进入未来之前，我们需要观察并思考基础科学正待解决的重大问题，它们决定未来。
预测未来从来难以显得讨好，预测人类科学发展的走向就更容易显得愚蠢。即便是人类最聪明的头脑在预测未来时留下的也大多是让现代人感到可笑的言论，一些预测或是判断正是因为其局限性而在100多年之后仍然时常被人提起。在19世纪后半叶，大名鼎鼎的德国物理学家古斯塔夫·基尔霍夫（Gustav Kirchhoff）就曾经满怀信心地说：“物理学已经无所作为，往后无非在已知规律的小数点后面加上几个数字而已。”这句话差点影响人类科学发展的进程，后来当年轻的学生马克思·普朗克（Max Planck）打算选择物理学为专业时，包括基尔霍夫在内的不止一位老师都曾经劝他，物理学的发展已经到头了，再没有什么可研究的地方，还不如找一个更能发挥个人能力的学科。淳朴的普朗克回答：“我只是想弄清物理学的一些细节而已。”正是因为青年普朗克的坚持和后来的卓绝探索，才有了20世纪初量子力学的开端，有了以他的名字命名的量子力学常数，人类文明才开启了新的纪元。
对于人类科学发展最著名的预言来自19世纪的最后一天，在回顾人类物理学的进展时，开尔文男爵，威廉·汤姆生（William Thomson）感慨古典物理学大厦已经完成，接下来只剩下一些装饰性的工作而已，接着他就做出了“两朵乌云”的比喻，“（物理学）它的美丽而晴朗的天空却被两朵乌云笼罩了”。这句看似是无心之语偏偏有着一语成谶的魔力，100多年之后，人们已经无法辨明当时开尔文男爵做出这个论断时的心情，究竟是充满了终于了解上帝创世意图的自豪，还是对于这两朵孕育着不祥的乌云感到忧心忡忡，或是这两种心情交杂在一起。已知的是在这个预言出现之后的几年之内，古典物理学大厦轰然倒塌，随着古典物理学一同成为历史的还有人类的古典文明。
无论现代人是否还在怀念想象中优雅的慢节奏的古典文明，它都已经随着19世纪成为不可逆转的历史。20世纪成为人类文明发展的一个重要转折点，在这100年间科学与技术都发生了爆炸式的发展，这与之前人类科学技术缓慢的发展速度形成了鲜明的对比。只有站在20世纪之外观察，我们才能看到创造了这个世纪奇迹的源头正是开尔文男爵描述的两朵乌云，在这两朵乌云之下诞生的相对论和量子力学，成为人类现代文明的两根支柱，我们生活的方方面面无不以这两个物理学支柱理论作为支撑。
进入21世纪之后，虽然人类已经认识到科学发展为社会带来的巨大推动，但是在本世纪是否还能延续20世纪的爆炸式发展，至今仍不明朗。在过去的几十年里，人类在基础物理学领域实际上并未取得太大的进步，尽管各种复杂的数学模型和大统一理论层出不穷，实际上仍然受困于量子力学和相对论之间不可调和的矛盾，这对于21世纪的人类将产生怎样的影响尚不可知。
当涉及量子力学的本质和未来发展时，大多数现代物理学家干脆放弃了预测，“闭上嘴巴乖乖地做计算”，未尝不是一种聪明的态度。人类早已经习惯了量子世界各种光怪陆离的现象，甚至干脆把“古怪”看作量子力学的本质。在现代量子力学研究中，广为流行的是物理学家理查德·费曼说的：“我想可以说，没有人理解量子力学。”爱因斯坦也曾经说：“没有人知道，我在量子力学上花费的时间比我在相对论上花费的时间还要多。”随着量子力学的发展，爱因斯坦对于这个理论愈发持不信任的态度，作为量子力学的创始人之一，他开始不断质疑这个理论的基础是不完备的，爱因斯坦认为量子力学最令人迷惑的现象量子纠缠必定有着更深层的原因，这个现象也正是量子力学不完备性的证据，但是至今为止一切实验证据都指向了爱因斯坦的反面：爱因斯坦后来的说法或许是错的，量子纠缠现象或许正是自然界中一种最基本的现象，它甚至还可能是连接时空不至于分崩离析的必不可少的一个要素——现在人类将自己的文明建立在一个自己尚不理解其本质的理论之上，并且取得了如此辉煌的成就。但是量子叠加态究竟是什么，波函数究竟是一种纯粹的数学形式，还是一种物理实在？人类究竟能否利用量子态进行计算，并且获得远超电子计算机的计算能力？这些问题就埋伏在未来，人类文明的每一步前进，都会受到这些问题的阻挠，人类未来生活的方方面面，必定将会被这些问题所改变。
与量子力学相比，几乎与之同龄的相对论给人的感觉与之完全相反，这个理论继承了牛顿力学的传统，优雅、清晰、令人信赖。它描绘了整个宇宙存在的方式，一个连续的、平滑的、相互作用又生机勃勃的宇宙在人类的眼前展开。从一开始“世界上只有十二个人理解广义相对论”，到现在人类把这套理论的每一个细节都研究得清晰透彻，没有物理学家敢于质疑相对论的正确性，但这个理论仍然在给人带来惊喜，它做出的预测远远超出人类的想象力。广义相对论是人类望向宇宙的一双眼睛，人类利用广义相对论探索宇宙的形态，回溯宇宙的过去，预测宇宙的未来，也用它寻找着与地球相似的行星、地球之外的生命形式，甚至是其他文明。地外文明是否存在？文明之间是否存在相互通信的可能？时空之间是否可能存在虫洞？人类何时才能探测到广义相对论预言的引力波？这些问题，与量子力学带给人类的疑问同等重要，同等艰难。
如果说人类在20世纪发展出的全新的现代文明起源于开尔文男爵的两朵乌云，那么在21世纪，人类文明的走向则取决于这两朵乌云何时能够合并，并催生出一场更加摧枯拉朽的暴雨。从根本上来说，人类未来的生活，取决于人类如何实现对于自然界在极小尺度和极大尺度上的认识上的统一。
寻找地外文明、寻找引力波、研究量子计算机，本文中将要讨论的三个问题未必与每个人的日常生活息息相关，却无一不关系到人类文明的发展方向。这些目前人们都还没有找到答案的难题，有的看起来近在咫尺，有的似乎还遥遥无期。
电子计算机需要花费上百万年时间才能完成的工作，量子计算在几分钟内就能完成？这样的差距难免让人有些难以置信，量子计算机将是人类对于量子力学的神奇特性趋于极致的发挥。尽管目前看来在理论上可行，人类仍然只有在极其严苛的条件下才能利用目前量子计算机的雏形进行一些简单的计算。虽然起步缓慢，但越来越多的物理学家开始对于量子计算抱有乐观的态度，想象当年开发第一款沉重而庞大的电子计算机时的情景，与现在的情景倒是颇有类似。一台在理论上拥有超级计算能力的量子计算机将会使机器学习和人工智能领域发生质的飞跃，必将催生人类的又一次技术革命。对量子计算机的研究或许对目前人类的另一个难题也有所帮助——人类大脑进行运算时会使用量子力学吗？为了建设一个能够进行简单计算的量子计算机，人类需要在接近绝对零度的条件下让一个量子比特在极短的时间内保持其量子态（因此目前量子计算机所消耗的绝大部分能量都是用来维持低温环境），而在温暖潮湿的人类大脑中，神经元是否也会利用量子力学进行工作，才使大脑获得了远超目前电子计算机的计算速度？直觉，意识的起源，是否也有可能与量子力学有关？
无论是在理论还是应用方面，引力波探测在21世纪人类文明的发展过程中都有着尤为独特的作用。经过多年的失败之后，如果人类终能够探测到引力波存在的直接证据，必将开启宇宙学研究的新局面——人类将理解在我们的周围环绕着多少黑洞和中子星，更详细了解超新星的爆发过程。引力波探测也将详细地解释宇宙中各种强度，或长或短的伽马射线爆发。另外，因为引力波无法被物质吸收或反射，理论上一种极其特殊的来自于宇宙创生时代的引力波可能告诉人类在宇宙诞生之初的秘密。尽管大多数宇宙学家们都已经接受了宇宙暴涨的假说，但人们仍然需要找到原初引力波存在的切实证据，完成宇宙创生故事的最后一环。
行动受困于轮椅几十年的物理学家史蒂芬·霍金（Steven Hawking）曾经警告人类，人工智能最终将会凌驾于人类智慧之上，从人类的仆役变为人类的主人，相比之下对于可能的外星文明同样忌惮的他却乐于寻找外星文明存在的证据。人类是不是孤独的？文明的发展是否是单线条的？人类有没有可能与其他星球的文明形式进行交流？现在似乎还不是回答这些问题的时候。寻找到一颗与一个恰当的恒星距离适当的岩石行星就可以让地球上的行星科学家们兴奋不已，因为这是发现外星生命信号或是为人类寻找下一个落脚点的第一步，只有先迈出这一步，人类才有希望寻找其他形式的文明。探索地外行星的20多年来，行星科学家们发现地外行星的数量远比他们此前想象的多，至今人类已经发现了超过2000颗地外行星，但是，那颗与地球非常类似的，表面覆盖着液态水并被温暖的大气层所包裹保护着的行星仍然还没有出现。
研究历史虽然难以帮助人类预测未来，倒或许可以给人类带来些安慰。在19世纪末20世纪初量子力学与相对论蓬勃发展的年代，西方社会正在被其他一些更加具体的难题所困扰。在伦敦和纽约的街头，拥挤的大街上奔跑着越来越多的马车，遍地的马尿和马粪让街道变得肮脏难闻，而一旦有马匹受伤倒地，往往会立刻造成整条街长时间的交通堵塞，人类只能杀掉无法继续拉车的马，留下一地触目惊心的血迹。为了解决这个问题，当时的城市规划者们聚集在纽约召开国际城市规划会议，但是仍然对此一筹莫展。现代人当然了解最终解决这个马车困境的方式，那就是汽车的出现让人类最终不再需要马车运输——这个故事，或许可以给对未来缺乏信心的现代人带来些许的慰藉。
100多年过去了，基础物理学发展的激荡年代已经过去。与20世纪初的情景已经不同，过去半个世纪里基础科学的进展缓慢，虽然技术仍在不断创新，网络社会越来越深刻地改变着人类的生活模式，但是潜在的问题也更加深重：人类如何结合这两个至今无法融合的物理学支柱理论？如果无法进行实验验证，人类对自然界的认识如何继续加深？科学哲学是否需要变革？量子力学的本质是什么？量子计算机能否最终取代电子计算机？人类何时才能发现引力波存在的直接证据？人类是否终有一天能够发现地外文明并且与之对话？生命是什么？意识又是什么？在人类进入未来生活之前，这一连串的问题拷问着21世纪的人类。
寻找地外文明
“他们都在哪儿呢？”在1950年的一天，物理学家恩里克·费米（Enrico Fermi）问了这样一句话，从此这个问题成了人类的一个心结。如果真的有地球之外的生命，甚至是文明存在的话，他们都在哪儿呢？在有着2000亿至4000亿颗恒星分布的广阔的银河系，人类文明为何显得如此孤单？
目前唯一已知有生命现象存在的行星就是地球，要想寻找其他生命存在的信号，人类别无选择，首先要寻找与地球条件相仿的行星。2009年3月，美国航空航天局（NASA）的开普勒太空望远镜（Kepler Space Telescope）升空，从此开始了它探索地外行星之旅。这个太空望远镜在地球轨道上始终保持着一个固定的角度，观测银河系的一隅。它可以同时跟踪15万颗恒星，通过观测恒星亮度的变化来寻找可能存在的围绕恒星运转的行星（行星掠过恒星时，会因为遮挡住光线使恒星显得略微闪烁）。几年来，它已经发现了数以千计的行星迹象，这个数字远超此前人们的猜想。
2015年7月，美国航空航天局公布，开普勒计划确认发现了第一颗与地球规模接近，同样处在“宜居区域”的一颗被命名为“Kepler-186f”的行星。所谓宜居区域，指的是行星与其所围绕运转的恒星距离适当，在其表面上可能有液态水存在（这正是人类得以生存的基础）——此前发现的处于这个区域的行星至少都要比地球大上40%。
这颗距离地球大约500光年远的属于天鹅座的岩石行星，以130天为周期围绕着一颗大小和质量都大约只有太阳一半的恒星运转，它能够从所属恒星吸收的能量大约只相当于地球从太阳吸收能量的三分之一。这颗名为“Kepler-186”的恒星属于银河系中最常见的M型红矮星，银河系中大约70%的恒星都属于此类恒星，因此，搜寻地外生命的行星学家们认为未来最有可能在这一类的恒星周围发现生命存在的迹象。尽管是在宜居区域内发现了这颗行星，我们仍然不知道这颗行星是否可以存在生命，这与行星表面的温度至关重要，而决定其表面温度的因素，除了与恒星的距离之外，还取决于恒星的大气层密度和成分。现在开普勒太空望远镜还在继续寻找着与地球更加类似的行星，任何发现都可能成为人类未来发射的太空探测器的目标。
开普勒太空望远镜主要通过观测恒星亮度的变化幅度来探测其附近可能存在的行星，正是因为如此，它在2009年到2013年之间观测到恒星“KIC8462852”的奇异闪烁才令人至今浮想联翩。严肃的行星科学家们一再解释，尽管面对这个现象现在人们还没找到完美的解释，但“地外文明”应该是我们最后考虑的可能。可实际上，地外文明的存在是人类最热衷考虑的可能，以至于不愿相信还有其他任何可能性的存在。
一个文明的发达程度，与其获得能量的方式相关。在1964年，苏联天文学家尼古拉·卡尔达肖夫（Nikolai Kardashev）在科学与幻想之间，制定了一个衡量文明发达程度的指数，卡尔达肖夫指数（Kardashev Scale）。在这个标准中，根据一个文明是否能利用自身所在行星的所有能源、所属恒星的所有能源，或是所属星系的所有能源，由低到高分成了三个类别。这个对于文明程度的划分标准面对目前人类只能孤单面对自己的事实，除了为科幻小说作家提供了一些素材之外，更像是屠龙之技，但我们毕竟无法预知未来。
开普勒太空望远镜发现，恒星KIC8462852在几年的时间里一直出现有规律的闪烁，但是这种闪烁的幅度太大（光强度的变化在20%以上），见所未见，无法用行星掠过来解释。这个发现一经公布之后，人们就迅速联想到了同样来源于想象的“戴森球”（Dyson Sphere），这是物理学家弗里曼·戴森（Freeman Dyson）想象出来的一种高级文明为了获得恒星能源建造起来的一种巨大的球形结构，以此从恒星获得能量。人们乐于想象，一种达到卡尔达肖夫标准的远超人类的第二类别文明，一种可以获得整个恒星能量的高级文明建造了一个巨大的戴森球，才使距离这颗恒星1500光年之外的人类发现了它不同寻常的闪烁。在没有获得进一步的证据之前，行星科学家们只能不停地泼冷水。他们指出，可能有各种现象造成恒星这种反常的巨大闪烁：有可能是正在形成行星的物质阻挡了光线——问题在于这是一颗成熟的F型主序星，有太阳的1.5倍大，不大可能再形成行星；有可能是属于恒星的行星之间发生了剧烈的碰撞——但这同样是一种想象，人类目前还没有任何这方面的数据；也有可能是众多的彗星不停地掠过恒星表面阻挡住光线——这种可能性同样微乎其微。
无论如何，这颗恒星已经吸引了人类的关注，多个望远镜都在等待着它下一次巨大的闪烁，并且分析星光的光谱，也许不久之后就会有结论，告诉我们这颗恒星的光线在离开恒星之后都经过了哪些物质，是星际尘埃还是星际气体，或者是一个巨大的戴森球。在寻找地外生命的过程中，人类也许应该不停地提醒自己，我们所居住的银河系已经存在了130亿年，这是一段漫长的时间，应该已经足以产生出各种生命形式。但是，他们都在哪儿呢？
最急于回答这个问题的人们成立了各种协会和组织，试图从接收到的宇宙电磁信号中分析出可能来自地外文明的信息，这些组织被统称为SETI（搜寻地外文明计划）。在2015年7月，俄罗斯投资人尤里·米尔纳（Yuri Milner）与物理学家史蒂芬·霍金宣布向为期10年寻找地外文明的“突破聆听计划”（Listen Breakthrough）投资1亿美元，他们打算雇用世界著名的天文学家，并且利用美国绿岸天文台（Green Bank Observatory）和位于澳大利亚的帕克斯天文台（Parkes Observatory）功能强大的射电望远镜进行搜寻。“突破聆听计划”是人类至今为止最全面、最昂贵的搜寻外星文明信息的计划。
寻找地球之外的生命讯号，乃至地外文明，固然是漫长且孤独的任务，但人类所面对的最大的谜团仍然是其自身。生命的本质是什么？意识的本质又是什么？大脑究竟如何工作以产生意识？大脑的工作过程究竟是否存在量子作用？如何理解人类的直觉、灵感和创造力？人类在未来不得不面对这些涉及自身的问题，不回答这些问题，我们就无法真正地了解自己，也很难实现真正意义上的人工智能。
寻找引力波
从2015年9月起，一个未经证实的消息开始在物理学界流传开来。据说经过了几年升级改建的先进激光干涉引力波天文台（Advanced Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory）在重新开始工作之后的一个星期内就探测到了引力波的信号。这个传言一直都没有得到官方的证实或否认——这个态度被很多人认为算是一种默认。
2015年正是爱因斯坦的广义相对论发表100周年，如果能在这个特殊的年份里找到广义相对论做出的最为缥缈的预测，无疑具有特殊的意味。几十年来物理学家们苦苦地寻找引力波，不仅因为它对物理学的意义重大，也是因为它可能开启一个新的时代。
几千年来人类观察宇宙的方式大多都只是仰望星空，直到几百年前人们才能通过望远镜进行观察，影像固然更加清晰，但所看到的仍然只限于可见光的频率范围之内。直到20世纪，人类理解了电磁学，才能从红外线到伽马射线，在更广阔的频率范围内观测宇宙。想要看清宇宙的面貌，仅仅通过电磁波还远远不够，中微子为宇宙学家们打开了又一扇门，通过藏在地下的一个个中微子天文台，人类才多了一个观测宇宙的手段，但是这种方式的局限性仍然非常明显。因此，如果能够在地球上观测到引力波，人类将会增加一个非常独特而灵敏的宇宙学观测方式。
引力是自然界中最为微弱的相互作用，广义相对论所描述的正是引力作用。根据广义相对论的预测，当质量进行加速运动时，会对时空产生干扰，进而使时空产生出以光速行进的引力波。因为引力作用太过微弱，想要探测到这种时空的褶皱，就需要格外敏感的实验装置。
在美国华盛顿州和路易斯安那州建造的隶属于美国国家自然基金（National Science Foundation）的两个相似的激光干涉引力波天文台，每一个天文台都有两个长达4公里的相互垂直的长臂，激光在真空的管道中沿着两条长臂来回反射，并且发生干涉。现在有超过900名科学家在这里工作，人们有一个共同的目标，就是通过激光的干涉现象寻找引力波。根据理论预测，一旦有引力波经过，将会使空间发生拉伸和压缩，两个长臂中的激光的干涉现象就将发生变化。但是从2002至2010年九年的时间里，这两个高精度引力波探测器没有任何收获。这些年的一无所获与周围环境对仪器的干扰有关，因为仪器的过分敏感，华盛顿州的探测器经常会受到大风的干扰，而路易斯安那州的探测器则经常会受到经过的火车和周围倒下的树木所产生的震动带来的干扰。
在经过了5年时间，花费了2亿英镑之后，激光干涉引力波天文台完成了升级。在2015年9月18日重新开始工作的先进激光干涉引力波天文台比之前的精度可以高出三倍，激光器的功率提高了10倍，抗干扰的能力也大幅增强，无论是树木，火车，还是地震波都无法影响到仪器的探测。进行了全面的升级之后，尽管先进激光干涉引力波天文台的灵敏度会随着调试逐渐上升，将在未来三年左右的时间里达到顶峰，也就是说探测到引力波的可能性会逐渐增加，但是乐观的物理学家们认为，三个月内，这台极其灵敏的机器就将探测到引力波。在先进激光干涉引力波天文台工作的物理学家们则显得更加谨慎，他们希望在发现引力波的信号之后能有三个月的时间对信号进行分析，之后合作撰写一篇论文，再投票选择是否要对外宣布。
物理学家们的乐观心态可以理解，这个世界上最灵敏的先进激光干涉引力波天文台灵敏到可以探测到相当于质子直径长度万分之一的变化，即便如此，物理学家们也只能把探测目标放在宇宙中极为剧烈的天体活动上，例如黑洞之间的碰撞，中子星和脉冲星之间的合并，都可能释放出剧烈的引力波，并且到达地球。在理论上3亿光年以内的黑洞碰撞所释放的引力波都可能被探测到，不仅如此，先进激光干涉引力波天文台正在进行又一轮的升级，预计在2017年重新开始工作的机器的灵敏度将提高10倍，探测范围也将扩展到6亿光年。另外，在意大利境内，还有一个稍小的“先进Virgo”引力波探测器目前也在进行升级，届时两个引力波探测团队将共同研究在两个大陆所获得的探测数据，进行比较以确认引力波的痕迹。
虽然人类早已从一个旋转周期逐渐缩小的脉冲双星系统发现了引力波存在的间接证据——那个双星系统的行为与广义相对论的预测完全一致——但直接发现引力波的意义将完全与之完全不同。人类将会有一个更为灵敏的宇宙学探测手段，天文学也可能会出现一个新的分支——引力波天文学。在理论上，通过引力波进行天文学探测，人类将可以了解恒星坍塌的具体过程，恒星内部质量的移动和改变过程都会通过引力波传播到地球。
物理学家们热情地幻想着首次发现引力波的那一刻，最好是一个脉冲双星系统，因为人们可以细致地预测脉冲双星系统发出的引力波。一旦发现了引力波的信号，先进激光干涉引力波天文台的计算机将会自动发出声音，提醒物理学家们马上进行观测，他们不仅可能看到尚未结束的引力波探测过程，如果马上对天空进行观测，还有可能发现放射出引力波的天文学现象（比如超新星的爆炸）。物理学家们同时也想象着在未来，引力波探测成为家常便饭，每年都可以探测到10次左右的中子星碰撞。欧洲航天局（European Space Agency）计划在2034年开始一个太空引力波探测项目，在未来的几十年里，或许人类将会迎来在各个频率范围内引力波探测的爆发。
万一最灵敏的引力波探测装置也无法发现引力波该怎么办？并没有太多物理学家考虑过这个问题。即使人类无法在近期发现引力波，也不能说明广义相对论的预测是错误的（毕竟人类是如此的信赖和依赖广义相对论），也许物理学家们将会检查自己的探测手段和预测模型。
宇宙学家们也在关心着何时才能探测到原初引力波的痕迹。在宇宙大爆炸之后，宇宙有可能发生过暴涨过程，在极短的时间内宇宙从微观状态被拉伸到宏观状态。想要验证这个重要的宇宙学假说，就需要找到原初引力波存在的证据。这种来自宇宙开端的引力波，因为无法被物质吸收和反射，将携带宇宙创生时的痕迹，人类就有可能了解宇宙诞生的每一个细节。而更为重要的可能是那些人类还没预想到的结果，引力波物理学将会开启一个怎么样的时代？这是21世纪的人类需要面对和回答的问题——但仅仅是知道整个宇宙都在颤动，这个事实本身就已经足够令人感到震撼。
量子计算机
一台机器，哪怕仅仅是一个概念，只要是和Google和NASA这样的科技巨人有了联系，一定会吸引到全世界的关注，何况这台机器是一台量子计算机。人类对于计算能力的渴求丝毫不逊于对于能源的渴求。电子计算机，乃至计算机网络的出现，在几十年里就彻底地改变了人类的生活方式。但是物理学家们相信，与量子计算机相比，传统的电子计算机的计算能力不值一提，量子计算机必定会再一次改变全人类。
随着半导体物理技术的进展，电子计算机的基本器件变得越来越小，在纳米级的电子器件上每时每刻都在发生着量子现象。但是从电子计算机的工作原理来看，它工作的逻辑仍然是机械式的，与其他的计算机器并没有本质区别。在微观领域，尽管每一个电子的行为无法预测，但是大量电子的整体行为方式却是可以预测的，这就是电子计算机中最基本的单元，逻辑门工作的基础。
量子物理学家们则想要彻底改变这种计算方式，把量子力学的奇异性转换为难以想象的计算能力，也就是说，量子计算机的计算过程将不再是机械化，而是利用到量子过程。在普通的计算机中一个比特（bit）只能是“0”或“1”两个值其中之一，但是量子比特（qubit）却可以同时拥有“0”和“1”这两个状态，也就是说，一个量子内存可以是“0”和“1”状态的任意排列组合，不仅如此，量子过程将可以对这些状态同时进行计算，它的计算效率与电子计算机自然不可同日而语。
量子计算广泛的应用前景已经吸引了众多目光，包括美国中央情报局（CIA）、美国航空航天局（NASA）、洛克希德·马丁（Lockheed Martin）和众多的赌博公司等各个领域的巨头都期待着量子计算为行业带来不乐观。就是因为微观粒子的量子态极其脆弱并且难于控制，乃至有人把量子计算与可控核聚变相提并论——两者都是听起来会对人类有极大帮助的技术，但是也都同样的遥遥无期。
从上世纪80年代开始，物理学家们就开始研究可以通过量子效应进行计算的机器。到了1994年，美国麻省理工学院的数学家彼得·秀尔（PeterShor）发表了“秀尔算法”（Shor’s Algorithm），在理论上提出了通过量子过程分解整数的算法——分解整数对于传统计算机来说是一个非常耗费时间的工作，因此常被用作加密算法，但相比之下这个任务对于量子计算机来说将毫无困难。受到启发的众多物理学家都开始尝试利用量子过程实现秀尔算法，两年以后，贝尔实验室的科学家又发表了一个可以快速搜索海量数据的量子算法，人类对量子计算机的研究从此进入了新阶段。
想要实现量子计算绝非易事。想要保持量子比特的量子态不受外界环境的干扰，需要把量子计算的环境设置在没有电磁干扰的极低温度条件下，如何利用量子比特进行量子计算，目前在学术界也是一个热门话题。说到量子计算机就无法绕开D-Wave公司，这家公司推出了第一代量子计算机D-Wave One，声称是世界上第一台商用量子计算机，这使它迅速获得全世界的关注和怀疑。物理学家们质疑它的工作过程是否真的涉及量子过程，同时又质疑它的运算速度相比于传统计算机是否真的具有优势。
在质疑声中，美国的科技巨头Google公司在2013年采购了一台D-Wave量子计算机进行研究。实际上，Google公司从2009年起就与D-Wave公司合作开发量子计算机。在2014年，瑞士联邦理工学院的物理学家马蒂斯·特罗埃尔(Matthias Troyer）对这台机器进行了研究，他在报告中指出，相比于传统计算机，这台计算机的运算速度并没有明显的优势。但到了2015年，Google公司使用这台D-Wave与一台传统计算机在“最优化”问题上进行比较，Google公司人工智能实验室主任哈姆特·奈文（Hartmut Neven）声明，他有切实的证据表明D-Wave在计算过程中确实有量子过程参与，并且它的计算速度比传统计算机“快了1亿倍”。这个结果对于传统的电子计算机来说或许有失公允，因为目前D-Wave还不能和传统计算机一样完成“通用”的任务，它只能进行最优化计算，另一方面传统计算机如果使用其他的算法速度有可能会更快。但无论如何这个结果都算是对于量子计算机研究者的一剂强心针。马蒂斯·特罗埃尔在研究过后也表示，“Google的结果显示D-Wave在处理一些精心选择的问题时（相比传统计算机）拥有巨大的优势”。
Google不仅是D-Wave至今为止最大的主顾，也是它潜在的竞争对手。D-Wave量子计算机的“量子退火”算法在机器学习和人工智能领域都有着巨大的应用前景，自然会吸引到Google的关注。在购买了D-Wave的同时，Google也成立了自己的量子计算机实验室，美国加州大学圣巴巴拉分校著名的量子物理学家约翰·马提尼斯（John Martinis）和他研究团队的20名成员在2014年9月加入Google的量子计算团队——在过去几年的时间里，约翰·马提尼斯的研究团队已经把量子比特的持续时间提高了上万倍，这说明Google绝不愿意只成为量子计算机的消费者，同样他们也不会满足于只能进行最优化计算的量子计算机，他们要研制自己的通用量子计算机。
随着Google、IBM、微软等几家科技巨头和一些大学量子计算实验室的加入，量子计算的前景正在逐渐明朗，现在物理学家们已经可以使量子比特的状态维持到数分钟，量子计算也具有了纠错功能，更不容易受到外界的干扰。荷兰代尔夫特科技大学（Delft Technology University）的物理学家罗纳德·汉森（Ronald Hanson）在2014年表示，花费10年左右的时间，他将制造出通用量子计算机的雏形。
人们估计Google的第一款量子计算机可能会是在D-Wave的基础上发展出来的某种功能单一的量子计算机，IBM公司也在2015年初展示了他们研制的第一款量子计算芯片，而更多财力有限的量子计算实验室则希望缓慢稳妥地研究通用型量子计算机——使用量子逻辑门的通用型计算机将可以完成更多的工作。
对量子计算机持悲观态度的人会说D-Wave并不能算是真正的量子计算机，而真正如家用电脑一样的通用量子计算机目前看来还遥遥无期；对量子计算机持乐观态度的人则会把电子计算机研究的初期形态与现在的D-Wave进行对比，表达对于量子计算未来的信心。量子计算涉及量子过程的本质，在真正实现量子计算之前，人类也许需要对基础科学有更深入的理解，并耐心地容忍看起来无止境的失败。
两个理论的结合
为什么要追求统一？理论物理学家，2004年诺贝尔物理学奖得主弗兰克·维尔泽克（Frank Wilczek）给出的理由是，因为这很美。在物理学中发现事物深层次的规律，找到其中所蕴含的统一规律，是一个充满着奇迹和美感的历程。
在20世纪初几乎同时出现的两个物理学理论，量子力学和广义相对论，至今仍然存在着不可弥合的矛盾。这种矛盾是如此的深刻，以至于物理学家在处理一个问题时，需要根据问题的尺度来选择所需要的理论——量子力学描述的是人们日常生活中无法接触到的微观领域，在纳米级以下的微观世界里，粒子开始显出光怪陆离的性质，一个粒子可能同时处于几种状态之中，至于人类会观测到其中的哪一种状态，则完全是一个概率问题。一个粒子的位置和动量也无法被同时测量，这就是制约着量子力学的测不准原理。
人类的生活常识在量子领域完全被颠覆，而另一方面，在更为广大的尺度下，当我们观察和思考日月星辰的运转，我们的生活常识同样没有用处。人类习以为常的光线会因为引力场而弯曲，而迅捷的光速在宇宙的尺度下显得步履蹒跚……星系、黑洞，这些宇宙中既诡异又宏大的对象都要受到广义相对论的制约。
包含了目前所有已知基本粒子的标准模型，描述了自然界的三种基本相互作用，强相互作用、弱相互作用和电磁相互作用，却把最弱的引力相互作用排斥在外，留给广义相对论，这个模型因此被称为“几乎包含了一切”（当然在这个模型中也不包含宇宙中更加神秘的暗物质和暗能量）。
上个世纪初的物理学家们没有想到这两个理论是如此的难以实现统一。有历史学家认为，爱因斯坦之所以在发表狭义相对论之后用了10年才发表了广义相对论，就是因为在此期间他花费了好几年的时间试图解开量子力学之谜，后来也只能无奈地留下了一句：“我花在量子力学上面的时间比花在相对论上的时间还要多。”而在他完成了广义相对论之后，他把自己的整个后半生都用在发展出一种可以包含广义相对论和量子力学的“统一场论”上面，结果又是无奈的失败，以至于他的传记作家评论说：“爱因斯坦即使把他的下半生都用来钓鱼，物理学也不会损失些什么。”
在量子世界里，被颠覆的不仅仅是人类生活的常识，甚至包括因果律，这让爱因斯坦尤其不能接受，他说：“上帝不是在掷骰子。”这句话目前看来大有可商榷的余地，在微观领域，上帝可能确实是一个骰子玩家。在微观领域和宏观领域里，是否存在着两个上帝？无论是量子力学还是广义相对论，当我们回归到日常生活的尺度下，这两个理论都会简化为人们早已熟悉的牛顿力学——这个事实可能为我们思考自己存在的理由提供出一些线索，在理论上时空最小的尺度到理论上可观测宇宙的最大尺度之间，人类日常生活的尺度恰好处在中间的位置，因此，支配我们日常生活的，是一种可以预测的、便于计算的简单力学。只有当我们向更小或是更大的尺度上求索，整个宇宙的奥秘才向我们展开。
物理学家们急于找到一套可以涵盖量子力学和广义相对论的理论，弦理论正是这样一个具有包容性的理论。弦理论描述在极小的尺度下，时空由11个维度组成，在这个基础上，量子力学和广义相对论实现了数学上的统一。但问题在于弦理论并没有对自然现象做出任何预测，人类也无法对于这个理论进行试验验证。这样数学形式上的统一，对于物理学究竟有什么样的指导意义，物理学家们至今仍然感到迷惑。人类在探索物理学的过程中感受到了统一和对称性所带来的美感，但当把美感来作为一个理论成立的证据，这就难以让大多数物理学家所接受。
人类希望从量子力学或是广义相对论的错误中寻找到新理论的突破口，出于这个原因，很多物理学家在当年都希望标准模型不会被完成，这样人们就不得不对这个模型进行修改。但欧洲核子中心（CERN）依然在2012年夏天发现了完成标准模型的最后一块拼图——希格斯玻色子，标准模型正式宣告完成，成为“几乎包含一切的理论”。至今为止，量子力学依然保持着100%的准确性。
在物理学的另一端，广义相对论同样保持着完全的准确性，这个优雅古典的理论是宇宙学家们研究宇宙行为的圣经。正是因为如此，在2011年9月，欧洲核子中心的OPERA小组宣布发现了超光速中微子时才引起了物理学家们一片欢呼，突破了狭义相对论，就意味着打开了物理学的一个缺口。但在几个月之后OPERA小组宣布这个发现是因为设备故障，中微子依然老实地遵守着相对论的约束，物理学家们沮丧的心情也就可想而知。
人类花费了100年的时间，发展出准确又相互矛盾的量子力学与广义相对论，这两个描述极小与极大尺度的理论，究竟什么时候能够实现统一？宏观世界的因果律是否是在微观世界的测不准原理的基础之上产生出来的？广义相对论所描述的平滑的时空，是否具有量子化的微观构造？除了在理论上的探索之外，人类也在实践中寻求着答案。只有在量子力学和相对论同时起作用的条件下才有可能发现使之融合的方法。出于这个原因，人类才热衷于讨论黑洞的性质，探讨在宇宙大爆炸刚刚发生时宇宙的状态。
人类所需要的究竟是某个天才在某一天的灵光乍现，还是如同在中世纪建造大教堂一般，需要无数人几百年的努力才能逐渐完成？弦理论究竟是引导人类走向大统一的理论，还是一个数学家搭建的幻影？这个理论所描述的尺度是目前人类最强有力的粒子对撞机所能探索尺度的一千万亿分之一，要想对于这样的尺度进行检验，人类需要建造一个有银河系大小的粒子对撞机，这显然无法完成，这些问题目前也都没有答案。
时间的本质是什么？存在的本质又是什么？这些看上去形而上学的问题也许正是一个大统一理论所给能解答的。人类热衷于寻找一个大统一理论，尽管并不知道这个理论是否存在，可以肯定的是，在寻找大统一的路途上，人类对于自然界各个领域的认识都会更加深刻，或许这就是寻求大统一理论最重要的意义。
文 苗千
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