胡勇

我们的生活中总会遇到各种各样的问题，有些问题需要我们建立一些数学的模型来解决。例如，一位音响工程师要为一家音乐厅设计音响系统，他要保证音乐厅的各个角落都有最好的声音效果，但是他当然不能先安装了音响，再测试声音效果，因为如果不合适，再把音响拆除，重头再来，这样做太麻烦了。此时，建立数学模型，或者说方程就派上了用场。一般音响师的做法是先建立方程，通过方程推知音乐厅各个位置的声音效果，等找到了合适的方案后，再安装音响系统。

在现在的科技水平下，这个方程也不需要音响工程师来求解，计算器、计算机等就可以帮我们解决问题。现在，来自美国宾夕法尼亚大学的科学家们又研究出了一种可以解方程的材料，它可以在几百纳秒（亿分之一秒）、甚至几皮秒（万亿分之一秒）内帮我们解决上述的问题。

这台结构特殊的设备由磨碎的聚苯乙烯塑料制成，可以模拟计算机解方程，直接推算音响效果。

结构特殊的超材料

随着材料学的发展，科学家们一直在设计、制造各种具有独特性质的材料，其中一种就是超材料。这类材料是自然界中没有的人造材料，可以让光、电磁波改变它们通常的性质。超材料的成分并没有什么特别之处，它们的奇特性质来源于其精密的几何结构和尺寸大小。

美国宾夕法尼亚大学的研究人员设计的这种能够解方程的超材料也是如此，它的材料成分并没有什么特别的，只是常见的绝缘材料，比如聚苯乙烯塑料材料，但是它的内部却包含着像迷宫一样的特殊结构，这种结构可由数控铣床（数字信号控制的加工机床）雕刻得到。

利用内部结构解方程

实际上，该材料的本质是模拟计算机，即用一个物理量去替代另一个物理量，用于替代的物理量更容易操纵和处理，所以更容易求得方程的解。举一个简单的例子，比如为了得到某个物理量，我们列出了ax+b=c这样一个数学方程（当然实际的方程不会这么简单）。然后，方程的三个参数a、b、c需要被编码在电磁波中，即通过改变电磁波的幅度或波长（电磁波为用于替代的物理量），让入射的电磁波代表参数数值，得出x=（c-b）/a的结果。

研究人员会根据特定的方程类型设计“迷宫材料”的结构，比如例子中的一元一次方程。实际上，针对每种方程，“迷宫材料”都会有不一样的内部结构。“迷宫材料”会对入射的电磁波进行一些处理，改变它的波长和幅度，这一步其实就是材料解方程的过程。最终，输出的电磁波会携带方程未知数x的解，研究人员可以将电磁波的特性解读为数值。

研制出特殊材料的美国宾夕法尼亚大学研究人员

光子计算提高速度

研究人员已经使用波长较长的微波验证了材料解方程的能力。它比人們最常使用的数字计算机快了几个数量级，同时因为使用的是电磁波，它使用更少的电力。当然，人们可以依据不同的需要（不同的方程）制作出不同的“迷宫”结构。

目前，研究人员在该材料的两端安放了输入端和输出端，构成了一个约0.18平方米的装置。但中空的材料部分可以被缩小到仅允许光子（也是电磁波）穿过，并被放置在芯片中，这可能会为计算机的进步打开一个新的大门，制造出完全使用光子的电脑芯片，使计算机的处理速度大大提升，处理时间大幅缩短。

研究人员希望这一想法能够快一些实现，不过，这必然只是计算机技术发展中经历的一个阶段。也许这种超材料马上会被另一种更好、结构更精细的超材料替代也说不定，永远不要小瞧了技术推陈出新的速度。