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2016-2017

潘建伟:探索的动机| 2016年·第1期
发布时间:2016-02-20    1485   

演讲者:潘建伟(量子物理学家,中国科学院院士)

演讲时间:2016年2月


如果提起“在没有外力的时候,物体会永远匀速运动下去”、“光沿直线传播”这些观点,大家一定会想到西方近代科学。但实际上,我们的先贤墨子早在两千多年前就提出了这些想法。他说“止,以久也,无久之不止”,其中“久”就是阻力的意思。他还提出了“端,体之无序最前者也”,其中“端”就是物体不可分割、最基本的组成单元,这里已经有了原子概念的雏形。他甚至还完成了“小孔成像”实验。也就是说,早在先秦时期,我们的祖先就已经在探索科学了,他所提出的很多观点在上千年之后才被西方世界重新发现。


为什么哪怕跨越了千年的时空,跨越了万里重洋,跨越了不同人种,人类都会不约而同地选择去探索科学呢?他们探索的动机是什么?


在我看来,于个人而言科学的首要价值在于,它是达到内心安宁的最可靠途径。内心宁静最大的敌人是恐惧和忧虑,而恐惧与忧虑都源于未知。人不知道自己从哪里来,亦找不到自己的归宿,所以会不停地追问:“我们从哪里来?要到哪里去?”


在科学发展到一定程度之前,人类只能通过宗教来回答宇宙起源、人类归宿的问题。在我看来,宗教的产生可以说是人类思想史上的第一次解放,它可以使人们比较容易地获得心灵上的满足。虽然我并不是一个信教者,但我很喜欢去教堂听他们美妙的歌曲,这可以给我带来心灵上的享受。


曾经的基督教告诉我们,地球是宇宙的中心。但伽利略却通过望远镜的观测,支持了哥白尼的日心说理论。随后开普勒也做了大量工作,他发现在同样的时间里,行星和太阳的连线在行星运行轨道平面上所扫过的面积相等,为之后行星运动规律的发现奠定了基础。


1642年伽利略去世,1643年牛顿出生,在我们评价物理学历史的时候,也许他们两人是我们最不能忘记的。伽利略开启了现代物理学,而牛顿是经典力学的集大成者。1687年,在对先贤成果加以总结的基础上,牛顿写出、出版了《自然哲学的数学原理》(Philosophiæ Naturalis Principia Mathematica),提出了三大运动定律,其中第一条就是墨子曾经提出过的“止,以久也,无久之不止”,也就是我们所熟悉的惯性定律。


在三大运动定律的基础上,他又根据开普勒的研究成果,提出了他的万有引力定律。伟大的万有引力定律被发现之后,苹果落地、星星绕太阳转等等天上地下的现象,都可以被统一地解释。这既带来了人类思想的巨大解放,在后来也让很多物理学家深感忧虑。


说它带来思想的巨大解放,是因为人类从此了解到,世界是独立于人类而存在的,我们可以对世界进行凝视深思,通过对它部分的了解,认识到这个世界的某些部分是可知的。本质上,这就是“物理学美且具有强大力量”的一种证明。于是,我们就知道了,我们人类只不过是星系中很小的一部分。不过那时的人们只能计算轨道,依然不能解答“我们从哪里来,到哪里去”的问题。


尽管如此,当牛顿把三大运动定律和万有引力定律建立起来以后,科学家们还是隐隐有了一种“看破宇宙奥秘”的感觉。在思想上,这就带来了巨大的解放。人们感受到一种“先天的和谐”,在自然规律中感受到“这真是太有意思了!”,从而获得了心灵的自由和宁静。这其实和我们从宗教中所追求的最终目标是一致的,这也就是我所说的,科学家们探索的动机。


随着科学继续向前发展,人们意识到,原来天上的电和地上的电也是一样的。后来,法拉第发现了电磁感应现象,发现磁与电是相互联系。麦克斯韦在1864年发表了《电磁场的动力学理论》(A Dynamical Theory of the Electromagnetic Field),建立了电动力学,将一切光、电、磁的现象统一为由一个方程组来描述。


很多看起来独立的现象被完全统一了。科学战胜了愚昧,而随之而来的,是以电力技术为代表的产业变革。科学家们越发认为科学是可靠的,当他们走向心灵天堂的时候,虽然也许比宗教的路要更加艰辛一些,但他们最终都得到了一种心灵的解放和自由。


那为什么还有物理学家会焦虑呢?因为直到那时,科学家们依然无法回答“我们从哪里来,要到哪里去”这一问题。虽然那时大多数科学家都对科学的发展状况感到满意,但一个新的问题摆在了他们面前:一旦确定了初始状态,那么所有粒子的状态都是可以被精确预言的。这个世界上是不是一切东西都可以用公式来预言?我将来会成什么样的人、你此时正在看这篇文章,是不是都可以被计算出来?那个人的努力在宇宙的规律之下,又有什么用呢?宇宙规律又是从何而来呢?这些,当时的人们都无法回答。


到了20世纪初,两个伟大的科学家出现之后,这个问题有了新的回答。


普朗克提出了量子论,所有微观世界的规律都遵从量子理论;随后爱因斯坦提出了相对论,时间和空间的规律由相对论所描述。当我们把这两个理论结合在一起的时候,我们居然能初步回答宇宙的起源与演化了——大爆炸理论。


一百几十亿年前,由于量子涨落,一个“奇点”发生了爆炸,“炸”出了时间、空间和构成万物的基本粒子。最初宇宙中只有氢和氦两种元素,在引力的作用下聚集在一起,形成了第一代恒星,宇宙中也终于有了第一缕可见光。


物质燃烧时有辐射,宇宙向外膨胀,引力则控制宇宙收缩,互相之间达到这种暂时的平衡。


恒星聚变后,慢慢形成了一个稳定的结构。但当恒星在核聚变过程中原料燃烧殆尽后,就无法再抵御引力塌缩,最后形成新的爆炸,也就是超新星爆发。然后,它会变成中子星,或者黑洞。


宇宙要诞生生命,比人类的母亲怀胎十月困难的多。一百几十亿年前奇点大爆炸;经历引力、聚变等作用,在大约50亿年前太阳形成了;然后在大约40亿年前,生命开始在地球上出现、进化:在5亿年前出现初等海洋生物,4亿多年前陆地上出现植物,3.6亿年前左右出现两栖动物,2.3亿年前开始出现恐龙等爬行类动物,1.4亿年以前出现哺乳类动物,500万年前出现人类始祖,180万年前才有了原始人,直到20万年前,才有了人类的祖先——智人。 


到目前为止,人们通过观测到的现象与考古的研究,大概勾画出了人类起源的雏形,对于“我们从哪里来,要到那里去”也有了一个初步的概念。


量子力学也打破了机械的决定论,正如霍金所说:“即使是相信一切都是上天注定的人,在过马路时也会左右看,以免被车撞到。”


那么,量子力学是如何打破经典力学带来的机械决定论的呢?


我联想到了我国的文学名著《西游记》。《西游记》是人类创造力的杰出体现,吴承恩在本书中提出了很多有趣的概念,比如“天上一日,地上一年”、“千里眼和顺风耳”、“筋斗云”,再比如孙悟空的分身术。


爱因斯坦的相对论告诉我们,“天上一日,地上一年”是可以成为现实的。假定有一对双胞胎,其中一个做了宇航员去太空中旅行,而另一个留在地球上。如果飞船的速度快到接近光速,地球上很多年过去了,他回到地球。他会发现,他的兄弟垂垂老矣,而他却仍和出发时一样年轻。


德国科学家赫兹1888年在实验室里证实了电磁波的存在。无线电被发现之后,电视机、电话机也让“千里眼和顺风耳”变成了现实。


筋斗云让孙悟空可以在一个地方突然消失,然后又在很远的地方出现。我们的实验已经证明,在量子世界中,“筋斗云”是真实存在的。利用量子纠缠原理,我们可以使相隔遥远的两处的物质处于纠缠态。所谓纠缠态,就是指处于纠缠态的两个物体,不管相距多远,一边的结果确定了,那另一边的结果也会确定,且两个结果紧密关联。把物质在A点完全摧毁,但关于它的全部信息被“传送”到了B点,通过数据处理,利用在B处的物质可以把它重新构造出来。这就像“筋斗云”一样。很多年前,我们在因斯布鲁克做了这个实验,尽管当时只能“传送”一个粒子,但也在国际上引起了巨大的轰动,虽然目前我们还无法“传送”复杂的个体(比如人体,大概有1028个粒子)。


量子物理也同样允许“分身术”的存在,因为量子世界和牛顿的世界是不一样的。在牛顿的经典物理世界中,苹果要么在桌子上,要么在地上,它不可能同时在桌子上和在地面上。如果我们把“苹果在桌子上”叫做“0”,在地面上叫做“1”,它只能处于“0”、“1”两个可能状态中的一个;而在量子世界中,它可以同时处于各种地方——就像大家熟知的薛定谔那只“又死又活”的猫。在量子的世界中,当猫和我们没有互相作用的时候,它处于生和死的叠加状态。

 

还记得开篇时,我提过墨子曾说“端,体之无序最前者也”吗?量子在本质上,就是一个最基本的、不可分割的单元,它拥有不可分割性和可叠加性两种特性。虽然像猫这种较大的实体,我们还无法塑造出这种状态,但对于微观颗粒已经很容易实现了。光的最小单元叫光子,光子会同时在水平和竖直方向振动,这就是“0”和“1”的叠加。但一旦我们测量它,它的状态就会被影响。


为了解释这种现象,我们有两个结论:第一,在没有观测微观个体时,它可以同时处于两种状态;第二,一旦对微观个体进行观测,对它的影响是巨大的,它会变成只有一种状态。

如果我们对想要了解的微观粒子进行拍照,它的状态就不能再变化了,因此我们不能得到关于它的全部信息。从量子这个最简单的原理,我们得知最小颗粒是测不准的,测不准就不能被复制。在生命科学中,当两个人的基因序列完全相同的时候,其中一个就是克隆人;但量子物理的观点认为这两个人只是“硬件”一样,里面的思想、其中原子的状态,是测不出来的。所以,人作为个体,每个都是独一无二的存在。


除了哲学问题,量子力学也可以解决科学问题。比如,如果信息处理中也存在“0”和“1”同时存在这种现象的话,就成为了量子通信。


利用量子不可分割、不可被复制的性质,A给B发送一些单光子作为密钥,如果C想要窃听,那C只有两个选择:其一是拿走作为密钥的单光子,但是这样B就收不到A的信息了,所以可以发现他们的通信被窃听了;其二是对密钥进行拍照,但在拍照的过程中,会改变单光子的状态,因此B也可以发现自己被窃听了。


正是因为如此,利用量子技术,我们可以实现不可破译、无条件安全的通信。

 

你可能还想问,量子力学对打破经典力学带来的决定论有什么帮助呢?


经典物理学告诉我们,世界是完全独立于个人而存在的,规律永恒不变;但是量子力学告诉我们,世界在很大程度上独立于你而存在,但你的探索和努力对这个世界的演化是有影响的。


量子技术如此强大的能力引起了一些人的担心。他们还担心人工智能会不会发展得太快,以至于最后取代人类?在目前,我们是可以放心发展人工智能的,因为不管计算机发展的规模多大,它的信息对人类是透明的,我们都可以百分百复制,而人类的大脑是无法复制的。


那么未来的量子计算机是否会发展到人类大脑的程度呢?目前科学家们并不能确定,可这也给了我们一个更深层次的探索的动机。因为科学家们对量子信息的研究并非只是为了通信和计算,而是希望探索人类意识是从何而来。如果说我们看到的世界是人类大脑对世界的一种映射,那么大脑是如何来理解这个世界的?大家期待随着研究的深入,我们可以得到更多知识和发现。

 

科技的进步使得信息交互的效率越来越高,从最早的口口相传、千里传书,到热力学和力学应用,第一次工业革命兴起,铁路等交通工具的出现极大加快了人类的交互速率。再到电力学的广泛应用,人类迎来第二次工业革命,世界变得更小。再到量子力学等理论的应用,带来了电子计算机和第三次工业革命,形成了现在的互联网,世界在人类的探索中不断向前。


人类自古以来就对世界有恐惧感,而科学可以帮助人们了解宇宙的规律、增长智慧,有了智慧之后,人就不再困惑,也不再因为自身在宇宙中的存在而感到不安。当心安定下来,不管人再去做任何事情,成功也好,不成功也罢,都不会再患得患失——人心的焦虑往往都源于此:怕得不到,得到又唯恐失去。


用爱因斯坦的话来说,人类探索的一个主要目的,就是为了追求思想上的解放。尽管科学探索的路并非坦途,但归根到底依然是为了仁、智、勇,为了真正做好一个“人”,这也是科学探索的最终奥义了。