科技前沿：张开大网捉“声子”

　　无论是民谣还是摇滚，无论是鸟鸣还是狮吼，每当我们听到一种声音，都有数不清的“声子”在撞击耳膜，也许是时候把它们捉住好好瞧一瞧了。

　　捕捉声子的麦克风

　　1907年，爱因斯坦最早发现了固体粒子的振动现象。1932年，苏联物理学家伊戈尔·塔姆发现这些粒子的振动会产生声音：发声物体发出的能量振动介质粒子，介质粒子撞击耳膜，我们就听到了声音，由此塔姆将这些振动的粒子称为“声子”。声子的一举一动都影响着声音：我们调低了喇叭音量，声子活力下降，撞击力度变小，声音变小;我们因为恐惧而尖叫，声子流量上升，撞击间隔缩短，声音变高……

　　既然声子是振动的粒子，可以想象它的能量多么微小，科学家声称，10万亿个声子的能量只能让一盏LED灯亮一秒钟。因此，任何一道能被听到的声音，无论声音或高或低，或大或小，都蕴含着数不清的声子——就像一束光由数以亿记的光子组成那样。想要数清声音中包含的声子，难于登天。

　　好在，尽管它们非常微小，声子仍然遵守量子力学的原则:每一次振动，声子产生的能量都是特定的数值。一个声子的能量单位为“福克态”，1“福克态”表示一个具有特定能量的声子组成，2“福克态”表示两个声子，以此类推，声子越多，能量越高，声音越大。这样，物理学家可以通过计算声子的能量来计算其数量。美国斯坦福大学的科学家利用这一知识制造了一种可以捕捉声子的量子麦克风，哪怕只有一个声子它也能捕捉到，因此可以说是世界上最灵敏的麦克风。

　　在普通的麦克风中，声波振动薄膜，薄膜将这种振动转化为可测量的电流再传递给其他机器。但是这种方法不能用于测量声子，因为声子与薄膜的相互作用会损耗声子自身的能量，干扰测量。量子麦克风能将声音“分解”成一个个声子，再将它们一一捉住。

　　量子麦克风的原理与现在常用来计数电离辐射粒子数量的盖革计数器相似。在盖革计数器中有由充气管制成的探头，射线在管内每电离产生一对离子，就能放大产生一个相同大小的电脉冲并被相连的电子装置所记录，由此可以知道单位时间内的射线粒子数。在量子麦克风中充当充气管的是小得只有通过电子显微镜才能看到的纳米谐振器。谐振器被一种称为声子晶体的材料包围，这种材料就像渔网一样，可以将声子困在中间。当声音被麦克风接收时，谐振器就会被敲响。谐振器之后是一个超导电路，超导电路中包含着可以自由移动的电子对。当谐振器像鼓槌一样振动时，会产生不同状态的声子，声子会改变超导电路的电子对振动频率。因此通过测量超导电路的电荷，科学家可以读出声子数量。

　　声子推开新大门

　　分离和捕捉声子的方法未来可能会有重大作用，其中之一就是制造新型计算机。

　　下一代超级计算机当属量子计算机。在传统的二进制计算机中，信息以“比特”的形式存储在晶体管中，一个比特在某一时刻的状态是确定的，要么是1，要么是0，这对应着电路的开和关。而在量子计算机中，用于存储信息的是量子比特，量子具有叠加态，即它可能同时处于“既是0和又是1”的状态。由于一个量子比特就能表示多个状态，它所能存储的信息比比特更多。

　　量子还具有“纠缠”特性，这是指两个或者两个以上粒子组成的粒子系统中，粒子能够相互影响的现象，比如两个量子一个在地球，一个在月球，改变地球上量子的状态，月球上的量子状态也会发生变化。也就是说，你操纵了存储于一个量子比特中的信息，相当于操纵了存储于所有“纠缠”量子比特中的信息。因此，量子计算机的计算能力随着可操纵的量子比特个数的增加呈指数式方式增长，它具有超快的并行计算，可以解决以往经典计算机无法解决的大规模计算问题。

　　科学家现在造出的量子计算机使用的是光子，但是由于量子比特可以包含更多的信息，编码也更加困难，现在的量子计算机十分复杂和庞大，其体型与传统计算机刚出现时不遑多让。相比之下，使用声子制造量子计算机更简单一些，声子更容易操作，而且声子的波长只有光子几千分之一，这意味着制造相同存储空间的量子计算机，声子所占用空间能够大大缩小。

　　声学麦克风对未来的医学也有重大意义。物质受激发会产生束状强光，我们称之为激光，由于激光的亮度高，能量密度大，在医学上有许多应用，包括切割组织、切除肿瘤、切除虹膜、激光针灸等。通过精确控制光子的波长，医生可以改变激光的种类和能量，从而起到不同的作用。那么，声音能不能像激光那样应用在医学中呢?如果科学家们成功构建了声子激光器，这将再次提供优于传统激光器的优势，原因与声子计算机相同——声子波长更短。在医学界，这将提供更准确的超声波扫描和更精准的手术超声刀。

　　物理学家相信他们可以制造出“声音激光”。但是此前，这种激光器的制造遇到了一个巨大的阻碍，那就是很难发射能量完全相同的声子，因为声子能量状态之间的差异非常小，这使“声音激光”不够稳定。而声子麦克风的出现有助于改变这一现状，如果我们能将每一个声子分离开来，就有希望将相同能量的声子聚集在一处，让它们劲往一处使，实现相应的功能。我们已经知道，音乐具有安抚人心、舒缓精神的效果，也许在未来，操纵声子创作的新交响乐会在治疗身体方面发挥更大的作用。