正文 第七章 我的奇妙科學天地(3 / 3)

近年來,中國的經濟迅速發展,二氧化碳排放量在過去10年內增長了21%。預計中國在2010年和2020年釋放的二氧化碳量將分別占世界總量的15.6%和17.7%。中國又是世界住房建設增長最快的國家,每年的建築麵積達到10億平方米,住宅的能耗問題日益凸顯。

住宅建設和其使用的消耗要占人類消耗總能源的1/4,而中國房地產業的能耗更是世界平均水平的4倍。而生態住宅強調人與自然和諧相處,強調更有效地節能。具相關資料顯示:現在北京一家住戶在能源消耗等方麵,每年大約要釋放7噸二氧化碳,如果搬進生態住宅,每戶二氧化碳排放量可減少一半。目前中國正在實施生態住宅項目規劃,初步設計為11300住戶,總計可減少大約44000噸二氧化碳釋放量。

法國“高環保質量”的住宅標準要求建築與周圍環境相和諧,形成一個讓人愉快生活的氛圍。在總體能源管理方案既獨立,又利於對建築物的有效服務,即保證能源的低汙染運行,又保證能源的低成本理費;在水的利用方麵,具有良好的雨水回收和汙水處理的節水係統;在日常管理方麵,要做到合理維護和良好維修,保證清潔衛生用品的使用不給健康和環境帶來危害;它要求居室內保持一定的濕熱度,在不同的季節都能享受相同的、可隨意調節的溫濕度;它要求最大限度的提高自然采光標準,在室內能讓居住者視野更廣闊地觀覽戶外景致等等。這體現了法國“高環保質量”住宅的地道的與人為本的原則。

法國政府目前也推出了多種優惠政策:使用再生能源、隔熱材料、暖氣調節設備的“高環保質量”的住宅可以獲得減稅的優惠,還可以取得某些政府財政支持。政府最看好的一點是,生態住宅改善了傳統的供熱和能源運行方式,可以節省25%至60%的能源。據有關統計,法國住宅和第三產業使用的建築場所的能源消耗量占法國能耗總量的45%,二氧化碳排放量占25%。如果將所有的住宅和第三產業的商用建築均按照“高環保質量”標準建造,僅巴黎地區每年就可節約1億立方米生活用水,15年內可節約540億法郎的能源消費,8年內可降低160萬噸的二氧化碳排放量。僅巴黎要是實現這一標準,就可以達到“京都議定書”規定的法國應減少溫室氣體排放總量的40%。專家認為,雖然目前這種標準的建築價格比普通價格高2%至5%,但隨著經濟的發展,這種差價可以在幾年內被能源的節約所抵消。

中國將把生態住宅作為住宅產業發展的長遠目標,其宗旨是在保護生態環境和各類資源的基礎上,在住宅生命的各個環節(如材料的生產及運輸、建造、使用、維修、改造、拆除等)體現出節約資源、減少汙染,創造出健康、舒適的居住環境以及與周圍環境相融合的三大主題,從而大大提高人們的生活質量。

9.未來的量子計算機

量子計算機不同於我們平時有的計算機。它是一類遵循量子力學規律進行高速數學和邏輯運算、存儲及處理量子信息的物理裝置。如果某個裝置處理和計算的是量子信息,運行的是量子算法,那麼它就是量子計算機。

這種量子計算機的概念源於對可逆計算機的研究。科學家們研究可逆計算機的目的是為了解決計算機中的能耗問題。還是先了解一下什麼是量子計算機吧!

集成電路

對於現在,我們使用的電子計算機集成電路的集成度,大約以每3年翻兩番的速度發展。1990年製成了64兆位的動態隨機存儲器,集成電路的線寬已細到0.3微米。1993年製成了256兆位的動態隨機存儲器。當存儲器達到1024兆位時,集成電路的線寬將細到0.1微米,也就是千萬分之一米,它差不多是一根頭發絲的千分之一。這麼細的電路,被認為是集成電路的發展極,如果電路比這更細時,現有電子元件將會失去工作的理論基礎,因為電子作為一種微小粒子,具有“波粒二象性”,當電路線寬大於0.1微米時,電子完全可視為粒子,而不必考慮其波動性;而當電路線寬小於0.1微米時,那麼就必須考慮電子的波動性。與此同時還會出現種種新的物理現象,稱為量子效應。利用量子效應工作的電子元件就被稱為量子元件。

現在的電子元件是通過控製所通過的電子數量多少或有無來進行工作的。宏觀上,電子計算用電位的高低來表示0和1以進行存儲和計算。而量子元件則通過控製粒子波動的相位來實現輸出信號的強弱和有無,量子計算機通過利用粒子的量子力學效應,如光子的極化,原子的自旋等來表示0和1以進行存儲和計算。量子元件的使用將使計算機的工作速度大大提高(約可提高1000倍),功耗大大減少(約可減少1000倍),電路大大簡化且不易發熱,體積大大縮小。

量子計算機,最早是由理乍得·費曼提出的,一開始是從物理現象的模擬而來的。可是,他發現當模擬量子現象時,因為龐大的希爾伯特空間而使資料量也變得龐大。一個完好的模擬所需的運算時間則變得相當可觀,甚至是不切實際的天文數字。理乍得·費曼當時就想到如果用量子係統所構成的計算機來模擬量子現象則運算時間可大幅度減少,比現行計算機要快得多。正是它的這一特點吸引了大批科學家參與開發研究。量子計算機的概念也由此而誕生以及被人注意。

早期量子計算機,實際上是用量子力學語言描述的經典計算機,並沒有用到量子力學的本質特性,如量子態的疊加性和相幹性。在經典計算機中,基本信息單位為比特,運算對象是各種比特序列。與此類似,在量子計算機中,基本信息單位是量子比特,運算對象是量子比特序列。所不同的是,量子比特序列不但可以處於各種正交態的疊加態上,而且還可以處於糾纏態上。這些特殊的量子態,不僅提供了量子並行計算的可能,而且還將帶來許多奇妙的性質。與經典計算機不同,量子計算機可以做任意的幺正變換,在得到輸出態後,進行測量得出計算結果。因此,量子計算對經典計算作了極大的擴充,在數學形式上,經典計算可看作是一類特殊的量子計算。量子計算機對每一個疊加分量進行變換,所有這些變換同時完成,並按一定的概率幅疊加起來,給出結果,這種計算稱作量子並行計算。除了進行並行計算外,量子計算機的另一重要用途是模擬量子係統,這項工作是經典計算機無法勝任的

日本日立製作所開發研究成功了一種量子元件——“單個電子晶體管”,它可以控製單個電子的運動。這種晶體管不僅體積小,而且功耗特別低,比目前功耗最小的晶體管低約1000倍。日本富士通公司正在開發量子元件超高密度存儲器,在1平方厘米麵積的芯片上,可存儲10萬億比特的信息,相當於可存儲6000億個漢字。美國物理學家翰遜博士開發成功的電子自旋晶體管,很有可能將集成電路的線寬降至0.01微米。在一個小小的芯片上可容納數萬億個晶體管,從而使集成電路的集成度大大提高。利用量子力學原理設計,由量子元件組裝的量子計算機。它不僅運算速度快,存儲量大、功耗低,而且體積也會大大縮小。一個超高速計算機可以直接放在口袋裏,人造衛星的直徑可以從數米減小到數十厘米。

量子計算機它可以進行大數的因式分解,和Grover搜索破譯密碼,但是同時也提供了另一種保密通訊的方式。在利用EPR對進行量子通訊的實驗中中我們發現,隻有擁有EPR對的雙方才可能完成量子信息的傳遞,任何第三方的竊聽者都不能獲得完全的量子信息,正所謂解鈴還需係鈴人,這樣實現的量子通訊才是真正不會被破解的保密通訊。此外量子計算機還可以用來做量子係統的模擬,人們一旦有了量子模擬計算機,就無需求解薛定愕方程或者采用蒙特卡羅方法在經典計算機上做數值計算,便可精確地研究量子體係的特征。

量子計算機是通過量子分裂式、量子修補式來進行一係列的大規模高精確度的運算的。其浮點運算性能是普通家用電腦的CPU所無法比擬的,量子計算機大規模運算的方式其實就類似於普通電腦的批處理程序,其運算方式簡單來說就是通過大量的量子分裂,再進行高速的量子修補,但是其精確度和速度也是普通電腦望塵莫及的,因此造價相當驚人。目前唯一一台量子計算機仍在微軟的矽穀老家中,尚在試驗階段,離投入使用還會有一段時間。量子計算機當然不是給我們用來玩電子遊戲的,因為這好比拿激光切割機去切紙大材小用。它的主要用途是例如象測量星體精確坐標、快速計算不規則立體圖形體積、精確控製機器人或人工智能等需要大規模、高精度的高速浮點運算的工作。但是在運行這一係列高難度運算的背後,是可怕的能量消耗、不怎麼長的使用壽命和恐怖的熱量。假如1噸鈾235通過核發電機1天能提供7000萬瓦伏電量,但這些電量在短短的10天就會被消耗殆盡,當然這也隻是最保守的估計;試想如果一台量子計算機一天工作4小時左右,那麼它的壽命將隻有可憐的2年,如果工作6小時以上,恐怕連1年都不行,這也是最保守的估計;假定量子計算機每小時有70攝氏度,那麼2小時內機箱將達到200度,6小時恐怕散熱裝置都要被融化了,這也還隻是最保守的估計!

所以由此看來,高能短命的量子計算機恐怕離我們的生活還有一段漫長的距離,那麼就讓我們一起迎著未來的曙光拭目以待吧!

我們現在使用的計算機可以說是夠高科技的,沒想到科學家們還能研發出更為高科技的電子產品,這對於我們未來的生活來說是一種有益的幫助。隻有科技不斷進步,我們的社會也才會跟著不斷的進步。對於未來的世界,我們有的是更多的期盼吧!

10.機器人與人類生活

對於機器人,我們一般是在各類科幻小說和電影中見到,它們不會疲倦,也不會犯錯,不懼怕任何極端環境,不會厭煩或者偷懶。其實,在這個科技日新月異發展的今天,正把人們的夢想變為現實,人與機器人在世界上共處的願望將在不久之後到來。

聰明的機器人

邊緣項目小組是美國馬薩諸塞州麻省理工學院的,這個項目小組把不同領域的人工智能和機器人結合起來。正在製造中的這種機器人製作完成後,將會是人工智能機器人的最尖端技術產物。它將成為一種會思維、會聽、會感覺、會觸摸或會說話的智能機器人。

最大的機器人

美國史蒂文·斯皮爾伯格的安布林娛樂公司製造出一台長14米、高5.5米、重4082公斤的機械恐龍,它的名字叫霸王龍國王,它是為了配合拍攝《侏羅紀公園》而製造的。它是由泡沫橡膠和聚氨酯做成的,大小和真的恐龍相仿,同時也是為了拍電影而製造的最大自動機械。

最小的機器人

日本精工愛普生公司開發研製出了一台光敏微型機器人“先生”,體積小的不到3立方厘米,重1.5克。它是由97種不同的手表零件製成。給它充上電後,這個機器人能以每秒1.13厘米的速度移動大約5分鍾。

最耐用的機器人

在英國坎而裏亞郡,曾經發生了世界上最嚴重的核事故。為了方便清除掉現場的汙染物,英國的核燃料有限公司成功地研製了一台名叫“指揮官”的機器人。在發生事故時,以當時現有技術是沒辦法處理工廠中被破壞的反應堆裏的極其特殊的環境,所以隻好用幾米厚的水泥把反應堆裏的15噸的鈾料埋起來。該機器人能抵禦極強的輻射作用,它的5節液壓傳動臂能移動重達127公斤的物體。

最複雜的用於外科手術的機器人

美國華盛頓州西雅圖的羅伯特·拉紮拉博士使用計算機移動公司的“宙斯”機器人在一個模擬胸腔內進行冠狀動脈旁路手術的實驗。“宙斯”使得外科醫生能利用插入患者體內的精密儀器,通過切三個像鉛筆那麼粗的切口,對心髒旁路做手術。計算機移動公司現在計劃生產一種新型的機器人,它使外科醫生能通過高速電話線給患者做手術。

最便宜的機器人

在美國新墨西哥州的洛斯·阿拉莫斯國家實驗室,科學家們用索尼隨身聽的餘件製成了高為12.7厘米的“步行者”機器人。在試驗過程中,曾出現了該機器人試圖掙開被束縛的雙腿的情況,不過當時沒有安裝這一程序,再者這樣情況再也沒有發生過。

使用最廣泛的工業機器人

在流水線上和大學實驗室裏使用最廣泛的機器人名叫普馬(可為流水線編和的通用機器),它是由威克·席恩曼設計,由瑞士施托布利·烏尼梅森公司和產的。這種機器人在流水線上表現的很出色,在工業生產中采用機器人可以節省人力、提高勞動生產率。不論是簡單工作還是複雜工作,哪怕重複千萬次,機器人的工作仍然一樣精細,並且很少犯錯誤,有利於提高產品質量、降低成本。所以它是使用最廣泛的機器人。

最快的工業機器人

在日本,有公司研製了遠程夥伴100I型高速運輸機器人,其軸心速度大約比前幾代高79%。這種機器人可以把物體運送3公裏遠,在0.58秒內可上下移動2.5厘米,前後移動30厘米比前幾代機器人快60%,是一個工業紀錄。

最接近人類智能的機器人

日本的本田公司製造出了高1.6米的P3機器人。該機器人有三維視覺,頭部能自如轉動,雙腳能躲開障礙物,能改變方向,在被推撞後可以自我平衡。該機器人由150位工程師曆時11年,耗資8000萬美元研製而成,可以照料人和完成危險及艱苦工作。

最大的虛擬現實模擬海洋

在葡萄牙斯本舉行的98博覽會上展出的海龜形的機器人,可以同女孩握手。該博覽會是世界上最大的虛擬現實模擬海洋的展場,來參觀的“潛水員”可以戴上一套虛擬現實耳機和利用瑪瑙2型超級計算機探索大西洋、太平洋、印度洋和南極洲的水域。

銷售最快寵物機器人

“同伴”是索尼公司銷售的機器狗。“同伴”第一次在索尼公司的網站上露麵的時候,僅在20分鍾就售出了3000台。27.9厘米高的“同伴”通過內置傳感器來辨認環境。它可以獨自的或通過裝上程序來表演各種絕技。

最先進的機械手臂

美國的巴雷特技術公司開發出的機械手臂。它有類似於腱的作用的導線,能在任何位置抓取5公斤重的物體。這隻手共有7個無齒輪關節,由無刷發動機驅動。它可以拋球,也可以做清掃工作,可幫助人進出浴室、開門和準備一日三餐。

美國的科學家又研製了一種球體機器人,這種機器人最大的特點就是可以幫助宇航員做各種輔助工作。它身上安裝的傳感器可以探知航天飛行器內部的氣體成分、溫度變化和空氣壓力狀況。即使是在失重狀態下,這種機器人在強大的計算機指揮下也能自如地行走和工作,而且能幫助宇航員與地麵控製中心進行聯絡,把有關的信息輸入到電腦係統裏。

機器人不僅用在科學研究中,在普通人的家裏也有用武之地。在不久的將來“家用服務型”機器人就會像今天的電腦、移動電話和因特網一樣逐漸在家庭中普及。也就是說在不久的將來,吸塵、擦地、收拾餐具、倒垃圾、看門或看護老弱病殘者這些家務活都可以交給這些不說話的仆人來幹,從而大大減輕人們的家務負擔。

隨著機器人技術的不斷成熟和普及,如何讓其與人類和睦相處是我們將要麵臨的問題,另外,人類應謹防這種技術被用於戰爭等阻礙人類文明進步的用途。美國著名科普作家阿西莫夫為此曾提出著名的機器人三原則:一是機器人不能傷害人類;二是機器人要聽從人類指揮,除非違反第一條;三是機器人要保護自己,除非違反第一條或第二條。當然,隨著機器人技術的日益普及,人類很有必要從全世界角度出發製訂一部詳細、健全的“機器人法則”,使這項技術得到合理地利用,讓機器人可以與人類成為好朋友。

有科學家預言在21世紀,機器人這個領域將會得到大大開發和應用,屆時人類將同自己製造的機器人共同生活在我們這個星球上。如果有一天,機器人與我們人類一同存在於這個世界,那麼相信人們的生活將人變得更加豐富,機器人也可以幫助人們做很多事情。希望人類可以與機器人一同和諧美好的生活在同一個家園。