原标题:量子内裤到底有什么作用?中国量子之父潘建伟直接辟谣

星际旅行、时空穿越、瞬间移动……无数的文学和影视作品为我们展现着人类科幻的未来。这些并不是创作者们脑洞大开的随意想象,创作者们都有一个基本的理论基础——量子力学。量子力学,是当今物理研究的最前沿。但对于普通群众来说,量子力学看似高深莫测。

《信息简史》这本书可能在科普读物里属于不那么好读的。我始终认为,这绝不是作者的错,实在是这部历史太宏大了,若不是格雷克这样的大牛,恐怕少有人敢挑战这样的话题,即使是格雷克,也是花费了7年的时间。译者高博,在译后记里也说,“当初接手这本书的翻译时,对原著的难度之高也是始料未及”,六易其稿,方才得以付梓。
这本书的难度,在于它超出了一般人的知识广度以及思维定势。现在有很多诸如“每天读1本书”之类的知识付费推送,但介绍这本书的很少,因为它很难用只言片语说清楚。
但是,我觉得,花些功夫读这本书,或者反复读一些章节,是值得的。它可粗读、可细读,不同人、不同需要,可以有不同的选择。如果按照最近很火的一本书《刻意练习》的说法,学习任何知识和技能都要“超越舒适区”方能有所收获。可是,超越舒适区这种说法总让人联想到头悬梁锥刺股,其实关键看心态,闲暇之时,在单纯的好奇心的驱使下,本着“获取知识消磨时间”的心态,利用便捷的互联网,对这本书涉及的某些细节进行一番寻根究底,也不失为人生乐事。

随着“墨子”号量子通信卫星的升空,光量子计算机的研发成功。我国在量子通信,量子计算机领域走在了世界的前沿。量子的概念也深入人心。但不乏有投机者像借助量子的概念炒作一番。在股上有关量子概念的股票大涨,在营销市场上有关量子的概念也在大肆炒作。曾经就有网友发问,自己在大街上看到吆喝量子内裤的东西是否有真效果?

5月3日,世界上第一台超越早期经典计算机的量子计算机在中国诞生,量子力学取得现实应用的重大突破。

第13章 信息是物理的(万物源自比特)

首先,为何我在前面做了这么一番铺垫?就是因为这一章比较难,因为这一章把量子物理和信息论联系起来了!而这两样,对我们来说,都是“不明觉厉”的典型!

量子力学这玩意儿确实不是一两句话能说清的,不仅如此,它几乎是反常识、毁三观的,不仅仅是对我等凡夫俗子,即使是对爱因斯坦这样的“业内大牛”,他至死都无法接受量子力学的一些观点。

关于量子力学的科普读物,我强烈推荐曹天元的《上帝掷骰子吗——量子力学史话》,这本书是能够让普通人体会到量子力学对整个人类认知的挑战性和撼动力的为数不多的量子力学科普书。这本书再版多次,现在网上流传的有三种封面,我读的是如下这种封面的,也是三种封面里我最喜欢的一个设计。

科学 1

《上帝掷骰子吗——量子力学史话》

没有读过的童鞋,可以体验一下下面这两段话,这是这本书序言里的:

我在这里要给大家讲的是量子论的故事。这个故事更像一个传奇,由一个不起眼的线索开始,曲径通幽,渐渐地落英缤纷,乱花迷眼。正在没个头绪处,突然间峰回路转,天地开阔,如河出伏流,一泻汪洋。然而还未来得及一览美景,转眼又大起大落,误入白云深处不知归路……量子力学的发展史是物理学上最激动人心的篇章,我们会看到物理大厦在狂风暴雨下轰然坍塌,却又在熊熊烈焰中得到了洗礼和重生。我们会看到最革命的思潮席卷大地,带来了让人惊骇的电闪雷鸣,同时却又展现出震撼人心的美丽。我们会看到科学如何在荆棘和沼泽中艰难地走来,却更加坚定了对胜利的信念。

量子理论是一个极为复杂而又难解的谜题。她像一个神秘的少女,我们天天与她相见,却始终无法猜透她的内心世界。今天,我们的现代文明,从电脑到激光,从核能到生物技术,几乎没有哪个领域不依赖于量子论。但量子论究竟带给了我们什么?这个问题至今却依然难以回答。在自然哲学观上,量子论带给了我们前所未有的冲击和震动,甚至改变了整个物理世界的基本思想。它的观念是如此地革命,乃至最不保守的科学家都在潜意识里对它怀有深深的惧意。现代文明的繁盛是理性的胜利,而量子论无疑是理性的最高成就之一。但是它被赋予的力量太过强大,以致连它的创造者本身都难以驾驭,以致量子论的奠基人之一玻尔(Niels
Bohr)都要说:“如果谁不为量子论而感到困惑,那他就是没有理解量子论。”

——曹天元《上帝掷骰子吗——量子力学史话》序

是不是跑题了?也不是,因为不读这本书,读《信息简史》的这一章确实比较“懵懂”,不知道老格在说啥。我的能力有限,难以用几句话把量子力学的思想大概介绍清楚,所以只能建议大家去读《上帝掷骰子吗——量子力学史话》

从逻辑上来看,量子力学与信息论是怎么走到一起的呢?
这个媒人大概就是“概率”以及蕴含在概率论中的概率思维,或者说人类对随机性的认识。

信息论前面已经说过了,熵的概念跟概率密切相关,而量子力学最具颠覆性的,就是以“海森堡不确定性原理”为代表的观点——人类从此失去了一个确定性的、可测量、可预测的世界!

《信息简史》这本书的标题以及标题后的()非常有意思,都是对一章内容的点睛之笔,而且两者真的是“相映成趣”,它们既是解开这一章核心思想的钥匙,也是考察你对这一章理解程度的准绳。

“信息是物理的”与“万物源自比特”乍一看似乎是矛盾的,这主要是因为我们通常对信息的认识都是“非物理的”,信息论中熵的概念,似乎打通了信息世界(信息科学)与物理世界(物理科学)的联系,这个我们前面专门谈到过,但后来的量子力学,对于这种程度的联系,恐怕要“呵呵”了,因为在量子力学看来,它只是修了一座桥梁或隧道而已。而量子力学,是将信息世界与物理世界统一了起来。如果按照这样的理解,这个标题的两句话可以解读为:因为从量子力学的观点来看信息是物理的,所以万物源自比特。量子力学的确是充满悖论的,同时也的确是毁三观的,这种观点摧毁了唯物主义,仿佛说世界的本源是信息,但信息又是物理的——那只能说信息先于物质但同时又依赖于物质,那么,究竟是蛋生鸡还是鸡生蛋呢?

这一章大概就是在重现历史上的上述纠结。

不如,我们就说几个细节,几个“好懂”的、与现实生活有联系的细节吧:

科学 2

那么,量子力学到底讲了什么?它的前世今生是怎样的?

1. 量子通信究竟是怎么回事?

量子力学处处都是悖论!这四个字会让绝大多数人“不明觉厉”、“敬而远之”,但同时出自量子力学的概念在我们日常谈资及科幻作品中又似乎比其他科学领域都流行,比如年前火了一把的“薛定谔的春节”,比如《星际迷航》中的一句“发送我吧”所实现的“星际传人”,似乎不远的将来,我们办个卡,biu的一声刷一下,就可以瞬间到达至少地球上任意地方的梦想已经快要实现了……

醒醒吧,骚年!
要知道,科幻是源于科学而高于科学的想像空间。以《星际迷航》为代表的科幻作品的流行,反倒是给公众造成了诸多“迷思概念”。量子通信其实与“传人”相去甚远,量子通信的基本原理叫做“隐形传态”(teleport),现实比想像骨感得多,就现在的科学发展水平而言,量子通信还不具备实用价值,局限多多,主要有以下三点:

  1. 量子通信传输的不是量子本身,也就是不能传递物质,只是量子的“状态信息”;
  2. 量子通信虽然可以在瞬间完成(与距离无关),但至少目前依然需要借助“经典信道”——即我们现实中的通信方式完成,而经典信道的最高速度是光速,因此,量子通信实际上其传输速度还是不能超过光速;
  3. 量子通信是“剪切”而非“复制”,你如果用量子通信的方式抄我的作业,我是不会同意的,你抄了,我的作业就毁了。

量子通信原理的发现过程也是充满悖论的,其初衷竟然是想“证伪量子力学”。1935年,爱因斯坦(Einstein)、波多尔斯基(Podolsky)和罗森(Rosen)提出了一个思想实验,后人用他们的首字母称为EPR实验。你可以制备两个粒子A和B并使它们处于“纠缠态”——简单说就是两个粒子的状态是互补的,你是上我就是下,你是左我就是右,你是风儿,我是沙(串了……)。然后把这两个粒子在空间上分开很远,任意的远,但由于它们是“纠缠态”的,按照量子力学的理论,当你对A进行测量的时候,A和B会同步发生变化。注意是同步,同步意味着不需要时间间隔、与AB间的距离无关,也就是速度无穷大。爱因斯坦他们的目的,就是运用量子力学的理论,推导出一个错误的结论——信息传递的速度超过光速,违反相对论,因此,就可以证伪量子力学的理论了。爱因斯坦他们还给这种“神同步”起了个名字,叫做“鬼魅般的超距作用”。

上述实验只是“思想实验”,当时想真做实验技术条件也达不到。可是到了1980年代,阿斯佩克特等人实现了这个思想实验,结果你猜怎么着?完全跟量子力学的预言符合!真的是你测得一个EPR对中的A是“上”的时候,B就变成了“下”!这下真的见“鬼”了!

但是,现实总是骨感的,虽然现实的实验验证了量子力学的理论,但就实际应用而言,还有很多限制,主要就是上面那3点,同时,受技术条件的限制,目前能够实现的传输距离也是非常有限的。

在量子通信的实现技术研究方面,我国科学家潘建伟院士领导的团队走在了世界前列:

科学 3

潘建伟院士

  • 1997年,潘建伟的老师、奥地利物理学家蔡林格带领的团队首次实现了传送一个光子的自旋。他们在《自然》上发表了一篇题为《实验量子隐形传态》的文章,潘建伟是第二作者。这篇文章后来入选了《自然》杂志的“百年物理学21篇经典论文”,跟它并列的论文包括伦琴发现X射线、爱因斯坦建立相对论、沃森和克里克发现DNA双螺旋结构等。
  • 2004年,蔡林格小组利用多瑙河底的光纤信道,将量子隐形传态距离提高到600米
  • 2009年,潘建伟的研究组与清华大学合作,在北京八达岭与河北怀来之间实现了16公里的量子态隐形传态,相当于此前世界纪录的27倍。
  • 2012年,潘建伟和他的团队实现了100公里自由空间的量子态隐形传输。
  • 2015年,潘建伟团队首次实现单光子多自由度的量子隐形传态,首次证明了一个粒子的所有性质在原理上都是可以被传输的。完整意义的量子隐形传态,应该说是2015年才实现的。英国物理学会新闻网站《物理世界》评选的2015年度国际物理学十大突破中,潘建伟团队的这一成果位列榜首。这是在中国本土完成的研究工作第一次获此殊荣。
  • 2016年8月16日,我国发射了世界上第一颗量子通信实验卫星——“墨子号”,潘建伟担任该项目的首席科学家。“墨子号”的主要研究目标是量子通信在实际应用方面最具吸引力的一项特征“信息安全”。量子通信在理论上决定了信息在传输过程中是无法被窃取的,因此这也成了当前信息安全领域最具潜力的研究方向。

正如有了牛顿定律并不意味着人造卫星马上可以实现一样,量子通信在技术实现上还有很长一段路要走。但当今的科技发展速度,这个时间显然要比从牛顿定律到人造卫星短得多。

我想说量子内裤的内裤肯定是真的,但是量子是不是真的,我只想说:呵呵!!

怀着对科学的敬畏之心,本人希望化繁为简、以最平实易懂的语言,写下量子力学的发展以及普通人怎样能看懂量子力学,和大家一起掀开量子力学的神秘面纱。

2. 量子计算机究竟是怎么回事?

说完量子通信,再来说说量子计算机。

量子计算机之于电子计算机最具革命性的地方就是天生具有超强的并行处理能力

薛定谔的猫在同一时刻可以既是死的又是活的,这反映了量子的一种特性——“叠加态”。传统的计算机存储器,1比特的存储空间,只能存储0、1两种状态中的一种,也就是同一时刻要么是0,要么是1,不能“叠加”,而量子比特则可以同时存储两种状态。

这样一来,我们所熟悉的存储空间的计算方法就彻底被突破了,我们熟悉的是n位二进制可以表示的范围是2n,但同时只能表示一个n位二进制数,但如果是\*\*n位量子存储器,则是可以同时存储2n个数据!**

我们都知道,指数的增长是非常可怕的,按照上述原理,只需250位的存储空间(由250个原子组成),就能存储2^250个数据,这比现在已知的宇宙中全部原子数目还要多!

学过一点编程的人都知道,现在的计算机某一时刻只能操作一个数据(所谓多任务乃至超级计算机实质上都是多个CPU并行工作,就单个CPU而言,依然是某一时刻只能操作一个数据),然而量子比特的上述性质,就使得同时对2n个数据变为可能,这就相当于2n个CPU同时工作!

以上是理论,现实的情况依旧骨感。我们都知道,电子计算机用于实现0、1两种状态的是电压,这是一种宏观的物理量,而量子计算机实现0、1两种状态的,是靠操纵微观世界的量子,这在技术实现上来说还有不小的难度。

就在这个月(5月3日),我看到一条新闻,标题是“我国量子计算机研究取得重大突破
首次超越早期经典计算机”
。这让我感到很困惑,因为在我的心目中,量子计算机的速度与现在的计算机不可同日而语,为什么仅仅超越了“早期经典计算机”就是“重大突破”?再仔细看新闻的内容,更迷糊了:说白了,这里的“早期经典计算机”就是我们都非常熟悉的第一台电子管计算机ENIAC和第一台晶体管计算机TRADIC,而这台量子计算机,比它们快了10-100倍,就被视为“重大突破”了!

现在新闻从业者的科普意识和科普能力均有待提高,这样的报道相信大多数人会和我一样无法理解。在好奇心的驱使下,我在网络上搜了一圈,方才有点明白。

其实就是上面所说的那个2^n的原理,n的大小直接决定了量子计算机的性能。这个n其实就是我们可以操纵的量子数,然而,精确操纵量子在目前来看还是非常困难的,以下这个数据,是人类在这方面前进的步伐:

多粒子纠缠的操纵作为量子计算的技术制高点,一直是国际角逐的焦点。在光子体系,潘建伟团队在国际上率先实现了五光子、六光子、八光子和十光子纠缠,一直保持着国际领先水平。在超导体系,2015年,谷歌、美国航天航空局和加州大学圣芭芭拉分校宣布实现了9个超导量子比特的高精度操纵。这个记录在2017年被中国科学家团队打破。

上述新闻中报道的就是潘建伟团队取得的成果,他们首次将n提升到了10。

科学 4

潘建伟团队所实现的量子计算装置原理示意图

当光子数达到20个时,量子计算机就可以打败常用的个人电脑。当光子数达到50个时,可以超越当前超级计算机的速度。而当光子数达到100个时,量子计算机可以轻松达到任何经典计算机都望尘莫及的速度。

你也许会问,要这么快的计算机有啥用?

用处大了!现在很多现实问题依然受制于计算机的运行速度,比如高精度的天气预报,用于预报天气的数学模型即使能做到100%的准确率,试想计算明天的天气如果需要的时间超过24小时的话,还有任何意义吗?

另外一个需要超强计算能力的就是加密与解密,这可是与信息社会每个人的切身利益密切相关的。这又是一个复杂的话题,长话短说吧。下面是当前普遍采用的“非对称加密算法”的原理,它的优势在于不需要传递密钥(私钥),避免了密钥泄露的风险,其加密过程是这样的:

  1. 乙方生成两把密钥(公钥和私钥)。公钥是公开的,任何人都可以获得,私钥则是保密的。
  2. 甲方获取乙方的公钥,然后用它对信息加密。
  3. 乙方得到加密后的信息,用私钥解密。

因此,如果公钥加密的信息只有私钥解得开,那么只要私钥不泄漏,通信就是安全的。

关于这个算法的科普,大家可以参见这里:
RSA算法原理(一)
RSA算法原理(二)

这种加密算法的底气在哪里呢?就是要想解密,必须完成一个大数的质因数分解,而这个工作,现在的计算机来做,是非常耗时的,耗时到一定程度,也就可以说这种加密方法的破解,在现实中是不具备可操作性的了

这里所说的大数有多大呢?上亿?亿亿?亿亿亿?

别想了,翻到362页体验一下吧:

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我上网查了下,各种“量子产品”,“量子内衣”、“量子床垫”、“量子眼镜”、“量子饮料”“量子杯”等等,不由得让我想起来我以前看专利网那些让人苦笑不得专利。


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这其实只是一个形如C=A×B的简单乘法算式。

2009年12月,一个由来自瑞士洛桑、荷兰阿姆斯特丹、日本东京、法国巴黎、德国波恩以及美国华盛顿州雷德蒙德的科学家组成的团队,动用几百台机器花费了近两年的时间,才将这样一个“大数”分解为两个质数的乘积。

仅仅是一个232位整数,当前实际加密算法采用的是1024位整数,重要场合采用的是2048位整数。据估算,按照当前的计算速度,500位的整数进行质因子分解,就需要4.2×10^17亿年!简直不可想像!

一旦量子计算机及相应的量子算法发展成熟,这个问题的求解时间将呈指数趋势缩短,短到一定程度,在可接受的时间内实现破解,这个作为现在信息安全基石的加密算法就形同虚设了

换句话说,哪个国家率先研制出这样的量子计算机,全世界在它的面前就都是“透明”的了,细思极恐啊!

量子内裤

回到量子内裤本身,贴吧还有帖子正正经经解释量子内裤的原理以及作用。通过量子感受周围环境温度的变化,改变其能量波的频率来达到控温恒温功效。温度高时量子能量波振动频率高,吸收能量而降低温度;温度低时振动频率低,释放能量而发热提高温度。这里的解释真的可笑,连量子到底是什么都不知道就敢大放厥词,再上十年物理课再谈吧!

科学 5

还有许多解释,大家直接看图吧!什么量子能量波与神经元共振?真的忍不住黑人问号脸!

科学,1、

科学家的辟谣

其实这种骗局并不是没有科学家辟谣,查了查资料我国量子之父潘建伟老师就曾说过:“现在民间有一些厂家利用量子的概念来推荐量子包装的保健品。这些几乎都是假的,不要受骗上当。”

但是为什么量子类产品还是层出不穷,还总是有人相信呢?其实在我看来主要有以下原因:

一、给普通的产品镀金,提高价值。

不得不说量子虽然并不是所有人都能理解的,但现在看来人们越来越相信科学,因此往往挂上量子的事物总会让人感到高端。

二、量子力学本身难以理解

因为量子力学本身的难以理解,所以大多数人对其只听过但并不了解!这就给一些不良商家提供了机会,他们将原理胡编乱造一番,乍一看还感觉很有道理的样子!因为对大多数来讲看不懂的就是科学,量子内裤听起来不明觉厉。

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三、监管力度不够

我国法律中并不是对这类事件没有规定,但是这些产品还是屡见不鲜。其中一部分原因就是监管部门的懈怠。老人、小孩或者并没有受高等教育的人不能分辨真假,难道在已经有科学家辟谣的情况下监管部门还分辨不了?

总之,关于内裤这个东西大家就安安稳稳的买一些材质舒适的就行了,对于这种量子,磁力附加各种功能的内裤一定要谨慎!返回搜狐,查看更多

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大地沐浴阳光,万物生长。

“光”是什么?却千百年来,人类受益于光的恩赐。却不知光到底为何物,只能做出一些猜想。

人类对于光的无知,直到1655年开始有所改变。英国的博物学家胡克,提出了光的波动说,他认为光是一种波,与水波相似。荷兰人惠更斯发表《光论》,发扬了这一理论。

他们的反对者,是牛顿。他提出了光微粒说,认为光是极小的微粒,遵循运动定律。

两派观点争执不下,但都有瑕疵。

按照牛顿的观点,光是微小的颗粒。他合理解释了光的直线传播和反射性质。对于光的折射和衍射,牛顿的解释并不令人满意。

惠更斯等人认为,光是波。那就需要有传播的媒介,像声波通过空气、水波通过水来传播。但是真空中没有物质,光是如何进行传播的呢?

他们说,在所有空间中都存在一种看不见的物质,叫做“以太”,光就是通过“以太”进行传播的。可是,如果“以太”真的存在,那么地球以每秒30公里的速度公转,我们应该可以感受到迎面吹来的“以太风”。大量的实验证明,并没有“以太风”吹来。

由于牛顿无与伦比的学术地位,他的粒子理论占据了主导。在此后100多年中无人敢于挑战,而惠更斯的理论则渐渐为人淡忘。

1801年,托马斯·杨进行了一项著名的实验——“双缝实验”。

实验很简单。

把一束光投射到一块背景板上,前边放置另外一块开有两个相邻缝隙的板子。

如果光是粒子,那么,实验的结果应该是背景板上投射出两条大约相同的狭窄光束。可实验结果大大出乎人们意料。

背景板上的投影却是很多条。这对于光粒子说就是灾难。

因为这样的现象,是波的表现。

当我们观察水波时会发现,两个水波重叠的地方,波峰遇到波峰时水波会更高,波峰遇到波谷时候,会相互抵消消失。这种常见现象叫做干涉。

只有波才会有干涉。

实验所使用的背景板上明暗相间的黑白条纹证明了光的干涉现象,从而证明了光是一种波。双缝实验彻底动摇了光粒子说的统治。

此后的50年间,光的波动说进一步发展。到十九世纪中期,开始主导科学思潮。人们认可了光是一种波,不是粒子。


2、

19世纪物理学大发展,科学家们认为人类对于物理学的掌握已经趋于完美,再进行研究,不过是在已知结果的小数点后加上几位而已。

德国人普朗克的老师也这样劝导他,奉劝他不要去学纯理论物理,他没有被两位导师的建议说服。

19世纪的最后一天,1899年12月31日,物理学家凯尔文发表迎接新世纪的演讲:“19世纪已将物理学大厦全部建成,今后物理学家的任务就是修饰、完善这座大厦了。”

普朗克无心为此高兴,他正在为一个6年还没有解决的计算问题头疼不已。

当时的物理学家总结出的两个公式,都不能准确的计算物体发出的辐射。一个可以在辐射的长波部分计算出结果,另外一个公式可以在辐射的短波部分算对,可是一旦到相反的波段,答案就谬之千里了。

普朗克不能理解其中奥义,他的研究陷入了长期的困局。

“走投无路”的普朗克想,不然先强行的把两个公式凑成一个满足所有波段的公式吧,然后倒着推理,看看是什么结果。

结果是,如要想让组合在一起的公式成立,那么物体发出辐射时,能量就不能是连续的,而是以一个微小数量的整数倍跳跃式的变化,也就是说能量的变化是一份一份的。

1901年,他把计算的结果发表,在论文中,他把这一份一份的能量起名为“量子”。

其他的科学家验证出了普朗克的正确性,量子力学自此诞生,普朗克成为了“量子之父”。


3、

1880年之后,爱迪生改良后的电灯泡开始大面积的推广。人类对于光的利用达到了前所未有的高度。

德国人赫兹发现,用紫外线灯光照射金属,里边的电子会被激发出来形成电流。光生成了电。

赫兹称其为“光电效应”,他却做不出解释。

1905年,在物理学界被称为“爱因斯坦奇迹年”。爱因斯坦在这一年中,发表了5篇划时代的重要论文。其中一篇关于“光电效应”的论文,直接成就了爱因斯坦获得诺贝尔奖。

爱因斯坦在论文中,重新提起光的粒子说。按照光粒子说和量子概念,光应当是由一份一份不连续的微小颗粒组成,他起名叫“光量子”,简称光子。

当某一光子照射到灵敏的金属上时,它的能量被金属中的某个电子吸收。电子的动能增大,克服了原子核对它的引力,飞出了金属表面,成为光电子,形成光电流。

爱因斯坦对于光电效应的解释,震动了已经普遍认可光波动说的物理学界。

一系列实验验证了爱因斯坦的正确性,人们开始意识到光同时具有波和粒子的双重性质。对于光是什么,这一持续近300年的争论,终于以一个神奇概念的产生而宣告终结——光的波粒二象性。

科学家获得了新的思路,原来一种物质是可以同时具有两种截然不同性质的。波粒二象性就像一把钥匙,微观世界的大门被打开了。物理学家进一步发现,基本粒子都是具有波粒二象性的。

经过几十年孜孜不倦的研究,量子力学与已经沿用近300年的经典物理理论之间的矛盾日益明显。

之所以出现这样的局面,是因为科学家发现的量子现象,在宏观世界中都不曾出现。量子力学和经典力学的对立,实质是微观世界和宏观世界对立的缩影。

难道同一个世界,不应该有同一个理论吗?

爱因斯坦开始提出质疑。量子力学过于玄幻,提出的概念实在令人费解。爱因斯坦是量子物理的奠基人之一,但此时,他站出来对量子力学本身的一些基本概念和完备性提出深刻的否定。

量子物理学家们却并不认同他。新兴的量子力学成绩斐然,不容置疑。在各种学术期刊中充斥着火药味,好像这些科学家万一碰面,必然会有火星撞地球般的激烈雄辩。很快,这样的会面,真的来了。


4、

“地表最强”物理学家大辩论

1927年,比利时。著名的第五届索尔维会议。

这是物理学史上最伟大的一次聚会。如华山论剑,江湖上顶尖高手悉数到场,都是物理学各个分支的旗帜性人物。照片中与会的29人,有17人都先后获得过诺贝尔奖,被称为物理学的“全明星”盛会。

在照片中,爱因斯坦居中而坐,可见其当时在学术界的地位。他以因果论为武器,展开对量子力学现状的分析,指出量子力学研究不尽如人意。

所谓因果论,就是任何事物的产生和发展都有一个原因和结果。这是天衣无缝的真理。

爱因斯坦的支持者有薛定谔和德布罗意。

他的反对派人数众多,他们有个统一的名号——哥本哈根学派。掌舵人是波尔,他为量子力学奠定了重要的理论基础。特别值得一提的是,波尔曾经到访中国,他在自己的族徽中,放上了中国的太极图。波尔认为太极完美的诠释了自己的互补原理。好像光的波粒二象性,波和粒的属性是互补的。

波尔带领着一批30岁左右才华横溢的年轻人,玻恩、海森堡、泡利、狄拉克等都是这个学派的主要成员。他们对量子力学的解释被称为量子力学的“正统解释”。

哥本哈根学派的辩据,是基于计算的概率论。在量子世界里,结果经常不是明确的,而只是一种概率。

我们举例来说明,例如“量子隧穿效应”。

在两块金属中间夹一层绝缘层,一般都认为电子不能通过绝缘层。但哥本哈根学派说,电子通过绝缘层是存在概率的。经过计算,可以得出概率的数值。这就是“量子隧穿”。如果放到宏观世界,人能不能穿墙?按照量子隧穿,宏观物体也能发生隧穿效应。人也可能穿过墙壁,但要求组成这个人的所有微观粒子都同时穿过墙壁,实际上几乎是不可能的。但从概率上说,人可以穿墙。

爱因斯坦对于这样的概率说嗤之以鼻。概率的存在,只是量子力学理论不完整的证明。量子力学并没有找到完整描述微观和宏观世界的理论。

“上帝不会掷骰子”,爱因斯坦这样说。

“爱因斯坦,别去指挥上帝该怎么做!”波尔回击。


5、

在第五届索尔维会议上,爱因斯坦没有取得胜利,甚至可以说失败了。他并不甘心,三年以后的第六届会议,他卷土重来。

爱因斯坦总结经验,放弃了对于具体案例的探讨,把矛头指向哥本哈根学派的理论基础——“测不准原理”。

我们简单介绍下这一原理。人们为了直观理解原子内部,会画一个这样的示意图。

电子围绕原子核旋转,看上去像行星围绕太阳旋转。

但这是错误的,轨道根本不存在。事实上,原子内部的样子更像这样。

像一团云雾,科学家形象的称之为“电子云”。这看上去密密麻麻的云雾,其中的电子其实只有极少的几个,甚至是1个。

出现云雾状,是因为电子在原子狭小的空间内以接近光速运动,看到的只能是一团云雾。

测不准原理说的是,在原子内部,电子的运动毫无规律,我们知道电子的位置时,却不可能知道它的速度。位置和速度,不能同时知道,这与描述宏观世界的经典物理学是相悖的。例如我们可以计算出任意时刻,地球围绕太阳轨道运行的速度和位置。

爱因斯坦相信,只是我们缺乏观测的手段和合理的公式,不存在这样的测不准原理。

每天在旅馆用早餐时,科学家们见面,爱因斯坦就描绘一个思维实验,他认为从中可以清楚看出哥本哈根学派解释的矛盾。

玻尔在傍晚的时候就对这些理想实验做出了解释,他会在晚餐时分析给爱因斯坦听。

爱因斯坦对这些分析提不出反驳,但在心里他是不服气的。

第六届索尔维会议,爱因斯坦再次以失败告终。

由于第二次世界大战一触即发,爱因斯坦被德国纳粹迫害而逃亡美国,没有出席三年后的第七届索尔维会议。

量子力学的索尔维会议结束了,然而关于量子力学的争论仍在继续。


6、

1935年,爱因斯坦和他的支持者向哥本哈根学派发起了总攻。

爱因斯坦围绕量子纠缠展开质疑。

所谓量子纠缠,是量子世界中又一奇妙的现象。科学家发现,在同一特殊反应中能够生成两个且只有两个相互纠缠的量子,这两个量子如孪生一般,对其中一个发生作用,另外一个会同时做出相同的变化。比如一对相互纠缠的电子,如果他们的纠缠方式是反向纠缠,一个正向旋转,那么另外一个必然反向旋转。假设你将前边的电子改为反向旋转,那么另外一个会同时变为正向旋转。而且,这两个电子无论相聚多远,哪怕是银河系的两端,也不能阻碍他们同时发生变化。

他们之间是如何联系的呢?这种联系速度甚至达到光速的十倍。这不科学。因为按照相对论,光速无法被超越。爱因斯坦把这种鬼魅般的联系称为“幽灵作用”。

诚然,直到今天,我们还没有确凿证据找到能超越光速的物质。所以,哥本哈根学派告诉爱因斯坦,世界本来就是这样的。

爱因斯坦的主要支持者薛定谔,更是提出了一个对于哥本哈根学派如同噩梦的实验——“薛定谔的猫”。

既然量子力学的理论都是解释微观状态,那如何与宏观世界结合呢?薛定谔假设,在一个箱子里,放一个原子核,原子核是个量子级概念,它在不确定的时间内会自发的产生衰变,谁都无法预测衰变的准确时间。箱子内设计一个机关,当原子核衰变时,将联动一把锤子,打破装有可以毒死猫的毒气瓶。箱子里边放一只猫,然后把箱子盖上。请问,过一段时间后,箱子里装着的是一只活猫还是死猫?

按照哥本哈根学派的理论,观察行为会改变物质变化的状态。好,那不观察呢?

对此,哥本哈根学派只能吞下苦水,承认那只猫是处于半死不活的混合态。

波尔和爱因斯坦的论战,也是量子力学和经典力学的论战。争论虽然直到今天输赢也没有定论,却促进了量子力学的发展和完善。

论战使哥本哈根学派的思想广泛流传。

科学家们并未停步,他们聪明的绕过了研究谁对谁错,而是选择忠于实验结论和计算结果。问到量子力学的原理,大多数物理学家会说“闭嘴,乖乖计算”。

波尔说:“我们称之为真实的一切,都是由我们不能称之为真实的东西组成。”量子力学,充满许多匪夷所思的怪论,但是,一切的实验和计算,都验证出它是对的。原理如何,无人知晓;事实证明,爱因斯坦错了。

根据量子力学的方程,人们设计了可以控制微小电流的开关,应用到激光、晶体管、集成电路等电子工业的大多领域。可以说量子力学如果不成立,那么我们的电脑、手机、相机等等电子元器件将统统失灵。没有量子力学的世界,我们只能回到蒸汽时代。


7、

以上就是简单的量子力学发展过程。近年,量子力学一词,出现的越来越频繁。我们普通人,怎么能够容易理解量子力学呢?如果我们能够打破几个定势思维,同样可以走进量子力学的奇妙世界。

颠覆思维之一、量子化无处不在

从量子的名字看,很多人看到叫“子”,就认为是一种微小颗粒。在理解量子时,请忽略后边的“子”字,而看前边的“量”字。量子,拉丁语本意为“有多少”,代表“一定数量的某物质”。

量子力学,虽然研究基本粒子,但是量子化,却是宇宙的属性。大到行星、小到细胞,最终分解都是可以量子化的。甚至人类的思维,科学证明,我们的意识同样不是连续的,每隔0.042秒就有微小的断开。那么我们的意识就可以视为以0.042秒为一份的量子化意识。

我们所处的宏观世界是由微观世界组成的,两者并无清晰的界限。哪怕我们人体,同样由微小的原子组成。按照波粒二象性,如果告诉你,人同样是由波组成的,也并不需要意外。这在德布罗意的“物质波”理论中,已经有了答案。

另外,抽象到如空间,也可以量子化。空间的量子化,产生了虫洞。虫洞的概念,是说我们只要有足够大的能量,就可以打开单位空间之间的间隙,依靠这样的虫洞,可以进行时间旅行、空间转移。这并不是科幻,至少从数学的推算中可行。虫洞也叫“爱因斯坦-罗森桥”,由爱因斯坦及罗森在研究引力场方程时推算得出。

如太极的玄妙,宏观和微观相互交融,并非对立。解释宏观世界的经典物理学,和解释微观世界的量子力学,现在还极不相融,没有达成一致,但已有科学家通过实验开始把彼此归于统一。由此,可能会产生更加奇妙又伟大的理论。

颠覆思维之二:没有唯一的真理,甚至在科学中

苹果砸到牛顿的头时,他发现了万有引力。今天我们知道,扔一个苹果,只要有足够大的能量,甚至可以把苹果扔出地球。这对于古代人,无法想象。

认知没有止境时,真理就是相对的。

假设世界只是一个平面,我们都是二维平面人,那么我们甚至都不能理解,在一个三维世界的地上出现了两个脚印是什么原理。还好,我们本身是三维的,知道脚印的上边是一个完整的人。那量子纠缠的超远距离“幽灵作用”是什么原因呢?科学家目前的解释有分歧,有些认为光速并不是极限速度,“幽灵作用”是超光速传导产生的;而也有科学家认为,宇宙本身是11维度的空间,“幽灵作用”是由于那些被压缩在空间内的、我们看不到的维度影响产生的。

原理虽没澄清,但利用量子纠缠现象,我国已经于去年8月发射了量子通讯卫星,领先全球。

量子力学正在渗透到科学的各个领域。例如生物学家甚至证明,我们的嗅觉,不是由我们一般认为的,闻到物品的分子产生,而是像我们的耳朵一样,“听到”了物品中亚原子颗粒的波动来加以区分。量子生物学正在颠覆传统生物学。

科学的研究还在继续,可以肯定的是,我们看到的世界,并不是它的全部。

颠覆思维之三:没有绝对的存在,概率才是真实的面貌

如果你在北京,对于我来说,你在北京的哪里呢?量子力学的解释是,你在北京的任意一个地方。就如我们想知道一个电子在原子中的位置,电子是以波的形式存在于整个原子空间里,直到你去观察时,才会具体的出现在一个点上。同样,我没有观察或者没有被告知时,你就如电子一般,在北京的任意一个角落都有存在的概率。

量子力学目前不能准确的解释这种逻辑,他们说这就是真实的世界。

这种概率存在的意义,目前在量子计算中显的更为实用。

我们都知道,现代计算机的数学基础是二进制。计算机二进制中,一个单位信息叫一个比特。一个比特可以是0,或者1。如果我输入2个比特01,通过传输后,它依然是01。量子比特则不同,我输入两个最小单位的量子比特,这两个量子比特都有可能是0,也都有可能是1,概率均等。这时,输出的结果也不再是单一信息,而是四个可能,00、01、10、11。量子计算给了我们四个概率相等的、可供选择的、不确定的答案。这可以简单认为就是量子计算的原理。

2个量子比特信息,答案是2的2次方个;3个量子比特,就是2的3次方个;……20个量子比特,就是2的20次方个,也就是100多万个。

量子计算,会随着量子比特增加,呈几何级数增长。比如我们想从100万个不同比特信息中找到我们想要的一个,量子计算机不会像经典计算机一样逐个检索,而是同时检索100万个答案。只要设定一下条件,计算机可以在一秒内找到这个比特信息。

这就是在5月3日我国宣布研发成功的量子计算机的计算能力。因为我国科学家,实现了10对纠缠状态下的量子计算,10对——20个量子,在计算中就是20个量子比特。

想要判断量子计算到底牛不牛,学术界有三个达成共识的指标性节点:计算能力超越早期经典计算机是第一步,再是超越我们使用的个人电脑,最后是超越超级计算机。

我国科学家在全球率先完成了最困难的第一步。

量子计算机离我们已经如此之近。

量子力学理论从量子一词诞生,到今天有117年的历史。量子力学已让我们的生活翻天覆地。随着对于量子力学研究的深入,实用化的量子产品终将迎来井喷的一天。

波尔说:“如果谁不曾对量子论感到震惊,他就根本没有理解它。”

我们对于量子的无知,就像300多年前,人类对于光的无知一样。人类探索量子世界秘密的过程,智慧之花也在悄然绽放。

也许,在未来的某一天,人类完全理解了量子的世界,才发现量子力学这门超现代科学本身,正是生命古老的事实。

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