無(wú)論是民謠還是搖滾，無(wú)論是鳥鳴還是獅吼，每當(dāng)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(shí)候把它們捉住好好瞧一瞧了。

　　捕捉聲子的麥克風(fēng)

　　1907年，愛因斯坦最早發(fā)現(xiàn)了固體粒子的振動(dòng)現(xiàn)象。1932年，蘇聯(lián)物理學(xué)家伊戈?duì)枴に钒l(fā)現(xiàn)這些粒子的振動(dòng)會(huì)產(chǎn)生聲音：發(fā)聲物體發(fā)出的能量振動(dòng)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(dòng)的粒子稱為“聲子”。聲子的一舉一動(dòng)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?yàn)榭謶侄饨?，聲子流量上升，撞擊間隔縮短，聲音變高……

　　既然聲子是振動(dòng)的粒子，可以想象它的能量多么微小，科學(xué)家聲稱，10萬(wàn)億個(gè)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(wú)論聲音或高或低，或大或小，都蘊(yùn)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(dòng)，聲子產(chǎn)生的能量都是特定的數(shù)值。一個(gè)聲子的能量單位為“?？藨B(tài)”，1“福克態(tài)”表示一個(gè)具有特定能量的聲子組成，2“?？藨B(tài)”表示兩個(gè)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(guò)計(jì)算聲子的能量來(lái)計(jì)算其數(shù)量。美國(guó)斯坦福大學(xué)的科學(xué)家利用這一知識(shí)制造了一種可以捕捉聲子的量子麥克風(fēng)，哪怕只有一個(gè)聲子它也能捕捉到，因此可以說(shuō)是世界上最靈敏的麥克風(fēng)。

　　在普通的麥克風(fēng)中，聲波振動(dòng)薄膜，薄膜將這種振動(dòng)轉(zhuǎn)化為可測(cè)量的電流再傳遞給其他機(jī)器。但是這種方法不能用于測(cè)量聲子，因?yàn)槁曌优c薄膜的相互作用會(huì)損耗聲子自身的能量，干擾測(cè)量。量子麥克風(fēng)能將聲音“分解”成一個(gè)個(gè)聲子，再將它們一一捉住。

　　量子麥克風(fēng)的原理與現(xiàn)在常用來(lái)計(jì)數(shù)電離輻射粒子數(shù)量的蓋革計(jì)數(shù)器相似。在蓋革計(jì)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(duì)離子，就能放大產(chǎn)生一個(gè)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(shí)間內(nèi)的射線粒子數(shù)。在量子麥克風(fēng)中充當(dāng)充氣管的是小得只有通過(guò)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(dāng)聲音被麥克風(fēng)接收時(shí)，諧振器就會(huì)被敲響。諧振器之后是一個(gè)超導(dǎo)電路，超導(dǎo)電路中包含著可以自由移動(dòng)的電子對(duì)。當(dāng)諧振器像鼓槌一樣振動(dòng)時(shí)，會(huì)產(chǎn)生不同狀態(tài)的聲子，聲子會(huì)改變超導(dǎo)電路的電子對(duì)振動(dòng)頻率。因此通過(guò)測(cè)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(lái)可能會(huì)有重大作用，其中之一就是制造新型計(jì)算機(jī)。

　　下一代超級(jí)計(jì)算機(jī)當(dāng)屬量子計(jì)算機(jī)。在傳統(tǒng)的二進(jìn)制計(jì)算機(jī)中，信息以“比特”的形式存儲(chǔ)在晶體管中，一個(gè)比特在某一時(shí)刻的狀態(tài)是確定的，要么是1，要么是0，這對(duì)應(yīng)著電路的開和關(guān)。而在量子計(jì)算機(jī)中，用于存儲(chǔ)信息的是量子比特，量子具有疊加態(tài)，即它可能同時(shí)處于“既是0和又是1”的狀態(tài)。由于一個(gè)量子比特就能表示多個(gè)狀態(tài)，它所能存儲(chǔ)的信息比比特更多。

　　量子還具有“糾纏”特性，這是指兩個(gè)或者兩個(gè)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(gè)量子一個(gè)在地球，一個(gè)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(huì)發(fā)生變化。也就是說(shuō)，你操縱了存儲(chǔ)于一個(gè)量子比特中的信息，相當(dāng)于操縱了存儲(chǔ)于所有“糾纏”量子比特中的信息。因此，量子計(jì)算機(jī)的計(jì)算能力隨著可操縱的量子比特個(gè)數(shù)的增加呈指數(shù)式方式增長(zhǎng)，它具有超快的并行計(jì)算，可以解決以往經(jīng)典計(jì)算機(jī)無(wú)法解決的大規(guī)模計(jì)算問(wèn)題。

　　科學(xué)家現(xiàn)在造出的量子計(jì)算機(jī)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(jì)算機(jī)十分復(fù)雜和龐大，其體型與傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)剛出現(xiàn)時(shí)不遑多讓。相比之下，使用聲子制造量子計(jì)算機(jī)更簡(jiǎn)單一些，聲子更容易操作，而且聲子的波長(zhǎng)只有光子幾千分之一，這意味著制造相同存儲(chǔ)空間的量子計(jì)算機(jī)，聲子所占用空間能夠大大縮小。

　　聲學(xué)麥克風(fēng)對(duì)未來(lái)的醫(yī)學(xué)也有重大意義。物質(zhì)受激發(fā)會(huì)產(chǎn)生束狀強(qiáng)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(guò)精確控制光子的波長(zhǎng)，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(shì)，原因與聲子計(jì)算機(jī)相同——聲子波長(zhǎng)更短。在醫(yī)學(xué)界，這將提供更準(zhǔn)確的超聲波掃描和更精準(zhǔn)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(gè)巨大的阻礙，那就是很難發(fā)射能量完全相同的聲子，因?yàn)槁曌幽芰繝顟B(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(fēng)的出現(xiàn)有助于改變這一現(xiàn)狀，如果我們能將每一個(gè)聲子分離開來(lái)，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(shí)現(xiàn)相應(yīng)的功能。我們已經(jīng)知道，音樂(lè)具有安撫人心、舒緩精神的效果，也許在未來(lái)，操縱聲子創(chuàng)作的新交響樂(lè)會(huì)在治療身體方面發(fā)揮更大的作用。