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潘建偉:探索的動機

發布時間:2016-07-20 16:05:16



我在歐洲留學的時,到阿爾卑斯山區的一個大峽谷,一個很少有外國人到的地方去游歷。在那里,我見到一位大概80多歲、滿頭白發的老太太坐在輪椅上。她非常高興看到一個外國人,于是我們就聊起來。她問我是干什么的,我說我是做量子物理的。然后她進一步問我:“你做量子物理的哪一方面?”我說:“是量子信息、量子態隱形傳輸,就像時空穿越里的東西。”她說:“我讀過你在《自然》雜志發表的那篇文章。”我非常感動,一位80多歲的老太太,卻對科學保持著這樣一種原始興趣的初心,當時我想也許她只是個例。又過了幾年,我在海德堡大學做切除息肉的手術。當我做完手術醒過來之后,正好護士站在我的床前。她說:“潘教授,你是不是研究跟時空穿越類似的東西啊。”我說:“是啊。”她說:“你能不能給我講講。”因為我當時鼻子里面插著兩個管子,非常痛苦。我說:“現在我講不了,我將來送給你點資料吧。”為什么舉這兩個例子?我覺得一位護士對科學感興趣,一位鄉村老太太對科學也感興趣,這很難得。如果我們對科學沒有這種原始的沖動,沒有興趣,我們就不可能變成一個真正的創新型國家。


 作為科學家,特別關心兩件事情。第一,宇宙的規律是怎么樣的。通過規律的研究,希望能夠知道:我們從哪里來?到哪里去?也就是說,我們非常關心人類和宇宙的生成和命運。好多年前我曾經讀過房龍的一本書,叫做《圣經的故事》,里面講到,上帝當時說要有光,然后要有云,要有天,要有地,這個過程就是告訴我們創世紀的過程。所以人類追求的過程中,一直希望能夠理解我們是怎么來的?我們的未來是怎樣的?以此尋找一種安全感。但是在過去,因為沒有科學,只有靠人類的種種想象。經過幾千年的知識積累,到了1687年人類的觀念發生了非常大的改變。1687年之前,一個偶然機遇使伽利略把玻璃片做成望遠鏡觀測太空,他看到了土星環等等。那時人類開始能夠探索整個宇宙是怎樣的,不僅僅看地球怎么樣。1687年,牛頓在前人知識基礎之上,發表了一部專著《自然哲學的數學原理》,改變了整個人類思想認識進程。這部書告訴我們,宇宙的演化完全可以通過微積分計算出來。這是什么意思呢?本來我們覺得上天非常神圣,而牛頓卻說蘋果掉在地上和星星在天上轉是可以算出來的。當我們感覺原來可以計算神圣的上天的星星運行軌道時,科學的自豪感無比巨大,這樣我們就可以計算我們的未來。但是如果進一步想,你馬上會感到非常失望,完了,我的命運是不是也在宇宙誕生的時候就已經被決定了呢。比如說,潘建偉成為物理學家,其實根本不是自己努力的結果,在宇宙剛剛誕生的時候,一切事情都已注定。為什么?牛頓力學告訴我們,這些都是可以計算的。所以,有些科學家在意識到這一點之后,認為這個世界是宿命的,奮斗毫無意義,于是他們選擇了自殺,確實有這樣的事情發生。當然,科學還是要進一步發展的。


一直到上世紀初,又一個新的革命發生了,這就是量子力學。量子力學非常有意思,它跟原來的牛頓力學完全不一樣。牛頓力學告訴我們,比如潘教授今天在北京做講演,那就不可能在上海。但在量子力學里有個概念——作為一個微觀客體,當你沒有看它到底在上海和北京的時候,它可以同時在兩個地方,處于一種疊加的狀態。我們把這樣一種狀態叫做量子疊加態。量子,是物理學概念,作為不可再分割的基本粒子,量子用來形容微觀世界的一種傾向,粒子的物理量(比如能量)傾向于不連續的變化。微觀世界與經典世界最明顯的一個區別是,事物不是明確的非此即彼,而是此與彼的某種尚未確定的疊加態。舉個例子,潘教授要從德國柏林飛到中國北京,飛機有兩種飛行路線,一條是柏林-莫斯科-北京(冷),另一條是柏林-新加坡-北京(熱)。如果潘教授在飛機上睡著了,那么他下飛機后就會覺得渾身處于一種“又冷又熱”的奇怪狀態,他也不知道飛機到底從莫斯科中轉還是在新加坡中轉。這時,用量子力學看世界的潘教授只能得出結論“我同時經過莫斯科和新加坡”,也就是量子的疊加態;而當潘教授在飛機上睜開眼睛看的時候,他才知道到底是從莫斯科中轉還是從新加坡中轉,下飛機后也會覺得要么冷要么熱,不會再處于“又冷又熱”的狀態了。這也正是量子力學的積極哲學,“看到即改變”,當你把視線關注到量子運動軌跡,其狀態就會隨之發生改變。這就告訴我們,你睜開眼睛看一下,對整個世界的演化是會有影響的。量子力學,從哲學上講是一種非常積極的概念,它的含義是我們個人的奮斗,對這個世界是有影響的。量子力學不僅可以了解宇宙的歷史,也可以推動一個新學科的發展。目前我們在從事的研究叫做量子信息科學。利用所謂的量子疊加原理來做量子通信,解決信息安全問題。


量子力學還有一個所謂量子糾纏的概念。剛才我提到一個粒子可以處于零加一,就是兩個狀態的疊加。兩個粒子也可以處于一種非常奇怪的狀態疊加:“零零加一一”。比如我和你同在北京,假定我給你一個糾纏粒子在手里,另一個在我手里,然后我回到合肥。你把手中的粒子一扔,它會隨機得到零或一。但是我在合肥看一看我手中粒子的狀態,我就可以把你手中的結果猜出來,因為即使這兩個粒子已經隔得非常遠,它們扔出來的結果始終是一樣的。科學上把這種現象叫做量子糾纏,或者從不太嚴格的意義上講,甚至可以叫做“遙遠地點之間的心電感應”。利用這個,我們就可以構造一種非常強大的量子計算機,可以讓我們通過量子計算,在大數據爆炸時代,把信息有效地提取出來。所以從這個角度上講,科學不僅能帶來心靈的自由和安寧,而且科學是非常有用的。


隨著電動力學和量子力學的發展,帶來了信息科技,整個世界已經變成一個地球村。所以,人類的進化是與信息共享和互動緊密聯系在一起的。同時,還有一個非常重要的東西需要我們進一步珍視和加以保護,那就是心靈的自由和獨立的思想。正因為從古到今,我們保證了思想的獨立性,才能夠保證想法的千變萬化,才會有創新和進步。愛因斯坦有一篇著名的演講,題目叫《探索的動機》。他說今天有三類人在科學的殿堂里。第一類人只要有機會,也許會成為企業家,也許會成為政治家,也許會成為詩人。只要是能夠讓自己得到榮耀,得到名利,他干什么都可以。當然他還是很有才華的。還有一類人完全是興趣驅動,他只是覺得好玩,不管對大家有沒有好處,有沒有什么壞處。第三類人是什么?他確實希望能夠對這個宇宙進行探索,進行凝視,進行思索,能夠找到這樣一些先天和諧的規律。只有這一類人才能夠很靜心地、長久地從事科學研究。愛因斯坦說,當然我們不能把前兩類人驅逐出去,因為這些人可能對科學做過很多,也許是主要的貢獻。把他們驅逐出去,這個殿堂就倒塌了。但是可以肯定,如果沒有第三種人,這個殿堂就不會成為殿堂,只能是一些蔓草,而不會成為森林。所以說探索的動機,作為一個真正的科學家,他應該是很有責任心的,他會用無窮的耐心,去理解這個宇宙是怎么樣的。但現在我們還不能解釋:為什么我們會有愛?為什么我們會有感情?我想隨著未來科學的發展,也許到某一天我們能從方程里給出非常好的解釋。這就是探索的動機。

(作者潘建偉為九三學社社員、中國科學院院士,中國科學技術大學常務副校長。圖片來自網絡)

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