探索的動機(jī)

微觀世界與經(jīng)典世界最明顯的一個(gè)區(qū)別是，事物不是明確的非此即彼，而是此與彼的某種尚未確定的疊加態(tài)。

我在歐洲留學(xué)時(shí)，到阿爾卑斯山區(qū)的一個(gè)大峽谷，一個(gè)很少有外國人到的地方去游歷。在那里，我見到一位大概80多歲、滿頭白發(fā)的老太太坐在輪椅上。她非常高興看到一個(gè)外國人，于是我們就聊起來。她問我是干什么的，我說：“我是做量子物理的?！比缓笏M(jìn)一步問我：“你做量子物理的哪一方面？”我說：“是量子信息、量子態(tài)隱形傳輸，就像時(shí)空穿越里的東西。”她說：“我讀過你在《自然》雜志發(fā)表的那篇文章。”我非常感動，一位80多歲的老太太，卻對科學(xué)保持著這樣一種原始興趣的初心，當(dāng)時(shí)我想也許她只是個(gè)例。又過了幾年，我在海德堡大學(xué)做切除息肉的手術(shù)。當(dāng)我做完手術(shù)醒過來之后，正好護(hù)士站在我的床前。她說：“潘教授，你是不是研究跟時(shí)空穿越類似的東西啊?！蔽艺f：“是啊?！彼f：“你能不能給我講講?！币?yàn)槲耶?dāng)時(shí)鼻子里面插著兩個(gè)管子，非常痛苦。我說：“現(xiàn)在我講不了，我將來送給你點(diǎn)資料吧?！睘槭裁磁e這兩個(gè)例子？我覺得一位護(hù)士對科學(xué)感興趣，一位鄉(xiāng)村老太太對科學(xué)也感興趣，這很難得。如果我們對科學(xué)沒有這種原始的沖動，沒有興趣，我們就不可能變成一個(gè)真正的創(chuàng)新的國家。

什么是探索的動機(jī)。作為科學(xué)家，特別關(guān)心兩個(gè)事情。第一，宇宙的規(guī)律是怎么樣的。通過規(guī)律研究，希望能夠知道我們從哪里來，到哪里去，也就是說，我們非常關(guān)心人類和宇宙的生成和命運(yùn)。好多年前我曾經(jīng)讀過房龍的一本書，叫做《圣經(jīng)的故事》，聲明一下，我不是教徒，里面講到，上帝當(dāng)時(shí)說要有光，然后要有云，要有天，要有地，這個(gè)過程就是告訴我們創(chuàng)世紀(jì)的過程。所以人類追求的過程中，一直希望能夠理解，我們是怎么來的？我們的未來是怎樣的？以此尋找一種安全感。但是在過去，因?yàn)闆]有科學(xué)，只有靠人類的種種想象。經(jīng)過幾千年的知識積累，到了1687年人類的觀念發(fā)生了重大改變。1687年之前，一個(gè)偶然機(jī)遇使伽利略把玻璃片做成望遠(yuǎn)鏡觀測太空，他看到了土星環(huán)等等。那時(shí)人類開始能夠探索整個(gè)宇宙是怎樣的，不僅僅看地球怎么樣。1687年，牛頓在前人知識基礎(chǔ)之上，發(fā)表了一部專著《自然哲學(xué)的數(shù)學(xué)原理》，改變了整個(gè)人類思想認(rèn)識進(jìn)程。這部書告訴我們，宇宙的演化完全可以通過微積分計(jì)算出來。這是什么意思？本來我們覺得上天非常神圣，而牛頓卻說蘋果掉在地上和星星在天上轉(zhuǎn)是可以算出來的。當(dāng)我們感覺原來可以計(jì)算神圣的上天的星星運(yùn)行的軌道時(shí)，科學(xué)的自豪感無比巨大，這樣我們就可以計(jì)算我們的未來。但是如果進(jìn)一步想，你馬上會感到非常失望，完了，我的命運(yùn)是不是也在宇宙誕生的時(shí)候就已經(jīng)被決定了呢？比如，潘建偉成為物理學(xué)家，其實(shí)根本不是自己努力的結(jié)果，在宇宙剛剛誕生的時(shí)候，一切都已注定。為什么？牛頓力學(xué)告訴我們，這些都是可以計(jì)算的。所以，有些科學(xué)家在意識到這一點(diǎn)之后，認(rèn)為這個(gè)世界是宿命的，奮斗毫無意義，于是他們選擇了自殺，確實(shí)有這樣的事情發(fā)生。當(dāng)然，科學(xué)還是要進(jìn)一步發(fā)展的。

一直到上世紀(jì)初，又一個(gè)新的革命發(fā)生，這就是量子力學(xué)。量子力學(xué)非常有意思，它跟原來的牛頓力學(xué)完全不一樣。牛頓力學(xué)告訴我們，比如我今天在北京做講演，那就不可能在上海。但在量子力學(xué)有個(gè)概念—作為一個(gè)微觀客體，當(dāng)你沒有看它到底在上海還是在北京的時(shí)候，它可以同時(shí)在兩個(gè)地方，處于一種疊加的狀態(tài)。我們把這樣一種狀態(tài)叫做量子疊加態(tài)。小片量子，是物理學(xué)概念，作為不可再分割的基本個(gè)體，量子用來形容微觀世界的一種傾向，粒子的物理量（比如能量）傾向于不連續(xù)的變化。微觀世界與經(jīng)典世界最明顯的一個(gè)區(qū)別是，事物不是明確的非此即彼，而是此與彼的某種尚未確定的疊加態(tài)。舉個(gè)例子，我要從德國柏林飛到中國北京，飛機(jī)有兩種飛行路線，一條是柏林-莫斯科-北京（冷），另一條是柏林-新加坡-北京（熱），如果我在飛機(jī)上睡著了，那么我下飛機(jī)后就會覺得渾身處于一種“又冷又熱”的奇怪狀態(tài)，不知道飛機(jī)到底從莫斯科中轉(zhuǎn)還是在新加坡中轉(zhuǎn)。這時(shí)，用量子力學(xué)看世界的我只能得出結(jié)論“我同時(shí)經(jīng)過莫斯科和新加坡”，也就是量子的疊加態(tài)；而當(dāng)我在飛機(jī)上睜開眼睛看的時(shí)候，才知道到底是從莫斯科中轉(zhuǎn)還是從新加坡中轉(zhuǎn)，下飛機(jī)后也會覺得要么冷要么熱，不會再處于“又冷又熱”的狀態(tài)了。這也正是量子力學(xué)的積極哲學(xué)，“看到即改變”，當(dāng)你把視線關(guān)注到量子運(yùn)動軌跡，其狀態(tài)就會隨之發(fā)生改變。這就告訴我們，你睜開眼睛看一下，對整個(gè)世界的演化是會有影響的。量子力學(xué)，從哲學(xué)上講是一種非常積極的概念，它的含義是我們個(gè)人的奮斗，對這個(gè)世界是有影響的。量子力學(xué)不僅可以了解宇宙的歷史，也可以推動一個(gè)新學(xué)科的發(fā)展。目前我們在從事的研究叫做量子信息科學(xué)。利用所謂的量子疊加原理來做量子通信，解決信息安全問題。

量子力學(xué)還有一個(gè)所謂量子糾纏的概念。一個(gè)粒子可以處于零加一，就是兩個(gè)狀態(tài)的疊加。兩個(gè)粒子也可以處于一種非常奇怪的狀態(tài)疊加：“零零加一一”。比如我和你同在北京，假定我給你一個(gè)糾纏粒子在手里，另一個(gè)在我手里，然后我回到合肥。你把手中的粒子一扔，它會隨機(jī)得到零或一。但是我在合肥看一看我手中粒子的狀態(tài)，我就可以把你手中的結(jié)果猜出來，因?yàn)榧词惯@兩個(gè)粒子已經(jīng)隔得非常遠(yuǎn)，它們?nèi)映鰜淼慕Y(jié)果始終是一樣的?？茖W(xué)上把這種現(xiàn)象叫做量子糾纏，或者從不太嚴(yán)格的意義上講，甚至可以叫做“遙遠(yuǎn)地點(diǎn)之間的心電感應(yīng)”。利用這個(gè)，可以構(gòu)造一種非常強(qiáng)大的量子計(jì)算機(jī)，通過量子計(jì)算，在大數(shù)據(jù)爆炸時(shí)代，把信息有效地提取出來。所以從這個(gè)角度上講，科學(xué)不僅能帶來心靈的自由和安寧，而且科學(xué)是非常有用的。

隨著電動力學(xué)和量子力學(xué)的發(fā)展，帶來了信息科技，整個(gè)世界已經(jīng)變成一個(gè)地球村。所以，人類的進(jìn)化是與信息共享和互動緊密聯(lián)系在一起的。同時(shí)，還有一個(gè)非常重要的東西需要我們進(jìn)一步珍視和加以保護(hù)，那就是心靈的自由和獨(dú)立的思想。從古到今，正因?yàn)槲覀儽ＷC了思想的獨(dú)立性，才能夠保證想法的千變?nèi)f化，才會有創(chuàng)新和進(jìn)步。愛因斯坦有一篇著名的演講，題目叫《探索的動機(jī)》。他說有三類人在科學(xué)的殿堂里，第一類人只要有機(jī)會，也許會成為企業(yè)家，也許會成為政治家，也許會成為詩人。只要是能夠讓自己得到榮耀，得到名利，他干什么都可以。當(dāng)然他還是很有才華的。還有一類人完全是興趣驅(qū)動，他只是覺得好玩，不管對大家有沒有好處，有沒有壞處。第三類人是什么？他確實(shí)希望能夠?qū)@個(gè)宇宙進(jìn)行探索，進(jìn)行凝視，進(jìn)行思索，能夠找到一些先天和諧的規(guī)律。只有這一類人才能夠很靜心地、長久地從事科學(xué)研究。愛因斯坦說，當(dāng)然不能把前兩類人驅(qū)逐出去，因?yàn)檫@些人可能對科學(xué)做過很多，也許是主要的貢獻(xiàn)。把他們驅(qū)逐出去，這個(gè)殿堂就倒塌了。但是可以肯定，如果沒有第三種人，這個(gè)殿堂就不會成為殿堂，只能是一些蔓草，而不會成為森林。什么是探索的動機(jī)，作為一個(gè)真正的科學(xué)家，他應(yīng)該是很有責(zé)任心的，他會用無窮的耐心，去理解這個(gè)宇宙是怎么樣的。但現(xiàn)在我們還不能解釋為什么我們會有愛？為什么我們會有感情？我想隨著未來科學(xué)的發(fā)展，也許到某一天我們能從方程里給出非常好的解釋。這就是探索的動機(jī)。（本文為作者在中央電視臺公開課《開講啦》的演講稿，有刪節(jié)）

（作者為中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)常務(wù)副校長、中國科學(xué)院院士）

責(zé)任編輯 孟 瑋