科学汇 | 潘建伟院士给中学生上的物理课:爱因斯坦的好奇心和量子力学

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钱江晚报·小时新闻 记者 郑琳

最近,西湖大学公开课“湖心讲堂”第一课开讲,首场就邀请到了中科院院士、著名物理学家潘建伟教授。大家都知道,量子科学实验卫星“墨子号”就是潘建伟院士带领的团队研发的。本期,就让我们跟随潘院士,走进量子力学的神奇世界。

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潘建伟

上帝掷骰子吗?

这个实验让爱因斯坦困惑

爱因斯坦是我们历史上最伟大的科学家之一,他有一个信念:上帝是不掷骰子的。

这是什么意思呢?同学们都学过牛顿力学,它可以用来计算日月星辰的运动轨迹,可以计算什么时候卫星可以经过我们的头顶。也就是说,任何粒子的运动状态都可以精确预言。

如果是这样,就会引出一个概念:决定论。

既然万事万物的运行轨迹都能精确预言,那么人类还有没有自由意志?一个人的命运是不是注定的?就像我们看一部电影,观众的任何行为都改变不了电影的结局。

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作为一个人,内心深处多半不相信世界是决定论的。霍金讲过一句话:“即使是相信一切都是上天注定的人,在过马路的时候也会左右看一看,以免被车撞到。”

于是我们可以提出两个问题:第一,这个世界到底是决定论的,还是本质上是不确定的,以至于我们可以有自主意识和自由的思想?第二,假如本质上不确定,如何从物理学上证明这一点?

我们可以用物理实验来说明这个问题。光的双缝实验,很多同学在中学物理课里学到过。

一束光在穿越两个细缝以后,会出现明暗相间的干涉条纹。这种现象,是“波”的典型特征。水波、声波都会产生明显的干涉现象,因为波是可以同时穿过两个缝的。根据经典物理学,光是一种电磁波,所以也会出现干涉。

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然而,物理学家也发现,其实光是由很多小颗粒组成的,这些小颗粒就是光能量的最小单元,叫做“光量子”。

如果把单个的光量子,也做这样的双缝实验,就会发现,在单次实验中,这个光量子可以随机出现在很多地方。但是重复很多次以后,竟然也可以出现干涉条纹。

这就非常让人困惑了,因为那意味着,这单个的光量子也像波一样,可以同时穿过两个缝!这怎么可能呢?

为了检测它到底穿过了哪条缝,物理学家又做了一个实验,在两个缝旁边都放一个用来检测的原子。如果光子从某个缝过去了,那个原子能“探测”到。

结果,原子果然探测到光子是从其中一条缝过去的。但让人惊讶的是,当我们知道光子从哪一条缝过去的时候,干涉条纹就消失了!

最后得出了这样一个结论:如果知道光子路径的话,就没有干涉条纹;如果出现了干涉条纹,我们就无法判断光子的路径。

也就是说,光子走的路径,竟然和我们是否去观测它有关!

物理学家由此由展开了激烈的辩论。爱因斯坦相信上帝不掷骰子,光子的路径一定是预先确定的,只不过是理论还不够好,没有掌握真正的规律。

而另一位物理学家玻尔则认为,光子的路径在没有测量之前是不确定的。如果你去看它,它在某一条路径上;你没有看,就是在两条路径上,处于通过左缝和通过右缝的相干叠加。 

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量子力学告诉我们

人是有自由意志的

1935年,爱因斯坦提出了“量子纠缠”的概念。他认为,如果量子力学是对的话,那么就一定会有“纠缠态”的粒子,其中一个粒子的状态,决定另一个粒子。

为了形象一点,可以打个比方。假定有两朵花处于纠缠态。花有两个属性:颜色和气味。

如果用眼睛看左边的花是红色,那么右边也是红色。再看一遍,左边是蓝色,那么右边也是蓝色。如果闻左边的花香是玫瑰香,那么右边也是玫瑰香;如果左边是兰花香,右边也是兰花香。

现在有两种理论解释这种现象。爱因斯坦认为,花的颜色和气味是事先定好的,跟我们看不看、闻不闻没关系。而量子力学则认为,颜色和气味在我们测量前完全不确定,对一朵花的测量结果,会瞬间决定另一朵。

两方争论不休,谁也不能说服谁。

在爱因斯坦提出量子纠缠概念30多年以后,有一位叫约翰.贝尔的科学家找到了验证的方案。他说,让左边这个人看花的颜色,右边这个人闻花的气味,这样一来就可以得到一个贝尔不等式。如果爱因斯坦是对的,这个不等式的值要小于等于2,如果量子力学是对的,这个值可以达到2.82。

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这样就可以通过实验验证到底谁对了。结果,几乎所有的实验都证明量子力学是正确的。

这告诉我们一个非常好的结果:物理量的值不是预先确定的,只有测量的时候才会决定它是什么性质;测量的结果是随机的,观测者的行为会影响体系的演化。

由此量子力学告诉我们,一个原子的状态是不能被复制的,所以我们也不可能像复制手机里的通讯录一样去复制一个复杂的人。

所以说,“我”独一无二。人有自主意识,并且人的行为可以影响体系的演化,这是量子力学和牛顿力学根本的不同。

兴趣小组

威力巨大的量子信息科技

我们的世界不是决定论的,有了这样新的理念之后,可以来做很多有趣的事。

经过几十年的努力,科学家们可以从一个十瓦的电灯泡里,拿出一个个光子来,然后把这些光子黏在一起来进行干涉,进而做我们想做的事情。

这样,一个新的学科诞生了:基于量子调控技术的量子信息科技。

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它的应用很多。比如量子通信,可以提供原理上无条件的安全通信方式。

当信息科技飞速发展,遇到了一个信息安全层面的难题:经典加密算法,原理上都能被破解。比如大家常用的银行U盾,根据清华大学一位密码专家的理论,他们可以很轻易破解它。

但是,量子通信就是绝对安全的。为什么呢?比如张三和李四要送密钥,用单光子来送。如果中间有窃听者偷看,那么本来光子是有干涉的,被人偷看一下就被扰动了,没有了干涉条纹。那么只要发现光子没有干涉条纹,就知道被人窃听过。这样通信双方可以丢弃存在窃听风险的密钥,来确保密钥的安全分发。

第二个应用是“量子隐形传态”,利用量子纠缠可以把量子信息从一个地点送到另外一个地点

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此外,还有量子计算机。经典计算机里,一个比特处于0或1两种状态之一。但在量子计算机里,2个状态可以同时存在。随着量子比特数越来越多,同时叠加存在的状态数是指数增长的,因此量子计算机的算力惊人。去年谷歌发布一个结果,在经典超级计算机上需要算1万年的东西,在谷歌计算机上只需要200秒。

在量子通信方面,目前我国做的比较好。通过十几年的努力,潘建伟院士带领的团队,研制成功了国际上第一颗量子科学实验卫星 “墨子号”,在2016年8月份成功发射。

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“墨子号”有三大科学实验任务。第一个是星地之间的量子密钥分发,在1200公里的距离上,目前每秒钟点对点可以送十万个安全密钥,这比相同距离光纤的传输速率提高了20个数量级。第二个任务是实现了德令哈到乌鲁木齐,德令哈到丽江之间,距离都差不多是1200公里的量子纠缠分发,验证了即使相隔上千公里,量子纠缠之间的诡异互动也是存在的。第三个任务是实现了上千公里的量子隐形传态。


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院士上课难得

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