李淼:如果第四次工业革命到来,根基将是量子力学

选择字号:   本文共阅读 89 次 更新时间:2017-09-26 17:31:12

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李淼  

   人类很早就已经形成宇宙观,相比于先人宗教式的想象,基于科学的现代宇宙观更可信。

   人类很早就开始思考宇宙是什么。在一些非洲的部落画作里,我们经常会看到一些对宇宙的非写实描绘,这些形象的东西可能就是祖先心中宇宙的样子。

   中国的原始宇宙学就是“万物有灵”:每一样东西都有精神和灵魂在里面。

   比如风雨雷电为什么会发生?因为有神灵在操纵这些现象,暴风是因为风伯对我们不满,或者他们之间在争吵。诸有此类,万物有灵可以完美解释这些现象。

   各个民族原始的宗教对宇宙的解释非常类似,都是万物有灵。埃及有一个太阳神叫拉,他们认为太阳是宇宙的中心。

   印度教把原始宗教更加拟人化。印度教里有很多神灵,毗湿奴、湿婆、梵天至高无上、各司其职。

   毗湿奴是开天辟地的神灵,就像我们的盘古。梵天是管理宇宙的神灵,而湿婆是毁灭宇宙的神灵,所以在他们的宗教里面,宇宙是不断循环往复的。

   先人通过宗教式的想象,得出的关于天地的故事,有道理吗?其实还是有一定道理的,他们试图把一切重大的现象,用一个统一的规律串联起来。

   到了现代,有了精密的仪器,我们可以进行天文学观测,看到更多关于宇宙的信息。

   宇宙现在已经形成了星系,在这之前,没有星系,只有恒星;再往之前,是漆黑一片的黑暗时代,再之前就是混沌时代,那个时代没有恒星,只有基本粒子,越往前温度越高。

   继续往前追溯的宇宙状态,是一个微观的空间中发生了暴涨,目前还并没有得到主流科学家的证实。

   这是现在宇宙论演化的历史。

   为什么我们更相信现代这段历史,而不是盘古开天辟地?因为它是有坚实的根基的。

   人类通过科学方式确定某些历史是存在过的,某些历史不存在,这就是人类与普通动物的不同。

   我们可以制造汽车、制造飞机,因为我们知道一些关于世界的事实,物理学、生物学、化学,所以才有了现代文明。

   这一文明是建立在科学和技术基础上。科学和技术是人类的能力,提供更复杂更精确的仪器,让我们可以去延伸我们的感知。

   比如温度,物理学告诉我们,当我们把一个东西加热到什么时候,它应该有多少度,甚至可以延伸到太阳有多少度,这个时候,连温度计都没有用了。

   我们还可以把距离延伸,我们怎么跟太阳距离了1.5亿公里?现在飞机每小时速度一千公里,要飞17年才能飞到太阳,但是我们可以把距离延伸到太阳。

   这是无法想象的距离,但是物理学告诉我们这个距离是可以丈量的。

   我们再把距离扩大到恒星与恒星之间,有十几光年的,有一百光年的,延伸到往银河系中心走,用光的速度要走三万年,这还远远不是整个宇宙。

   宇宙到底有多大?我只是告诉你,在宇宙里面,像我们这样十万光年的银河系有1000亿个,现在我们可以看得见的宇宙,有400亿光年的半径,根本无法想象。

   所有这些丈量都是建立在坚实的科学理论基础上。

   谁声称理解量子论,谁就没有真正理解量子论

  

   量子论与生活息息相关,非实在、不确定、跳跃、直觉、韧性,即使知道这五大特征,你也无法理解它。

   讲完宇宙观,我们来看看世界观,世界观是对周边事物物理学规律的理解。

   大约90年前,人类搞清楚了量子论。量子论比相对论更接地气,与我们的生活关联更紧密。

   量子论非常奇特,量子物理学家玻尔也说过,如果某一个人声称理解了量子论,实际上他没有理解。这句话就是对量子论最本质的描述。

   量子论有什么特征?我想把女性和量子论做类比,用更形象的方式形容量子论。

   量子的第一个特点是非实在性,波粒二象性是量子力学最本质的东西。

   就是没有绝对的波性,也没有绝对的粒子性,他们一定是互相转化的。它不可度量,不是一个点或者一个面,或者一个遥控器,有多重。它没有实在在的特性,你说不清楚到底是粒子,还是波。

   男人对女人的理解往往是这样,她这个人到底怎么回事?没法把握,无法定义她,无法把握她,这是非实在性。

   量子的第二个特点是不确定性。

   太阳明天要升起这是确定的,但是量子的本性就是随机的,不确定。一个电子打到荧光屏上,究竟打到什么位置,你根本不可能知道。

   如果是经典物理中,我拿了一个石块,知道石块的质量,我的力气,以及角度这些参数,就能够计算石块会到哪里。

   但是在量子力学里,电子扔出去,完全不能知道它会是什么样的运动轨迹。这就像女性,你跟她约好了时间,根本不知道她什么时候会来。

   量子的第三个特点是跳跃性,它的运动是不连续的。

   如果我坐飞机,12点钟在广州起飞,下午一点钟到达河南的上空,这是确定的。

   电子不一定,电子每一个时刻是不连续运动,跳跃的每个轨道都不一样。就像女性,行为的跳跃性就是她这一刻很高兴,可能下一刻就跟你翻脸。

   量子的第四个特点是,尽管量子世界有这么多反直觉的特点,但它有一个好处,描述一个量子状态不需要多少参数和词汇,通过词汇我们直觉地知道这个量子的状态。

   就像女性的直觉是很厉害的,你回家撒谎了,她用直觉简单判断,就知道你在外面干了什么。

   前面都是玩笑。量子论最重要的好处是什么?让世界变得可以理解、有序、智能。

   所以量子的第五个特点是韧性,就是稳定。没有了量子,这个世界是不稳定的,随时随地会爆炸。就像女性做一件事情会非常有韧性。

   我刚才并没有给大家讲量子论是什么,只是告诉大家量子论的特点,相信大家能记住。玻尔和费曼说了,谁声称理解量子论,谁就没有真正理解量子论,因为量子论没法理解。

   我期待第四次工业革命到来,在根本上利用量子力学

  

   第四次工业革命的根基是量子力学,大到宇宙,在根本上也是非决定论导致的。

   那么,量子论与我们的日常生活、与创业、与未来有什么关系?我想从三次工业革命说起。

   第一次工业革命发生在英国,以牛顿的力学体系为第一原理,机器代替了人力。

   第二次工业革命的第一原理不全是牛顿力学,还有其他的原理。十九世纪,人类仔细研究了电和磁,驾驭了电力,以爱迪生发明了电灯泡为标志,电力代替了火力。

   前两次工业革命的第一原理是经典物理学。到了上世纪中叶,第三次工业革命的第一原理就是量子力学。

   什么东西出现了?计算机。第三次工业革命不是在能量上解放,主要是在信息上解放,这个信息革命基础是什么?计算机思维。

   计算机到今天的基础是元器件,先是电子管,后来是晶体管,在英特尔芯片里面,大概二三十纳米,这就是充分利用了量子力学造出来的,而且这些集成电路的能力随着时间还在提高。

   没有量子力学就没有英特尔芯片,所以我们今天的生活彻底被量子力学改变。

   第三次工业革命是在机件上利用了量子力学,我期待第四次工业革命到来,在根本上利用量子力学,也就是我们用量子力学的原理,来发明一种计算方式,叫量子计算机,

   现在很多大互联网公司都在投入人力、资源研究量子计算机,一旦实用量子计算机出现,那就不得了了,你很难想象一个量子计算机能做什么,就像上个世纪无法想象手机能干什么。

   这是第四次工业革命的特点。

   第二点是人类对意识的思考。我们会渐渐了解我们大脑怎么工作,思想怎么产生,我们的决定是怎么回事。

   我们的决定,很多时候是非决定论导致的。因为如果这个世界纯粹是决定论,就很可怕。

   如果我一生做的决定都是已知的,那我的命运没法改变,因为是决定论,比如我决定今天来不来演讲,有可能在我父母出现之前就已经有了,因为我父母干什么事情也是决定论。

   一直推到祖父母,再推到宇宙大爆炸,现在干的一切事情是宇宙大爆炸决定的,那不是很可怕吗?我试图改变我的命运,但是它在宇宙大爆炸就决定了。

   意识是量子的吗?去年有一个新闻是关于加州大学的教授MathewFisher的,他研究了一个波斯纳分子,这种分子放在液体里面就会出现一个量子态。

   量子态的意思是说,只要你去观察他,这个量子态就被破坏了。

   他说这个分子可以在量子态状态里面超过一分钟,但是我们做一个决定不需要一分钟,也就是如果我们大脑里这种分子起到重要作用,发生一些量子的现象,可能我们有些决定可以不符合经典决定论。

   这就给改变我们的命运提供了一个前提。

   如果人的大脑是量子的,即便我们造不出像手机一样、像电脑一样的冷冰冰的量子计算机,那我们可以造出一个仿生计算机,因为确确实实在动物身上发现他们利用量子力学。

   举个例子,候鸟导航真的不是说候鸟的记忆力特别好,每年飞过的路径是一样的,一个是基因起作用,一个是它的头上有一个导航系统,通过地球非常微弱的磁场导航。完全是一个量子现象。

   动物可以利用量子力学,我相信人类的大脑肯定可以用量子力学。

   刚才讲了很多量子论,到底什么是量子论?一个非常有趣的事情,我们抬头看天看星星,星星哪里来?宇宙学大爆炸的时候一团东西,然后慢慢形成了各种恒星。

   形成恒星的前提是什么?有的地方物质多一点,有的地方物质少一点,否则都是均匀的,不会形成一个个成团的东西。

   在大爆炸之前,宇宙是一个比篮球大一点的东西,由于它非常小,所以它的量子的不确定性非常大,大到什么程度?

   也不会太大,十万分之一,一个地方有可能比另外一个地方,每立方厘米里面的物质多了十万分之一。

   但是已经足够了,当宇宙变得特别大以后,特别是30万年以后,这十万分之一的不均匀性,导致了万有引力,使得这些东西成团,形成恒星。

   你想这么大的东西都是不确定性来的,不确定性有多重要,所以宇宙很多东西,在根本上是非决定论导致的。

  

   作者:李淼,天体物理学家,中山大学天文与空间科学研究院院长。

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文章来源:混沌研习社

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