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。