己 1/4 大小的機械手，然後可以用它來構建一套 1/16 大小的機械手，然後可以用它來構建更小的手，以此類推，從而可以透過最小的手來構建和操作微小的裝置。他還宣佈了兩項 1000 美元的獎金，價值雖小，但對於如此重要的物理學家來說，卻具有巨大的聲望。宣佈的第一個獎項是頒給第一個製造出直徑僅為 1/64 英寸的電機的人。令費曼驚訝的是，僅僅一年後，他就頒發了該獎項，不是頒給科學家，而是頒給一位技藝高超的工匠威廉·麥克萊倫，他使用顯微鏡和鑷子的傳統工具構建了這樣一個工作電機，重量僅為千分之四克。費曼的第二個獎項花了更長的時間才被認領。它將頒發給第一個將文字縮小到足夠小的規模，以便將整本《不列顛百科全書》寫在針頭上的人，使文字縮小 25,000 倍。這最終由斯坦福大學的研究生湯姆·紐曼在 1985 年實現，他使用電子束刮擦薄塑膠膜的表面，將《雙城記》的第一段縮小到正常大小的 1/25,000。
費曼的挑戰點燃了微機電系統領域：在千分之一毫米（微米）的尺度上構建的具有電氣和機械部件的機器。雖然最初更多的是研究人員炫技，但這些裝置很快就進入了日常生活，從醫療裝置到地震探測器。它們的小尺寸使它們對微小的變化非常敏感；非常適合製造非常靈敏的探測器。你的汽車安全氣囊很可能包含一個微機電系統，正等著被你的頭撞擊。
自 1959 年以來，微型機器領域取得了長足的進步，但它們還不夠小，無需擔心量子力學。這種情況現在正在改變，過去十年見證了第一個奈米機電系統的構建；現在的機器尺寸為百萬分之一毫米。在這種尺度下，科學家不再依賴經典力學來控制他們的創造物，因為量子不確定性已經足夠大，足以引起重視。這意味著量子領域佔據主導地位，一個全新的可能性世界正在開啟。
迄今為止構建的最成功的奈米機電系統（NEMS）是微小的槓桿。槓桿是理想的 NEMS，因為它們在微小尺度上振動的方式。槓桿的諧振頻率，即它最強烈振動的頻率，與它的長度成反比。這意味著如果使槓桿縮小一半，它將以兩倍的速度振動。如果你能製造一個比你的手指小十億倍的槓桿，它將確實快速振動。目前的技術允許製造長度僅為千萬分之一毫米的槓桿，它將每秒振動 100 億次。與日常機器相比，汽車發動機的振動頻率不會超過每秒一百次。
槓桿將與相鄰的電場和磁場相互作用，從而可以檢測附近的粒子。NEM 槓桿的快速運動意味著可以非常迅速地發現其運動的任何突然變化。如果我每十秒鐘敲一下你的胳膊，並要求你告訴我何時注意到延遲，你至少需要等待十秒鐘才能告訴我我花費的時間更長。如果我每秒鐘敲一下你，你會更快地檢測到變化。這使得 NEM 槓桿非常適合超靈敏探測器，能夠快速檢測到任何干擾其正常振動的物體。理論上，NEM 槓桿探測器的靈敏度可以一直降至量子極限，從而可以檢測到單個質子，這可能會帶來超靈敏的 MRI 掃描。現代醫學 MRI 掃描器需要大約一百萬億個質子才能獲得訊號；NEM 裝置已經顯示出十倍的精度，並且肯定會變得更加精確。在 MRI 掃描器可以掃描大腦的地方，NEM 掃描器可以顯示我們單個神經元。
除了潛在的醫療用途之外，這種精度的水平還為量子宇宙提供了令人興奮的一瞥。物理學家透過從相對較大的原子尺度推斷出量子力學的定律，但他們尚未實現對量子活動的直接測量。隨著 NEM 裝置探測器變得越來越小、越來越精確，這可能很快就能實現。
當一個原子被激發時，它不會逐漸積累能量，而是“跳躍”到下一個能級，而不會在兩者之間經過。這就像數 1、2、3、4 而不提 1.01、1.02 等。我們可以知道這一點，因為受激原子會以非常特定的頻率釋放光，對應於正好是“1”或正好是“2”，而永遠不會是 1.546 或其他任何數字。現在想象一個 NEM 裝置測量一個原子的能量。隨著這些微小的測量槓桿變得越來越小，物理學家希望很快能夠直接測量這些能量跳躍之一，即所謂的“量子躍遷”，從而為量子力學提供迄今為止最直接的證據。
量子世界的另一個奇怪之處是糾纏；兩個獨立物體在某種程度上“連線”的趨勢，對一個物體的作用會立即影響到另一個物體，而無論距離多遠。愛因斯坦正確地稱之為“幽靈般的”。其中一個 NEM 槓桿有可能與附近的電子糾纏在一起。最終，環境因素（如熱振動）將消除這種糾纏。透過測量消除糾纏所花費的時間，可以證明槓杆確實是糾纏的，從而再次直接測量量子現象，無可否認地證明大自然確實可以“幽靈般”。
這些微型機器最令人興奮和實用的未來應用之一是在計算領域。一個微小的計算機元件，例如電晶體，可以非常精確地控制單個電子的運動。電晶體是微小的開關，它們在 40 年代的發明為更小、更輕、更經濟的計算機鋪平了道路。您正在閱讀的這臺計算機將包含數百萬個電晶體。物理學家提出了一個“量子穿梭機”來單獨地將電子跨越間隙傳輸。這涉及到一種“量子點”，它是一種可以捕獲電子的裝置。該量子點在兩根導線之間振盪，使電子可以跳上跳下。透過控制兩根導線的能量，可以確保電子僅沿一個方向移動。附近帶電的奈米槓桿可用於微妙地調整量子點的振盪，從而控制電流。電子將使用一種稱為“量子隧穿”的現象移動，這種現象使它們能夠穿過原本對它們來說太強的電場，從而節省能量。這不僅效率更高，而且比傳統電晶體快得多；大約快一千倍。
一個令人難以置信的想法是，計算機最初是機械計算機器，很快就變成了速度快得多的電子裝置，但現在可能再次由機械的、移動的部件構成。當您考慮到數十億個這樣的部件可以放入您的手中時，您就可以看到這項技術對未來計算的意義有多麼令人興奮。
當然，奈米機電系統 (NEMS) 也並非沒有挑戰。最大的障礙是溫度。熱量會導致物體振動。在人類尺度上，這根本不明顯，但對於原子來說，即使是最低的溫度也會像狂風暴雨中的小艇一樣搖晃它們，這使得控制它們的嘗試變得徒勞。要克服這個問題，需要只有幾毫開爾文的溫度；也就是僅比絕對零度高几千分之一度，在絕對零度時，所有運動都會停止。這些溫度僅在少數實驗室中可用。更重要的是，這些裝置以令人難以置信的速度振動，需要非常高質量和精確的工程設計，以避免損壞。
這些挑戰是巨大的，但並不一定比建立原始計算機所面臨的挑戰更大；最初僅用於實驗室的第一個電晶體很快就成為摩爾定律的主題——每兩年成本減半。奈米機電系統代表了當前技術研究中最令人興奮和最有前景的領域之一。從超靈敏探測器到超高速計算以及對量子宇宙的洞察，這些微型機器帶來了巨大的希望。您何時能在智慧手機中使用它尚不清楚，但正如理查德·費曼所說，底部有很大的空間。
Rory Fenton 是倫敦帝國理工學院的流行病學碩士學生，他在那裡獲得了理論物理學理學碩士學位。他研究過量子機器的理論，但現在從事全球健康資料分析。他的推特賬號是@roryfenton。