互动科普

新一代技术有望将爱因斯坦理论应用到电脑、医院甚至潜艇中。

1905年，爱因斯坦26岁，正在为完成他的有关分子尺度的博士论文而忙碌。为了清偿债务，他到瑞士专利部门工作，分析他人的发明。你会认为白天的工作将促使他为业余时间的理论研究找到实际应用，然而他几乎没有变现出受了这方面的影响。在此期间他发表了非凡生涯中最卓著的五篇论文，那是关于物质、能量及时间的新观点。他认为这些理论最终将有助于推进人类工业和健康的新机器的发明。

爱因斯坦并不藐视工程技术，但那不是他的强项。他自己也有若干发明，其中包括一台没有机械运动部件及防漏泵的冷冻机；这些发明没有达成批量生产。在整个20世纪，其他人建立的令人印象深刻的技术[参见本期Philip Yam所著《天天有爱因斯坦》一文]，都基于爱因斯坦的根本思想：光以单个的粒子（即光子）出现，光子总是遵守宇宙的速度极限C，能量与物质可以相互转换，数学书可简单表达为E=mc2。

21世纪的工程师开始以多种新方式开发利用这些著名的原理，其中最令人瞩目的，也许是全新计算机的设计。对于一些较少为人所知的爱因斯坦理论，他们也找到了若干实际应用。例如，纳米专家正在制造能够加速分析DNA的设备，它利用了分子的无规则运动现象。而爱因斯坦1905年第一个对这种现象给予了正确解释。此外，全球的许多实验室正在创造一种奇特的物质形态，它是爱因斯坦1925年在其经典的“思想实验”中想象出来的。这些与激光束类似的超冷相干原子簇，具有多种应用，例如便携式原子钟、导航超精密陀螺仪以及勘探矿脉和油田并据此绘制矿藏分布图的重力传感器。

本文考察了3项最新且最令人激动的研究成果。它们源于爱因斯坦理论，刚刚出现在实验室中，在今后的数年或数十年中，一定会涌现更多这样的技术革新。虽然物理学大师爱因斯坦开始打造描述宇宙的更好数学工具已经过去进一个世纪了，然而有用的新发明似乎永无止境，聪明的发明家能够不断地利用它们。

相对性与电子自旋

在1905年爱因斯坦创立狭义相对论时，他所用的唯一“计算机”是他的大脑。在许多方面，生物化学机器远比任何电子计算机本领高强。可以肯定地说，没有哪个现有半导体微处理器能够匹敌人脑的密度和能量效率。人脑把约1千亿个处理单元装入1千克的脑容量中，而大脑工作所消耗的功率和热量，比一只奔腾4微处理器的还要少。

的确，如今热量和能量消耗意味着半导体产业最难逾越的障碍，人们寻求以相同单位成本生产更强大的微芯片时正面临着这种困境。在今后20年内，就我们所知，数学式硅处理器的进展将遭遇到根本性的经济及物理极限。对此状况，除了转而开发利用不同的物理原理（例如狭义相对论）之外，芯片制造商将很少有选择的余地。

表面看来，这似乎是个奇特的组合。狭义相对论是关于高速运动的。在该理论中，爱因斯坦放弃了绝对时间和绝对静止两个概念。他主张唯一的恒量是C，即光在真空中的速率。对于任何物体，当加速运动（相对于观察者）时，该定律会得出奇异的结果。例如，物体的长度会缩短，而且似乎比观察者要经历更慢的时间。如果某物体通过一静电场而运动，它会感觉该电场部分地如同磁场。然而，所谓相对论效应都是微乎其微的，除非物体加速到与光速C可比较的速率值。而光速为每秒3亿米。

按照上述标准，即使“移动式”计算机运行得也不很快，然而其中的电子却运行得很快。今年早些时候，由美国加州大学圣塔巴巴拉分校的D. Awschalom领导的一组物理学家，演示了开发利用相对论的一种方法，使在半导体内快速运动的电子表现了给人印象深刻的一些新技能。

这项研究正处在早期阶段，大略类似于40多年前首批半导体逻辑门结构，但是如果工程师能想出某些方法，将数百万个相对性逻辑门集成到一块小小的硅芯片上，那么处理器将较当前的模型运行得更快得多，而消耗的功率和辐射热都要少得多。另外，Awschalom与英特尔和惠普公司的研究小组正在合作研究同一课题。

更引人注目的是，相对性芯片可以应用于逻辑，这种逻辑较现在所有计算机使用的二进制运算要精微复杂得多。从原则上讲，这些新机器甚至会变更它们自己的工作方式，能够几乎实时地调整成适应于手头工作的定制线路。例如，设想有一部手机电话，用这项技术就可以变更其收发信机功能，让它能够使用世界上任何一种通讯网络；而且只需按一下按钮，就能对它的处理器重新编程序，将话语从一种语言翻译成另一种。

像这样的一些芯片，很可能在现有的微处理器工厂内制造出来。它的原料不是什么新材料，而是现代物理学的原理——由相对论和量子力学所描述的那些物质微观行为。

磁性吸引力

常规的半导体微芯片的工作原理是基于“经典”的19世纪电磁学理论之上的。在薄薄的硅片上迅速注入离子，这些离子就在硅片上形成一些孤立的小岛，这些小岛区域内有的多余电子，有的则缺乏电子（即N区、P区）。在这些小岛周围建有微观电极，然后对这些电极施加外电压，于是电子就被拉进或推出这些小区域，进而打开或关闭这些逻辑门，并调节流经这些区域的电流。

用电场推动周围大量的电子不是一个精确的方式，因为许多电子是以随机方向射出的，这样浪费了能量，

而且造成许多碰撞，而碰撞则生热。迄今10多年来，物理学家一直在用一种精巧的替代方法进行实验：用磁场力而不是电场去操纵电子的运动。

美国依阿华大学的物理学家E. Flatte解释说，这种方法是行得通的。因为“一个电子的运动就像在它的周围携带了一个小小的磁棒”。磁铁有北南两极，而且正像地球围绕连接两极的轴心自转一样，电子也有一个磁取向，物理学家称这种量子性质为“自旋”。粒子实际上并不旋转，但它们的行为就像小陀螺一样。对一个电子施加磁力，那么它的两极就将进动——即其轴自身在一个圆内旋转，除去磁场，则电子将保持它的自旋不变[上下页框图]。“应用这种效应，将自旋从指向上进动到指向下，你就能将电子所携带的信息比特值从1改变到0。”Flatte说道。

电子学通过改变一个回路中的电子数量与能量而使信息在周围运动，而自旋电子学这一新领域是以电子取向来对数据编码的，并且以各种改变自旋的方式来执行逻辑操作[参见本刊2002年9月号David D. Awschalom、Michael E.Flate和Nitin Samarth所著《量子微芯片还有多远？》一文]。今年，摩托罗拉公司开始规模生产自旋电子学存贮器芯片，称为MRAM（Magentic RAM）。它们不同于常规计算机存贮器，如果电源中断，MRAM不会丢失数据，因为各个电子自旋依然保持原位置，直到电源恢复时才会继续变化。

自旋电子设备很容易用电池供电，因为自旋改变取向（如翻转）的操作仅消耗极少的功率，而且各芯片可以在各种操作之间关断。因为改变一个电子的自旋，实质上并未增加其运动的能量，因此各回路几乎不产生热量。而且这个过程是极其迅速的：实验设备仅在几个皮秒之内（1皮秒为10-12秒），即可改变电子的上下取向。

然而直到最近，所有的自旋电子设备仍然需要铁磁金属，而这种金属与当前的微芯片生产技术不能很好地衔接。“你很难想像，如何能够在一块芯片上建成数百万个位置的小磁铁，而且还能分别进行控制——这不是不可能，但是太困难了。”Awschalom说，“如果能利用现已存在的价值数万亿美元的电子学脉冲控制技术，并且应用电场而不是磁场去操纵自旋，那就真是太妙了。”

从比特到菲特

让我们走进爱因斯坦奇妙的思想世界中去吧：在高速运动的电子看来，电场很清楚地具有磁性。今年1月，Awschalom小组公布的研究表明，成份略微不同的两种半导体呈层状分布，其顶部彼此相接而拉紧，因此而生成一个内电场。这个电场有高值点和低值点，当电子通过半导体时，该电场就如同控制它们的栅栏。Awschalom指出：“而且因为相对论效应，在通过的电子看来，电场有一部分就像是磁场。”各电子的自旋进动，就如同摇摇晃晃的陀螺。

Awschalom继续指出:“我们能够用两种方式控制电子。一种是改变电压，电压影响着电子行进的速率。电子运动得越快，电场转化的磁场就越大，而且电子的自旋进动也越快。第二种是利用应力随方向而改变的事实，精心设计导线的形状和走向，我们也能操控电子，设置它们的路经。”

在1月份的论文中，该研究小组描述了利用激光脉冲将进入的各个电子的取向排成线——这就形成了自旋电子的各比特值——并且也测量了它们的各个自旋。“下一步是产生出各个自旋相位值，让它们在周围运动，并且在一个电子设备中检测它们的所有值。这是至关重要的一步，而现在我们已经做过了。”Awschalom说，“该设备使用了与当前CMOS计算机芯片中同样小的电压值。当各电子遇上半导体的拉紧部分时，电子就会即时地将其自旋偏振化（即取向一致），然后我们能够通过转换门电极的开关状态将各自旋相干地翻转向前或向后运动。”

“相干”在这里是个关键词，它提升了人们对自旋电子芯片的可能兴趣。这种芯片能够超越比特（二进制的0和1）而实现菲特（相位数码）。菲特可以有更宽的取值范围。简单地说，电子的菲特就是其自旋的所指方向。它们就像罗盘的指针：如果某个微芯片能够区分一组具有东南西北4个自旋取向的电子，那么每个菲特就可取值0、1、2、3。

“你能越精密地读取相位，你就能越显著地增加数据存贮的密度，”Awschalom指出，“密度究竟是增大50倍还是100倍，取决于你能够多么精密地读取自旋取向的角度。”由于对磁共振成像已有数十年的研究（这项技术是检测原子核的自旋值的），“因此，我们才能知道怎样精密地读取这些角度。”

尽管如此，Flatte告诫说，“还未演示过一个完整的可以工作运行的自旋晶体三极管。”晶体三极管是不可或缺的，因为它能方法信号，使信号完整通过微处理器中一系列的控制门。尽管自旋电子器件还未实现，但很明显它们正在到来。研究人员正在热切地草拟使用它们的各项计划。

2003年，德国Paul Drude固体电子学研究所的Reinhold及其同事发表了一个自旋电子逻辑单元的设计。该元件在软件控制下能改变功能，在某个时间它可以作为一个布尔逻辑与门（AND）运行，而几纳秒之后它又可以变换成或门（OR）、非门（Not OR）或者与非门（NAND）。

装配相对论器件的计算机的功能如虎添翼。Koch新近设计了一个全加法器（计算机最常用的一种逻辑组件），它只用了4个自旋转逻辑元件，就取代了平常所需要的16个电子三极管。相比之下，自旋电子方案的电能减少了约85%，所占空间减少了75%，而运行则与今天最新水平的硅设计器件同样迅速。

工程师们仍然远未掌握把相对论作为设计自旋电子微回路的工具，然而爱因斯坦理论指导下的技术能为计算机产业开辟一条全新的道路。这条路一如当前的道路一样充满了障碍。Awschalom指出:“在这里，物理学有个有趣的局面，那就是设备越小，它工作得就越好。”

布朗运动的应用

爱因斯坦最著名的是关于宏大事物的思想:光速、宇宙的命运以及时间的本质。然而，在1905年，亚微观的分子也引起了他的注意。当年在他的博士论文中，他改进了以前对于分子大小的估计值，并且在《物理学年鉴》（Annalen der physik）上发表的一篇论文中，创立了支配“布朗运动”的数学定律。自从1827年植物学家布朗发现并引起人们注意这种现象以来，这种微观现象多年来一直困扰着许多科学家。

布朗早已注意到某些微粒（例如水滴中的花粉颗粒）总是做着随机运动[见上页框图]，对这一现象最容易的解释是这些花粉颗粒是有生命的。然而，布朗演示了甚至研磨的精细岩石粉末在悬浮于水中时也会有这种现象。到20世纪初，一些理论家假设是电场力推动微粒四处运动，而另一些人则倾向于蒸发、对流、光效应或其他的解释。

爱因斯坦提出，悬浮于液体中的颗粒的四处运动，主要是分子从各个方向与其碰撞造成的。他强调，这个现象事实上是关于热的本质理论（当时正在争论）的有力证据，该理论认为热只不过是分子无序运动的结果。在论文中，爱因斯坦导出了决定布朗运动的一些基本数学规律。

这一数学分支获得了惊人的应用，例如分析股票市场、预报有害物质如何通过液体或气体扩散，以及最近所谓布朗棘轮的设计。这些设备利用了一个事实，即布朗运动移动小粒子的距离比大粒子远。利用微观化的绞盘内锯齿型齿轮，布朗棘轮把粒子的随机运动转变为有用的工作，例如按大小分类病毒，或者除掉水中的污染杂质。

2003年，利用类似于制造微芯片的技术，工程师建造了两台这样的设备。美国普林斯顿大学的C. Sturm及其合作者制造了布朗棘轮，它看上去有点像大拇指甲大小的弹球盘机。他们在一块二氧化硅薄片中刻蚀出一条通道，然而在通道中等间隔地留下若干微小支柱，其间隔足以使液体流过通道。这些微支柱只有6微米宽，3微米高，成45度倾角排列。任何滑入微柱阵列的悬浮颗粒都向右偏移，越小的颗粒滑入得越多，且向右偏移得越远。

在去年12月公布的几次测试中，Sturm进行了分离实验，他将水和两种不同病毒的DNA混合物通过棘轮，结果很可靠地把较重的病毒基因组与较轻的分离开来。利用这一爱因斯坦式的技术，能够节省分离大DNA片段所需用的时间，较之当前所用的方法，可省时2/3，而且更廉价且设备更便携。

德国的马普（MaxPlanck）协会微结构物理研究所的Mathias和Muller建造了一台不同类型的布朗棘轮。它看起来颇像一块海绵：在一张薄薄的硅片上钻了数千个平行的通道，每个通道时宽时窄，构成一系列瓶颈。

他们将棘轮粘固在一个严密配套的碟形容器的中部，容器中盛满水和塑料漂珠，然后将容器底部上下运动，使水来回晃动通过棘轮。随着漂珠通过通道，布朗运动即推动它们克服各个瓶颈，不让它们再回流，逐渐地几乎所有漂珠都通过棘轮迁移到容器的上部，而在底部留下清洁的水。因为棘轮可以按比例放大尺寸，它就提供了一种将固体污染物（如烟尘、病毒或细胞碎片）从连续的液流中分离出来的新方法。

原子干涉仪的前景

爱因斯坦曾经与量子规则的怪异性进行斗争，正是这些量子规则支配着原子世界。这些定律的显著作用是给出了微观世界的机会和不确定性，而这种情况却违背了爱因斯坦的直觉。尽管他对量子物理衍生的哲学后果感到不安，但还是在这一领域做出了若干根本性的贡献。

例如在1925年，他读到印度科学家Nath Bose发表的一篇关于光子统计学的论文，意识到如果原子能够一直冷却下去，直到离绝对零度仅差丝毫的时候，原子因凝聚在一起，就会有某些不寻常的现象发生。量子效应会迫使原子暂时地凝聚成一种超级原子。原子的这种密集阵形将会联锁同步行进，这很像一个激光束内光子的同步前进。

激光器早已成为非常便利的设备，因此有理由可以期待“原子激光器”也变得非常有用。然而，70多年来，玻色-爱因斯坦凝聚态（人们所知的极冷原子斑）还仍然只是一个神奇的预言。1995年6月，美国实验天体物理联合研究所（JILA，位于科罗拉多州）的A. Cornell和E. Weiman曾对爱因斯坦的预言进行了实验，终于将2000个铷金属（Rb）原子同轴排列合并到一起，正如爱因斯坦所预见的那样。6年以后，他们二人与美国麻省理工学院的Wolfgang kettelfe由于这项成就而共同分享了诺贝尔物理学奖。

今天，Cornell和他在JLLA的学生们正在为研制一枚芯片做最后的努力，这种芯片能引导凝聚态物质越过其表面，它将原子斑（atomic blob）在途中分裂开然后再合并，以此方式使其能检测加速度及旋转，甚至比以激光为基础的技术要灵敏得多。他们称其为原子干涉仪。

“在飞机的机舱内，你可以使用这样的一个设备去测量重力在强度及方向上的微小变化，因为重力也是一种加速度嘛，”Cornell说，“重力的轻微扰动能够揭示许多你看不见的事物，它们深藏在地下或水下。”例如油田、金属矿脉、岩洞甚至地下储藏库及隧道等，都能引起重力异常现象。

原子干涉仪也能将最好的旋转传感器（当前是机械式陀螺仪）的精度提升千百倍，Cornell接着指出:“你要求好陀螺仪的原因，正是要它有高分辨率。当然，几乎没有什么比GPS（全球定位系统）卫星网络更精密的了，但如果你是位于一个水下密封的大型钛钢罐内，而且要待很长时间，还不许发出任何噪声，你仍然得靠好的陀螺仪。这些条件不是巧合，海军就要求符合这些条件，他们为这项工作花了很多钱。”因此军方也热衷于研究一种精密导航系统，即使GPS信号发生拥堵，该系统也应能正常运行。

顾名思义，原子干涉仪就是将两组原子合并，并对出现的干涉图样进行测量。正像所有的量子物质一样，玻色-爱因斯坦凝聚物的行为既表现为波也表现为粒子。当一块凝聚物一分为二时，两块物质发出相同的波长及相位。如果它们通过不同的路程，当二者重新合并时，一块可能与另一块不再同步（丢步）。它们的波峰和波谷将出现干涉，产生类似干涉条纹的图样。在这个图样中，包含许多原子的区域与近乎空无一物的区域相互间隔。

美国斯坦福大学的Ketterle、A. Kasevich及其他人最近制成了几台能工作的原子干涉仪。这些设备占用了几乎一整间屋子，因为原子斑的分离和重新合并，是在自由衰退时进行的，这些都发生在一个大型真空室内。Cornell与他在JILA的同事Anderson直在研制该仪器更为便携的改进型。

“按照制导原子的要求，我们可以将干涉仪缩小直到能装进一块小芯片上。”Cornell的研究生王英菊（音）指着一块显微镜载片大小的玻璃说。两只平行金质窄条放置在玻璃中，就像供小跳蚤用的铁轨，让电流通过导线，就造成了两个磁场，而两个磁场在轨道之间的中央处互相抵消。“我们所用的铷原子喜欢停在磁场强度的最低部分，”王解释道，“因此原子就直接射进磁场为零的通道里。”

金质轨道通到一处Y型交叉处：这就是分离器。王英菊说:“在这儿我们建立了一个激光的驻波，它的作用就像一个光栅，衍射（分解）凝聚态的原子一半到左边，另一半到右边。各个原子斑分离大约300微米，然后它们再遇上几处驻波，这些驻波的作用就像是几面镜子，它们把原子偏转向后，随后这些原子再相遇，相叠加并发生干涉。”有一部专用照相机监视着干涉条纹的位置。

虽然干涉仪的商业目标是装在手掌大小的滑座上，但是现在整个设备仍然占满了实验室的一张工作台。“在我们的设计中，许多东西是容易按比例缩放的，”Cornell说，“但是有些则不行。”例如激光冷却系统就是其一，正是它将铷原子从室温降低到只有绝对零度的十亿分之几度，从而将原子的速度减了下来。

因此，原子陀螺仪可能不适合装进手表或通讯手机中。但是用不了多久，玻色-爱因斯坦凝聚态可能装进飞机的驾驶舱在空中飞行，也会装进潜水艇在水中航行。如果借鉴激光器的历史，未来的企业家将会为物质的这一新形态找到许多的新用途，这就不是今天的科学家所能想像到的了。

林景新/译

曾少立/校