——關(guān)于科學(xué)思維和量子理論的幾本推薦讀物
量子科技的熱潮
量子技術(shù)似乎正在走近人們的生活。2017年剛剛開始唠雕，IBM就宣布正式商業(yè)化量子計(jì)算平臺贸营。這家世界領(lǐng)先的商業(yè)機(jī)器公司經(jīng)過35年的研發(fā)，推出了計(jì)算機(jī)領(lǐng)域的概念級科技產(chǎn)品岩睁，雖然目前的處理器仍只有5昆比特位钞脂，但從理論和發(fā)展前景上看，量子計(jì)算機(jī)的運(yùn)算速度會比傳統(tǒng)電子計(jì)算機(jī)快得多捕儒，因?yàn)殡娮泳w管處理數(shù)據(jù)非0即1芳肌，而量子比特自帶“疊加態(tài)”屬性，可以同時是0也是1肋层，這無疑是硬件材質(zhì)上的一大躍遷亿笤。
然而，IBM并非首先推出量子計(jì)算機(jī)的公司栋猖。早在2013年净薛，谷歌便已宣布和NASA聯(lián)合投資了由D-Wave公司制造的超級計(jì)算機(jī)。據(jù)說蒲拉，這是最早以量子比特為理念設(shè)計(jì)制造的運(yùn)算設(shè)備肃拜，采用的是超導(dǎo)電路方案，而IBM此次推出的量子運(yùn)算平臺雌团，使用的則是離子阱方案燃领。兩家公司的競爭也許才剛剛拉開序幕，但量子技術(shù)的前景似乎在此番競爭中越來越明朗了锦援。
那么量子計(jì)算機(jī)是什么樣子的猛蔽？體積會比傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)更小嗎？目前來看灵寺，雖然量子比特是由一些亞原子構(gòu)成的曼库，但只局限于處理器，而周邊的輸入與讀取設(shè)備略板、以及維持處理器運(yùn)轉(zhuǎn)的低溫恒溫設(shè)備則龐大得多毁枯，正如電子計(jì)算機(jī)剛造出來時一樣。
也許隨著時間的推移，未來的計(jì)算機(jī)和軟件支持都會朝著量子技術(shù)的方向發(fā)展瓤檐，以IBM的運(yùn)算平臺來看赂韵，目前已經(jīng)有一些軟件公司開始學(xué)習(xí)如何為量子算法設(shè)計(jì)程序了。所以距帅，在不遠(yuǎn)的將來右锨，量子理論或許不再是象牙塔里的猜想了，而是與生活息息相關(guān)的基礎(chǔ)知識碌秸，那就看看目前從科普領(lǐng)域可以了解哪些內(nèi)容吧绍移。
量子理論的歷程
20世紀(jì)初，物理學(xué)發(fā)展到量子理論之后讥电，人們就逐漸發(fā)現(xiàn)蹂窖，這個世界變得越來越陌生了。量子理論的創(chuàng)始人之一恩敌，哥本哈根學(xué)派的玻爾說瞬测，“那些在接觸到量子理論之后，沒有在第一時間震驚的人，肯定是還沒有理解它”月趟。量子理論的提出源于德國物理學(xué)家普朗克(Max Planck)的一個實(shí)驗(yàn)灯蝴。
“19世紀(jì)后期由于照明設(shè)備和冶金鑄造的需要，人們希望找到發(fā)光體的溫度和它發(fā)出的光的顏色的關(guān)系孝宗，這樣就可以通過發(fā)熱物體的顏色來判斷它的溫度穷躁。比如在制造電燈的過程中，人們注意到燈絲的溫度可以改變發(fā)光的顏色因妇，紅色燈絲溫度低问潭，而黃色燈絲溫度高』楸唬”
1900年狡忙，普朗克在實(shí)驗(yàn)中把電磁場中的能量分成一粒一粒的能量包，得到的計(jì)算結(jié)果與測試數(shù)據(jù)完全吻合址芯，于是灾茁，他提出了能量量子化假說。五年后是复，愛因斯坦為解釋光電效應(yīng)而提出了光子的概念删顶。但早在1801年，人們已經(jīng)通過楊氏雙縫實(shí)驗(yàn)認(rèn)識了光線是一種波淑廊。那么光到底是粒子還是波呢逗余？
于是，物理學(xué)家們重復(fù)了楊氏實(shí)驗(yàn)季惩，但做了些調(diào)整录粱，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，光具有波粒二象性画拾，當(dāng)光粒子通過縫隙投射到屏幕上時啥繁，會發(fā)生自身干涉，也就是說青抛，一顆粒子同時通過了兩條狹縫旗闽，同一時間出現(xiàn)在兩處。
20世紀(jì)20年代蜜另，丹麥物理學(xué)家玻爾(Dane?Niels Bohr)提出了“量子躍遷”的概念适室，解釋了光子現(xiàn)象。1925年举瑰，德國物理學(xué)家海森堡(Werner Heisenberg)提出了量子力學(xué)的第一種形式捣辆，矩陣力學(xué)。
“海森堡想象電子并非一直存在此迅，只在有人看到它們時汽畴，或者更確切地說旧巾，只有和其他東西相互作用時，它們才會存在忍些。當(dāng)它們與其他東西相撞時鲁猩，就會以一個可計(jì)算的概率在某個地方出現(xiàn)。從一個軌道到另一個軌道的‘量子躍遷’是它們現(xiàn)身的唯一方式：一個電子就是相互作用下的一連串跳躍坐昙。如果沒有受到打擾绳匀，電子就沒有固定的棲身之所，它甚至不會存在于一個所謂的‘地方’炸客。”
簡言之戈钢，電子是一種“不存在”的存在痹仙。沒有相互作用的時候，相當(dāng)于不可見殉了，然而受到激發(fā)之后开仰，便呈現(xiàn)出一次或一連串的跳躍，并在過程中實(shí)現(xiàn)能量的轉(zhuǎn)移或轉(zhuǎn)化薪铜。更重要的是众弓，這些飛躍是隨機(jī)的，不可預(yù)測隔箍，由此產(chǎn)生了量子力學(xué)中的另一個重要概念“隨機(jī)性和不確定性”谓娃。但這個想法始終得不到愛因斯坦的認(rèn)可。為此蜒滩，玻爾和愛因斯坦辯論了許多年滨达。
“最后，愛因斯坦承認(rèn)俯艰，量子理論是人類認(rèn)識世界進(jìn)程中的一個巨大進(jìn)步捡遍，但他還是堅(jiān)信，事情不可能如此荒誕離奇竹握，在這一切‘背后’一定存在著一個更為合理的解釋画株。”
“上帝是不會擲骰子的啦辐，”愛因斯坦說谓传。
在海森堡創(chuàng)立矩陣力學(xué)的同時，奧地利物理學(xué)家薛定諤從另一條途徑創(chuàng)立了波動力學(xué)昧甘，也即量子力學(xué)的第二種形式良拼。他在著名的貓實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)上思考了芝諾效應(yīng)，提出“粒子的存在狀態(tài)是一切可能狀態(tài)的統(tǒng)計(jì)分布充边。在測量前庸推，人們不能確定它處在哪個狀態(tài)常侦，但是一旦測量，系統(tǒng)就坍縮到某個狀態(tài)贬媒。而如果一直保持在測量狀態(tài)聋亡，就是說一直觀察系統(tǒng)，系統(tǒng)就不會改變际乘，不會從一個狀態(tài)演化到另一個狀態(tài)坡倔，而實(shí)驗(yàn)也證明了這是正確的〔焙”
在量子力學(xué)中罪塔，另一個能讓人暢想未來的概念是“量子糾纏”。量子學(xué)認(rèn)為养葵，粒子處于一種自旋的狀態(tài)征堪，也即向上與向下的自旋疊加態(tài)，然而关拒，一旦與另一個粒子相互作用之后佃蚜，兩個粒子便會發(fā)生關(guān)聯(lián)。如果觀測到其中一個粒子向下自旋着绊，那么另一個粒子必定會向上自旋谐算，而且無論相隔多遠(yuǎn)，兩個粒子之間的這種相互感應(yīng)都是瞬時的归露。因此洲脂，這種關(guān)系被愛因斯坦稱為“鬼魅的超距作用”。
最有趣的地方是靶擦，只要找到正確的方式腮考，利用量子糾纏現(xiàn)象，人們可以實(shí)現(xiàn)“瞬間傳輸”玄捕。
“現(xiàn)在來介紹一下工作原理踩蔚。比如說，你想要瞬間傳送一枚例子A枚粘，從火星表面向上發(fā)送到‘企業(yè)號’星際飛船里馅闽。你首先需要另外兩枚粒子，不妨稱它們?yōu)锽和C馍迄，早些時候這兩個粒子已經(jīng)相互糾纏了福也。B和你一起來到火星表面，而C早就待在企業(yè)號里了攀圈。下一步暴凑，你把A和B放在一塊兒，做一個普通的測量赘来，查看A和B之間的關(guān)系现喳。盡管不確定原理阻止我們知道粒子A和B的確切狀態(tài)凯傲，但知道它們之間的關(guān)系是容許的，并且這就是傳送A的狀態(tài)時你所需要知道的全部嗦篱。測量的結(jié)果隨后會被發(fā)送到企業(yè)號上冰单，在那兒就可以從粒子C中提取出一份粒子A的準(zhǔn)確副本……并且，原始粒子A在這個過程中會被毀滅灸促。也就是說A已經(jīng)被有效地瞬間傳送了诫欠。”
目前浴栽，粒子的瞬間傳輸已經(jīng)在實(shí)驗(yàn)室中取得了進(jìn)展荒叼。其中成功完成傳輸?shù)淖畲罅Ｗ邮?004年由美國人和奧地利人一起用于實(shí)驗(yàn)的原子。更大物質(zhì)的傳輸由于負(fù)載信息量大吃度，以目前的信息技術(shù)甩挫，在讀取、傳送與接收的時間上受到了局限椿每。而另一個問題在于，傳輸?shù)膬啥硕夹枰惨茩C(jī)器英遭，也就限制了傳輸?shù)姆秶浠ぁ８匾氖牵惨扑玫降牟⒉皇窃瓕ο笸谥睿且粋€復(fù)制品汁尺，因此，瞬移機(jī)器其實(shí)類似于復(fù)印機(jī)多律，只不過原件被銷毀了痴突，最后只得到復(fù)印件，如果傳輸對象是人的話狼荞，這將面臨一個多么難解的倫理問題傲勺啊？
量子理論從20世紀(jì)初誕生相味，發(fā)展到今天已經(jīng)過了大約一百年的時間拾积。許多實(shí)驗(yàn)證實(shí)了這個理論的正確性，但量子世界本身的匪夷所思之處也給人們帶來了不少的困惑和懷疑丰涉。尤其近幾年拓巧，國內(nèi)對量子理論的科普討論每每提及佛學(xué)。然而一死，如果一種科學(xué)理論與另一種宗教理論有異曲同工之妙的話肛度，科學(xué)與宗教的差別究竟在何處？
對于這個問題投慈，北京大學(xué)科學(xué)史博導(dǎo)吳國盛在《什么是科學(xué)》里間接給出了回答承耿。
“早先的邏輯經(jīng)驗(yàn)主義者說冠骄，科學(xué)之為科學(xué)就在于它能夠得到經(jīng)驗(yàn)的證實(shí)，可是被波普爾(Karl Popper, 1902-1994)反駁說瘩绒，我們的經(jīng)驗(yàn)都是單稱陳述猴抹，單稱陳述經(jīng)過歸納并不能確鑿可靠地推導(dǎo)出全稱陳述……于是波普爾別處心裁地提出證偽理論，認(rèn)為科學(xué)之為科學(xué)不在于可證實(shí)锁荔，而在于可證偽……到了庫恩(Thomas Kuhn, 1922-1996)這里蟀给，科學(xué)之為科學(xué)的標(biāo)準(zhǔn)這個問題的性質(zhì)發(fā)生了改變。他在研究科學(xué)史的過程中發(fā)現(xiàn)阳堕，實(shí)際發(fā)生的科學(xué)理論的更替并不是由理論與觀察之間的邏輯關(guān)系決定的跋理，而是由科學(xué)家共同體決定的……換句話說，你要是非要問什么是科學(xué)恬总，庫恩的答案很簡單：科學(xué)家們做的事情就是科學(xué)前普。”
作者在這本書講述了現(xiàn)代科學(xué)的源頭壹堰，一是基督教拭卿，一是數(shù)理實(shí)驗(yàn)科學(xué)的形而上基礎(chǔ)。從這些歷史來看贱纠，也許可以得出以下的認(rèn)識：科學(xué)是人們看待這個世界的一種方式峻厚，是一種人類中心主義，是對自然的征服意識谆焊，也是人類發(fā)展步入成熟所必經(jīng)的認(rèn)知階段惠桃。
25歲從牛津大學(xué)博士畢業(yè)、35歲出走科學(xué)圈的馬兆遠(yuǎn)博士在他的新書《量子大嘮嗑》中也闡述了類似的觀點(diǎn)辖试。
“當(dāng)然辜王，有神宗教的基本假設(shè)是無法證偽的……無法證偽的過程我會采取不排斥可研究的態(tài)度……我不相信‘唯科學(xué)’，科學(xué)目前并不是解決一切問題的萬能方法罐孝，我喜歡的是科學(xué)不定義自己的邊界呐馆。這是一種最大的自由，它允許我們因?yàn)樽约旱暮闷嫘牟粩嗟卦V求肾档，而科學(xué)方法為這種訴求提供了可信的一步一步的基礎(chǔ)摹恰，這是其他信仰系統(tǒng)不能夠簡單滿足的∨”
“……與民主是一種生活方式的邏輯類似俗慈，科學(xué)只是我們認(rèn)識世界的一種途徑。社會制度上遣耍，不一定打著民主的牌子就高級闺阱，在解決問題的有效性上來講，也不一定打著科學(xué)的牌子就代表一定正確……只有掌握了現(xiàn)代科學(xué)方法之后舵变，才知道怎樣更好地保護(hù)自己文化里精髓的酣溃、有益的東西瘦穆。”
至于馬博士所說的現(xiàn)代科學(xué)方法赊豌，大概可以從另一本講述科學(xué)思維的小冊子里學(xué)習(xí)到扛或。
這是一本全英文的知識讀本碘饼，里面列出了科學(xué)思維的要素熙兔、方式方法、步驟和分學(xué)科的思考重點(diǎn)艾恼。
在開篇《為什么要科學(xué)思考》一章中住涉，作者給科學(xué)思維下了一個定義：
“科學(xué)思維簡而言之就是自我指導(dǎo)(self-directed)、自我規(guī)范(self-disciplined)钠绍、自我監(jiān)督(self-monitored)舆声、和自我糾正(self-corrective)×”
作者還用一張圖列舉了科學(xué)思維的種種要素媳握。其實(shí)一比較便很容易發(fā)現(xiàn)，GRE考試就是一場很規(guī)范的思維訓(xùn)練過程磷脯。魯迅曾說毙芜，對于西方好的東西，我們要有“拿來主義”的精神争拐。科學(xué)思維確實(shí)是干貨晦雨，大家請放心大膽地拿吧架曹。
