<p class="ql-block"><i style="font-size:15px;">2022年諾貝爾物理學(xué)獎得主</i></p> <p class="ql-block"><br></p><p class="ql-block"><br></p><p class="ql-block">量子力學(xué)學(xué)習(xí)筆記</p><p class="ql-block"><br></p><p class="ql-block">引 子</p><p class="ql-block">2022年諾貝爾物理學(xué)獎，授予了美國克勞澤、法國阿斯佩和奧地利蔡林格三位科學(xué)家，以表彰他們在開創(chuàng)量子信息科學(xué)的重要貢獻。對此，不由得想起了幾年前肖璋、陳英佐和戴威在中科大634同學(xué)群上有關(guān)量子力學(xué)的精彩對話，該對話代表了人們在學(xué)習(xí)量子力學(xué)中有關(guān)科學(xué)嚴謹、理性思維和哲理分析等三種思考問題的分析方法。對話既嚴謹、思辨和哲理，又有科普、通俗易懂的特點，對人們學(xué)習(xí)、認識量子糾纏和量子力學(xué)很有裨益。如今結(jié)合本人的學(xué)習(xí)體會，實錄如下，以饗讀者。（李俊康）</p><p class="ql-block"><br></p><p class="ql-block">01量子糾纏與通訊</p><p class="ql-block"><br></p><p class="ql-block">肖璋：</p><p class="ql-block">有朋友問量子和量子通訊衛(wèi)星的基本原理是什么？它與一般通訊衛(wèi)星比較有何區(qū)別？有何優(yōu)越性？</p><p class="ql-block">我想了半天，覺得真不好回答，大致回復(fù)如下。 </p><p class="ql-block">量子是微觀的物理概念，微觀粒子往往指的是比分子、原子還要小的“基本粒子”。描述這些微觀粒子通常用“量子態(tài)”這個術(shù)語，如能態(tài)、自旋態(tài)，這些特征態(tài)是不連續(xù)變化的。如能量是階梯狀的能級，自旋有左旋、右旋…。</p><p class="ql-block">微觀粒子遵循的規(guī)律與宏觀世界很不一樣，微觀粒子本來就很難觀察，因此一般人從日常經(jīng)驗的角度很難理解。</p><p class="ql-block">描述微觀粒子規(guī)律的一門重要理論就是量子物理。量子理論認為，微觀粒子的狀態(tài)不是確定的某個量子態(tài)，可以是多種量子態(tài)的疊加態(tài)。你去觀測它的時候，可能得到的是其中一種量子態(tài)，不過不同的量子態(tài)有不同的出現(xiàn)幾率。</p><p class="ql-block">在兩個微觀粒子耦合在一起的系統(tǒng)中，兩個粒子的量子態(tài)是分不開也分不清的，這種耦合關(guān)系稱作量子糾纏。</p><p class="ql-block">假定這兩個粒子在不同的地方，一個在我這里，一個在你那邊。但當我觀測其中一個粒子，得到是它的某個確定的量子態(tài)x時，這種耦合關(guān)系也同時被破壞了。但是，另一個粒子也同時呈現(xiàn)出新的量子態(tài)y，你從這個y可以反推出x，因此也就知道了我觀測到的是x。我們在兩地同時得到了同一個信息。這就等于實現(xiàn)了某種通信方式。</p><p class="ql-block">這種通信過程，第三方無論用什么方法都窺測不到，所以保密性特別好，是不可破解的保密通信，而且是迅發(fā)即達的通信。</p><p class="ql-block">當然，這里面還有許多連科學(xué)家目前也還回答不了的問題。</p><p class="ql-block"><br></p><p class="ql-block">英佐：</p><p class="ql-block">前面對量子的描述沒問題，后面講通訊有些不妥。保密性是根本的目的，“迅發(fā)即達”不是事實。雖然糾纏是即時的，但光憑糾纏實現(xiàn)不了通訊。還需要一個常規(guī)的通訊通道來輔助。傳遞信息的速度不能超過光速，愛因斯坦的原則還是對的。實際上量子通訊速度不能超過常規(guī)通訊。這也是為什么只用作密鑰分發(fā)的原因。具體實現(xiàn)方法三言兩語說不清楚，要引用網(wǎng)上的技術(shù)文章。</p><p class="ql-block"><br></p><p class="ql-block">肖璋：</p><p class="ql-block">推薦一二。</p><p class="ql-block"><br></p><p class="ql-block">英佐：</p><p class="ql-block">先找一下，要說得通俗不容易。</p><p class="ql-block"><br></p><p class="ql-block">肖璋：</p><p class="ql-block">我的概念是，量子通信傳密鑰，我觀測到x，而對方從y推演也得到x。這樣我可以得到一串作為密鑰的數(shù)據(jù)，對方也得到這一串密鑰。我以密鑰加密碼文，通過常規(guī)通道傳送，對方以密鑰解碼，通信完成。</p><p class="ql-block"><br></p><p class="ql-block">英佐：</p><p class="ql-block">《量子通信迄今最通俗易懂的解釋在哪里？》</p><p class="ql-block">http://www.zhihu.com/question/39111535/answer/79742216</p><p class="ql-block">其中的貝爾測量、變換處理還是很抽象。也沒有更簡單易懂的了。</p><p class="ql-block">你說的x,y只是通訊的載體，不是信息源。我們需要的是利用x,y的糾纏特性來傳遞信息。</p><p class="ql-block">x,y你只能知道它們是糾纏的，但不能去測量它們是0還是1，因為一旦測量了，它就坍縮了。所以不能作為信息源。</p><p class="ql-block"><br></p><p class="ql-block">肖璋：</p><p class="ql-block">這是百度百科的說法：光量子通信主要基于量子糾纏態(tài)的理論，使用量子隱形傳態(tài)（傳輸）的方式實現(xiàn)信息傳遞。根據(jù)實驗驗證，具有糾纏態(tài)的兩個粒子無論相距多遠，只要一個發(fā)生變化，另外一個也會瞬間發(fā)生變化，利用這個特性實現(xiàn)光量子通信的過程如下：事先構(gòu)建一對具有糾纏態(tài)的粒子，將兩個粒子分別放在通信雙方，將具有未知量子態(tài)的粒子與發(fā)送方的粒子進行聯(lián)合測量（一種操作），則接收方的粒子瞬間發(fā)生坍塌（變化），坍塌（變化）為某種狀態(tài)，這個狀態(tài)與發(fā)送方的粒子坍塌（變化）后的狀態(tài)是對稱的，然后將聯(lián)合測量的信息通過經(jīng)典信道傳送給接收方，接收方根據(jù)接收到的信息對坍塌的粒子進行幺正變換（相當于逆轉(zhuǎn)變換），即可得到與發(fā)送方完全相同的未知量子態(tài)。</p><p class="ql-block"><br></p><p class="ql-block">英佐：</p><p class="ql-block">這個說法與圖解完全一致。X是信息源。A\B是糾纏對。聯(lián)合測量（一種操作）就是貝爾測量。對坍塌的粒子進行幺正變換就是圖中的變換處理。</p><p class="ql-block"><br></p><p class="ql-block">肖璋：</p><p class="ql-block">x就是那個未知量子態(tài)的粒子？未知怎么能做信息源？</p><p class="ql-block"><br></p><p class="ql-block">英佐：</p><p class="ql-block">這個圖說明的是“量子隱形傳態(tài)”的原理，X可以是未知態(tài)，當然也可以是已知態(tài)，所以可以做信息源。A、B糾纏態(tài)是完全不確定的，是有很多可能性的疊加態(tài)，絕對不能用做信息源。</p><p class="ql-block">也就是說，“傳態(tài)”可以傳不定態(tài)，也可以傳定態(tài)。</p> <p class="ql-block"><i style="font-size:15px;">量子態(tài)隱形傳輸示意圖</i></p> <p class="ql-block"><br></p><p class="ql-block">肖璋：</p><p class="ql-block">以自旋為例，左、右旋為0/1，我這邊測得0，你那邊就是1，也就知道我是0。這樣不就可以共同得到一位比特了嗎？</p><p class="ql-block"><br></p><p class="ql-block">英佐：</p><p class="ql-block">比如你要給對方發(fā)送一個bit=1，你就要制備一對糾纏量子A/B ,把B發(fā)到對方，但這時它們是疊加態(tài)，左旋還是右旋是不確定的，各有一定的概率，你沒有一個確定的測量方法讓A一定坍縮為左旋。</p><p class="ql-block">如果說，我先不發(fā)出B，等挑選到A=0的時候再發(fā)送B出去，這樣就退化成為常規(guī)的光通信了，失去了保密意義。應(yīng)用糾纏量子的目的就是利用它的不可預(yù)測，不可竊聽。</p><p class="ql-block"><br></p><p class="ql-block">肖璋：</p><p class="ql-block">這很好辦，還是需要有常規(guī)通信輔助，這邊測量后，只需經(jīng)常規(guī)信道告訴對方我測量了，對方測到的必是與你相反的值，從而變換后就是正確的值。這個值隨機，別人是不可能知道的。通過這種方式，雙方就可以得到相同的密鑰。</p><p class="ql-block"><br></p><p class="ql-block">英佐：</p><p class="ql-block">你的設(shè)想框圖和別人的圖片基本是相同的，都要運用常規(guī)信道，都達不到“迅發(fā)即達”效果。具體實現(xiàn)上，要考慮到抗竊聽，抗干擾，特別是衛(wèi)星通信暴露在總目睽睽之下，難點非常多。</p><p class="ql-block"><br></p><p class="ql-block">肖璋：</p><p class="ql-block">我不是想有什么新設(shè)想，而是覺得這種模式我好理解。因為我不太理解源數(shù)據(jù)是一個粒子未知量子態(tài)的方式，1、傳這個未知量子態(tài)有什么用？2、源端進行貝爾測量后，通過常規(guī)信道向接收端傳送什么信息？3、接收端是否利用這些信息重構(gòu)源端的未知量子態(tài)，以及如何重構(gòu)。4、源端在貝爾測量后糾纏態(tài)的粒子對均坍塌到確定量子態(tài)，是否就解除了糾纏？</p><p class="ql-block"><br></p><p class="ql-block">英佐：</p><p class="ql-block">潘建偉和他的老師塞林格（Anton Zeilinger）最初研究的是“傳態(tài)”，傳送的是未知的量子態(tài)。X經(jīng)過貝爾測量后，坍縮了。B繼承了X原來的量子態(tài)，也解除了與A的糾纏關(guān)系。最后結(jié)果就是X的態(tài)傳送到了B。這個距離可以很遠很遠。塞林格說將來可以遠距離傳送一個咖啡杯，潘建偉說可以遠距離傳送一個活人。兩個人的這些說法我都不相信。把一個活人分解成多個量子，傳送出去，再組裝起來?？赡軉?？</p><p class="ql-block">“傳態(tài)”用于量子通訊只不過是一個副產(chǎn)品。量子通訊還有其它的方案，不一定要用傳態(tài)的方式?？赡芨鲊芯慷疾惶粯印?lt;/p><p class="ql-block">詳細一些的講解，可以看張?zhí)烊嘏康目破者B載《走近量子糾纏》，其中解釋了貝爾測量，量子糾纏，隱形傳態(tài)：</p><p class="ql-block">見轉(zhuǎn)文</p><p class="ql-block">《科學(xué)網(wǎng)—走近量子糾纏-5-量子糾纏態(tài)》 - 張?zhí)烊氐牟┪?</p><p class="ql-block">https://blog.sciencenet.cn/blog-677221-535242.html</p><p class="ql-block"><br></p><p class="ql-block">有關(guān)量子衛(wèi)星的報道：</p><p class="ql-block">見轉(zhuǎn)文</p><p class="ql-block">http://blog.sciencenet.cn/blog-677221-601960.html</p><p class="ql-block">《BBC對量子衛(wèi)星的報道》</p><p class="ql-block">中國的這次量子通信試驗將要面對不少困難。國際期刊《自然》雜志7月份報道潘建偉的項目時就指出，當前成功的量子通信項目中，其極限距離只有300公里。</p><p class="ql-block">“光子通過光纖纜線或空氣時會變得零散或被吸收，在保存光子脆弱的量子態(tài)之余要放大信號是極其困難?！?lt;/p><p class="ql-block">墨子號常務(wù)副總師兼衛(wèi)星總指揮王建宇接受中國科學(xué)技術(shù)部機關(guān)報《科技日報》采訪時也承認：“衛(wèi)星上發(fā)出一對糾纏光子，要兩個站同時收到，國際上從未做過?！?lt;/p><p class="ql-block">《自然》雜志指出，中國科學(xué)院與奧地利科學(xué)院合作開發(fā)墨子號項目，涉及資金1億美元。但與此同時，新加坡國立大學(xué)凌旭金團隊（Alexander Ling Euk Jin；音譯）與蘇格蘭思克萊德大學(xué)正合作開發(fā)更低成本的量子通信項目。</p><p class="ql-block">凌旭金博士對《華爾街日報》說，量子通信也非如此不可破解，黑客瞄準量子接收器發(fā)射密集鐳射光束就有可能騙到信息接收者。</p><p class="ql-block">不過，潘建偉的恩師，奧地利科學(xué)院院長安東·蔡林格教授對《華爾街日報》指出，墨子號衛(wèi)星使中國以至于量子力學(xué)有望實現(xiàn)重大突破。</p><p class="ql-block">潘建偉院士對《科技日報》說：“如果進展順利，國家也支持發(fā)射多顆量子通信衛(wèi)星，那么有希望到2030年左右，建成全球化的廣域量子通信網(wǎng)絡(luò)。”</p><p class="ql-block"><br></p><p class="ql-block">肖璋：</p><p class="ql-block">也有意見說量子通信易受干擾。</p><p class="ql-block">見轉(zhuǎn)文</p><p class="ql-block">《中科大驗證“宇稱-時間”中的超光速現(xiàn)象 開拓研究方向》</p><p class="ql-block"> http://ah.ifeng.com/a/20160820/4889513_0.shtml</p><p class="ql-block"><br></p><p class="ql-block">英佐：</p><p class="ql-block">媒體總是報喜不報憂，給人印象是推翻了愛因斯坦的論斷——信息傳送速度不能超過光速。實際上1.9倍的速度只有50%的成功率，系統(tǒng)總速度還是沒有超過光速。</p><p class="ql-block">見轉(zhuǎn)文</p><p class="ql-block">《中科大首次研制出非局域量子模擬器》</p><p class="ql-block">http://news.sciencenet.cn/htmlpaper/20168181538369440662.shtm</p><p class="ql-block"><br></p><p class="ql-block">肖璋：</p><p class="ql-block">不是報喜報憂的問題，而是這里面究竟是什么概念。就算是十次只有五次可以超光速，對于超光速的那五次怎么解釋。</p><p class="ql-block"><br></p><p class="ql-block">英佐：</p><p class="ql-block">媒體好幾次報道有實驗推翻了愛因斯坦的光速極限說，結(jié)果都是擺烏龍。如果這個實驗?zāi)艿贸鲞@個結(jié)論，媒體豈不是要吵翻天？</p><p class="ql-block">見外文網(wǎng)站</p><p class="ql-block">http://www.nature.com/nphoton/journal/vaop/</p><p class="ql-block"><br></p> <p class="ql-block">【學(xué)習(xí)筆記】：</p><p class="ql-block"><br></p><p class="ql-block">量子糾纏是有條件的：在一個系統(tǒng)，一個基本粒子衰變成一對電子，它倆的量子態(tài)是成雙對出現(xiàn)的，自旋方向要麼是右旋，要麼是左旋，另一個則剛好相反。利用量子糾纏發(fā)展出的量子隱形傳態(tài)，可以將物質(zhì)的未知量子態(tài)同時精確傳送到遙遠地點。</p><p class="ql-block">粒子的波動性和粒子性會疊加在一起，稱為粒子的疊加態(tài)。疊加態(tài)不單單指波粒二象性，還有自旋、偏振、位置、動量等其它物理性質(zhì)的疊加態(tài)。量子理論認為，疊加態(tài)的存在，是量子力學(xué)最大的奧秘，是量子現(xiàn)象給人以神秘感的根源。</p><p class="ql-block">由于量子糾纏不是確定的某個量子態(tài)，而是不確定的疊加態(tài)，人們似乎更相信愛因斯坦的觀點：既然兩個互相糾纏的基本粒子被觀察的那一剎那，不可能瞬時超距地傳遞信息，那么，它們被觀察時的狀態(tài)，就應(yīng)該是在它們互相分開的那一刻，就已經(jīng)決定了，而非臨時隨機選擇而塌縮的。而量子疊加態(tài)一經(jīng)測量，就按照一定的概率，塌縮到一個固定的本征態(tài)，回到經(jīng)典世界。如一對手套寄出以后，在還沒被觀測之前，它不確定是左或右。只有在你確定了其中某一個的狀態(tài)，另一個的狀態(tài)立刻也變得確定起來了。這種關(guān)聯(lián)就叫作量子糾纏。</p><p class="ql-block">量子通訊之所以安全，因為量子糾纏態(tài)是一個系統(tǒng)，是一個整體，它無法被干擾，或者侵入。一旦侵入或干擾，量子態(tài)就坍縮，量子糾纏解除，傳輸也就終止。</p><p class="ql-block">2005年，中科大潘建偉團隊實現(xiàn)了13公里自由空間量子糾纏和密鑰分發(fā)實驗，證實光子穿透大氣層后，其量子態(tài)能夠有效保持，從而初步驗證了星地量子通信的可行性。要知道，要實行遠距離量子通信，必須克服光子在光纖中隨著距離增加損耗越來越大的問題。2016年，中國墨子號衛(wèi)星——太空量子實驗室應(yīng)運而生。</p><p class="ql-block">（李俊康）</p> <p class="ql-block"><i style="font-size:15px;">1927年第五屆索爾雅會議合照，留下了“史上最強朋友圈”合影</i></p> <p class="ql-block"><br></p><p class="ql-block"><br></p><p class="ql-block">02 解釋世界與描述世界</p><p class="ql-block"><br></p><p class="ql-block">戴威：</p><p class="ql-block">抽空看了留言，很受啟發(fā)，我想談一點自己的粗淺看法。</p><p class="ql-block">我覺得對“量子糾纏”機理的解釋和是非爭論這一問題，我們可以從另一個視角來分析：</p><p class="ql-block">（1）人類的智慧是體現(xiàn)在“解釋世界”上，還是體現(xiàn)在“描述世界”上？（這里“解釋”和“描述”都包括了隨之而來的“應(yīng)用”）傳統(tǒng)的看法當然是“解釋世界”，但這個看法正確嗎？</p><p class="ql-block">（2）在經(jīng)典物理學(xué)里，解釋世界的任務(wù)由“牛頓力學(xué)”擔當了，而描述世界則由“電動力學(xué)”和“熱力學(xué)”擔當了。</p><p class="ql-block">盡管人們可以說“電動力學(xué)和熱力學(xué)也是解釋世界”，但請仔細想想，它們本質(zhì)上僅是描述世界而已。</p><p class="ql-block">（3）現(xiàn)在人們發(fā)現(xiàn)在日常生活中用電動力學(xué)和熱力學(xué)描述的現(xiàn)象遠遠多于用牛頓力學(xué)解釋的現(xiàn)象。</p><p class="ql-block">（4）當代，物理學(xué)在更深領(lǐng)域產(chǎn)生的“解釋世界”和“描述世界”的分歧則是“相對論”（包括“廣義相對論”、“狹義相對論”）和“量子力學(xué)”。</p><p class="ql-block">（5）越來越多的事實證明在微觀世界描述世界比解釋世界更普遍、更重要、更本質(zhì)。在這里有沒有必要去解釋世界呢？</p><p class="ql-block">（6）“解釋世界”必須求助于“因果關(guān)系”。（“必須”！）</p><p class="ql-block">因果關(guān)系是人類認識的發(fā)展中逐漸建立起的觀念，現(xiàn)在幾乎已經(jīng)成了天經(jīng)地義，不容置疑的信念。</p><p class="ql-block">（7） 在宏觀世界，“描述世界”和“解釋世界”的重要性似乎一樣，而且看起來解釋世界更重要。但是在微觀世界，“描述世界”卻占據(jù)統(tǒng)治地位，“解釋世界”在此無立足之地，從而傳統(tǒng)的“因果論”就失靈了，也不需要了。</p><p class="ql-block">（8）我認為對于“量子糾纏”的懷疑與爭論，本質(zhì)上源于對“因果關(guān)系”的信仰或懷疑。如果承認在微觀世界根本就沒有傳統(tǒng)意義下的“因果論”這一說，那么也就沒有爭論了。在這里，我們可以建立新的因果論。</p><p class="ql-block">（9）愛因斯坦是傳統(tǒng)因果論的堅定的信仰者和支持者，這與他創(chuàng)立相對論分不開，可以說如果沒有傳統(tǒng)因果論則相對論和在相對論基礎(chǔ)上建立的近代物理及宇宙學(xué)馬上就會垮塌。</p><p class="ql-block">（10）傳統(tǒng)“因果論”由于有愛因斯坦作臺柱而且不乏高手和追隨者，聲勢浩大。因此，懷疑者的力量就顯得單薄而無力。 </p><p class="ql-block">（11）量子力學(xué)的一群創(chuàng)始人和后續(xù)者對傳統(tǒng)“因果論”明顯分為兩派。真正認識到在微觀世界只存在“描述”不存在“解釋”的人不多。</p><p class="ql-block">（12）我認為在微觀世界沒有傳統(tǒng)因果論，因而在這里相對論沒有生存空間，所以也沒有光速是極限一說。我們可以在新的認識基礎(chǔ)上建立新的因果論</p><p class="ql-block">（13）不論是“描述世界”還是“解釋世界”都是“人”對世界的認識，究竟是“有規(guī)律的世界產(chǎn)生了人的認識”還是“人的認識產(chǎn)生了有規(guī)律的世界”？我們必須從根本上考慮一下這個問題。</p><p class="ql-block">以上看法只是我個人的一孔之見，希望能得到批評指正。</p><p class="ql-block"><br></p><p class="ql-block">英佐：</p><p class="ql-block">“在微觀世界沒有傳統(tǒng)因果論，因而在這里相對論沒有生存空間，所以也沒有光速是極限一說?！彼坪跻罁?jù)不足。就拿科大的同步輻射實驗室來說，整個加速器的工作原理包括了電磁學(xué)、量子力學(xué)和相對論。因為電子被加速到了比較接近光速的程度。我聽王相綦說，在設(shè)計當中，相對論起了相當重要的作用，而且結(jié)果非常精確。</p><p class="ql-block">量子通信是微觀還是宏觀的呢？光量子的行為應(yīng)該是微觀的，但過萬公里的距離又是很宏觀的，應(yīng)該按微觀處理還是按宏觀處理？</p><p class="ql-block">關(guān)于第13點。剛好我粗粗看了一下《認知科學(xué)揭秘：認識科學(xué)與廣義進化論》，作者是清華大學(xué)教授趙南元。里面有一節(jié)非常切題的論述，我將它摘錄出來附后。這本書的目標是建立認知科學(xué)的核心理論。通俗地說，就是要回答這樣的問題：人的大腦（或心靈）是按照什么原理工作的？此書是著者所承擔的國家自然科學(xué)基金項目的研究成果。在本書中著者創(chuàng)立了橫跨哲學(xué)認識論、 比較文化學(xué)、進化生物學(xué)、計算機科學(xué)、系統(tǒng)科學(xué)等多學(xué)科的高度統(tǒng)一的認知科學(xué)基礎(chǔ)理論——廣義進化論。并探討了該理論在建立倫理學(xué)、美學(xué)等社會科學(xué)基礎(chǔ)方面的作用。</p><p class="ql-block">見附文</p><p class="ql-block">《認識論的逆鏡模型》</p><p class="ql-block">全文附后</p><p class="ql-block">《PDF-深知科學(xué)揭秘……》</p><p class="ql-block"><br></p><p class="ql-block">戴威：</p><p class="ql-block">感謝你介紹了這么多的參考讀物，我有時間一定會好好閱讀。</p><p class="ql-block">回到你前面所說，在微觀世界相對論也成立的留言。確實如此，比如：核裂變中的質(zhì)能轉(zhuǎn)換，高速運動中的基本粒子質(zhì)量、壽命的增量都非常符合相對論的結(jié)論。這些都足以證明在微觀世界相對論成立。</p><p class="ql-block">我的說法有問題，是我表達的問題。我想說的是：</p><p class="ql-block">（1）在微觀世界相對論的速度極限C不成立。靜止質(zhì)量為零的粒子，比如光子，可能還有中微子，可以出現(xiàn)速度大于C的情況。因而不要把測量到“量子糾纏”中信息傳遞速度大于C的現(xiàn)象輕易否決。</p><p class="ql-block">（2）再看看那些質(zhì)量為零的基本粒子在運動中能攜帶的物理量呢？“自旋”、“宇稱”、“……”、應(yīng)該都屬“描述”的范疇。而這些物理量恰恰都可以作為信息傳遞中的信息元素。</p><p class="ql-block">（3）因此，遵從量子力學(xué)的“量子糾纏”就完全有可能實現(xiàn)信息傳遞的功能。</p><p class="ql-block">這里，關(guān)鍵是我們必須突破傳統(tǒng)“因果論”對我們思維的制約。</p><p class="ql-block">（4）在量子力學(xué)領(lǐng)域不要輕易引入“經(jīng)典因果論”。</p><p class="ql-block">經(jīng)典因果論強調(diào)每一個“果”都必然有其“因”，人們一定要找到“因”才完美，其實這只是人類追求自我滿足。</p><p class="ql-block">（5）電動力學(xué)的麥克斯韋方程，僅是描述電磁現(xiàn)象，并沒有任何解釋?，F(xiàn)實中，各種電子設(shè)備應(yīng)用得很好，人們也生活得很好。</p><p class="ql-block">（6）“解釋”和“描述”從根本上說都是人的認識。世界之所以是我們認識的這個樣子，是因為如果世界不是我們認識的這樣我們就不會站在這里去認識世界了。</p><p class="ql-block">所以霍金的“人擇原理”是有道理的。</p><p class="ql-block"><br></p><p class="ql-block">肖璋：</p><p class="ql-block">我覺得戴威對字眼過于執(zhí)著。本質(zhì)是，世界是否有規(guī)律可尋。描述所使用的工具是人創(chuàng)造的，對懂的人不需要解釋，但是，由于是前沿的問題，科學(xué)的討論也需要“解釋”。從核心理論向?qū)嶋H應(yīng)用拓展，也少不了要解析。不知道我的理解對不對。</p><p class="ql-block"><br></p><p class="ql-block">英佐：</p><p class="ql-block">我對“解釋”、“描述”的差別還是不得要領(lǐng)。如果麥克斯韋方程是描述性的，沒有說明現(xiàn)象背后的原因，那么f=ma就不是描述性了嗎？高中階段，還真有同學(xué)問老師:為什么f=ma?老師回答：“要追原因后面的原因，沒完沒了，最后只能承認這是事實。就像問：為什么物質(zhì)有質(zhì)量？有電荷？回答是：這些都是事實，大家都公認。”一個理論系統(tǒng)最高的依據(jù)就是它的原理，最原始的道理。</p><p class="ql-block">基本粒子為啥有質(zhì)量，還真有很多研究。答案是上帝粒子，為了尋找這個上帝粒子，動用了大量人力物力財力。至今還只是找到一點“證據(jù)”，注意：不是證明。情況跟引力波的證據(jù)差不多。</p><p class="ql-block"><br></p><p class="ql-block">戴威：</p><p class="ql-block">我前面的留言可能說得比較含糊不清，下面我想再細化一下，請指正 。 </p><p class="ql-block">“解釋世界”和“描述世界”本質(zhì)上都是人對世界的認識。但在具體做法和心理狀態(tài)上還是有區(qū)別的。</p><p class="ql-block">（1）“解釋世界”強調(diào)現(xiàn)象之間的因果關(guān)系?！懊枋鍪澜纭睆娬{(diào)現(xiàn)象本身的性狀而不深究此性狀的起因。</p><p class="ql-block">（2）“解釋世界”強調(diào)事物與事物之間的關(guān)系，唯“物”至上?！懊枋鍪澜纭眱H考慮事物本身的特色，唯“相”至上。</p><p class="ql-block">（3）“解釋世界”看重人的認識能力，隱含著“人的認識能力是無限的”?！懊枋鍪澜纭笨粗厝说挠^察能力看重儀器的功能，隱含著“人的認識能力是有限的”。</p><p class="ql-block">既然英佐兄提到牛頓定律，我就以“牛頓力學(xué)”為例：</p><p class="ql-block">第一定律，動者恒動靜者恒靜。</p><p class="ql-block">第二定律，F(xiàn)=MA</p><p class="ql-block">第三定律，作用力與反作用力大小相等方向相反。</p><p class="ql-block">在上面的表達中我簡化了詞句，相信二位都知道準確的表達。</p><p class="ql-block">第一定律沒有別的，就是定義了時間，空間，物體（的質(zhì)量）以及質(zhì)量的動力學(xué)狀態(tài)。</p><p class="ql-block">第三定律沒有別的，就是定義了作用力與反作用力的含義，大小，方向，存在的條件。</p><p class="ql-block">上述二個定律在某種意義上說只能看成是“定義”或“概念”，就這樣其實已經(jīng)顯露出牛頓定律不是簡單描述孤立的“事物”而是涉及到“事物”與“事物”之間的關(guān)系。</p><p class="ql-block">關(guān)鍵是第二定律F=MA。</p><p class="ql-block">它解釋了一個物體為何會從靜止產(chǎn)生運動，為何會從運動變?yōu)殪o止，它定量解釋了我們周圍一切動力學(xué)現(xiàn)象，同時也加強了“凡因必有果，凡果必有因”的因果認識論。</p><p class="ql-block">結(jié)合“萬有引力定律”人們當年幾乎能夠解釋當時觀察到的宇宙中的一切現(xiàn)象，而且能夠預(yù)言宇宙的未來。</p><p class="ql-block">“解釋世界”所走的路線基本如下：</p><p class="ql-block">提出公式——用公式解釋現(xiàn)象——預(yù)言現(xiàn)象——證實預(yù)言——確認公式——成為定律。</p><p class="ql-block">“解釋世界”是一個“演繹”的過程。</p><p class="ql-block">一間房間，一個大腦，一支筆，一張紙，演算出世界。</p><p class="ql-block">牛頓是這樣，愛因斯坦是這樣……演繹就是這樣，</p><p class="ql-block">“解釋世界”就是這樣。</p><p class="ql-block">所以拉普拉斯說“給我一支筆我能計算出宇宙”。</p><p class="ql-block">這就是傳統(tǒng)因果論的力量所在。</p><p class="ql-block">但是后來出現(xiàn)的情況怎樣呢？</p><p class="ql-block">我們先不說后來的物理學(xué)的那些新發(fā)現(xiàn)對牛頓力學(xué)的沖擊。牛頓力學(xué)自身的問題隨著時間推移也逐漸暴露出來。</p><p class="ql-block">“什么是力F？”</p><p class="ql-block">“力是物體間的相互作用”</p><p class="ql-block">“力F是使質(zhì)量為M的物體產(chǎn)生A加速度的那個施于物體上的作用，其數(shù)值為M*A”</p><p class="ql-block">……</p><p class="ql-block">“什么是質(zhì)量M？”</p><p class="ql-block">“質(zhì)量是物質(zhì)的量”</p><p class="ql-block">“質(zhì)量是物體受力F后得到加速度A那個F/A的值所表示的物質(zhì)的量”</p><p class="ql-block">……</p><p class="ql-block">人們陷入到循環(huán)論證的邏輯陷阱中。</p><p class="ql-block">由于萬有引力的發(fā)現(xiàn)又產(chǎn)生了“引力質(zhì)量”和“動力學(xué)質(zhì)量（慣性質(zhì)量）”是否同一的問題。</p><p class="ql-block">“解釋世界”的認識論思想方法必然會出現(xiàn)一條無窮盡的“問題鏈”，永遠不會完結(jié)。</p><p class="ql-block">這里附帶說一句：所以也就會出現(xiàn)我們以前討論過的一個問題：“人類認識有沒有極限？” 多數(shù)人的回答，最直觀的回答，當然是：“既然問題鏈是無窮盡的，人的認識肯定也不會有極限”——最后還是落入傳統(tǒng)因果論中。</p><p class="ql-block">而“描述世界”則不然。</p><p class="ql-block">“描述世界”是一個“歸納”的過程。</p><p class="ql-block">現(xiàn)在再舉電動力學(xué)的麥克斯韋方程為例：（略）</p><p class="ql-block">……</p><p class="ql-block">當前最典型的例子就是“相對論”和“量子力學(xué)”之間在認識論上的差異。</p><p class="ql-block">前者是“解釋世界”后者是“描述世界”，</p><p class="ql-block">前者是“演繹”后者是“歸納”，</p><p class="ql-block">前者是傳統(tǒng)因果論的辯護人，后者是傳統(tǒng)因果論的拆臺人。</p><p class="ql-block"><br></p><p class="ql-block">【學(xué)習(xí)筆記】：</p><p class="ql-block">人類認識世界，對世界的認知，經(jīng)歷了一個從感性認識到理性認識，即從描述世界到解釋世界的過程。開始的時候，看到的只是表面的現(xiàn)象，描述世界，是感性認識階段，通過認識的逐步深化，開始由表及里，由粗存精的過程，從而進入理性認識階段，最后發(fā)生了認識的質(zhì)的飛躍，這便是解釋世界。理性認識的標志是有關(guān)數(shù)學(xué)公式、定律的相繼發(fā)現(xiàn)。</p><p class="ql-block">量子力學(xué)經(jīng)歷了愛因斯坦和波爾哥本哈根學(xué)派的長久論戰(zhàn)，發(fā)展至今，先后得到了無數(shù)實驗證實。玻爾說：“如果誰不為量子論感到困惑，那他就是沒有理解量子論?！笨梢娖淅硇哉J識過程的艱辛。人們認為，量子力學(xué)是繼牛頓力學(xué)、相對力學(xué)之后具有里程碑式的偉大科學(xué)發(fā)現(xiàn)，將對我們認知的世界產(chǎn)生深遠的影響。</p><p class="ql-block">無論是經(jīng)典力學(xué)、相對力學(xué)，還是量子力學(xué)，皆是經(jīng)歷了一個從描述世界到解釋世界的過程。如著名的水波、子彈和電子的雙縫實驗，我們看到，水波的實驗結(jié)果是相干疊加，體現(xiàn)水的波動性；子彈的實驗結(jié)果是非相干疊加，體現(xiàn)子彈的粒子性。而電子單縫實驗的結(jié)果與子彈一致，顯示出粒子性；又電子雙縫實驗的結(jié)果卻是與水波一樣，出現(xiàn)了干涉條紋。很明顯，電子具有波粒雙重性，實驗的過程也就是描述世界的過程。</p><p class="ql-block">由于種種原因，到目前為止，人們對量子力學(xué)的認識還有待深化，之所以認識還停留在描述世界階段，那是因為對量子力學(xué)的規(guī)律還沒有真正把握搞清楚，這樣一來，量子糾纏的問題，傳統(tǒng)的因果論解釋不行，于是，那就開始呼喚新的理論。</p><p class="ql-block">（李俊康）</p> <p class="ql-block"><i style="font-size:15px;">愛因斯坦和波爾的世紀之爭</i></p> <p class="ql-block"><br></p><p class="ql-block"><br></p><p class="ql-block">03 傳統(tǒng)思維與量子思維</p><p class="ql-block"><br></p><p class="ql-block">英佐：</p><p class="ql-block">戴兄樂于從哲學(xué)的角度看待物理問題，我一時還不適應(yīng)。</p><p class="ql-block">因果律是屬于哲學(xué)的范疇。物理學(xué)家當然有各自不同的哲學(xué)觀點，但是在討論具體的物理問題時，哲學(xué)觀點不會充當論證的依據(jù)?？茖W(xué)家還是用實驗和邏輯來討論問題。不管討論宏觀世界還是微觀世界，邏輯都要起作用。</p><p class="ql-block">懷疑量子糾纏能否超光速傳輸信息的原因不在哲學(xué)層面，仍然是在物理層面。根據(jù)愛因斯坦相對論，不存在絕對的時間，在兩個相對運動的慣性系里，時間是不一樣的，具體由洛侖茲變換換算。如果信息傳輸能夠不需要時間，即時到達，那么兩個相對高速運動的參考系要對鐘就非常簡單，全宇宙都可以有一個共同的時間標準，洛侖茲變換完全錯誤，相對論就馬上完蛋。</p><p class="ql-block">還有另一個角度的考慮。香農(nóng)的信息論指出，信息可以量化，也有熵。從無信息變?yōu)橛行畔⑹庆刈冃。枰芰?。如果E=MCC，也可以看做一定的質(zhì)量。把信息以超光速傳送，相當于把一定的質(zhì)量以超光速傳送，馬上推翻了愛因斯坦的理論。</p><p class="ql-block">可見不相信超光速傳遞信息不是由于崇拜愛因斯坦的權(quán)威，也不是由于堅信因果律，而是從邏輯推理中發(fā)現(xiàn)與現(xiàn)有的理論體系有重大矛盾，必須慎重對待。如果實驗證明信息真的可以超光速傳送，要改變的不單是因果律，整個物理學(xué)都要重新改寫。</p><p class="ql-block"><br></p><p class="ql-block">戴威：</p><p class="ql-block">我前面說了那么多，主要就想表達一個意思，就是：</p><p class="ql-block">當前可能正處于量子力學(xué)應(yīng)用的重大突破期。我們不能被傳統(tǒng)的思維和固有的物理學(xué)定律束縛住。</p><p class="ql-block">當年麥克斯韋預(yù)言“電磁波”時也被很多人質(zhì)疑。而現(xiàn)在電視、手機連小學(xué)生都會用。</p><p class="ql-block">“量子糾纏”確實是與因果律抵觸的，如果“量子通信”中信息傳遞真的能超過光速那也確實是與相對論抵觸的，</p><p class="ql-block">我們只能用新的眼光去看世界。這也逼著人們發(fā)現(xiàn)新的知識和新的思維方式。</p><p class="ql-block">像方舟子、王國文等人那樣用文革式的語言指責(zé)探索者很不好。雖然我不懂量子糾纏，不懂量子通訊但是我還是一邊倒堅決支持潘建偉、贊頌潘建偉的，因為我隱隱感覺到現(xiàn)在正處在一個關(guān)鍵轉(zhuǎn)折期。</p><p class="ql-block"><br></p><p class="ql-block">英佐：</p><p class="ql-block">其實我的內(nèi)心也是很矛盾的，一方面希望像“瀕死體驗”、“心靈感應(yīng)”、“生前記憶傳遞”、“特異功能”等等詭異現(xiàn)象能得到證實和解釋，另一方面又受到科學(xué)方法論的約束。</p><p class="ql-block">普朗克有一句名言：“新的科學(xué)真理并不是由于說服它的對手取得勝利的，而是由于它的對手死光了，新的一代熟悉它的人成長起來了?！?lt;/p><p class="ql-block">很多理論我覺得是越來越不懂了。以下用宇宙學(xué)里的超光速為例。</p><p class="ql-block">現(xiàn)代宇宙學(xué)有個哈勃定律，認為宇宙空間在膨脹，而且是加速膨脹。星體的距離在增大（退行），退行速度隨距離的增加而增加。實驗證據(jù)就是星體的紅移，因為多普勒效應(yīng)引起光譜線向紅色方向移動，可以計算出星體飛離我們的速度。計算表明，離我們很遠的星體退行速度超過了光速。</p><p class="ql-block">另外根據(jù)大爆炸學(xué)說，爆炸開始的暴漲階段空間膨脹的速度也遠遠超過光速。</p><p class="ql-block">但是宇宙學(xué)家們說，這并不違反愛因斯坦的光速極限說?？臻g膨脹造成的速度超光速是空間本身變化引起的，與物體運動超光速不同，不違反相對論。</p><p class="ql-block">我想，如果實驗證實了量子糾纏信息傳遞超過了光速，科學(xué)家們也會有很多說辭。</p><p class="ql-block"><br></p><p class="ql-block">戴威： </p><p class="ql-block">我現(xiàn)在一直在學(xué)習(xí)有關(guān)“量子糾纏”和“量子隱形傳態(tài)”的知識?？戳艘恍┵Y料，似懂非懂，好在原來還有一些量子力學(xué)的基礎(chǔ)，還不算太費力。畢竟已經(jīng)老了，落伍了，不管怎樣能學(xué)一點是一點，心態(tài)不老就行。</p><p class="ql-block">……</p><p class="ql-block">……</p><p class="ql-block">【學(xué)習(xí)筆記】：</p><p class="ql-block">哲學(xué)觀點不會充當自然科學(xué)論證的依據(jù)，但作為方法論，卻可以讓人們少走許多彎路，這已經(jīng)是不爭的事實。</p><p class="ql-block">對于光波是否可超越的問題，長時間存在有兩種不同的意見，有如人們提到的那樣，宇宙中還有以下幾種速度的情況：如核電站的切倫科夫輻射中核反應(yīng)堆粒子在水中的速度、德布羅意物質(zhì)波的相速度、宇宙大爆炸膨脹速度和量子糾纏等是否可出現(xiàn)超光速現(xiàn)象？如何解釋這些現(xiàn)象？傳統(tǒng)經(jīng)典思維已經(jīng)不行，于是，人們開始新的量子思維。</p><p class="ql-block">量子世界的一切都是模糊的，沒有確定的行為，這是由于量子世界的本質(zhì)就是疊加態(tài)，模糊、不確定的，所以，只能用概率來描述模糊。然而，愛因斯坦認為世界的本質(zhì)不是隨機的，“上帝不會擲骰子”。實踐是檢驗真理的唯一標準，對此，一切以實驗的最后結(jié)果為準。</p><p class="ql-block">1997年，潘建偉在奧地利讀博期間，和博導(dǎo)塞林格首先實現(xiàn)量子隱形傳態(tài)實驗，發(fā)表的“實驗量子隱形傳態(tài)”論文，曾經(jīng)入選《自然》雜志“百年物理學(xué)21篇經(jīng)典論文”，一同入選的，還有愛因斯坦建立相對論、倫琴發(fā)現(xiàn)X射線等。2015年，潘建偉團隊首次實現(xiàn)單光子多自由度的量子隱形傳態(tài)，首次證明了一個粒子的所有性質(zhì)在原理上都是可以被傳輸?shù)摹Ｔ摽蒲谐晒挥锢韺W(xué)會《物理世界》評選為年度國際物理學(xué)十大新突破榜首。</p><p class="ql-block">世界既精彩也無奈，精彩是指百花齊放、異彩紛繁，無奈是指人們的認識是有限的，是一個逐步深化由表及里的過程。我想，正是大自然那蒙娜麗莎式的神秘微笑，吸引著人們不斷去探索、發(fā)現(xiàn)在微笑背后的不同尋常的故事。</p><p class="ql-block">（李俊康）</p> <p class="ql-block"><i style="font-size:15px;">貝爾不等式實驗驗證示意圖</i></p> <p class="ql-block"><br></p><p class="ql-block"><br></p><p class="ql-block">結(jié) 語 </p><p class="ql-block"><br></p><p class="ql-block">2022年諾貝爾物理學(xué)獎，授予了克勞澤、阿斯佩和蔡林格等三位著名的量子物理學(xué)家，以表彰他們在開創(chuàng)量子信息科學(xué)的重要貢獻，從而終結(jié)了愛因斯坦和波爾的世紀之爭。無疑，這一屆諾獎也為人們學(xué)習(xí)理解量子力學(xué)掀起一個小小的高潮。這時候，重新學(xué)習(xí)634同學(xué)群有關(guān)量子力學(xué)對話的聊天記錄，真是獲益匪淺。</p><p class="ql-block">愛因斯坦坦然對量子糾纏持懷疑態(tài)度，認為“鬼魅般超距作用”的糾纏粒子之間存在著某種人類還沒觀察到的相互作用或信息傳遞，也就是“隱變量”，否則，隨機性不復(fù)存在。他始終堅持經(jīng)典哲學(xué)思想和因果觀念：一個完備的物理理論應(yīng)該遵守區(qū)域?qū)嵲谡?。為此，貝爾提出著名的“貝爾不等式”，對于兩個分隔的粒子同時被測量時，其結(jié)果的可能關(guān)聯(lián)程度加以嚴格的限制，以此來驗證量子力學(xué)。</p><p class="ql-block">為了證偽貝爾不等式，各國科學(xué)家對此進行了不懈的努力，結(jié)果并不盡令人滿意。直到美國科學(xué)家克勞澤通過使用紫外線照射鈣原子發(fā)射糾纏的光子，來測量光子的偏振狀態(tài)，證實違背了貝爾不等式，且與量子力學(xué)預(yù)測相符。為了提高捕獲粒子的效率，法國科學(xué)家阿斯佩開始了新的實驗，采用激光激勵鈣原子，延遲決定偏光鏡方向的方法，得到了更精確的實驗效果。兩位科學(xué)家的實驗結(jié)果證實：量子力學(xué)是正確的，且沒有“隱變量”。奧地利科學(xué)家蔡林格則在量子理論應(yīng)用上作出了開創(chuàng)性的貢獻，他利用來自遙遠星系的信號源，確保信號不受干擾，結(jié)果依然是貝爾不等式不成立，進一步證實了量子力學(xué)的正確性，與此同時，還成功進行了量子隱形傳態(tài)的實驗。2017年，中國與奧地利科學(xué)家借助中國的“墨子號”量子衛(wèi)星，成功實施世界首次量子保密的洲際視頻通話。</p><p class="ql-block">在諾獎頒獎現(xiàn)場，評委展示了一張含有中國量子衛(wèi)星的圖片，顯示了2017年借助中國的“墨子號”量子衛(wèi)星，中歐之間首次進行的洲際量子通信實驗，彰顯出中國在量子衛(wèi)星和量子通信研究方面已經(jīng)走在世界前列，</p><p class="ql-block">中國“墨子號”量子衛(wèi)星首席科學(xué)家、中科大潘建偉教授認為，2022年三位量子科學(xué)家獲諾貝爾物理學(xué)獎，其中有兩個重要原因，一是中國發(fā)射“墨子號”量子衛(wèi)星，二是量子隱形傳態(tài)的成功實驗。</p><p class="ql-block">量子糾纏實驗獲得2022年諾貝爾物理學(xué)獎，是對量子科學(xué)理論的權(quán)威肯定，充分說明量子力學(xué)乃是當今最偉大的科學(xué)發(fā)現(xiàn)之一，三位科學(xué)家的研究成果為量子計算機和量子通信等科學(xué)技術(shù)應(yīng)用奠定了堅實基礎(chǔ)。如今，量子力學(xué)在計算機、通訊、核能、激光、納米材料和生命科學(xué)等領(lǐng)域方面正發(fā)揮著越來越重要的作用。</p><p class="ql-block">理論是灰色的，生命之樹長青。</p><p class="ql-block">科學(xué)提倡質(zhì)疑。我想，正是科學(xué)家一次次默默無聞、嘔心瀝血的付出，才讓人們看到璀璨的星辰大海，以及科學(xué)技術(shù)帶給人類社會日新月異的巨大變化。</p><p class="ql-block">（李俊康）</p><p class="ql-block"><br></p> <p class="ql-block"><i style="font-size:15px;">中國“墨子號”量子衛(wèi)星首席科學(xué)家中科大潘建偉教授</i></p>