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我们可以期待这么一天，也许在不久的将来，计算机可以为核物理、天体物理、材料科学以及化学做它们今天已经为飞机设计所做的工作一样，来补充或者彻底替代实验室中的实验。
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我们的强相互作用理论——QCD的最新发展为我们指明了一条道路。QCD理论的初步验证来源于其在极高能量下对其过程的精确定量描述，在高能量条件下，该理论的行为被简化了。核物理学虽然是激发大家进行强相互作用研究的第一个领域，却是一块难啃的硬骨头。人们投入了大量的精力，用分析的方法来求解QCD公式，但目前最成功的方法是把公式转换为可以在计算机上运行的模型，然后让计算机来运算。现在我们可以对未来进行一些预测，当核物理达到了原子物理学今天所达到的精度和通用性，我们就可以通过改进的核化学获得比今天的反应堆（或炸弹）更小、更易控制、更通用的超稠密能量体。
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计算将越来越多地取代发明了各种有用的催化剂和药物的实验，极大地提高效率，并为创造性的探索开辟一条新路。
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现在技术遇到的一些问题很多都源于材料的性质：更高效的电池（提供能量）可以为机器人带来革命；更高效的光伏发电材料能够缩短大规模使用太阳能的过渡期；室温超导体可以实现无摩擦轨道运输；高强度的材料能够让我们建造太空电梯，把地球和太空连接起来，又便宜又可靠。在这些以及更多的重要应用中，对关键材料进行相对较小的改进就可以带来翻天覆地的变化。我们能做到吗？答案就在我们的公式里面，但为了求解它们，我们必须进行计算。
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这里涉及两个问题：硬件和软件。已经经历了25个周期[2]的摩尔定律（见第4章）分别为普通人和物理学家带来了通用的与特殊用途的具有超强性能的计算工具。指数级增长的速度正在放缓，集成电路中的器件数量不再每两年翻一番，因为当器件达到原子尺度时，就会受到新的物理规则的制约。尽管如此，我们仍然可以预测在未来几十年内还是至少可以继续发展几个周期的，即使现有的半导体技术不会发生巨变。
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目前，还有其他几个有前景的新方向。如今绝大部分的信息处理还是基于电荷（包含在电子里面）移动来实现的。但是电子的移动比光慢得多，并且它们的运动会产生热量，这为降温带来很大的麻烦。光已经被用于长距离的高密度信息传输，这需要进行从电子编码到光编码的互相转换。现在光转换器的效率越来越高，也更加通用，并且可以演变为独立的“光子”计算机。
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量子计算机更具革命性的前景，其以量子系统之间的微妙关联（纠缠）的形式对信息进行编码。原则上，这些关联具有非常丰富的结构，所以能够存储和操作超高密度的信息。遗憾的是，纠缠之复杂，无论如何夸大也不为过。在未来，似乎可以找到几种开发和利用它的技术，但目前只是在酝酿中。如果能够制造大型的、实用的量子计算机，它们应该非常善于解决量子力学中的问题，揭示本章中心论断的潜能。
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另外一个方向是从生物学中寻找灵感。现在主流计算机本质上都是二维的，都是基于芯片的，这些芯片必须在严格的净室条件下生产，任何错误都是致命的。如果被损坏，它们将无法恢复。人类的大脑在这些方面有所不同：它是三维的，可以适应杂乱无序的环境，并且可以在受伤或者出错时继续运作。在保持半导体技术高密度、高速度以及可扩展性的特征的同时，我们强烈地希望能让半导体获得人类大脑的这些特性，目前，没有明显的物理障碍阻止我们这样去做。
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高效算法都是充分利用了所针对问题的特性，这类算法的提出是一个内在创造的过程，很难推广到一般性问题。关于软件开发，在这里我只提一个特别需要注意的方面。为了保持摩尔定律继续有效，特别是最近几个周期，人们投入了大量的工作用于设计复杂的软件和CAD（计算机辅助设计），这些软件和工具通过分析新环境下基础物理带来的影响，让工程师可以探索和完善制作电路原件（如微型晶体管）的新方法，从而优化电路结构。这样就得到了一个强大的正反馈循环，计算能力的增强能够更好地进行计算机设计，而计算机设计能力的提高又带来更强的计算能力。随着人工智能越来越复杂，我们可以期待会有更多类似的正反馈循环，这些性能更强（并且自主能力更强）的计算机将创造出更多性能更强大的计算机。
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扩展现实世界
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基础物理学告诉我们，这个世界上还有很多可能存在，但目前没有被我们认识的重要领域。下面，我将介绍几个可能性最大的领域。
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最近，由加州理工学院和麻省理工学院共同运营的LIGO（激光干涉引力波天文台）公布发现了引力波信号，这是由两个质量相当于几十个太阳的黑洞合并在一起而形成的。设计LIGO的目的是检测几对反射镜之间距离的微小变化，相关的数字有些令人难以置信，反射镜之间相距4公里，并且它们之间距离的预期改变小于质子直径的千分之一。各种各样的因素可能会触动镜子，但是引力波能够产生独特的变化模式，所以其信号能够从噪声中被分辨出来。这个观察是50年来持续努力的结果。当然，如果没有基础物理指导我们期望看到什么样的信号，以及如何测量这样微小的距离变化，那将是不可想象的。另外，值得一提的是，这种灾难事件产生的微小时空扭曲，将葬送工程虫洞（engineering wormholes）、曲速引擎（warp drives）、时间机器及其他梦想。
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引力波为我们在宇宙中打开了一扇新窗户，能够让我们探索宇宙中被隐藏的时空以及各种灾难性事件。为了发挥其全部潜力，我们需要在太空中安装百万公里的精密仪器阵列。
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让我们回过头来看看自身，人类的感知能力还有很多没被利用。以视觉为例，到达我们眼睛的电磁信号包含无穷的、连续的一段频率，也有偏振光。我们所认为的“颜色”是对一个单一倍频（octave）进行的粗略哈希编码，光谱被采样过滤，只剩下三个区域，偏振光被丢弃了。很多动物能够进行精细的采样，并且对于红外线和紫外线都很敏感。人类对于声音的频率能进行更精细的分析，能够分辨琴声中很多不同的音调。
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关于我们的自然环境，也能提供有价值的信息，更不用说在数据可视化以及艺术方面的可能性。现代微电子学以及计算机让我们看到了获取这些信息的希望。通过适当的转换，我们可以把这些信息编码到现有的通道中，形成某种类型的诱导通感（induced synaesthesia）。这样我们将极大地扩展人类的感官系统，为人类打开感知的大门。
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通过使用更强大的传感器和驱动器，“出体体验”（out-ofbody experience）将变得更加引人注目。很容易就能想象到其将给我们带来的各种精彩的可能性：待在家里就能进行随时随地的沉浸式旅游。脆弱的人体不适合深入太空环境，但我们的意识可以任意遨游。通过机器人探测器，天文学将获益匪浅，相比于把脆弱、易病的人送入太空深处，虚拟远程呈现（virtual telepresence）以及合适的生物植入更为现实。
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生物学的启发
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如果我们接受本章的中心论断，那么生物学可以为那些看起来很模糊的事物提供“存在性证明”。我在前面已经提及了具有复杂三维结构、能自我组装及自我修复的信息处理器。这看起来似乎有点不太可能，但是我们大多数人的大脑就是具有这些特性的实例。同样，基于慢速、不可靠的电路器件进行海量数据流的高度并行、快速处理看起来也是一个遥远的梦，但是人类的视觉系统就有这样的功能。
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当然，生物学当年还启发了约翰·冯·诺伊曼设计自复制“通用构造”系统。他设计的计算机结构已经成为改变世界的技术基础，与之不同的是，自复制（以及能进化的）机器目前仍然只存在于学者的脑海里。但人类自身为这种机器的潜力提供了可行性证明，我们在分子水平对自然的理解有了很大的进步，对信息流和物质流的控制能力也得到了提高，特别是3D打印（见第10章），是时候激活这个伟大的构想了。
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相反，人类作为物理性的存在，自然界中的物质，本身就表明衰老或者疾病是与生俱来的。我们对于物质基本层面的理解和监控能力，应该能够让我们弥补这些缺陷。在现实中，它们带来了一系列具有挑战性的问题，将继续启发我们在显微镜（大家已经熟知）、数据分析（可以进行复杂的诊断），以及分子工程（可以进行复杂的治疗）等方面前进。
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总结：失败的模式
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随着对于物质的理解不断成熟和深入，我们有更多为人类服务的机会。基于我前面提到的那些理由，作为一名物理学家，我有信心断言，我们对于世界如何运转的深刻的新认识，为我们创造更高水平的物质文明和精神文明指明了令人振奋的前景。我们知道哪些是可能的，也能预想到还有哪些工作需要去做。
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在结束本章之前，我觉得还是很有必要给出一些提醒。
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由于现代技术能够对已有或者新获得的知识进行妥善的保存并广泛传播，人们不可避免地会去想，技术的发展甚至最终人类的历史是不是可以避免出现严重的倒退？历史的发展可能不均衡，但退步是不是就不会发生了？
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是这样吗？对于我来说，现代技术本身带来的三种风险特别让人忧心：核战争、生态崩溃，以及人工智能战争。
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