潘建伟:我从哪里来,我会到哪里去?量子力学能给你答案

——“漫话量子”
选择字号:   本文共阅读 151 次 更新时间:2017-09-26 16:28:05

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潘建伟  

   非常高兴今天能够有机会给大家介绍我们的工作。我今天报告的题目就叫做“漫话量子”。2016年8月16日,“墨子号”量子星在九泉卫星发射中心成功发射升空。

   现在看发射时的录像感觉很轻松,但其实在发射前的30秒,我自己也是双掌合十。尽管没念阿弥陀佛,但是也在说老天保佑,希望我们的卫星能够成功地进入太空。后来在9月15日,“天宫二号”又在九泉卫星发射中心成功发射了。

   “天宫二号”也搭载了我们空地量子密钥分配装置。大家可能会觉得奇怪,为什么我们在一个月里面连续发射了两个和量子相关的载荷火箭,发射之后又出现了什么样的情景?

   我们对发射前后相关的报道做了一个简单的收集。我们发现墨子号卫星发射之后,不仅受到了国内广泛的关注,还受到了国际上广泛的关注。比如美国的《纽约时报》,英国的《新科学家》、《BBC》和《金融时报》等等,基本上国际上比较有影响的媒体,都对我们中国成功发射的量子卫星进行了报道。今年年底英国《自然》杂志评选的2016年度国际的重大科学事件中,量子星发射与引力波的发现等重大科技成果一起入选。几乎同时,《科学美国人》也评选了2016年度改变世界的十大技术,其中也有量子卫星发射。我仔细看了这十项技术包括什么,发现这里面只有量子星技术是来自于美国本土之外的创新性科技成果。

   其实量子卫星的发射具有标志性的意义,就是希望能够让中国重新回到科技创新一个国际的顶峰上面去。

  

   量子星与“墨子号”的来历

  

   选“墨子号”这个名字,是因为墨子是中国历史上的第一位科圣。墨子生活在2400年前,他主张“兼爱、非攻”,也就是平等、博爱、反对战争。墨子在《墨经》里面提到“端,体之无序而最前者也”。这个“端”指的是小颗粒,是组成所有物质的最基本的单位。从这个含义上讲,墨子是所有科学家里面最早提出原子概念雏形的人。与他同时期的希腊的科学家、哲学家德谟克利特也提出了相同的观点。

   此外他在《墨经》里面还提到“止,以久也,无久之不止”。久是力的意思。这句话说的是一个物体之所以会停下来,主要因为受到力的作用,如果说没有阻力的话,一个物体的运动是永远不会停止的。这与我们在高中学到的牛顿惯性定律是完全一样的。但是与墨子同时期的著名哲学家亚里士多德却说,如果一个物体不受到力的作用就会停下来。后来牛顿提出惯性定律精确的表达形式,否定了亚里士多德的观点。而早在2000多年之前,我们中国就已经有一位伟大的科学家提出了非常基本的物理学概念。

   我们经常有一种想法,认为中国人也许不适合来做科学。我们当时取“墨子星”这个名字,就是想告诉大家:我们中国人不仅其他事情可以做得很好,科学也可以做得很好。

   此外,墨子还有一个很重要的工作与“量子星”的工作是紧密联系在一起的。现在我们都知道光线是沿着直线传播,但是在古时候这个事情并不清楚。如何通过一个实验来证明光是沿着直线传播的呢?墨子在2000多年之前就做过一个小孔成像实验。他站在门外面,门上挖一个小孔,门里面有一面墙,结果发现墙上的影子是倒过来的。我们知道光只有沿着直线传播才会发生这种现象。所以,我们将世界上首颗“量子星”取名为“墨子号”,一方面是为了纪念墨子在我们中国科学方面所取得的一些重大的进步,同时也为了纪念他在光学方面取得的一些成就。

   其实“量子星”有一个非常有意思的、有代表性的意义。正如2016年年底《华尔街日报》发表的一篇文章所说,在沉寂了1000年之后,中国发誓要回到发明创新之巅。“墨子号”的发射,确实在社会上取得了一些良好反响。这么一颗有影响的卫星它到底是什么东西呢?为什么会引起如此广泛的国际关注呢?下面我会简要地介绍一下量子的基本概念。

  

   关于量子的基本概念

   什么是量子?

   其实量子非常简单。比如说我有一杯水,把这杯水不断地细分之后用放大镜看,能看到水是由一颗颗小颗粒组成的。我们把这样的小颗粒叫做水分子,水分子是水的最小颗粒。又比如你把一块金属铁不断切开,最后会变成一个个铁原子。光也是这样,也是由很多小颗粒组成。比如一个15瓦的电灯泡,它大概每秒会发射出1018个小颗粒,这些小颗粒就叫做光子。像分子、原子、光子这样构成物质世界的最基本单元就叫做量子。

  

   所以量子其实很简单。我们每天都大把大把地吃进量子;光照过来,好多光子打到你身上,那是无穷多的量子。这些小颗粒不能被继续割,不存在二分之一的水分子,二分之一的光子,二分之一的铁原子,因为它是构成物质的最基本的单元。这就是量子。

  

   量子在哪儿?

   量子有一个非常奇怪的特征。大家在《西游记》里可能看到过,孙悟空的毫毛一抓,一吹,孙悟空就可以在不同的地方出现。虽然日常生活中没有遇到过这样的事,但在量子世界却有这样的概念。

   经典物理世界里面的人,要么在这里,要么就在那里。也就是说我在上海就不可能在北京,在北京就不可能在上海。所以在某一个时间里面我只能在某一个地方。量子世界中则不一样,在某些特定的情况下,如果整个宇宙中没有人或仪器知道你在哪里的时候,那么你就可以在所有的地方。这是什么意思呢?这里举一个简单的例子。

   假设我坐飞机从法兰克福飞回上海。从法兰克福到上海有两条航线,分别途径莫斯科和新加坡。路上因为太累,我就在飞机上睡着了,所以不知道我是(途经)哪个地方飞回来的。到了上海之后,我的同事陈宇翱到机场接我的时候问:“潘老师你这次是从哪边过来的?”莫斯科在下大雪,途径那里会觉得非常冷,而新加坡地处热带,从那里经过会觉得热。此时我不知道自己经过了哪里,所以我感到又冷又热。陈宇翱说你肯定是累得发生了错觉,下次你坐飞机不要睡觉(要看看到底从哪边过来的)。

   后来我坐了一万次飞机,每次都睁大眼睛看我是从哪条路上回来的。结果发现,我要么非常热,要么非常冷——我总是从某一边过来的。于是我很放心,以后坐飞机又睡觉了,结果我到达上海之后再次感到又冷又热。也许你会觉得这是胡说,因为你坐飞机也经常睡觉,但是从来没有发生过这样的现象。

   (从量子物理的角度解释)这是因为你虽然睡觉了,但你旁边的人是醒着的。就算你旁边的人也睡了,飞行员还醒着。即使飞行员都睡着了,地面上的雷达还在看。而在我的经历中,整个宇宙中没有任何一台仪器能够告诉我,我是在哪个地方。这时候就会发生又冷又热的现象。

   类似的情况在微观世界中经常发生,而宏观世界中不多见。因为一个物体在宏观世界中运动的时候,周围有很多观察者在探测你的轨迹。但是当微观中一个原子运动的时候,由于周围是真空,没有仪器测量它处于什么状态。这时这个原子就会出现在任何一个地方。这样的分析在微观世界里面是成立的,已经被无数实验证实了。

  

   一切注定?

   这告诉我们:量子客体的状态会被我们的测量影响。也就是说,你决定是不是睁开眼睛去看,会影响飞机这么大一个客体到底是同时处于两个地方,还是只在某个地方。你轻轻地睁一下眼睛,这个世界就发生了变化。

   如果你仔细地去想一想,会发现其实这个道理很深刻。在牛顿力学里有个定理F=MA,通过它可以计算出粒子什么时候会运动到什么地方,什么时候会碰到什么地方,什么时候转回来,甚至连行星的轨道都是可以计算出来。所以牛顿力学告诉我们,一旦一个物体的初始状态确定了,根据牛顿力学,所有粒子的未来运动状态都是可以精确预言的。就好比说在座的各位什么时候死,谁会成为教授,谁会成为总统,与跟我们个人奋斗并不相关联,是早就已经决定好的。这是牛顿力学告诉我们的结论。

   牛顿力学一方面让我们雄心勃勃,因为凡人也可以预言神圣星星的轨道,但另一方面又告诉我们人是宿命的,奋斗毫无意义。然而量子力学却说,当你决定睁开眼睛看一看这个世界的时候,这个世界已经被你影响,变得跟原来完全不同。从这个角度上讲,它的哲学意义是非常积极的。

  

   什么是量子纠缠?

   量子力学还有一个非常积极的地方,是跟一个与我们息息相关的目标联系在一起的。在这之前,我想进一步介绍一下它的另一个物理性质。

   前面我只是讲了量子力学的基本原理,量子是最小的颗粒,如果你不再看它的时候,它可以在任何一个地方。如果把这个小小的体系用到信息系统里面去的时候会如何呢?比如说有一只猫,它在日常的情况下能处在死和活两个状态,但是在量子世界里,它可以处于死和活两个状态的相干叠加。将死和活这两个状态分别对应0和1,就可以将状态处理成信息。当死和活的状态变来变去的时候,信息就会发生变化。

   在量子世界里,因为信息处于0和1状态的叠加。这时如果你去看信息的内容,就会对这个状态产生影响。所以这个状态是永远测不准的,也就不能被精确地复制。

  

   当我们把这样一个单粒子的体系拓展到两粒子体系的时候,一种更奇怪的现象就发生了,我们称其为量子纠缠。

   一只猫可以处于死和活状态的相关叠加,如果有两只猫的话,是不是可以处于这样一种活活和死死状态的叠加呢?量子力学是允许的,这种状态是什么意思呢?

   如果我给在座的各位一个礼物——两个纠缠骰子中的一个,你回家后去扔骰子会随机地得到一串结果。我虽然没看到你的结果是什么,但我可以通过自己保留的另一个骰子猜到,为什么呢?因为这两个骰子是纠缠在一起的,你扔出3的话,我这里也是3,你那里是2,我这里也是2。

   处于纠缠的两个客体,不管它们相距多么遥远,其中一个状态发生变化,另外一个状态也会发生相应的变化。我们把这种东西就叫做“遥远地点之间的诡异互动”。

  

   量子研究带给我们什么?

人类一直对一些问题特别感兴趣,比如我们从哪里来,我们会到哪里去。(点击此处阅读下一页)

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文章来源:微信公众号:墨子沙龙

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