我們的時代是一個以機(jī)器思考為自豪而對人類思考不放心的時代。

H·芒福德·瓊斯25

一天早晨，在開車去上班的路上，我從廣播里聽到了一個非常迷人的說法：女人對計算機(jī)的理解要比男人到位。主持人只是間接暗示了這一點并謹(jǐn)慎地解釋了這在政治上的正確性，但她的觀點還是表白得很清楚。在她解釋了她的立場之后，我明白她或許是對的。她說男人總喜歡對計算機(jī)做些小修小補(bǔ)：卸開，加條內(nèi)存，插個外圍設(shè)備，不一而足；而女人則主要集中于更重要的事情上：為婚禮晚會分發(fā)成百的電子邀請郵件。這和我自己對這些事情的體驗完全吻合。當(dāng)我們家的車拋錨時我總是熱衷于搞清楚哪兒出了毛病，我妻子就簡單得多，花筆錢讓人來處理，自己直接去了電影院。女人似乎直覺地就比男人更清楚，一件事如何去做其實遠(yuǎn)沒有誰去做來得重要。

計算機(jī)的計算是建立在無數(shù)級塔狀功能鏈上的

在日常生活涉及的技術(shù)方面，計算機(jī)是一個特別能說明問題的例子，誰都知道它們是呈等級序列的。在最高層次上，它們被用來存儲和處理郵件，起草更為正式的書面信函，并容許你在網(wǎng)上進(jìn)行拍賣交易。（目前網(wǎng)上平臺的實用性還不是很強(qiáng)，也就是些乏味的視頻游戲、秘密的色情內(nèi)容下載、以及享有版權(quán)的歌曲和電影等，這些純屬消磨時間，可以不考慮。）低一層次的是那種帶處理器、主板、擴(kuò)展槽（上面插的可都是些極品功能卡，像Voo Doo顯卡或rager顯卡等26）的組裝機(jī)器，但其性能優(yōu)越最招DIY們的喜歡。再低一層的是連著密密麻麻導(dǎo)線和晶體管元件的硅微芯片，而計算功能的最低層次就是電子、空穴穿行其間的硅原子有序晶格排列。你可以不用多想就將新娘送禮會的請柬悉數(shù)發(fā)出，機(jī)器的巨型塔狀功能鏈可靠著呢，每一級都有下一級支撐并支撐著上一級。知不知道每一級如何工作并不重要，只要請柬能像紙質(zhì)信件或電話邀請那樣方便地發(fā)出去就得，雖然買一套設(shè)備費用上可能貴點。

計算機(jī)就是部機(jī)器。像其他機(jī)器如割草機(jī)和蒸汽機(jī)車一樣，計算機(jī)是通過移動物質(zhì)來工作的。由于移動的只是電子，因此我們可以以極高的速度運行，但概念上說這和汽車引擎里的活塞和曲軸并無二致。最后，電腦引擎的目標(biāo)仍然是操縱一整套機(jī)械設(shè)備來實現(xiàn)諸如噴墨、話筒轉(zhuǎn)動或顯示像素液晶的扭曲等物理行為。計算機(jī)經(jīng)常被標(biāo)榜為21世紀(jì)的神奇技術(shù)，但它們實際上是19世紀(jì)的最高成就。

計算機(jī)與其他機(jī)器的關(guān)鍵區(qū)別在于它與外設(shè)之間調(diào)整的便捷性。這種調(diào)整處理被稱作程序化，它的指令打印出來有像學(xué)期論文那樣的漂亮格式，除非你咖啡喝多了滿口臟話。但外表都有欺騙性。程序編譯完全不像學(xué)期論文寫作，而是自動生成的。它包括各個簡單部分之間的復(fù)雜機(jī)械關(guān)聯(lián)的結(jié)構(gòu)說明，它們依賴于函數(shù)而非工藝，就好比將機(jī)床和扳手換成了鉛筆和鍵盤。

這種便捷性還帶來了計算機(jī)制造業(yè)和汽車工業(yè)之間的一些性質(zhì)上的差異。例如，由于物理芯片的制造成本遠(yuǎn)低于編程的人力成本，從而在根本上改變了工程經(jīng)濟(jì)學(xué)。這也就是為什么軟件會這么貴，其壟斷性為什么如此不同于鋼鐵、鐵路和石油的壟斷性的原因所在。編程過程就像是計算機(jī)的日常工作，以至于人們在心中將這兩者混同于思維的超級抽象活動。在計算機(jī)世界里，人們寓娛樂于工作，寓工作于娛樂，兩者變得難以區(qū)分，經(jīng)營活動理念有了根本改變。正如大多數(shù)人所體會的那樣，計算活動在經(jīng)過經(jīng)濟(jì)活動復(fù)雜層面的作用后，已與機(jī)器本身的基礎(chǔ)相分離，在這個意義上，它是一種典型的突現(xiàn)現(xiàn)象?，F(xiàn)代計算機(jī)程序是由眾多人員組成的團(tuán)隊共同完成的，每個人只了解整個任務(wù)的很小一部分內(nèi)容，這些程序經(jīng)常需要相互嵌套來給出結(jié)果，其過程之復(fù)雜是它們的創(chuàng)作者難以想象的。這種社會現(xiàn)象的產(chǎn)生正是電力應(yīng)用帶來的廉價的可程序化事實的邏輯結(jié)果。

易調(diào)節(jié)性策略正在用晶體管作用徹底改變因果間的差異。我們可以自己在思想上作個類比。如果我把手恰巧擱在了電爐上，那么電源一開，我會很快縮回手，但如果我突然想起必須去打個電話，我也會挪開手。移動手的復(fù)雜回路既可以由像火這樣的外界刺激來驅(qū)動，也可以由大腦皮質(zhì)記憶這樣的內(nèi)在刺激來驅(qū)動。這兩者間除了抽象的概念差別外，效果上無甚區(qū)別。但在精神障礙者身上就會出錯，因為他分不清真假。晶體管就是一個調(diào)節(jié)器。它一旦感知到一根導(dǎo)線上的電子運動就會在另一根導(dǎo)線上驅(qū)動起同樣大小的電子運動，不論前者的運動是多么微弱。這種模式使得計算機(jī)內(nèi)部以開或關(guān)方式工作，每根導(dǎo)線處于非開即關(guān)的狀態(tài)，不存在第三種狀態(tài)。它還引起給定導(dǎo)線對信號最初來自何處的信息控制進(jìn)行檢測。開或關(guān)的決定既可以基于外部觸發(fā)，也可以來自其他某個或多個晶體管，這沒有本質(zhì)區(qū)別。

計算機(jī)里的信號是牛頓型的。我們時常忽略了這一點，總認(rèn)為它和量子力學(xué)一樣神秘，這其實是個誤解。計算機(jī)的神秘性源自其功能的突現(xiàn)性質(zhì)而非微觀上的精細(xì)結(jié)構(gòu)。在晶體管這個層次上，計算機(jī)的工作原理是建立在絕對確定性概念基礎(chǔ)之上的，因為只有這樣才能與任意時刻的開或關(guān)——正確或錯誤——狀態(tài)取得一致。不僅晶體管是牛頓概念，它們在整個環(huán)境中產(chǎn)生的輸出也是牛頓型的。在此過程中它們發(fā)熱。這就是為什么現(xiàn)代處理器芯片會燙得沒法摸，而且一旦風(fēng)扇壞了就會死機(jī)。產(chǎn)熱是保證機(jī)器運行可靠性的基本條件。為了看清這一點，我們不妨回到用筆尖站立的鉛筆這個著名例子上來。實際上，鉛筆倒向左邊而不是右邊的決定一經(jīng)做出就無可改變，因為它倒在桌子上時將以放熱形式耗散掉所有能量。如果不是這樣——如果碰到桌子時產(chǎn)生的是完全彈性碰撞——那么它會立即向右跳起并做出第二次左右選擇決定，結(jié)果就有可能相反。因此，存在能量耗散和產(chǎn)熱是做決定的基本前提，特別是在涉及最初精細(xì)平衡的情形下就更是如此，故當(dāng)今的所有計算機(jī)都面臨如何解決更有效地散熱以提高功效的問題。（對像公司和政府組織這樣的人類機(jī)構(gòu)，這種分析同樣適用：決定一經(jīng)做出就不可逆轉(zhuǎn)。）

晶體管設(shè)計中的兩個小調(diào)整使得我們可以建造實際的計算機(jī)。一個與如下模式有關(guān)：在晶體管的兩個端口輸入信號，如果其中一個的輸入為開（on），則該晶體管處于開態(tài)（on）；另一個調(diào)整是“非”操作，就是說，如果端口輸入的是關(guān)（off），則該晶體管處于開態(tài)；反之，如果端口輸入的是開，則該晶體管處于關(guān)態(tài)。這兩個設(shè)計單元稱為邏輯，它們構(gòu)成全部計算機(jī)電路的概念基礎(chǔ)?，F(xiàn)代計算機(jī)其實就是一個邏輯和時鐘的巨型網(wǎng)絡(luò)——個由按心跳般規(guī)則方式使導(dǎo)線處于開態(tài)或關(guān)態(tài)的小閉合回路?，F(xiàn)代家用計算機(jī)的時鐘心跳速度非常高差不多一秒鐘10億次——而且非常平穩(wěn)有力。我曾有兩臺機(jī)子因時鐘壞了而死機(jī)，但這種現(xiàn)象是非常罕見的。計算機(jī)更新很快，一臺機(jī)子總是遠(yuǎn)沒到死神來召喚就已被淘汰了。

最近人們對量子計算機(jī)興趣大增，這是一種利用量子波函數(shù)的糾纏態(tài)來計算的全新計算機(jī)硬件，這種計算在常規(guī)計算機(jī)上是無法實現(xiàn)的。其中最重要的當(dāng)屬海量素數(shù)的生成和其他大數(shù)的因數(shù)分解。而用現(xiàn)有計算機(jī)在合理時間內(nèi)不可能完成將一個大數(shù)分解成兩個大素數(shù)這一點正是當(dāng)代加密技術(shù)的基礎(chǔ)。但是，量子計算機(jī)有一個致命弱點，就是當(dāng)我們要讀出結(jié)果時，區(qū)分量子計算機(jī)與常規(guī)計算機(jī)仍然會引起量子不確定性。量子力學(xué)波函數(shù)的演化的確是確定性的，但將它們轉(zhuǎn)換成我們能夠讀懂的信號的過程會出錯。出錯的計算機(jī)并無大用，因此量子計算的設(shè)計問題可歸結(jié)為如何克服測量出錯的問題。教科書上的辦法是在一個小單元里安排上一百萬個相同實驗，然后檢測它們的集體結(jié)果——例如由量子計算機(jī)中電子自旋產(chǎn)生出振蕩磁場。檢測過程帶來的風(fēng)險只涉及幾個樣本，大部分應(yīng)保存完好。這種設(shè)計思想之所以有吸引力，就在于它能保證我們讀出量子計算機(jī)的整個波函數(shù)，至少原則上是這樣。然而，這種可能性的邏輯前提是你已經(jīng)制造出的不是一臺全新的數(shù)字計算機(jī)，而是傳統(tǒng)的模擬計算機(jī)——一種我們當(dāng)今已廢棄不用的機(jī)型，因為它很容易受到噪聲干擾。因此對量子計算機(jī)的狂熱追捧并沒有切中要害——計算可靠性的物理基礎(chǔ)是突現(xiàn)的、牛頓型的。人們可以想象，不用這些原理來進(jìn)行的計算，就像憑著蠻力來證明對稱性破缺的出現(xiàn)，其結(jié)果只能是根本不可能根絕計算錯誤，因為它沒有物理基礎(chǔ)。認(rèn)為這個問題小事一樁的觀點是還原論者的美麗謊言。自然，我希望我是錯的，我也希望投資量子計算機(jī)的那些人走好運。我還希望那些急著想在下曼哈頓區(qū)投資建橋的人趕緊跟我聯(lián)系，27一定時間內(nèi)可以優(yōu)惠呢。

當(dāng)然，真正的量子計算機(jī)是那種完好的舊硅片。晶體管所依據(jù)的半導(dǎo)體原理以及傳統(tǒng)導(dǎo)線與電阻之間的區(qū)別，都是建立在量子力學(xué)基礎(chǔ)上的。這一事實在1874年費迪南德·布勞恩28發(fā)現(xiàn)半導(dǎo)體時不是很明顯，當(dāng)時他發(fā)現(xiàn)許多金屬硫化物礦石都具有單向?qū)щ娦裕姐U礦石尤為顯著。但直到很晚以后，隨著雷達(dá)的發(fā)展和晶體管的發(fā)明，人們才對這些效應(yīng)的量子性質(zhì)有了系統(tǒng)的認(rèn)識，其中主要貢獻(xiàn)應(yīng)歸功于傳奇人物約翰·巴丁。晶態(tài)絕緣體內(nèi)的所有電子都束縛在化學(xué)鍵上，因此其導(dǎo)電性能很差。具體到硅晶體，它的每個原子都有4個相鄰原子，有4個電子充作共價鍵——按每鍵兩個電子的一般法則，外殼層電子正好全部用完。但是，比起像石英或食鹽晶體這樣的良好絕緣體，硅的化學(xué)鍵較弱且容易斷裂。電子一旦掙脫價鍵的束縛，就成了硅中自由移動的粒子，掙脫的地方成了空穴。半導(dǎo)體器件的整流和放大作用就全來自對這些自由電子和空穴的操縱，這種操縱是通過化學(xué)處理和附加導(dǎo)線完成的。量子力學(xué)則是這些物質(zhì)中價鍵形成法則和自由電子及空穴移動的理論基礎(chǔ)。

電子和空穴通過冷晶體時幾乎不受任何阻擋。這個令人驚異的事實是晶體管工作的核心，也是為什么像橡膠和塑料這樣的非晶體物質(zhì)不具有這種效應(yīng)的原因所在。的確，迎來硅時代的關(guān)鍵技術(shù)突破不是晶體管的發(fā)明，而是局域提純技術(shù)的發(fā)明，這是一種對晶體進(jìn)行全面去除化學(xué)雜質(zhì)然后施以結(jié)構(gòu)性摻雜的方法。電子和空穴急速通過晶格的能力并不是十分顯然的，從概念上說，硅晶并不等同于大分子，因此所有電子，包括價鍵上的那些，必須按高度糾纏的方式來刻畫。這個問題的解決在于通過突現(xiàn)將糾纏變成了無關(guān)緊要的問題。事實上，晶態(tài)絕緣體內(nèi)的所有電子的運動并不像想象的那樣是單個電子運動的隨機(jī)疊加，而是一種特定的集體運動。這些讓人望而生畏的基本復(fù)雜性的唯一作用就是形成加速質(zhì)量，使其與自由電子的質(zhì)量稍有不同，同時有效降低靜電力強(qiáng)度。空穴的電荷顯然與電子的相反，因為它代表的是電子的缺失。工程師們談到電子和空穴實際上就是在談這樣一種復(fù)雜的集體運動，而不是在談單個粒子。從工程角度說，這種復(fù)雜性處理起來無異于計算機(jī)發(fā)出送禮會的邀請信。人們關(guān)注的是這種集體運動的類粒子性質(zhì)是否精確而且可靠。

硅中的電子和空穴具有極好的量子力學(xué)性能。盡管并非完全自由，但它們糾纏得很厲害，這些對象提供了某種我們迄今能夠獲得的對量子力學(xué)的最精確檢驗。一個漂亮的例子是摻磷雜質(zhì)的線光譜。加入到融硅中的磷原子在結(jié)晶時取代了晶格上的硅原子。這些磷原子的外殼層上有5個電子，其中4個與周邊硅原子形成共價鍵，剩下的一個就成了相對自由的電子。在溫度降到極低的環(huán)境下，這個電子會自己找到合適位置并束縛在那兒，就像一個電子會與一個質(zhì)子結(jié)合形成氫原子。但束縛于磷雜質(zhì)的電子輻射出的是紅外光譜而不是可見光譜，因為這種結(jié)合放出的結(jié)合能極低。我們用通常的紅外光譜儀就能探測到這種輻射。這種雜質(zhì)譜線與磷原子譜線非常相似，除了特定波長位置外，其余的在物理上不可分辨，形成價鍵的集體性質(zhì)幾乎看不見。像這樣結(jié)果的實驗有很多，其原因在于硅片內(nèi)是一個微型小世界，靜電力很弱，總的電子質(zhì)量又發(fā)生了變化，電子還有一個異性的孿生兄弟，它只會阻礙發(fā)光。

電子和空穴的量子性質(zhì)幾乎可以說確立了摩爾定律的基本極限。英特爾創(chuàng)始人戈登·摩爾提出過一條著名定律：單位面積硅片上的晶體管數(shù)目每18個月翻一番。計算機(jī)的基本原理是如此簡單，但它的發(fā)展卻一直讓我們吃驚，摩爾定律即是主要理由之一?；仡櫽嬎銠C(jī)時代的起始階段，當(dāng)時人們發(fā)現(xiàn)，如果將晶體管和導(dǎo)線做小，便可以在硅片上安排更多的線路。于是開始了集成度越來越高的競賽，直到今天。如今，芯片制造業(yè)正在攻堅產(chǎn)熱難題，光學(xué)平版印刷線路板的大小限制問題空前復(fù)雜，但幾乎每個人都堅信，這些困難是能夠及時克服的，摩爾定律的量子極限還沒到來。然而，在未來差不多10年左右的時間里，晶體管將小到成為量子器件——因此必將開始出錯。當(dāng)這一天到來時，它將標(biāo)志著一個輝煌時代的結(jié)束，在這個時代里，不起眼的物理發(fā)現(xiàn)帶來了經(jīng)濟(jì)的持續(xù)增長并改變了世界。

計算機(jī)時代里一個更值得玩味的趨勢是物理學(xué)科的學(xué)生越來越不愿意或不會編寫計算機(jī)程序。當(dāng)我第一次看到這種情形時我非常沮喪，于是我在我們系里開展嚴(yán)格訓(xùn)練來糾正這一點，這令學(xué)生十分懊惱，因為我自己很擅長編程，并且認(rèn)為這是每一個自尊的技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)知道的事。但最后我意識到，學(xué)生是對的，我錯了，于是中止了這場運動。計算機(jī)編程是我們生活中諸事之一，就像自己修車，非常過癮有趣而且實用——但就是太耗時。實際上，眼下大多數(shù)文化人已不再費事地給自己的計算機(jī)設(shè)計運行模式，甚至都不再學(xué)著了解它是如何工作的了。會省時的花倆小錢買本程序集照著輸入，更極端的，干脆在網(wǎng)上搜免費軟件。

在20世紀(jì)70年代初，當(dāng)我還是個研究生的時候，國家經(jīng)濟(jì)正處于轉(zhuǎn)折期。學(xué)生勞動力很便宜，而計算機(jī)卻貴得要死，偌大個主機(jī)要占去大學(xué)計算機(jī)中心的整個一層樓。它們是十分嬌貴的寵兒，得有幾撥人24小時輪番伺候，得有專門的空調(diào)，還得有備用電源。我們晚上趴在大灰熊般大小的灰不溜秋金屬機(jī)器上給這個龐然大物寫程序。有臺機(jī)器的電機(jī)轉(zhuǎn)起來一直嗡嗡作響，直到有人敲了一鍵為止，這時它哆嗦一下，“啪嗒”一聲，在卡上打出一個新孔。當(dāng)某人在卡上操作完畢，他就該摁饋送鍵了，于是機(jī)器“咯哧咯喳”將卡轉(zhuǎn)到逐漸堆積的存儲器底部，再喂上一張新的空卡。我們寫的程序就是通過這種方式由一摞摞打了孔的卡來實現(xiàn)的。運行一個程序包括將卡盤交給值班員，他會將它送入讀卡機(jī)，那是臺看上去如同汽油驅(qū)動的木制飛機(jī)、聲音響得好比扇片上卡著樹葉的吸塵器在工作。打印機(jī)整天發(fā)出變了調(diào)的金屬聲，一疊計算機(jī)白紙喂進(jìn)去，不久便被狂怒地擲出，就好像發(fā)瘋似的。每隔一會兒，值班員就會過來檢查并處理輸出結(jié)果，這得打開隔音罩，于是難以忍受的噪聲立刻充滿了整個屋子。值班員會撕下結(jié)果并把它放入盒中以便學(xué)生來取。這種結(jié)果大都是些不完善的、讀起來莫名其妙的運行系統(tǒng)指令，人們需要的計算結(jié)果則在最后一頁——如果程序有錯，這時你拿到的不是一張白紙就是一堆亂七八糟的亂碼，到底是什么得看你錯的程度了。所有這些都是程序不完整的代價。我記得我的一個學(xué)生在呈交卡盤時緊張得手都在抖。想想那是什么日子！

那些日子里最有名的一個關(guān)于紙帶的故事，是說某人把一套巨大的流體力學(xué)模擬程序落在盒子里了，結(jié)果造成卡片飛得到處都是。很快就有人將這個程序命名為“尼克松”29，因為很顯然它不會再運轉(zhuǎn)了。但有幸的是它又工作了，并成為經(jīng)典程序LASNEX的核心，這一程序是目前激光聚變模擬的得力工具。

就其實質(zhì)而言，關(guān)于計算機(jī)技能方面存在性別歧視的笑話由此有了更重要的見解，我們將計算機(jī)的存在性、可靠性和實用性歸結(jié)為組織原理——包括經(jīng)濟(jì)學(xué)原理。女人比男人有更充裕的時間來理解組織的至高無上性質(zhì)這一點并不新鮮，早在古代人們就知道這一點而且在許多地方都有記載，如《易經(jīng)》上就有。按照道家哲學(xué)，宇宙是由對立的雙方——陰和陽——之間永無休止的相生相克來推動的。陽代表著男性、太陽、熱、光、支配力量等；陰則代表著女性、月亮、材料形式、冷、服從等。陽謂之山之南，代表創(chuàng)造；陰謂之山之北，代表完成所創(chuàng)造之物。可以說我們正處在一個陰占主導(dǎo)的時代，即使陽將計算機(jī)帶到世界上，它們也只有在陰的主宰下才能發(fā)揮出全部潛力。西方對此有種更直接的說法：計算機(jī)在最初醞釀（懷胎之中）時是只狗，可出來以后卻成了貓。人們從商場里抱回家的機(jī)器是聰明的、自助的、礙手礙腳的，而且總在盤算如何讓你為它做點什么。但當(dāng)你切斷機(jī)器的自主聯(lián)系，剝?nèi)ニ募舛诵?，讓它的電線、晶體管和程序都暴露在外，你會發(fā)現(xiàn)它非常順從、絕對忠誠、直率而且簡單——即一條狗。