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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)》。乍聽起來這兩者似乎沒有什么關(guān)系，不過我會向你們解釋我的意思的。在量子力學(xué)剛開始出現(xiàn)的時候，對這個理論的意義就有過相當(dāng)激烈的哲學(xué)上的爭論。我想推薦大家去閱讀一個非常有趣的例子，因?yàn)樗芗尤诵�，那就是波爾和愛因斯坦的對話。愛因斯坦試圖保持關(guān)于這個世界的經(jīng)典的觀點(diǎn)，但波爾卻說這是絕對不可能的。在他們的爭論中，一個被稱為Gedanken實(shí)驗(yàn)的問題占有顯著的地位。Gedanken的意思是思想，就是說只是在頭腦中進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)。因?yàn)楫?dāng)時的技術(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)。在過去的三十年中，有一個有趣的進(jìn)展，那就是這種實(shí)驗(yàn)成為可能。在單個量子系統(tǒng)，對單個粒子進(jìn)行的基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)，證明了過去量子力學(xué)所做的那些奇怪的預(yù)言都是正確的。我只說兩點(diǎn)有趣的情況，等一會我還要談及它們。單粒子干涉，由單個粒子而不是多個粒子所形成的干涉。還有貝爾定理。貝爾定理是關(guān)于世界本質(zhì)的定理，非常深奧。我說過這類實(shí)驗(yàn)室是在三十年前開始的，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。但僅僅十年的時間，由這個目的出發(fā)，結(jié)果卻使包括我在內(nèi)的許多人大吃一驚，也就是說，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)以諸如量子計算、量子通訊等名稱而嶄露頭角，其基本的概念是以量子的方法來處理并傳輸信息。最初在三十年前，人們有了使這類實(shí)驗(yàn)成為可能的條件，例如，實(shí)現(xiàn)了一個歷史上的Gedanken實(shí)驗(yàn)，就是在波爾和愛因斯坦的爭論中出現(xiàn)的那個著名的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，后面是一個觀察屏。如果你從這里發(fā)射光線，它就會從兩條縫中通過，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)是沒有任何問題的，但是當(dāng)你用單個的粒子，也就是光的單個量子來進(jìn)行這個實(shí)驗(yàn)時，就會產(chǎn)生一些哲學(xué)上的問題。例如，粒子會通過這兩條縫的哪一條，或者當(dāng)這個粒子通過某一條縫時，你怎么知道另一條縫時開著的還是關(guān)著的。如此等等。我等一會再來說這個問題。事情往往是這樣，通過這個實(shí)驗(yàn)，又產(chǎn)生了一些過去的討論中所沒有想到的新實(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)是怎么一會事，據(jù)我所知這是個普遍現(xiàn)象。
量子物理學(xué)是德國物理學(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，所以說計算機(jī)也來自于量子力學(xué)。如果沒有量子力學(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，所以這是一個普遍適用的非常精確的理論。美國的諾貝爾獎獲得者杰克·斯坦博格曾經(jīng)估計，可能在當(dāng)代的經(jīng)濟(jì)中，三分之一的國民產(chǎn)值都以某種方式來自于一量子力學(xué)為基礎(chǔ)的高科技。那么問題在哪里呢？理查德·費(fèi)曼很好地表述了這個問題：“我認(rèn)為我可以肯定地說，現(xiàn)在沒有人理解量子力學(xué)”。理查德·費(fèi)曼是有資格這么說的，因?yàn)樗虬l(fā)明了一個量子物理學(xué)的公式而獲得諾貝爾獎，所以他知道自己在說什么。同樣地，還有一個人說：“這個理論非常精確，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。你們也許讀過他的書，對他有所了解。所以只有那些搞實(shí)驗(yàn)的人才對量子力學(xué)的意義感到滿意。
我想說一下，第一個批評量子力學(xué)新理論的人是阿爾伯特·愛因斯坦。在1909年他就開始批評量子力學(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物理學(xué)大會上表示，他對量子力學(xué)所表現(xiàn)出的新的隨機(jī)性感覺很不舒服。我們所說的隨機(jī)性是指單個事件的隨機(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，隨即事件不但是沒有原因的，而且連隱藏在背后的原因也沒有，沒有那種雖然我們不知道，但大自然卻可能知道的原因。沒有！在量子力學(xué)中，偶然事件連哪怕是隱蔽的原因也沒有。這就是量子力學(xué)使愛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，對它有很多種解釋。應(yīng)該說在談到量子力學(xué)時，有兩個不同層次的解釋。一個層次是形式上的解釋，即數(shù)學(xué)公式以及其如何與實(shí)驗(yàn)結(jié)合，在這方面沒有什么問題。但是如果要尋求深層的解釋，如果要問量子力學(xué)對理解這個世界有何意義，它有什么意義嗎？這是人們可能要問的問題，那么在物理界就有很多分歧了。所謂的哥本哈根解釋，有時也被稱為正統(tǒng)的解釋，直接了當(dāng)?shù)卣f，對量子體系賦予性質(zhì)時要特別小心，只有在極少數(shù)的情況下才可以這么做。多個世界的解釋在對量子力學(xué)進(jìn)行衡量時要表現(xiàn)出多個假設(shè)的世界，即使沒有其他毛病，這至少也是一種不經(jīng)濟(jì)的解釋。還有其他一些解釋，我就不詳加討論了。以我之見，我認(rèn)為在深層次上至今還沒有什么理解。
讓我們再回到實(shí)驗(yàn)上，我們再來討論一下雙柵干涉實(shí)驗(yàn)。我在前面說過，如果我們從左面這里發(fā)射光線，通過這兩條縫，就形成了這種干涉條紋，由于波的干涉而形成明暗交替。問題是，我們通過普朗克知道了光是由粒子組成的，那么就似乎應(yīng)該問這么一個問題，一個單個的粒子會穿過那條縫，然后會出現(xiàn)什么情況？因?yàn)樽詈蟮膱D形畢竟是由許多單個的粒子組成的。愛因斯坦試圖證明，可以知道粒子是從那條縫中通過的，而且如果收集許多的粒子，就會形成這種圖形。但是波爾已經(jīng)證明他錯了。這是給實(shí)驗(yàn)者提出的問題，實(shí)驗(yàn)者對這種實(shí)驗(yàn)做何反應(yīng)呢？我要說明一點(diǎn)，這種實(shí)驗(yàn)?zāi)壳耙呀?jīng)用多種放射性物質(zhì)做過了，許多種粒子，而不僅僅是光線。
我們?nèi)昵白隽肆硪粋�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？理由很簡單。如果你與生物學(xué)家交談，就會知道目前生物學(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，比如大腦機(jī)能時，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)沒得到證實(shí)，而且我們身體的一些機(jī)能也說明這種觀點(diǎn)是錯誤的。為了證明這是錯誤的，就需要與生物學(xué)家合作，而且要學(xué)會使用同一種語言。因?yàn)檎Z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。我想說一下，這是在三百攝氏度的溫度下形成的，所以說溫度很高，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為GFP綠色熒光蛋白的蛋白質(zhì)，原子數(shù)是兩萬七千，能發(fā)出很純凈漂亮的光，所以用起來很有意思。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，目前對此還沒有什么辦法，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。最大的問題是實(shí)驗(yàn)操作上的問題，如何使病毒或分子形成一條直線，并且一個一個地檢測它們等等諸如此類的問題。有很多問題以前從沒有人涉及，所以我們必須要自己想辦法，但我們對此很樂觀。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。紐約著名漫畫加查爾斯·亞當(dāng)斯曾畫了一張關(guān)于雙柵實(shí)驗(yàn)的漫畫，我們知道關(guān)鍵問題在這里，他從樹的兩邊過去了，可就是不知道是怎么過去的。他到底是怎么過去的？他玩了些什么花招？這張畫是大約五十年前在紐約發(fā)表的。
現(xiàn)在的觀點(diǎn)是，信息對于解釋量子物理學(xué)起著至關(guān)重要的作用。如果對于粒子的路徑選擇有任何信息，那么就不會有干涉。人們能否知道這個信息并不重要，關(guān)鍵是到底有沒有這種信息的存在？另一方面，如果沒有任何信息，無論你花多少錢也得不到這種信息，那么就會看到干涉。這個理論很有意思，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問題。
在我們的討論中，另一個很重要的概念是糾纏態(tài)。對于不是學(xué)物理的人來說，有關(guān)這個物理學(xué)公式就不多作解釋了。這個問題是1935年由愛因斯坦、卜朵爾斯基和羅森提出的。它與至少兩個以上的，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，如果有兩個系統(tǒng)，簡單起見，這里用兩個骰子表示兩個系統(tǒng)。當(dāng)你去測量時，每一個骰子都會給出一個完全隨機(jī)的結(jié)果。然而，一旦你去測量一個骰子，對另一個的測量結(jié)果就被確定了。更嚴(yán)格地說，一旦你去測量一個粒子，另一個粒子的量子態(tài)立即就被確定了。但是在測量之前卻是完全不確定的。對于像光子之類的粒子來說，我等一會還要談這個問題，這與光的粒子，光子有關(guān)，這意味這極性是完全相關(guān)的，無論是水平的還是垂直的。愛因斯坦稱糾纏態(tài)為幽靈式的超距作用。兩個系統(tǒng)，對一個系統(tǒng)的測量，就能確定另一個的狀態(tài)，無論它們相距多遠(yuǎn)。
愛爾蘭物理學(xué)家約翰·貝爾在二十世紀(jì)六十年代，對這種情況進(jìn)行了研究。他試圖通過一個簡單明了的假設(shè)來分析這個問題。如果兩個系統(tǒng)之間有這種完全相關(guān)，那么自然地這也是愛因斯坦提出的觀點(diǎn)，那么自然地就可以推斷，這個粒子帶有一種性質(zhì)，這種性質(zhì)可以確定測量的結(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)在對于粒子的非定域性又一種說法，量子非定域性是用來描述這種情況的，也就是說一個粒子對于另一個粒子的依賴是非定域性的，這種相關(guān)是即時發(fā)生的，不是以光速發(fā)生，不是以任何速度發(fā)生，兩個系統(tǒng)之間相關(guān)性的產(chǎn)生不需要任何時間間隔。有的情況很有意思，當(dāng)你考慮兩個以上的例子時，情況就特別有趣。例如三個粒子，被稱為三個量子位，可以形成一個糾纏態(tài)，就會產(chǎn)生這種情形。在這種情況下，就出現(xiàn)了一種被稱為局域現(xiàn)實(shí)的概念，就是說系統(tǒng)的性質(zhì)是在局域確定的。
現(xiàn)在我來談?wù)勱P(guān)于應(yīng)用的問題，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，它也對信息處理提供了許多有趣的新概念。一個就是量子計算機(jī)。世界各地都有許多研制量子計算機(jī)計劃，我知道中國也有。我不想詳細(xì)地談有關(guān)的具體的硬件，也就是說，它到底是什么樣的？因?yàn)榻裉爝�沒有人知道，完全處于想象階段。人們在嘗試各種不同的途徑，基本的概念是必需要有一個中央處理器，我借用一個著名的電腦芯片公司的名字，稱之為“昆騰”�；镜母拍钍俏覀兛梢杂昧孔盈B加的方式來處理信息。例如，如果要計算開平方，我們可以把數(shù)字4和9，以量子疊加態(tài)的方式同時輸入“昆騰”，那么量子計算機(jī)，或用物理術(shù)語來說，一種大量的糾纏狀態(tài)，量子計算機(jī)就會計算出結(jié)果。不是一個一個地計算，算完一個再算另一個，而是以疊加態(tài)來計算，就如這個最簡單的例子，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)在人們對于量子計算有各種各樣的說法。我個人覺得，大家知道計算機(jī)方面有一種趨勢，就是計算機(jī)變得越來越小，其元件如晶體管等等處理信息所用的電子越來越少，如果照目前的情況發(fā)展下去，就會達(dá)到量子水平。無論在哪里，這也可能需要二十年的時間。所以說有趣的是，一方面可以從上面開始，越來越小，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，制造出量子計算機(jī)。這種情況很不尋常，使我們對未來非常樂觀。但是還需要時間，我個人的估計是，至少需要二十年才有可能制造出量子計算機(jī)，不過在座的每個人都可能一舉成名。如果你有發(fā)明量子計算機(jī)的好的想法，而且如果你的想法行之有效，你會馬上世界聞名。好想法確實(shí)是非常幸運(yùn)，非常重要的。
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