為什么跨越了千年的時空，跨越了萬里重洋，跨越了不同人種，人類都會不約而同地選擇去探索科學(xué)呢？他們探索的動機(jī)是什么？
在我看來，于個人而言，科學(xué)的首要價值在于，它是達(dá)到內(nèi)心安寧的最可靠途徑。寧靜內(nèi)心最大的敵人是恐懼和憂慮，而恐懼與憂慮都源于未知。人們不知道自己從哪里來，亦找不到自己的歸宿，所以會不停地追問：“我們從哪里來？要到哪里去？”
1642 年伽利略去世，1643 年牛頓出生，在我們回顧物理學(xué)歷史的時候，他們兩人也許是我們最不能忘記的。伽利略開啟了現(xiàn)代物理學(xué)，而牛頓是經(jīng)典力學(xué)的集大成者。1687 年，在對先賢成果加以總結(jié)的基礎(chǔ)上，牛頓寫出并出版了《自然哲學(xué)的數(shù)學(xué)原理》，提出了三大運動定律，其中第一條就是墨子曾經(jīng)提出的“止，以久也，無久之不止”，也就是我們所熟悉的慣性定律。
在三大運動定律的基礎(chǔ)上，牛頓又根據(jù)開普勒的研究成果，提出了他的萬有引力定律。偉大的萬有引力定律被發(fā)現(xiàn)之后，蘋果落地、星星繞太陽轉(zhuǎn)等天上地下的現(xiàn)象，都可以被統(tǒng)一地解釋。這既帶來了人類思想的巨大解放，在后來也讓很多物理學(xué)家深感憂慮。
說它帶來思想的巨大解放，是因為人類從此了解到：世界是獨立于人類而存在的。我們可以對世界進(jìn)行凝視深思，通過對它的部分了解，認(rèn)識到這個世界的某些部分是可知的。本質(zhì)上，這就是對“物理學(xué)美且具有強(qiáng)大力量”的一種證明。我們知道人類只不過是星系中很小的一部分。不過那時的人們只能計算軌道，依然不能解答“我們從哪里來，要到哪里去”的問題。
盡管如此，當(dāng)牛頓把三大運動定律和萬有引力定律建立起來以后，科學(xué)家還是隱隱有了一種“看破宇宙奧秘”的感覺。在思想上，這就帶來了巨大的解放。人們感受到一種“先天的和諧”，在自然規(guī)律中感受到“這真是太有意思了”，從而獲得了心靈的自由和寧靜，這其實也就是我所說的，科學(xué)家們探索的動機(jī)。
隨著科學(xué)繼續(xù)向前發(fā)展，人們意識到，原來天上的電和地上的電是一樣的。后來，法拉第發(fā)現(xiàn)了電磁感應(yīng)現(xiàn)象，發(fā)現(xiàn)磁與電是相互聯(lián)系的。麥克斯韋在 1864 年發(fā)表了《電磁場的動力學(xué)理論》，建立了電動力學(xué)，將一切光、電、磁的現(xiàn)象統(tǒng)一為由一個方程組來描述。
很多看起來獨立的現(xiàn)象被完全統(tǒng)一了?？茖W(xué)戰(zhàn)勝了愚昧，隨之而來的是以電力技術(shù)為代表的產(chǎn)業(yè)變革?？茖W(xué)家們越發(fā)認(rèn)為科學(xué)是可靠的，最終得到了一種心靈的解放和自由。
那為什么還有物理學(xué)家會焦慮呢？因為直到那時，科學(xué)家們依然無法回答 “我們從哪里來，要到哪里去”這一問題。雖然那時大多數(shù)科學(xué)家都對科學(xué)的發(fā)展?fàn)顩r感到滿意，但一個新的問題擺在了他們面前：一旦確定了初始狀態(tài)，那么所有粒子的狀態(tài)都是可以被精確預(yù)言的。這個世界上的一切是不是都可以用公式來預(yù)言？我將來會成什么樣的人以及你此時正在看這篇文章，是不是都可以被計算出來？那么在宇宙的規(guī)律之下，個人的努力又有什么用呢？宇宙規(guī)律又是從何而來呢？這些問題，當(dāng)時的人們無法回答。
到了20世紀(jì)初，兩個偉大的科學(xué)家出現(xiàn)之后，這個問題有了新的回答。
普朗克提出了量子論，所有微觀世界的規(guī)律都遵從量子理論；愛因斯坦隨后提出了相對論，時間和空間的規(guī)律由相對論所描述。當(dāng)我們把這兩個理論結(jié)合在一起的時候，我們居然能初步通過大爆炸理論了解宇宙的起源與演化了。
宇宙的起源與演化
100多億年前，由于量子漲落，一個“奇點”發(fā)生了爆炸，“炸”出了時間、空間和構(gòu)成萬物的基本粒子。最初，宇宙中只有氫和氦兩種元素，它們在引力的作用下聚集在一起，形成了第一代恒星，宇宙中也終于有了第一縷可見光。
物質(zhì)燃燒時有輻射，宇宙向外膨脹，引力則控制宇宙收縮，互相之間達(dá)到一種暫時的平衡。
恒星聚變后，慢慢形成了一個穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)。但當(dāng)恒星在核聚變過程中原料燃燒殆盡后，就無法再抵御引力塌縮，最后形成新的爆炸，也就是超新星爆發(fā)。然后，它會變成中子星或者黑洞。
宇宙要誕生生命，比人類的母親懷胎十月困難得多。100多億年前奇點大爆炸；經(jīng)歷引力、聚變等作用，大約50億年前，太陽形成了；大約40億年前，生命開始在地球上出現(xiàn)、進(jìn)化；5億年前，初等海洋生物出現(xiàn)；4 億多年前，陸地上出現(xiàn)植物；大約3.6億年前，出現(xiàn)兩棲動物；2.3 億年前，開始出現(xiàn)恐龍等爬行類動物；1.4 億年以前，出現(xiàn)哺乳類動物；500萬年前，出現(xiàn)人類始祖；180 萬年前，有了原始人；直到 20萬年前，才有了人類的祖先——智人。
到目前為止，人們通過觀測到的現(xiàn)象與考古的研究，大概勾畫出了人類起源的雛形，對“我們從哪里來，要到哪里去”也有了一個初步的概念。
量子力學(xué)打破了機(jī)械決定論，正如霍金所說：“即使是相信一切都是上天注定的人，在過馬路時也會左右看，以免被車撞到。”
那么，量子力學(xué)是如何打破經(jīng)典力學(xué)帶來的機(jī)械決定論的呢？
很多人讀過《西游記》，《西游記》是人類創(chuàng)造力的杰出體現(xiàn)，書中記錄了很多有趣的概念，比如“天上一日，地上一年”“千里眼和順風(fēng)耳”“筋斗云”，再比如孫悟空的分身術(shù)。
愛因斯坦的相對論告訴我們，“天上一日，地上一年”是可以成為現(xiàn)實的。假定有一對雙胞胎，其中一個做了宇航員去太空中旅行，而另一個留在地球上。如果飛船的速度快到接近光速，地球上很多年過去了，宇航員回到地球會發(fā)現(xiàn)，他的兄弟垂垂老矣，而他卻仍和出發(fā)時一樣年輕。
筋斗云讓孫悟空在空中跑得非?？?，仿佛可以在一個地方突然消失，然后又在很遠(yuǎn)的地方突然出現(xiàn)。我們的實驗已經(jīng)證明，在量子世界中，“筋斗云”是真實存在的。利用量子糾纏原理，我們可以使相隔遙遠(yuǎn)的兩處的物質(zhì)處于糾纏態(tài)。
所謂糾纏態(tài)，就是指處于糾纏態(tài)的兩個物體，不管相距多遠(yuǎn)，一邊的結(jié)果確定了，另一邊的結(jié)果也會確定，且兩個結(jié)果緊密關(guān)聯(lián)。即使把A點的物質(zhì)完全摧毀，但只要關(guān)于它的全部信息已經(jīng)被“傳送”到 B 點，通過數(shù)據(jù)處理，利用在 B處的物質(zhì)可以把已被摧毀的物質(zhì)重新構(gòu)造出來。這就像“筋斗云”一樣。很多年前，我們在因斯布魯克做了這個實驗，盡管當(dāng)時只能“傳送”一個粒子，但也在國際上引起了巨大的轟動，不過目前我們還無法“傳送”復(fù)雜的個體——比如人體，畢竟人體中大概有 10的28 次方個粒子。
量子物理也同樣允許“分身術(shù)”的存在，因為量子世界和牛頓的世界是不一樣的。
在牛頓的經(jīng)典物理世界中，蘋果要么在桌子上，要么在地上，它不可能同時在桌子上和在地面上。如果我們把“蘋果在桌子上”叫作“0”，在地面上叫作 “1”，它只能處于“0”“1”兩個可能狀態(tài)中的一個；而在量子世界中，它可以同時處于各種地方—就像大家熟知的薛定諤那只“又死又活”的貓。在量子的世界中，當(dāng)貓和我們沒有互相作用的時候，它處于生和死的疊加狀態(tài)。
墨子曾說：“端，體之無序最前者也。”量子在本質(zhì)上，就是一個最基本的、不可分割的單元，它擁有不可分割性和可疊加性兩種特性。對于像貓這種較大的實體，我們還無法塑造出這種狀態(tài)，但對于微觀顆粒已經(jīng)很容易實現(xiàn)了。光的最小單元叫光子，光子會同時在水平和豎直方向振動，這就是“0”和“1”的疊加。一旦我們測量它，它的狀態(tài)就會被影響。
為了解釋這種現(xiàn)象，我們先明確兩點，第一，在沒有觀測微觀個體時，它可以同時處于兩種狀態(tài)；第二，一旦對微觀個體進(jìn)行觀測，對它的影響是巨大的，它會變成只有一種狀態(tài)。
如果我們對想要了解的微觀粒子進(jìn)行拍照，它的狀態(tài)就不能再變化了，因此我們不能得到關(guān)于它的全部信息。由量子這個最簡單的原理，我們得知最小顆粒是測不準(zhǔn)的，測不準(zhǔn)也就不能被復(fù)制。在生命科學(xué)中，當(dāng)兩個人的基因序列完全相同的時候，其中一個就是克隆人；但量子物理學(xué)認(rèn)為，這兩個人只是“硬件”一樣，里面的思想、其中原子的狀態(tài)，是測不出來的。所以，人作為個體，每個都是獨一無二的存在。
量子力學(xué)中神奇的測量
除了哲學(xué)問題，量子力學(xué)也可以解決科學(xué)問題。比如，如果信息處理中也存在“0”和“1”同時存在這種現(xiàn)象的話，就成為量子通信。
利用量子不可分割、不可被復(fù)制的性質(zhì)，A 給 B 發(fā)送一些單光子作為密鑰，如果C想要竊聽，那C只有兩個選擇：其一是拿走作為密鑰的單光子，這樣B就收不到A的信息了，所以可以發(fā)現(xiàn)通信被竊聽了；其二是對密鑰進(jìn)行拍照，但在拍照的過程中，會改變單光子的狀態(tài)，因此B 也可以發(fā)現(xiàn)自己被竊聽了。
正是因為如此，利用量子技術(shù)，我們可以實現(xiàn)不可破譯、無條件安全的通信。你可能還想問，量子力學(xué)對打破經(jīng)典力學(xué)帶來的決定論有什么幫助呢？
經(jīng)典物理學(xué)告訴我們，世界是完全獨立于個人而存在的，規(guī)律永恒不變；量子力學(xué)告訴我們，世界雖然在很大程度上獨立于你而存在，但你的探索和努力對這個世界的演化是有影響的。
那么，未來的量子計算機(jī)是否會發(fā)展到人類大腦的程度呢？目前科學(xué)家并不能確定，這也給了我們一個向更深層次探索的動機(jī)。因為科學(xué)家對量子信息的研究并非只是為了通信和計算，而是希望探索人類意識從何而來。如果說我們看到的世界是人類大腦對世界的一種映射，那我們不禁想問：大腦是如何理解這個世界的？期待隨著研究的深入，我們可以得到更多知識和發(fā)現(xiàn)。
科技的進(jìn)步使得信息交互的效率越來越高，從早期的口口相傳、千里傳書，到熱力學(xué)和力學(xué)的應(yīng)用促使了鐵路、火車等工具的出現(xiàn)，極大加快了人類的交互速度。再到電力學(xué)的廣泛應(yīng)用，人類迎來第二次工業(yè)革命，世界變得更小。而量子力學(xué)等理論的應(yīng)用，帶來了電子計算機(jī)和第三次工業(yè)革命，形成了現(xiàn)在的互聯(lián)網(wǎng)，世界在人類的探索中不斷向前發(fā)展。
人類自古以來就對世界有恐懼感，而科學(xué)可以幫助人們了解宇宙的規(guī)律、增長智慧，有了智慧之后，人類就不再困惑，也不再因為自身在宇宙中的存在而感到恐懼不安。當(dāng)心安定了，人們做任何事情，成功也好，不成功也罷，都不那么容易患得患失。人心的焦慮往往源于此：沒有時怕得不到，得到后又唯恐失去。
用愛因斯坦的話來說，人類探索的一個主要目的就是追求思想上的解放。盡管科學(xué)探索的路并非坦途，但歸根到底依然是為了仁、智、勇，為了真正做好一個“人”，這也是科學(xué)探索的最終奧義了。
以上內(nèi)容整理自潘建偉院士 2016 年在“墨子沙龍”上發(fā)表的演講，摘自《科學(xué)之美》一書。
作者簡介：
潘建偉，中國科學(xué)院院士、中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)教授，現(xiàn)任中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)常務(wù)副校長、中國科學(xué)院量子信息與量子科技創(chuàng)新研究院院長。潘建偉在量子光學(xué)、量子信息和量子力學(xué)基礎(chǔ)問題檢驗等領(lǐng)域做出了重要貢獻(xiàn)，是中國量子信息領(lǐng)域的領(lǐng)軍學(xué)者。在超冷原子量子模擬、量子化學(xué)、量子成像等領(lǐng)域，潘建偉也做出了眾多有影響力的工作。因其杰出成就，潘建偉榮獲了眾多重要獎項，包括歐洲物理學(xué)會菲涅爾獎 （2005 年）、QCMC 國際量子通信獎（2012 年）、國家自然科學(xué)獎一等獎（2015 年）、未來科學(xué)大獎（2017 年）、墨子量子獎（2019 年）、 蔡司研究獎（2020 年）等。
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