计算机电子邮件

我们的时代是一个以机器思考为自豪而对人类思考不放心的时代。

H·芒福德·琼斯25

一天早晨，在开车去上班的路上，我从广播里听到了一个非常迷人的说法：女人对计算机的理解要比男人到位。主持人只是间接暗示了这一点并谨慎地解释了这在政治上的正确性，但她的观点还是表白得很清楚。在她解释了她的立场之后，我明白她或许是对的。她说男人总喜欢对计算机做些小修小补：卸开，加条内存，插个外围设备，不一而足；而女人则主要集中于更重要的事情上：为婚礼晚会分发成百的电子邀请邮件。这和我自己对这些事情的体验完全吻合。当我们家的车抛锚时我总是热衷于搞清楚哪儿出了毛病，我妻子就简单得多，花笔钱让人来处理，自己直接去了电影院。女人似乎直觉地就比男人更清楚，一件事如何去做其实远没有谁去做来得重要。

计算机的计算是建立在无数级塔状功能链上的

在日常生活涉及的技术方面，计算机是一个特别能说明问题的例子，谁都知道它们是呈等级序列的。在最高层次上，它们被用来存储和处理邮件，起草更为正式的书面信函，并容许你在网上进行拍卖交易。（目前网上平台的实用性还不是很强，也就是些乏味的视频游戏、秘密的色情内容下载、以及享有版权的歌曲和电影等，这些纯属消磨时间，可以不考虑。）低一层次的是那种带处理器、主板、扩展槽（上面插的可都是些极品功能卡，像Voo Doo显卡或rager显卡等26）的组装机器，但其性能优越最招DIY们的喜欢。再低一层的是连着密密麻麻导线和晶体管元件的硅微芯片，而计算功能的最低层次就是电子、空穴穿行其间的硅原子有序晶格排列。你可以不用多想就将新娘送礼会的请柬悉数发出，机器的巨型塔状功能链可靠着呢，每一级都有下一级支撑并支撑着上一级。知不知道每一级如何工作并不重要，只要请柬能像纸质信件或电话邀请那样方便地发出去就得，虽然买一套设备费用上可能贵点。

计算机就是部机器。像其他机器如割草机和蒸汽机车一样，计算机是通过移动物质来工作的。由于移动的只是电子，因此我们可以以极高的速度运行，但概念上说这和汽车引擎里的活塞和曲轴并无二致。最后，电脑引擎的目标仍然是操纵一整套机械设备来实现诸如喷墨、话筒转动或显示像素液晶的扭曲等物理行为。计算机经常被标榜为21世纪的神奇技术，但它们实际上是19世纪的最高成就。

计算机与其他机器的关键区别在于它与外设之间调整的便捷性。这种调整处理被称作程序化，它的指令打印出来有像学期论文那样的漂亮格式，除非你咖啡喝多了满口脏话。但外表都有欺骗性。程序编译完全不像学期论文写作，而是自动生成的。它包括各个简单部分之间的复杂机械关联的结构说明，它们依赖于函数而非工艺，就好比将机床和扳手换成了铅笔和键盘。

这种便捷性还带来了计算机制造业和汽车工业之间的一些性质上的差异。例如，由于物理芯片的制造成本远低于编程的人力成本，从而在根本上改变了工程经济学。这也就是为什么软件会这么贵，其垄断性为什么如此不同于钢铁、铁路和石油的垄断性的原因所在。编程过程就像是计算机的日常工作，以至于人们在心中将这两者混同于思维的超级抽象活动。在计算机世界里，人们寓娱乐于工作，寓工作于娱乐，两者变得难以区分，经营活动理念有了根本改变。正如大多数人所体会的那样，计算活动在经过经济活动复杂层面的作用后，已与机器本身的基础相分离，在这个意义上，它是一种典型的突现现象。现代计算机程序是由众多人员组成的团队共同完成的，每个人只了解整个任务的很小一部分内容，这些程序经常需要相互嵌套来给出结果，其过程之复杂是它们的创作者难以想象的。这种社会现象的产生正是电力应用带来的廉价的可程序化事实的逻辑结果。

易调节性策略正在用晶体管作用彻底改变因果间的差异。我们可以自己在思想上作个类比。如果我把手恰巧搁在了电炉上，那么电源一开，我会很快缩回手，但如果我突然想起必须去打个电话，我也会挪开手。移动手的复杂回路既可以由像火这样的外界刺激来驱动，也可以由大脑皮质记忆这样的内在刺激来驱动。这两者间除了抽象的概念差别外，效果上无甚区别。但在精神障碍者身上就会出错，因为他分不清真假。晶体管就是一个调节器。它一旦感知到一根导线上的电子运动就会在另一根导线上驱动起同样大小的电子运动，不论前者的运动是多么微弱。这种模式使得计算机内部以开或关方式工作，每根导线处于非开即关的状态，不存在第三种状态。它还引起给定导线对信号最初来自何处的信息控制进行检测。开或关的决定既可以基于外部触发，也可以来自其他某个或多个晶体管，这没有本质区别。

计算机里的信号是牛顿型的。我们时常忽略了这一点，总认为它和量子力学一样神秘，这其实是个误解。计算机的神秘性源自其功能的突现性质而非微观上的精细结构。在晶体管这个层次上，计算机的工作原理是建立在绝对确定性概念基础之上的，因为只有这样才能与任意时刻的开或关——正确或错误——状态取得一致。不仅晶体管是牛顿概念，它们在整个环境中产生的输出也是牛顿型的。在此过程中它们发热。这就是为什么现代处理器芯片会烫得没法摸，而且一旦风扇坏了就会死机。产热是保证机器运行可靠性的基本条件。为了看清这一点，我们不妨回到用笔尖站立的铅笔这个著名例子上来。实际上，铅笔倒向左边而不是右边的决定一经做出就无可改变，因为它倒在桌子上时将以放热形式耗散掉所有能量。如果不是这样——如果碰到桌子时产生的是完全弹性碰撞——那么它会立即向右跳起并做出第二次左右选择决定，结果就有可能相反。因此，存在能量耗散和产热是做决定的基本前提，特别是在涉及最初精细平衡的情形下就更是如此，故当今的所有计算机都面临如何解决更有效地散热以提高功效的问题。（对像公司和政府组织这样的人类机构，这种分析同样适用：决定一经做出就不可逆转。）

晶体管设计中的两个小调整使得我们可以建造实际的计算机。一个与如下模式有关：在晶体管的两个端口输入信号，如果其中一个的输入为开（on），则该晶体管处于开态（on）；另一个调整是“非”操作，就是说，如果端口输入的是关（off），则该晶体管处于开态；反之，如果端口输入的是开，则该晶体管处于关态。这两个设计单元称为逻辑，它们构成全部计算机电路的概念基础。现代计算机其实就是一个逻辑和时钟的巨型网络——个由按心跳般规则方式使导线处于开态或关态的小闭合回路。现代家用计算机的时钟心跳速度非常高差不多一秒钟10亿次——而且非常平稳有力。我曾有两台机子因时钟坏了而死机，但这种现象是非常罕见的。计算机更新很快，一台机子总是远没到死神来召唤就已被淘汰了。

最近人们对量子计算机兴趣大增，这是一种利用量子波函数的纠缠态来计算的全新计算机硬件，这种计算在常规计算机上是无法实现的。其中最重要的当属海量素数的生成和其他大数的因数分解。而用现有计算机在合理时间内不可能完成将一个大数分解成两个大素数这一点正是当代加密技术的基础。但是，量子计算机有一个致命弱点，就是当我们要读出结果时，区分量子计算机与常规计算机仍然会引起量子不确定性。量子力学波函数的演化的确是确定性的，但将它们转换成我们能够读懂的信号的过程会出错。出错的计算机并无大用，因此量子计算的设计问题可归结为如何克服测量出错的问题。教科书上的办法是在一个小单元里安排上一百万个相同实验，然后检测它们的集体结果——例如由量子计算机中电子自旋产生出振荡磁场。检测过程带来的风险只涉及几个样本，大部分应保存完好。这种设计思想之所以有吸引力，就在于它能保证我们读出量子计算机的整个波函数，至少原则上是这样。然而，这种可能性的逻辑前提是你已经制造出的不是一台全新的数字计算机，而是传统的模拟计算机——一种我们当今已废弃不用的机型，因为它很容易受到噪声干扰。因此对量子计算机的狂热追捧并没有切中要害——计算可靠性的物理基础是突现的、牛顿型的。人们可以想象，不用这些原理来进行的计算，就像凭着蛮力来证明对称性破缺的出现，其结果只能是根本不可能根绝计算错误，因为它没有物理基础。认为这个问题小事一桩的观点是还原论者的美丽谎言。自然，我希望我是错的，我也希望投资量子计算机的那些人走好运。我还希望那些急着想在下曼哈顿区投资建桥的人赶紧跟我联系，27一定时间内可以优惠呢。

当然，真正的量子计算机是那种完好的旧硅片。晶体管所依据的半导体原理以及传统导线与电阻之间的区别，都是建立在量子力学基础上的。这一事实在1874年费迪南德·布劳恩28发现半导体时不是很明显，当时他发现许多金属硫化物矿石都具有单向导电性，方铅矿石尤为显著。但直到很晚以后，随着雷达的发展和晶体管的发明，人们才对这些效应的量子性质有了系统的认识，其中主要贡献应归功于传奇人物约翰·巴丁。晶态绝缘体内的所有电子都束缚在化学键上，因此其导电性能很差。具体到硅晶体，它的每个原子都有4个相邻原子，有4个电子充作共价键——按每键两个电子的一般法则，外壳层电子正好全部用完。但是，比起像石英或食盐晶体这样的良好绝缘体，硅的化学键较弱且容易断裂。电子一旦挣脱价键的束缚，就成了硅中自由移动的粒子，挣脱的地方成了空穴。半导体器件的整流和放大作用就全来自对这些自由电子和空穴的操纵，这种操纵是通过化学处理和附加导线完成的。量子力学则是这些物质中价键形成法则和自由电子及空穴移动的理论基础。

电子和空穴通过冷晶体时几乎不受任何阻挡。这个令人惊异的事实是晶体管工作的核心，也是为什么像橡胶和塑料这样的非晶体物质不具有这种效应的原因所在。的确，迎来硅时代的关键技术突破不是晶体管的发明，而是局域提纯技术的发明，这是一种对晶体进行全面去除化学杂质然后施以结构性掺杂的方法。电子和空穴急速通过晶格的能力并不是十分显然的，从概念上说，硅晶并不等同于大分子，因此所有电子，包括价键上的那些，必须按高度纠缠的方式来刻画。这个问题的解决在于通过突现将纠缠变成了无关紧要的问题。事实上，晶态绝缘体内的所有电子的运动并不像想象的那样是单个电子运动的随机叠加，而是一种特定的集体运动。这些让人望而生畏的基本复杂性的唯一作用就是形成加速质量，使其与自由电子的质量稍有不同，同时有效降低静电力强度。空穴的电荷显然与电子的相反，因为它代表的是电子的缺失。工程师们谈到电子和空穴实际上就是在谈这样一种复杂的集体运动，而不是在谈单个粒子。从工程角度说，这种复杂性处理起来无异于计算机发出送礼会的邀请信。人们关注的是这种集体运动的类粒子性质是否精确而且可靠。

硅中的电子和空穴具有极好的量子力学性能。尽管并非完全自由，但它们纠缠得很厉害，这些对象提供了某种我们迄今能够获得的对量子力学的最精确检验。一个漂亮的例子是掺磷杂质的线光谱。加入到融硅中的磷原子在结晶时取代了晶格上的硅原子。这些磷原子的外壳层上有5个电子，其中4个与周边硅原子形成共价键，剩下的一个就成了相对自由的电子。在温度降到极低的环境下，这个电子会自己找到合适位置并束缚在那儿，就像一个电子会与一个质子结合形成氢原子。但束缚于磷杂质的电子辐射出的是红外光谱而不是可见光谱，因为这种结合放出的结合能极低。我们用通常的红外光谱仪就能探测到这种辐射。这种杂质谱线与磷原子谱线非常相似，除了特定波长位置外，其余的在物理上不可分辨，形成价键的集体性质几乎看不见。像这样结果的实验有很多，其原因在于硅片内是一个微型小世界，静电力很弱，总的电子质量又发生了变化，电子还有一个异性的孪生兄弟，它只会阻碍发光。

电子和空穴的量子性质几乎可以说确立了摩尔定律的基本极限。英特尔创始人戈登·摩尔提出过一条著名定律：单位面积硅片上的晶体管数目每18个月翻一番。计算机的基本原理是如此简单，但它的发展却一直让我们吃惊，摩尔定律即是主要理由之一。回顾计算机时代的起始阶段，当时人们发现，如果将晶体管和导线做小，便可以在硅片上安排更多的线路。于是开始了集成度越来越高的竞赛，直到今天。如今，芯片制造业正在攻坚产热难题，光学平版印刷线路板的大小限制问题空前复杂，但几乎每个人都坚信，这些困难是能够及时克服的，摩尔定律的量子极限还没到来。然而，在未来差不多10年左右的时间里，晶体管将小到成为量子器件——因此必将开始出错。当这一天到来时，它将标志着一个辉煌时代的结束，在这个时代里，不起眼的物理发现带来了经济的持续增长并改变了世界。

计算机时代里一个更值得玩味的趋势是物理学科的学生越来越不愿意或不会编写计算机程序。当我第一次看到这种情形时我非常沮丧，于是我在我们系里开展严格训练来纠正这一点，这令学生十分懊恼，因为我自己很擅长编程，并且认为这是每一个自尊的技术人员应当知道的事。但最后我意识到，学生是对的，我错了，于是中止了这场运动。计算机编程是我们生活中诸事之一，就像自己修车，非常过瘾有趣而且实用——但就是太耗时。实际上，眼下大多数文化人已不再费事地给自己的计算机设计运行模式，甚至都不再学着了解它是如何工作的了。会省时的花俩小钱买本程序集照着输入，更极端的，干脆在网上搜免费软件。

在20世纪70年代初，当我还是个研究生的时候，国家经济正处于转折期。学生劳动力很便宜，而计算机却贵得要死，偌大个主机要占去大学计算机中心的整个一层楼。它们是十分娇贵的宠儿，得有几拨人24小时轮番伺候，得有专门的空调，还得有备用电源。我们晚上趴在大灰熊般大小的灰不溜秋金属机器上给这个庞然大物写程序。有台机器的电机转起来一直嗡嗡作响，直到有人敲了一键为止，这时它哆嗦一下，“啪嗒”一声，在卡上打出一个新孔。当某人在卡上操作完毕，他就该摁馈送键了，于是机器“咯哧咯喳”将卡转到逐渐堆积的存储器底部，再喂上一张新的空卡。我们写的程序就是通过这种方式由一摞摞打了孔的卡来实现的。运行一个程序包括将卡盘交给值班员，他会将它送入读卡机，那是台看上去如同汽油驱动的木制飞机、声音响得好比扇片上卡着树叶的吸尘器在工作。打印机整天发出变了调的金属声，一叠计算机白纸喂进去，不久便被狂怒地掷出，就好像发疯似的。每隔一会儿，值班员就会过来检查并处理输出结果，这得打开隔音罩，于是难以忍受的噪声立刻充满了整个屋子。值班员会撕下结果并把它放入盒中以便学生来取。这种结果大都是些不完善的、读起来莫名其妙的运行系统指令，人们需要的计算结果则在最后一页——如果程序有错，这时你拿到的不是一张白纸就是一堆乱七八糟的乱码，到底是什么得看你错的程度了。所有这些都是程序不完整的代价。我记得我的一个学生在呈交卡盘时紧张得手都在抖。想想那是什么日子！

那些日子里最有名的一个关于纸带的故事，是说某人把一套巨大的流体力学模拟程序落在盒子里了，结果造成卡片飞得到处都是。很快就有人将这个程序命名为“尼克松”29，因为很显然它不会再运转了。但有幸的是它又工作了，并成为经典程序LASNEX的核心，这一程序是目前激光聚变模拟的得力工具。

就其实质而言，关于计算机技能方面存在性别歧视的笑话由此有了更重要的见解，我们将计算机的存在性、可靠性和实用性归结为组织原理——包括经济学原理。女人比男人有更充裕的时间来理解组织的至高无上性质这一点并不新鲜，早在古代人们就知道这一点而且在许多地方都有记载，如《易经》上就有。按照道家哲学，宇宙是由对立的双方——阴和阳——之间永无休止的相生相克来推动的。阳代表着男性、太阳、热、光、支配力量等；阴则代表着女性、月亮、材料形式、冷、服从等。阳谓之山之南，代表创造；阴谓之山之北，代表完成所创造之物。可以说我们正处在一个阴占主导的时代，即使阳将计算机带到世界上，它们也只有在阴的主宰下才能发挥出全部潜力。西方对此有种更直接的说法：计算机在最初酝酿（怀胎之中）时是只狗，可出来以后却成了猫。人们从商场里抱回家的机器是聪明的、自助的、碍手碍脚的，而且总在盘算如何让你为它做点什么。但当你切断机器的自主联系，剥去它的尖端性，让它的电线、晶体管和程序都暴露在外，你会发现它非常顺从、绝对忠诚、直率而且简单——即一条狗。