當(dāng)我們?cè)诳陬^上嘟囔著“遇事不決諾貝爾物理2023量子糾纏，量子熱學(xué)”，甚或嘲諷著量子波動(dòng)閱讀法的時(shí)侯，2022年的諾貝爾化學(xué)學(xué)獎(jiǎng)?wù)鞘谟枇巳涣孔友芯款I(lǐng)域的人員。
每一個(gè)懷有好奇心的人并不會(huì)止步于口頭上的玩笑，就會(huì)想要步入更深層次的思索。
這么量子究竟是哪些呢？學(xué)習(xí)量子熱學(xué)有哪些用？被傳的唬人其玄的量子糾纏又該如何理解？關(guān)于宇宙是連續(xù)還是斷續(xù)，我們又能曉得些哪些？在新一期的圓桌派上，中科院化學(xué)所研究員曹則賢、《讀庫(kù)》主編張立憲、著名主持人竇文濤、“雨果獎(jiǎng)”得主郝景芳將和你們一塊聊一聊。
01
學(xué)習(xí)量子熱學(xué)對(duì)通常人有哪些用？
曹則賢：假如我們是從1980年普朗克最先提出能量量子化算起，這件事到如今早已是120年了，它應(yīng)當(dāng)成為我們這個(gè)時(shí)代上面通常受教育者的知識(shí)標(biāo)配了。
竇文濤：我以前在您的課上看到過(guò)這樣一個(gè)觀點(diǎn)：“每個(gè)時(shí)代的人都要有一個(gè)基本常識(shí)，不管是哪一個(gè)行業(yè)。比方說(shuō)，在唐代的某個(gè)時(shí)侯，曉得月球繞著太陽(yáng)轉(zhuǎn)，這是作為一個(gè)公民應(yīng)當(dāng)曉得的基本知識(shí)，倘若不曉得都會(huì)很愚蠢。”
圍繞量子熱學(xué)這個(gè)話題可以聊一聊嗎？不光是我自己感興趣，如今這也是一個(gè)潮流話題，無(wú)人不談量子。那了解量子熱學(xué)對(duì)我們通常人有哪些用？
曹則賢：好多！明天我們這個(gè)時(shí)代基本上能用到的元件，比方我們把訊號(hào)圖片傳輸出去諾貝爾物理2023量子糾纏，背后用到的技術(shù)基本上都是量子熱學(xué)所帶來(lái)的。
工業(yè)化社會(huì)到目前為止是經(jīng)過(guò)了三次工業(yè)革命，加上現(xiàn)今的工業(yè)4.0，它不叫第四次工業(yè)革命，并且它們的標(biāo)志物都是數(shù)學(xué)學(xué)。第一次是熱力學(xué)；第二次是電；第三次就是量子熱學(xué)；第四次就是上面三次工業(yè)革命的疊加。
生活在昨天的人，你應(yīng)當(dāng)問(wèn)，哪些地方用不到量子熱學(xué)？
對(duì)于哪些東西是否有用這個(gè)問(wèn)題，我的標(biāo)準(zhǔn)化回答，都是你先學(xué)會(huì)，俺們?cè)倭摹Ｓ捎谀銓W(xué)會(huì)了之后，自然在生活里會(huì)有用它的情境。
02
“一尺之棰，日取其半，萬(wàn)世不竭”可能嗎？
郝景芳：現(xiàn)代數(shù)學(xué)為何要一層一層把物質(zhì)往下分？由于人們總想曉得最深處哪個(gè)核心是哪些。質(zhì)子和中子往下去分，會(huì)有夸克。
曹則賢：夸克也是我們碰撞才曉得它們存在的，如同一個(gè)一個(gè)小鈴鐺似的。
郝景芳：我們從理論上把物質(zhì)分到夸克，并且如今再往里邊分，還沒(méi)有真正地達(dá)成共識(shí)。而且，越往里邊科學(xué)家都會(huì)發(fā)覺(jué)一大堆各類各樣的粒子，它們都是靜止且質(zhì)量為零。
曹則賢：對(duì)于我們追究微觀世界下邊是如何構(gòu)成的時(shí)侯，這個(gè)邏輯鏈?zhǔn)怯刹坏媚汶S意往下問(wèn)的。舉個(gè)簡(jiǎn)單的事例，中國(guó)的古典哲學(xué)上面有這樣一句話：“一尺之棰，日取其半，萬(wàn)世不竭”。這句話似乎有道理，雖然沒(méi)道理。
由于作為一個(gè)數(shù)學(xué)學(xué)家，當(dāng)說(shuō)“日取其半”的時(shí)侯，要考慮運(yùn)用哪些工具，例如說(shuō)用刀，這就是數(shù)學(xué)學(xué)的基本研究方法。當(dāng)我們拿刀切香蕉的時(shí)侯，香蕉會(huì)弄成比原先小的幾塊，這么研究就推到了下一個(gè)層次。
我們?cè)侔迅收嶙押拖憬蹲雅鲎玻植饺氲较乱粋€(gè)層次，可能就到分子的層面。你想步入那個(gè)層次，只能拿這個(gè)層次本身當(dāng)?shù)叮遣豢赡苡肋h(yuǎn)砍下去的。
03
量子熱學(xué)是哪些？
郝景芳：量子熱學(xué)，它是關(guān)于可能性和確定性的。它用波函數(shù)來(lái)描述粒子的狀態(tài)，實(shí)際上它是機(jī)率波。類比而言，對(duì)于你可能出現(xiàn)的一切地方，你出現(xiàn)在那里都是有機(jī)率的。
例如說(shuō)，文濤老師錄完了節(jié)目，可能會(huì)出現(xiàn)在上海市的多個(gè)場(chǎng)所，每位場(chǎng)所都有機(jī)率，可能文濤老師家的機(jī)率是最大的，這么它是關(guān)于可能性的波函數(shù)分布。
此外，量子熱學(xué)說(shuō)的是檢測(cè)的時(shí)侯，會(huì)檢測(cè)出一個(gè)確定性的位置。我們可以按照自己的一些心理情況去體會(huì)一下，例如：在你作出一個(gè)決定之前，在我們心里，所有的可能都是疊加在一起的，哪些都有可能，而且你作出決定的剎那間，它就總會(huì)有一個(gè)確定性的推論。
04
哪些是量子？
曹則賢：“量子”的英語(yǔ)是“”。雖然這是一個(gè)拉丁語(yǔ)詞，意思就是“多少”，也即“多少錢一斤”的多少。“量子”的本意在生活中并不奇怪，這么，它作為一個(gè)科學(xué)概念的時(shí)侯，為何會(huì)顯得奇怪呢？
對(duì)于許多東西，我們一開(kāi)始覺(jué)得它是連續(xù)的。諸如：我們常說(shuō)“抽刀斷水水更流”。我們就覺(jué)得水是連續(xù)的。同樣的，人類發(fā)覺(jué)電的時(shí)侯，叫它“電流”，也是覺(jué)得電是連續(xù)的概念。并且人們漸漸認(rèn)識(shí)到，電是有最小單位的，正如人民幣的最基本單位是一毛錢一樣。
雖然量子的行為如同供銷社賣金屬針一樣。兩毛錢能買三根針，但你不能三分之二毛錢買一根針，要不然你一毛錢買一根針，要不然存夠兩毛錢買三根針。這就是說(shuō)錢是量子化的，我們沒(méi)法花出去三分之二毛錢。
同理，我們一毛錢也買不到1.5根針，從這個(gè)角度來(lái)說(shuō)針也是量子化的。所以說(shuō)量子是不可分，不連續(xù)的。
張立憲：對(duì)于我們這些“土豪”來(lái)說(shuō)，盡管人民幣的這個(gè)基礎(chǔ)單位是分，并且我“土豪”不在意分了。
曹則賢：對(duì)！這就是大量行為。大量行為就是一個(gè)精典連續(xù)行為。如同核桃米一樣，遠(yuǎn)看是一盤，近看是一粒一粒的。
05
觀察者是否影響觀察對(duì)象？
郝景芳：在真正的量子熱學(xué)上面，我們實(shí)際上覺(jué)得這個(gè)東西是哪些都跟我們?nèi)绾慰创嘘P(guān)系。
曹則賢：對(duì)！觀察影響不影響對(duì)象取決于是用哪些觀察哪些。例如：在一個(gè)晚宴上面，我觀察一個(gè)挺好看的女寶寶，但人家對(duì)我根本就不在乎，這么，我觀察到的這個(gè)男孩凈高一米七二，穿著黑色禮服，這都是客觀的，這個(gè)層面上可能就沒(méi)有影響。
然而，假若是她心儀已久的男寶寶，男寶寶又是中學(xué)的校草，這個(gè)時(shí)侯再觀察她，讓她看見(jiàn)了，這個(gè)層面上，男孩一定會(huì)受女孩的影響。
06
物質(zhì)的本質(zhì)是哪些？
郝景芳：薛定諤曾援引過(guò)這樣的描述。在化學(xué)學(xué)家看來(lái)生活中全是空空的，硬的也沒(méi)有，顏色也沒(méi)有，味道也沒(méi)有。例如說(shuō)我們?cè)谝巫由嫌檬种竿兄弊樱瘜W(xué)學(xué)家覺(jué)得我們是虛空支著虛空，哪些都沒(méi)有。
曹則賢：是有電磁互相作用。
郝景芳：是這樣的，當(dāng)你們學(xué)數(shù)學(xué)學(xué)，學(xué)到深處之后，會(huì)發(fā)覺(jué)它都是同樣的基本粒子，但是就只有那幾種基本力。其中我們能體會(huì)的，也只有電磁力和引力，之后把這種全都給歸類了之后，雖然，人們靠自己的腦子和意識(shí)建構(gòu)出了一幅直觀世界的圖象。
而關(guān)于世界的圖象，就是我們個(gè)人的建構(gòu)。換句話說(shuō)我們的世界觀是我們的腦部想下來(lái)的。所以椅子有它自己的原子粒，我們跟它有電磁力的互相作用，之后，我們?cè)谀X子中就建構(gòu)了這樣的一個(gè)東西。其實(shí)物理學(xué)學(xué)到深處之后，會(huì)和我們?nèi)藢?duì)這個(gè)世界的感知有關(guān)系。
曹則賢：雖然在中國(guó)唐代早就有“子不語(yǔ)怪力亂神”的說(shuō)法。就事論事，就著公式說(shuō)化學(xué)。
07
光合作用竟然也和量子熱學(xué)有關(guān)？
郝景芳：前三天我看見(jiàn)一件令我驚艷的事情。有人說(shuō)，葉綠素吸收光，之后形成萬(wàn)事萬(wàn)物能吃的東西，這也許是有一個(gè)量子熱學(xué)的過(guò)程。實(shí)際上人們?cè)谕耆粫缘眠@個(gè)事情的時(shí)侯，并不耽擱種莊稼。并且當(dāng)我們有了這種認(rèn)知的時(shí)侯，你會(huì)發(fā)覺(jué)農(nóng)業(yè)就不是從前的農(nóng)業(yè)了。
曹則賢：我還想以此機(jī)會(huì)向社會(huì)傳達(dá)一個(gè)極其重要的概念。即在我們這個(gè)工業(yè)化時(shí)代里有一個(gè)重要的方向，就是農(nóng)業(yè)的全面工業(yè)化。它不是簡(jiǎn)單地說(shuō)是機(jī)械的使用，而是要從微觀層面起來(lái)操控農(nóng)小麥的生長(zhǎng)。
竇文濤：對(duì)，我就感覺(jué)有些不可思議的事情將來(lái)會(huì)發(fā)生的。
08
量子估算是否一定優(yōu)于精典算法？
曹則賢：當(dāng)我們開(kāi)始用量子算法解決問(wèn)題，最終實(shí)現(xiàn)了“量子霸權(quán)”。但我們中國(guó)科大學(xué)理論研究所的一個(gè)很年青的研究員張潘，她們的精典算法把“量子霸權(quán)”比下去了。
《》雜志也即將承認(rèn)精典算法在估算速率、有效性來(lái)說(shuō)來(lái)說(shuō)是優(yōu)于原先提出的“量子霸權(quán)”的。
郝景芳：實(shí)際上，量子估算從原理上比精典算法好的地方是哪呢？例如說(shuō)，文濤老師做完節(jié)目之后，想去找自己的一個(gè)朋友。這個(gè)朋友有可能在這個(gè)城市上面的任何一個(gè)角落。我們精典的算法，就要自己去這個(gè)城市上面每一個(gè)場(chǎng)所全都遍歷一番能夠找到他。
然而量子估算它的用處是哪些呢？就是因?yàn)槭遣ê瘮?shù)（機(jī)率波）狀態(tài)，文濤老師出現(xiàn)有一切的可能性，之后這個(gè)波函數(shù)在城市上面一擴(kuò)散，就直接在某一個(gè)地方碰到了朋友，最后就徑直地過(guò)去了。也就是說(shuō)，量子估算這一個(gè)基本的量子，它有很多個(gè)態(tài)，可以同時(shí)開(kāi)始去搜索，之后直接就碰到了哪個(gè)正確答案。
09
量子糾纏又該如何理解？
郝景芳：能糾纏的粒子，不是說(shuō)咱倆現(xiàn)今頭上的粒子能夠糾纏，能糾纏的粒子，可能在出生的時(shí)侯，就要糾纏在一起。之后，把它們其中之一領(lǐng)到300億光年之外，它還是有超距作用的。
然而這個(gè)粒子，假如在中間的過(guò)程中遇上了檢測(cè)或則其它的反應(yīng)，這么，它們兩個(gè)的糾纏可能就被破壞了，也就沒(méi)有互相作用了。假如在宇宙大爆燃的時(shí)侯，所有的粒子在當(dāng)時(shí)生下來(lái)的時(shí)侯，全部都糾纏在一起，到了明天，還有沒(méi)有這個(gè)互相作用？
這個(gè)不好說(shuō)。并且，至少我們的日常生活中，不同人身上的粒子沒(méi)有糾纏，哪怕是同一個(gè)人身上的粒子，也不糾纏。其實(shí)，我們須要制備十分特殊的這樣一對(duì)糾纏粒子，才才能有超距作用。
竇文濤：那它們是如何傳遞消息的呢？
曹則賢：事情是這樣的，我們要理解糾纏這個(gè)事情，就要先理解它的背面，哪些叫不糾纏。例如兩個(gè)人出去喝水，收錢的時(shí)侯A(yù)A制，那這兩個(gè)人就是不糾纏。假如是一對(duì)夫婦出去喝水，無(wú)所謂誰(shuí)收錢，由于法律都規(guī)定了財(cái)產(chǎn)屬于共同所有，這就是糾纏。
比方說(shuō)一左一右的手套，它們就是糾纏的，例如明天要出差的時(shí)侯，忘拿了其中的一只，在外省出差打開(kāi)袋子的剎那間，見(jiàn)到了袋子里的那一只。你立刻就曉得了家里的那只是右臂的還是手指的。
郝景芳：我借用曹院士那種手套的事例，可能更能看出這個(gè)糾纏奇妙的地方在那里。量子和精典不一樣。精典的是，這個(gè)手套是右手的，在開(kāi)箱之前它就是右手的。你開(kāi)箱，它就是右手。
而量子跟檢測(cè)有關(guān)，這個(gè)手套在你打開(kāi)袋子之前，你不曉得它是右手的，還是手指的，在打開(kāi)袋子的一霎那，它弄成右手的或則是手指的，這跟你的檢測(cè)有關(guān)，它有一定幾率是右手，也有一定幾率是雙手。
然而量子糾纏它的一個(gè)奇妙的地方就在于，你開(kāi)這個(gè)袋子的時(shí)侯，它是右手的，這邊就是雙手的。它有一半的機(jī)率，那邊是雙手的，這邊就是右手的，這確實(shí)不是事先定出來(lái)的，而是互相影響的。
本文整理自《圓桌派》