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潘建伟对话青少年:别老是把量子力学跟哲学、宗教联系在一起
关键字: 潘建伟量子力学量子通讯宇宙中没有任何一个人可以告诉你在哪里,你就有了分身术
北京中学高一学生赵天琪:我想问的问题是关于量子感应,这个神奇的现象,它在未来还能投入在哪些方面的应用?因为您是研究量子卫星的,这个特点用在量子的空间信息交流,除此之外还可以应用在什么方面?
潘建伟:你说的是量子卫星,不是量子唯心吧?唯心就很可怕了。因为物理学家都相信客观世界,是唯物的情况,你讲的这个量子感应,是不是量子纠缠。我当时被两个东西搞糊涂了。第一叫量子叠加,我们每天的生活当中,这瓶水要么放在桌子上,要么放在地板上,它不会同时在两个地方。但氢原子就不一样了,就是一个原子核,外面有个电子在跑,电子在跑的时候,不仅可以处于基态,还有激发态,能量高一点就往外面跑,跑的过程中科学家发现,某些时候粒子不仅可以在地板上能量低一点,可以在桌子上能量高一点,两种状态同时都存在,这是量子力学里面的基本现象。什么时候会有这种现象的存在呢?前提就是你不要去测量它处于什么状态,这样讲起来比较抽象。
比如你去欧洲旅行,飞回北京,假定两条航线,一条航线从莫斯科过来,另外一条航线从新加坡过来。你从欧洲回来到北京,因为在飞机上比较累,睡着了,你妈妈去接你的时候,她说你这次从莫斯科航线过来,还是从新加坡航线过来?你说,我左半边感到非常温暖,右半边感觉非常寒冷,又冷又热。你妈妈就会说你胡说八道,这孩子睡着了,弄不清。结果你就很老实了,每次回家睁大眼睛不睡觉,假定你天天回家,飞了一万次,有五千次发现看到莫斯科的红场,感到凉飕飕的,五千次看到新加坡的狮子,圣淘沙里面有一个狮子,你感到浑身温暖。你觉得很放心,原来第一次坐飞机搞错了,只能在某一条航线上,不会同时在两个地方。以后你出去又睡觉了,发现只要睡着的时候,每次到北京都感到又冷又热。这个时候麻烦了,为了解释这个现象,只能按照量子力学的观点,当你没有看到自己在哪条航线的时候,你是同时处于两个地方的叠加。你可能说,我坐飞机也睡觉,醒来没有感觉又冷又热,那是因为你在睡觉,旁边的人可能中间醒来,他没有睡觉,他看看我们在哪里航线。你睡着可能空姐没有睡,或者飞行员没有睡。所以什么时候你才会出现叠加的现象呢?就是整个宇宙当中,没有任何一个人、没有任何一个机器能告诉我们,你是在哪的时候,其实你可以跟分身术一样,在很多的地方。
这在我们每天的生活当中是不可能发生的,但在微观世界里,其实空气当中很多原子,光照过来也是照不到的,如果照到应该可以看见。那你为什么没有看到颗粒呢?因为很多东西照过来的时候,跟原子没有相互作用。所以在大气当中飞的时候,很多原子在大多数特定条件下,是同时存在好几个地方,这是微观世界每时每刻都存在的,这个叫做量子叠加。光这个就够奇怪了吧,当时我想一两个月没有搞明白,觉得这是不可能的事情。
爱因斯坦又提出量子感应,更奇怪了,比如说我这里有一瓶水,你这里有一瓶水,它们纠缠了。然后我跑回合肥,你在北京,我把这瓶水拿了扔一下,最后如果头朝下,我打电话给你,天琪,你那瓶水也朝下吧,果然是这样。我再一扔,我这边朝上,你那边也朝上,这个叫做量子感应。这更奇怪了,相距这么远,我们和量子卫星“墨子号”相距1206公里,结果测量子状态,这边是什么,那边就是什么,这就叫做量子感应,可以做量子密钥分发第一种。另外一种,一个粒子处于两种状态,两个粒子就有四种状态,我们每天生活当中,比如现在有六个人,每个人只有一种状态,某个确定的时候总共只有一种组合,2的6次方种可能,但是只能处于某种状态。量子世界当中,每个人又可以坐凳子上,可以坐在地板上,同时两个状态都有,2的6次方,这个数字就比较大了。如果粒子数量越来越大,达到2的100次方的时候,它的计算可以算得非常快。这个体系悄悄看一下,它就发生了变化,利用变化感应能力,就可以做一种量子传感,可以做很好的精密测量。所以它的用处不仅在通信、计算上,还可以用在精密测量方面,都是非常有用的。
高宇轩:非常敬佩您在生活当中用的非常常见的例子,把物理具像化,让我们简单易懂。我还想提出一个问题,我了解到您在国外留学期间,曾经师从一位世界顶尖的导师,对于即将出国留学的我们,希望您提出建议和指导。
潘建伟:这个我确实是觉得这个问题非常好,我记得当年,好多同学出国的时候,有两类,一类先找那种最有名的老师,哪个老师有名就找谁,当然我不能讲,比如说我的同学也好,师弟也好,这个找了诺贝尔奖获得者,那个找了非常有名的美国科学院院士,但是我当时觉得他们的年龄相对比较大了,六七十岁了,科学界是年轻人的世界了,我当时想,我不能这么干,也许我找到很有名的老师,但是他所做的东西,可能已经稍稍地离开前沿,有一定距离了。这是我自己当时比较质朴的想法。我当时老师国际上是有点名气,不到50岁,我研究论文的时候,发现他正好处于比较活跃的阶段。尤其实验科学跟数学不一样。华罗庚先生讲,你几岁啦,你28岁,你再过两年没有戏了。为什么菲尔兹奖有一个年龄限制,过了40岁不行,物理学家四五十岁还能在科学第一线。我当时也有两个选择,一个是非常有名的老师,我不说他是谁了,他当时快70岁了,我这个老师40多岁。后来我经过研究之后,觉得还是跟这个老师比较好一点,也不用太注重是哪个学校,因为我当时出国,我去了欧洲,我去的是小城市因斯布鲁克,结果我们那个学科当时出来的三个教授都已经成为沃尔夫奖的获得者。沃尔夫奖是诺贝尔奖的风向标。后来哈佛大学、MIT毕业的博士,都到那里镀金,再回到MIT、哈佛当教授。所以,我说选择导师的时候不一定看他特别有名,也不一定看大学特别有名,关键是那个学科要真正让你有兴趣,我觉得这个是非常重要的。
留恋多瑙河边的荠菜,错过一个实验
网络提问:尊敬的潘老师您好,我是一名小学生,从小对科学知识很感兴趣,长大我想当一个科学家。我要向你学习,做一个名副其实的科学工作者,你现在的工作是什么样的?你现在开心吗?
潘建伟:非常高兴有小朋友将来也愿意学物理。我是浙江的,浙江把物理作为一门备选的课,大多数人不选择物理作为高考,这是很大的问题。有人喜欢物理,我很高兴。学物理本质上是教会你处理事情的一种建模能力,我特别希望能够把物理恢复起来。
我现在有点忙,但是总体上来讲,我还是很开心的。我今天上午在中国科协开了一个会,怎么宣扬科学家的形象,是不是科学家形象整天非常苦恼、蓬头垢面,好像给人感觉特别苦、特别累、特别辛苦,我觉得这样可能就没有人愿意来干物理了。
我是这样,当然人还是要负责任的,我是比较喜欢过相对来说不要有太大压力的,比较悠闲的日子。当年2003年的时候,本来我想尽快早一点去德国海德堡,发展量子存储的技术。但因为我自己特别喜欢维也纳多瑙河边的荠菜,我们东阳老家荠菜很好吃,结果我发现多瑙河边也有荠菜,我就特别留恋,我走了之后,再也采不到荠菜了,我就拖拖拉拉,拖了好几个月,本来应该3月份去德国,到7月份春季采完之后,然后再走,当然后来也耽误了一个实验。
我有时候十天做下来什么进展也没有,会拼命到实验室做,忽然今天把实验做完了,非常好,今天任务已经完成了,一看今天天气不错,我就赶紧把实验机器关了,跑到多瑙河边散散步,躺下来,晒太阳,唱歌,很开心。这样回来之后做工作可能更加有效。所以我就说,不能把自己搞得太疲劳了。
比如我小的时候做作业,带到山上去做,做事情一定要比较开心地去做,做工作也是比较开心的,做出来,写出来的文章也是比较开心,不是苦恼,让人觉得文章看起来非常苦恼。所以我要跟这个小朋友说,其实做科学还是很有意思的。比如我们在兴隆,我们现在还做相关的实验,网上量子卫星过来的时候,晚上拍的照也是非常漂亮,今天当然照片没有带过来,其实是非常有意思的事情,所以做科学的时候还是要注意休息的,如果一点休息都不会的话,至少我的观点,我觉得科学做出来不是特别有意思。
现场提问:您在研究物理的过程当中,有什么心得体会?您为什么对物理感兴趣?
潘建伟:要做实验,要有头,要有手,光有头不行,实验做不了,如果没有头脑,要做什么,也不知道。其实我们这里面有好几个做实验物理做得比较好的,他们的出身都是理论出身的,朱棣文、丁肇中,是华人科学家里做实验物理做得很好的,他们都有很深的理论功底,你就看得比较远,要有脑。第二,你的手要比较精巧,我刚做实验的时候,做了十几分钟已经浑身是汗,因为我要去要调功率很精细的东西,略微动一点,信号就被我搞没了,我当时真的摧毁了很多东西。比如杨先生做实验,他到哪,爆炸到哪,后来搞理论去了。我手的稳定度,后来达到几十微米,现在不行了,好几年没有做实验了,开始带学生了嘛。我很骄傲,放个东西,精度达到四五十微米,熟能生巧,所以要有头,要有手。这是从大的方面来讲。
第二个比较重要的是不要太在乎成功了,我当年进中科大的时候,好几个学校,北大和科大是最好的。我们当年同班的有七八个高考状元,只能有一个第一名,有些人心态不好,就会生病。我心情很好,刚进去三四十名,我觉得没有什么关系,自己用点劲就行了。所以心态要好一点,自己一方面定一个比较好一点的目标,某个特定时刻,不要这个目标三天两天要完成。别人能干一点,英语单词一下几千几百个背下来,他可能一天就可以,我可能得背十天才行,不能要求像别人能一天背几百个单词,你一天干的,我花十天干的也行,别人有时候可能在玩嘛,你多积攒一点时间,对自己要求不要太高了,不然的话,做实验真的很生气。
我在维也纳摘荠菜,忽然发现海德堡一个实验被别人提前一两个月做出来了,我当时很生气,如果心态不好,心理可能就会有一点问题,一方面要有比较远的目标,另外要有恒心慢慢去做,但是做不成的时候,反正我为了兴趣,我下次再来。这个我觉得是很重要的经验。
- 原标题:潘建伟对话青少年:别老是把量子力学跟哲学、宗教联系在一起
- 责任编辑:马雪
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