科技前沿：張開大網(wǎng)捉“聲子”

　　無論是民謠還是搖滾，無論是鳥鳴還是獅吼，每當我們聽到一種聲音，都有數(shù)不清的“聲子”在撞擊耳膜，也許是時候把它們捉住好好瞧一瞧了。

　　捕捉聲子的麥克風

　　1907年，愛因斯坦最早發(fā)現(xiàn)了固體粒子的振動現(xiàn)象。1932年，蘇聯(lián)物理學(xué)家伊戈爾·塔姆發(fā)現(xiàn)這些粒子的振動會產(chǎn)生聲音：發(fā)聲物體發(fā)出的能量振動介質(zhì)粒子，介質(zhì)粒子撞擊耳膜，我們就聽到了聲音，由此塔姆將這些振動的粒子稱為“聲子”。聲子的一舉一動都影響著聲音：我們調(diào)低了喇叭音量，聲子活力下降，撞擊力度變小，聲音變小;我們因為恐懼而尖叫，聲子流量上升，撞擊間隔縮短，聲音變高……

　　既然聲子是振動的粒子，可以想象它的能量多么微小，科學(xué)家聲稱，10萬億個聲子的能量只能讓一盞LED燈亮一秒鐘。因此，任何一道能被聽到的聲音，無論聲音或高或低，或大或小，都蘊含著數(shù)不清的聲子——就像一束光由數(shù)以億記的光子組成那樣。想要數(shù)清聲音中包含的聲子，難于登天。

　　好在，盡管它們非常微小，聲子仍然遵守量子力學(xué)的原則:每一次振動，聲子產(chǎn)生的能量都是特定的數(shù)值。一個聲子的能量單位為“福克態(tài)”，1“福克態(tài)”表示一個具有特定能量的聲子組成，2“福克態(tài)”表示兩個聲子，以此類推，聲子越多，能量越高，聲音越大。這樣，物理學(xué)家可以通過計算聲子的能量來計算其數(shù)量。美國斯坦福大學(xué)的科學(xué)家利用這一知識制造了一種可以捕捉聲子的量子麥克風，哪怕只有一個聲子它也能捕捉到，因此可以說是世界上最靈敏的麥克風。

　　在普通的麥克風中，聲波振動薄膜，薄膜將這種振動轉(zhuǎn)化為可測量的電流再傳遞給其他機器。但是這種方法不能用于測量聲子，因為聲子與薄膜的相互作用會損耗聲子自身的能量，干擾測量。量子麥克風能將聲音“分解”成一個個聲子，再將它們一一捉住。

　　量子麥克風的原理與現(xiàn)在常用來計數(shù)電離輻射粒子數(shù)量的蓋革計數(shù)器相似。在蓋革計數(shù)器中有由充氣管制成的探頭，射線在管內(nèi)每電離產(chǎn)生一對離子，就能放大產(chǎn)生一個相同大小的電脈沖并被相連的電子裝置所記錄，由此可以知道單位時間內(nèi)的射線粒子數(shù)。在量子麥克風中充當充氣管的是小得只有通過電子顯微鏡才能看到的納米諧振器。諧振器被一種稱為聲子晶體的材料包圍，這種材料就像漁網(wǎng)一樣，可以將聲子困在中間。當聲音被麥克風接收時，諧振器就會被敲響。諧振器之后是一個超導(dǎo)電路，超導(dǎo)電路中包含著可以自由移動的電子對。當諧振器像鼓槌一樣振動時，會產(chǎn)生不同狀態(tài)的聲子，聲子會改變超導(dǎo)電路的電子對振動頻率。因此通過測量超導(dǎo)電路的電荷，科學(xué)家可以讀出聲子數(shù)量。

　　聲子推開新大門

　　分離和捕捉聲子的方法未來可能會有重大作用，其中之一就是制造新型計算機。

　　下一代超級計算機當屬量子計算機。在傳統(tǒng)的二進制計算機中，信息以“比特”的形式存儲在晶體管中，一個比特在某一時刻的狀態(tài)是確定的，要么是1，要么是0，這對應(yīng)著電路的開和關(guān)。而在量子計算機中，用于存儲信息的是量子比特，量子具有疊加態(tài)，即它可能同時處于“既是0和又是1”的狀態(tài)。由于一個量子比特就能表示多個狀態(tài)，它所能存儲的信息比比特更多。

　　量子還具有“糾纏”特性，這是指兩個或者兩個以上粒子組成的粒子系統(tǒng)中，粒子能夠相互影響的現(xiàn)象，比如兩個量子一個在地球，一個在月球，改變地球上量子的狀態(tài)，月球上的量子狀態(tài)也會發(fā)生變化。也就是說，你操縱了存儲于一個量子比特中的信息，相當于操縱了存儲于所有“糾纏”量子比特中的信息。因此，量子計算機的計算能力隨著可操縱的量子比特個數(shù)的增加呈指數(shù)式方式增長，它具有超快的并行計算，可以解決以往經(jīng)典計算機無法解決的大規(guī)模計算問題。

　　科學(xué)家現(xiàn)在造出的量子計算機使用的是光子，但是由于量子比特可以包含更多的信息，編碼也更加困難，現(xiàn)在的量子計算機十分復(fù)雜和龐大，其體型與傳統(tǒng)計算機剛出現(xiàn)時不遑多讓。相比之下，使用聲子制造量子計算機更簡單一些，聲子更容易操作，而且聲子的波長只有光子幾千分之一，這意味著制造相同存儲空間的量子計算機，聲子所占用空間能夠大大縮小。

　　聲學(xué)麥克風對未來的醫(yī)學(xué)也有重大意義。物質(zhì)受激發(fā)會產(chǎn)生束狀強光，我們稱之為激光，由于激光的亮度高，能量密度大，在醫(yī)學(xué)上有許多應(yīng)用，包括切割組織、切除腫瘤、切除虹膜、激光針灸等。通過精確控制光子的波長，醫(yī)生可以改變激光的種類和能量，從而起到不同的作用。那么，聲音能不能像激光那樣應(yīng)用在醫(yī)學(xué)中呢?如果科學(xué)家們成功構(gòu)建了聲子激光器，這將再次提供優(yōu)于傳統(tǒng)激光器的優(yōu)勢，原因與聲子計算機相同——聲子波長更短。在醫(yī)學(xué)界，這將提供更準確的超聲波掃描和更精準的手術(shù)超聲刀。

　　物理學(xué)家相信他們可以制造出“聲音激光”。但是此前，這種激光器的制造遇到了一個巨大的阻礙，那就是很難發(fā)射能量完全相同的聲子，因為聲子能量狀態(tài)之間的差異非常小，這使“聲音激光”不夠穩(wěn)定。而聲子麥克風的出現(xiàn)有助于改變這一現(xiàn)狀，如果我們能將每一個聲子分離開來，就有希望將相同能量的聲子聚集在一處，讓它們勁往一處使，實現(xiàn)相應(yīng)的功能。我們已經(jīng)知道，音樂具有安撫人心、舒緩精神的效果，也許在未來，操縱聲子創(chuàng)作的新交響樂會在治療身體方面發(fā)揮更大的作用。