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量子物理的實(shí)驗(yàn)和哲學(xué)基礎(chǔ)
我今天演講的題目很大，叫做《量子物理的實(shí)驗(yàn)和哲學(xué)基礎(chǔ)》。乍聽(tīng)起來(lái)這兩者似乎沒(méi)有什么關(guān)系，不過(guò)我會(huì)向你們解釋我的意思的。在量子力學(xué)剛開(kāi)始出現(xiàn)的時(shí)候，對(duì)這個(gè)理論的意義就有過(guò)相當(dāng)激烈的哲學(xué)上的爭(zhēng)論。我想推薦大家去閱讀一個(gè)非常有趣的例子，因?yàn)樗芗?dòng)人心，那就是波爾和愛(ài)因斯坦的對(duì)話。愛(ài)因斯坦試圖保持關(guān)于這個(gè)世界的經(jīng)典的觀點(diǎn)，但波爾卻說(shuō)這是絕對(duì)不可能的。在他們的爭(zhēng)論中，一個(gè)被稱(chēng)為Gedanken實(shí)驗(yàn)的問(wèn)題占有顯著的地位。Gedanken的意思是思想，就是說(shuō)只是在頭腦中進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)。因?yàn)楫?dāng)時(shí)的技術(shù)還不夠發(fā)達(dá)，不可能在現(xiàn)實(shí)中進(jìn)行這種實(shí)驗(yàn)。在過(guò)去的三十年中，有一個(gè)有趣的進(jìn)展，那就是這種實(shí)驗(yàn)成為可能。在單個(gè)量子系統(tǒng)，對(duì)單個(gè)粒子進(jìn)行的基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)，證明了過(guò)去量子力學(xué)所做的那些奇怪的預(yù)言都是正確的。我只說(shuō)兩點(diǎn)有趣的情況，等一會(huì)我還要談及它們。單粒子干涉，由單個(gè)粒子而不是多個(gè)粒子所形成的干涉。還有貝爾定理。貝爾定理是關(guān)于世界本質(zhì)的定理，非常深?yuàn)W。我說(shuō)過(guò)這類(lèi)實(shí)驗(yàn)室是在三十年前開(kāi)始的，其中許多實(shí)驗(yàn)室靠激光技術(shù)的發(fā)展才有可能進(jìn)行。進(jìn)行這種實(shí)驗(yàn)只是出于哲學(xué)上的考慮，是為了想看一看量子力學(xué)有多么奇怪。但僅僅十年的時(shí)間，由這個(gè)目的出發(fā)，結(jié)果卻使包括我在內(nèi)的許多人大吃一驚，也就是說(shuō)，我們自己也驚奇地發(fā)現(xiàn)，我們已經(jīng)以這種方式為新技術(shù)的發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。這些新技術(shù)以諸如量子計(jì)算、量子通訊等名稱(chēng)而嶄露頭角，其基本的概念是以量子的方法來(lái)處理并傳輸信息。最初在三十年前，人們有了使這類(lèi)實(shí)驗(yàn)成為可能的條件，例如，實(shí)現(xiàn)了一個(gè)歷史上的Gedanken實(shí)驗(yàn)，就是在波爾和愛(ài)因斯坦的爭(zhēng)論中出現(xiàn)的那個(gè)著名的Gedanken實(shí)驗(yàn)，所謂的雙柵實(shí)驗(yàn)。這里是一條縫，這里是第二條縫，后面是一個(gè)觀察屏。如果你從這里發(fā)射光線，它就會(huì)從兩條縫中通過(guò)，在后面就形成了明暗相間的條紋。如果你知道光是一種波，那么這種明暗條紋是很容易理解的。在暗的地方，通過(guò)兩條縫的光線相互抵消，在明的地方，光線相互增強(qiáng)。這種實(shí)驗(yàn)是沒(méi)有任何問(wèn)題的，但是當(dāng)你用單個(gè)的粒子，也就是光的單個(gè)量子來(lái)進(jìn)行這個(gè)實(shí)驗(yàn)時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生一些哲學(xué)上的問(wèn)題。例如，粒子會(huì)通過(guò)這兩條縫的哪一條，或者當(dāng)這個(gè)粒子通過(guò)某一條縫時(shí)，你怎么知道另一條縫時(shí)開(kāi)著的還是關(guān)著的。如此等等。我等一會(huì)再來(lái)說(shuō)這個(gè)問(wèn)題。事情往往是這樣，通過(guò)這個(gè)實(shí)驗(yàn)，又產(chǎn)生了一些過(guò)去的討論中所沒(méi)有想到的新實(shí)驗(yàn)的可能性，并以此為基礎(chǔ)，產(chǎn)生了新信息技術(shù)的新觀念，我們現(xiàn)在所做的也是在探索量子力學(xué)的現(xiàn)實(shí)性范圍。正如你們中的一些人也許不懂得量子力學(xué)是怎么一會(huì)事，據(jù)我所知這是個(gè)普遍現(xiàn)象。
量子物理學(xué)是德國(guó)物理學(xué)家麥克斯·普朗克于1900年在柏林提出的。他為了解釋某些光學(xué)現(xiàn)象，不得不設(shè)想光是由量子所組成的，也就是單個(gè)的粒子，而且量子是不可分的。我想提一下，量子力學(xué)現(xiàn)在已經(jīng)成為許多現(xiàn)代高科技的基礎(chǔ)。例如激光，如果不靠量子物理學(xué)是無(wú)法理解激光的，這是激光系統(tǒng)，也不可能理解半導(dǎo)體，所以說(shuō)計(jì)算機(jī)也來(lái)自于量子力學(xué)。如果沒(méi)有量子力學(xué)也不可能理解磁性，而且量子力學(xué)還可以解釋某些化學(xué)現(xiàn)象，所以這是一個(gè)普遍適用的非常精確的理論。美國(guó)的諾貝爾獎(jiǎng)獲得者杰克·斯坦博格曾經(jīng)估計(jì)，可能在當(dāng)代的經(jīng)濟(jì)中，三分之一的國(guó)民產(chǎn)值都以某種方式來(lái)自于一量子力學(xué)為基礎(chǔ)的高科技。那么問(wèn)題在哪里呢？理查德·費(fèi)曼很好地表述了這個(gè)問(wèn)題：“我認(rèn)為我可以肯定地說(shuō)，現(xiàn)在沒(méi)有人理解量子力學(xué)”。理查德·費(fèi)曼是有資格這么說(shuō)的，因?yàn)樗虬l(fā)明了一個(gè)量子物理學(xué)的公式而獲得諾貝爾獎(jiǎng)，所以他知道自己在說(shuō)什么。同樣地，還有一個(gè)人說(shuō)：“這個(gè)理論非常精確，難以置信地精確，并具有難以置信的數(shù)學(xué)之美，但是荒謬之極”。而說(shuō)這話的人也是一位著名的物理學(xué)家，他就是羅杰·彭羅斯。你們也許讀過(guò)他的書(shū)，對(duì)他有所了解。所以只有那些搞實(shí)驗(yàn)的人才對(duì)量子力學(xué)的意義感到滿(mǎn)意。
我想說(shuō)一下，第一個(gè)批評(píng)量子力學(xué)新理論的人是阿爾伯特·愛(ài)因斯坦。在1909年他就開(kāi)始批評(píng)量子力學(xué)了，這是很早了。因?yàn)樵谘Χㄥ姾秃Ｉぬ岢鲂碌牧孔永碚撝�，他就是少�?shù)幾個(gè)使用量子力學(xué)的人之一，他本身就置身于量子力學(xué)的研究之中。他在哥本哈根舉行的德國(guó)物理學(xué)大會(huì)上表示，他對(duì)量子力學(xué)所表現(xiàn)出的新的隨機(jī)性感覺(jué)很不舒服。我們所說(shuō)的隨機(jī)性是指單個(gè)事件的隨機(jī)性，但是量子力學(xué)中的隨機(jī)性與經(jīng)典物理學(xué)中或日常生活中的隨機(jī)性相比，具有新的性質(zhì)。我們知道在量子力學(xué)中，隨即事件不但是沒(méi)有原因的，而且連隱藏在背后的原因也沒(méi)有，沒(méi)有那種雖然我們不知道，但大自然卻可能知道的原因。沒(méi)有！在量子力學(xué)中，偶然事件連哪怕是隱蔽的原因也沒(méi)有。這就是量子力學(xué)使愛(ài)因斯坦不舒服的原因之一。我想提一下，現(xiàn)在量子力學(xué)的情況時(shí)，對(duì)它有很多種解釋。應(yīng)該說(shuō)在談到量子力學(xué)時(shí)，有兩個(gè)不同層次的解釋。一個(gè)層次是形式上的解釋?zhuān)磾?shù)學(xué)公式以及其如何與實(shí)驗(yàn)結(jié)合，在這方面沒(méi)有什么問(wèn)題。但是如果要尋求深層的解釋?zhuān)绻獑?wèn)量子力學(xué)對(duì)理解這個(gè)世界有何意義，它有什么意義嗎？這是人們可能要問(wèn)的問(wèn)題，那么在物理界就有很多分歧了。所謂的哥本哈根解釋?zhuān)袝r(shí)也被稱(chēng)為正統(tǒng)的解釋?zhuān)苯恿水?dāng)?shù)卣f(shuō)，對(duì)量子體系賦予性質(zhì)時(shí)要特別小心，只有在極少數(shù)的情況下才可以這么做。多個(gè)世界的解釋在對(duì)量子力學(xué)進(jìn)行衡量時(shí)要表現(xiàn)出多個(gè)假設(shè)的世界，即使沒(méi)有其他毛病，這至少也是一種不經(jīng)濟(jì)的解釋。還有其他一些解釋?zhuān)揖筒辉敿佑懻摿�。以我之�?jiàn)，我認(rèn)為在深層次上至今還沒(méi)有什么理解。
讓我們?cè)倩氐綄?shí)驗(yàn)上，我們?cè)賮?lái)討論一下雙柵干涉實(shí)驗(yàn)。我在前面說(shuō)過(guò)，如果我們從左面這里發(fā)射光線，通過(guò)這兩條縫，就形成了這種干涉條紋，由于波的干涉而形成明暗交替。問(wèn)題是，我們通過(guò)普朗克知道了光是由粒子組成的，那么就似乎應(yīng)該問(wèn)這么一個(gè)問(wèn)題，一個(gè)單個(gè)的粒子會(huì)穿過(guò)那條縫，然后會(huì)出現(xiàn)什么情況？因?yàn)樽詈蟮膱D形畢竟是由許多單個(gè)的粒子組成的。愛(ài)因斯坦試圖證明，可以知道粒子是從那條縫中通過(guò)的，而且如果收集許多的粒子，就會(huì)形成這種圖形。但是波爾已經(jīng)證明他錯(cuò)了。這是給實(shí)驗(yàn)者提出的問(wèn)題，實(shí)驗(yàn)者對(duì)這種實(shí)驗(yàn)做何反應(yīng)呢？我要說(shuō)明一點(diǎn)，這種實(shí)驗(yàn)?zāi)壳耙呀?jīng)用多種放射性物質(zhì)做過(guò)了，許多種粒子，而不僅僅是光線。
我們?nèi)昵白隽肆硪粋�(gè)實(shí)驗(yàn)，直到，今天是星期幾？今天是星期三，直到五天前才完成，這是個(gè)世界紀(jì)錄。我們得到了一些更好的結(jié)果。這是用碳60和碳70分子做的，這是在1985年發(fā)現(xiàn)的著名的富勒烯。我們實(shí)驗(yàn)的主要目的是顯示生物分子的量子干涉。我們要做的是顯示很大的分子在這種雙柵實(shí)驗(yàn)中所形成的量子干涉，使分子盡可能地像生物分子那么大，為什么？理由很簡(jiǎn)單。如果你與生物學(xué)家交談，就會(huì)知道目前生物學(xué)的觀念是量子物理只是在化學(xué)中起一點(diǎn)作用，我們或多或少地還是經(jīng)典的機(jī)械。當(dāng)我們解釋?zhuān)热绱竽X機(jī)能時(shí)，使用經(jīng)典物理的方式。這雖然似乎是很合理的觀點(diǎn)，但是卻一點(diǎn)沒(méi)得到證實(shí)，而且我們身體的一些機(jī)能也說(shuō)明這種觀點(diǎn)是錯(cuò)誤的。為了證明這是錯(cuò)誤的，就需要與生物學(xué)家合作，而且要學(xué)會(huì)使用同一種語(yǔ)言。因?yàn)檎Z(yǔ)言差別很大，進(jìn)行這種討論的方法之一，是證明量子現(xiàn)象在正常狀態(tài)下的生物分子中確實(shí)存在，而不是在人造的環(huán)境中。我們得到的第一個(gè)結(jié)果，是普啉產(chǎn)生的。它是一種相當(dāng)復(fù)雜的分子，有四個(gè)耳狀結(jié)構(gòu)的扁平的分子，其原子數(shù)是六百，所以很重。它是血紅蛋白的重要組成分子，是許多重要生物物質(zhì)中的核心分子。我們用這種分子同樣能形成干涉圖形，與碳的性質(zhì)一樣。我想說(shuō)一下，這是在三百攝氏度的溫度下形成的，所以說(shuō)溫度很高，不是太低。我們用的下一種物質(zhì)是胰島素，大家知道它對(duì)調(diào)節(jié)人體內(nèi)糖的轉(zhuǎn)運(yùn)非常重要。另外，它的原子數(shù)是六千，比富勒烯大十倍。下一個(gè)是小的納米晶體，可以制成不同的大小，所以我們很容易控制它的質(zhì)量。另一種很有意思的東西是這種被稱(chēng)為GFP綠色熒光蛋白的蛋白質(zhì)，原子數(shù)是兩萬(wàn)七千，能發(fā)出很純凈漂亮的光，所以用起來(lái)很有意思。我們還想要用這種東西形成量子干涉，就是用活的細(xì)胞，它很大很重，目前對(duì)此還沒(méi)有什么辦法，但是我們還是想試一試�；谖覀兡壳暗膶�(shí)驗(yàn)，我們有可能用至少有一千萬(wàn)原子數(shù)的物質(zhì)形成量子干涉，這相當(dāng)于小的病毒的質(zhì)量。最大的問(wèn)題是實(shí)驗(yàn)操作上的問(wèn)題，如何使病毒或分子形成一條直線，并且一個(gè)一個(gè)地檢測(cè)它們等等諸如此類(lèi)的問(wèn)題。有很多問(wèn)題以前從沒(méi)有人涉及，所以我們必須要自己想辦法，但我們對(duì)此很樂(lè)觀。我們從中所了解到的是，量子現(xiàn)象的有效性并不是嚴(yán)格地局限于微觀世界，不是局限于很小的東西。大于小的區(qū)別并不是量子與經(jīng)典的區(qū)別，這完全是兩碼事。紐約著名漫畫(huà)加查爾斯·亞當(dāng)斯曾畫(huà)了一張關(guān)于雙柵實(shí)驗(yàn)的漫畫(huà)，我們知道關(guān)鍵問(wèn)題在這里，他從樹(shù)的兩邊過(guò)去了，可就是不知道是怎么過(guò)去的。他到底是怎么過(guò)去的？他玩了些什么花招？這張畫(huà)是大約五十年前在紐約發(fā)表的。
現(xiàn)在的觀點(diǎn)是，信息對(duì)于解釋量子物理學(xué)起著至關(guān)重要的作用。如果對(duì)于粒子的路徑選擇有任何信息，那么就不會(huì)有干涉。人們能否知道這個(gè)信息并不重要，關(guān)鍵是到底有沒(méi)有這種信息的存在？另一方面，如果沒(méi)有任何信息，無(wú)論你花多少錢(qián)也得不到這種信息，那么就會(huì)看到干涉。這個(gè)理論很有意思，因?yàn)楦缮鎴D形，那些條紋就包含著信息。所以你可以選擇；或者知道粒子選擇哪條途徑；或者在干涉圖形中獲得信息。這說(shuō)明信息在其中起著非常重要的作用。我在演講的最后還要再談這個(gè)問(wèn)題。
在我們的討論中，另一個(gè)很重要的概念是糾纏態(tài)。對(duì)于不是學(xué)物理的人來(lái)說(shuō)，有關(guān)這個(gè)物理學(xué)公式就不多作解釋了。這個(gè)問(wèn)題是1935年由愛(ài)因斯坦、卜朵爾斯基和羅森提出的。它與至少兩個(gè)以上的，以一種非常有趣、非常密切的方式聯(lián)系在一起的粒子有關(guān)。
現(xiàn)代量子力學(xué)的創(chuàng)始人之一薛定鍔，發(fā)展了一種量子力學(xué)理論。薛定鍔在1935年稱(chēng)量子糾纏態(tài)為量子力學(xué)的本質(zhì)，量子力學(xué)最主要的特征。他的意思是說(shuō)，如果有兩個(gè)系統(tǒng)，簡(jiǎn)單起見(jiàn)，這里用兩個(gè)骰子表示兩個(gè)系統(tǒng)。當(dāng)你去測(cè)量時(shí)，每一個(gè)骰子都會(huì)給出一個(gè)完全隨機(jī)的結(jié)果。然而，一旦你去測(cè)量一個(gè)骰子，對(duì)另一個(gè)的測(cè)量結(jié)果就被確定了。更嚴(yán)格地說(shuō)，一旦你去測(cè)量一個(gè)粒子，另一個(gè)粒子的量子態(tài)立即就被確定了。但是在測(cè)量之前卻是完全不確定的。對(duì)于像光子之類(lèi)的粒子來(lái)說(shuō)，我等一會(huì)還要談這個(gè)問(wèn)題，這與光的粒子，光子有關(guān)，這意味這極性是完全相關(guān)的，無(wú)論是水平的還是垂直的。愛(ài)因斯坦稱(chēng)糾纏態(tài)為幽靈式的超距作用。兩個(gè)系統(tǒng)，對(duì)一個(gè)系統(tǒng)的測(cè)量，就能確定另一個(gè)的狀態(tài)，無(wú)論它們相距多遠(yuǎn)。
愛(ài)爾蘭物理學(xué)家約翰·貝爾在二十世紀(jì)六十年代，對(duì)這種情況進(jìn)行了研究。他試圖通過(guò)一個(gè)簡(jiǎn)單明了的假設(shè)來(lái)分析這個(gè)問(wèn)題。如果兩個(gè)系統(tǒng)之間有這種完全相關(guān)，那么自然地這也是愛(ài)因斯坦提出的觀點(diǎn)，那么自然地就可以推斷，這個(gè)粒子帶有一種性質(zhì)，這種性質(zhì)可以確定測(cè)量的結(jié)果。這種隱藏的變量性質(zhì)超出了量子力學(xué)的范圍。就如在色子的例子中，骰子以某種方式可以知道它要給出的點(diǎn)數(shù)，而我們也就可以做出自然的解釋。貝爾定理說(shuō)明，這種解釋是不可能的，所以粒子之間的完成相關(guān)就不可能有解釋。這種完全相關(guān)是基于粒子本身所具有的性質(zhì)的。所以現(xiàn)在對(duì)于粒子的非定域性又一種說(shuō)法，量子非定域性是用來(lái)描述這種情況的，也就是說(shuō)一個(gè)粒子對(duì)于另一個(gè)粒子的依賴(lài)是非定域性的，這種相關(guān)是即時(shí)發(fā)生的，不是以光速發(fā)生，不是以任何速度發(fā)生，兩個(gè)系統(tǒng)之間相關(guān)性的產(chǎn)生不需要任何時(shí)間間隔。有的情況很有意思，當(dāng)你考慮兩個(gè)以上的例子時(shí)，情況就特別有趣。例如三個(gè)粒子，被稱(chēng)為三個(gè)量子位，可以形成一個(gè)糾纏態(tài)，就會(huì)產(chǎn)生這種情形。在這種情況下，就出現(xiàn)了一種被稱(chēng)為局域現(xiàn)實(shí)的概念，就是說(shuō)系統(tǒng)的性質(zhì)是在局域確定的。
現(xiàn)在我來(lái)談?wù)勱P(guān)于應(yīng)用的問(wèn)題，量子理論不僅僅是學(xué)術(shù)研究，它不僅僅是我們理解世界的一種有趣方式，它也對(duì)信息處理提供了許多有趣的新概念。一個(gè)就是量子計(jì)算機(jī)。世界各地都有許多研制量子計(jì)算機(jī)計(jì)劃，我知道中國(guó)也有。我不想詳細(xì)地談?dòng)嘘P(guān)的具體的硬件，也就是說(shuō)，它到底是什么樣的？因?yàn)榻裉爝�沒(méi)有人知道，完全處于想象階段。人們?cè)趪L試各種不同的途徑，基本的概念是必需要有一個(gè)中央處理器，我借用一個(gè)著名的電腦芯片公司的名字，稱(chēng)之為“昆騰”�；镜母拍钍俏覀兛梢杂昧孔盈B加的方式來(lái)處理信息。例如，如果要計(jì)算開(kāi)平方，我們可以把數(shù)字4和9，以量子疊加態(tài)的方式同時(shí)輸入“昆騰”，那么量子計(jì)算機(jī)，或用物理術(shù)語(yǔ)來(lái)說(shuō)，一種大量的糾纏狀態(tài)，量子計(jì)算機(jī)就會(huì)計(jì)算出結(jié)果。不是一個(gè)一個(gè)地計(jì)算，算完一個(gè)再算另一個(gè)，而是以疊加態(tài)來(lái)計(jì)算，就如這個(gè)最簡(jiǎn)單的例子，我們就可以得到以量子疊加態(tài)的形式輸出的結(jié)果，2和3�，F(xiàn)在人們對(duì)于量子計(jì)算有各種各樣的說(shuō)法。我個(gè)人覺(jué)得，大家知道計(jì)算機(jī)方面有一種趨勢(shì)，就是計(jì)算機(jī)變得越來(lái)越小，其元件如晶體管等等處理信息所用的電子越來(lái)越少，如果照目前的情況發(fā)展下去，就會(huì)達(dá)到量子水平。無(wú)論在哪里，這也可能需要二十年的時(shí)間。所以說(shuō)有趣的是，一方面可以從上面開(kāi)始，越來(lái)越小，一步一步發(fā)展到子水平，另一方面，量子力學(xué)可以從下向上發(fā)展，制造出量子計(jì)算機(jī)。這種情況很不尋常，使我們對(duì)未來(lái)非常樂(lè)觀。但是還需要時(shí)間，我個(gè)人的估計(jì)是，至少需要二十年才有可能制造出量子計(jì)算機(jī)，不過(guò)在座的每個(gè)人都可能一舉成名。如果你有發(fā)明量子計(jì)算機(jī)的好的想法，而且如果你的想法行之有效，你會(huì)馬上世界聞名。好想法確實(shí)是非常幸運(yùn)，非常重要的。
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