胡勇

我們的生活中總會(huì)遇到各種各樣的問題，有些問題需要我們建立一些數(shù)學(xué)的模型來解決。例如，一位音響工程師要為一家音樂廳設(shè)計(jì)音響系統(tǒng)，他要保證音樂廳的各個(gè)角落都有最好的聲音效果，但是他當(dāng)然不能先安裝了音響，再測(cè)試聲音效果，因?yàn)槿绻缓线m，再把音響拆除，重頭再來，這樣做太麻煩了。此時(shí)，建立數(shù)學(xué)模型，或者說方程就派上了用場(chǎng)。一般音響師的做法是先建立方程，通過方程推知音樂廳各個(gè)位置的聲音效果，等找到了合適的方案后，再安裝音響系統(tǒng)。

在現(xiàn)在的科技水平下，這個(gè)方程也不需要音響工程師來求解，計(jì)算器、計(jì)算機(jī)等就可以幫我們解決問題?，F(xiàn)在，來自美國賓夕法尼亞大學(xué)的科學(xué)家們又研究出了一種可以解方程的材料，它可以在幾百納秒（億分之一秒）、甚至幾皮秒（萬億分之一秒）內(nèi)幫我們解決上述的問題。

這臺(tái)結(jié)構(gòu)特殊的設(shè)備由磨碎的聚苯乙烯塑料制成，可以模擬計(jì)算機(jī)解方程，直接推算音響效果。

結(jié)構(gòu)特殊的超材料

隨著材料學(xué)的發(fā)展，科學(xué)家們一直在設(shè)計(jì)、制造各種具有獨(dú)特性質(zhì)的材料，其中一種就是超材料。這類材料是自然界中沒有的人造材料，可以讓光、電磁波改變它們通常的性質(zhì)。超材料的成分并沒有什么特別之處，它們的奇特性質(zhì)來源于其精密的幾何結(jié)構(gòu)和尺寸大小。

美國賓夕法尼亞大學(xué)的研究人員設(shè)計(jì)的這種能夠解方程的超材料也是如此，它的材料成分并沒有什么特別的，只是常見的絕緣材料，比如聚苯乙烯塑料材料，但是它的內(nèi)部卻包含著像迷宮一樣的特殊結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)可由數(shù)控銑床（數(shù)字信號(hào)控制的加工機(jī)床）雕刻得到。

利用內(nèi)部結(jié)構(gòu)解方程

實(shí)際上，該材料的本質(zhì)是模擬計(jì)算機(jī)，即用一個(gè)物理量去替代另一個(gè)物理量，用于替代的物理量更容易操縱和處理，所以更容易求得方程的解。舉一個(gè)簡(jiǎn)單的例子，比如為了得到某個(gè)物理量，我們列出了ax+b=c這樣一個(gè)數(shù)學(xué)方程（當(dāng)然實(shí)際的方程不會(huì)這么簡(jiǎn)單）。然后，方程的三個(gè)參數(shù)a、b、c需要被編碼在電磁波中，即通過改變電磁波的幅度或波長（電磁波為用于替代的物理量），讓入射的電磁波代表參數(shù)數(shù)值，得出x=（c-b）/a的結(jié)果。

研究人員會(huì)根據(jù)特定的方程類型設(shè)計(jì)“迷宮材料”的結(jié)構(gòu)，比如例子中的一元一次方程。實(shí)際上，針對(duì)每種方程，“迷宮材料”都會(huì)有不一樣的內(nèi)部結(jié)構(gòu)?！懊詫m材料”會(huì)對(duì)入射的電磁波進(jìn)行一些處理，改變它的波長和幅度，這一步其實(shí)就是材料解方程的過程。最終，輸出的電磁波會(huì)攜帶方程未知數(shù)x的解，研究人員可以將電磁波的特性解讀為數(shù)值。

研制出特殊材料的美國賓夕法尼亞大學(xué)研究人員

光子計(jì)算提高速度

研究人員已經(jīng)使用波長較長的微波驗(yàn)證了材料解方程的能力。它比人們最常使用的數(shù)字計(jì)算機(jī)快了幾個(gè)數(shù)量級(jí)，同時(shí)因?yàn)槭褂玫氖请姶挪ǎ褂酶俚碾娏?。?dāng)然，人們可以依據(jù)不同的需要（不同的方程）制作出不同的“迷宮”結(jié)構(gòu)。

目前，研究人員在該材料的兩端安放了輸入端和輸出端，構(gòu)成了一個(gè)約0.18平方米的裝置。但中空的材料部分可以被縮小到僅允許光子（也是電磁波）穿過，并被放置在芯片中，這可能會(huì)為計(jì)算機(jī)的進(jìn)步打開一個(gè)新的大門，制造出完全使用光子的電腦芯片，使計(jì)算機(jī)的處理速度大大提升，處理時(shí)間大幅縮短。

研究人員希望這一想法能夠快一些實(shí)現(xiàn)，不過，這必然只是計(jì)算機(jī)技術(shù)發(fā)展中經(jīng)歷的一個(gè)階段。也許這種超材料馬上會(huì)被另一種更好、結(jié)構(gòu)更精細(xì)的超材料替代也說不定，永遠(yuǎn)不要小瞧了技術(shù)推陳出新的速度。