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    作者:韓揚眉 來源:科學網 www.sciencenet.cn 發布時間:2019/7/24 13:24:41
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    文小剛:量子革命是最不可思議的物理革命

     

    人類生活在一個怎樣的世界里?凝聚態理論物理學家、美國麻省理工學院終身教授、美國科學院院士文小剛的答案是:“我們生活在量子計算機里面。量子信息是真實的,而所看到的各種物質、人,都是量子信息的虛擬反映。”

    7月23日,文小剛(文小剛科學網博客地址:http://blog.sciencenet.cn/u/xgwen)做客中國科學院物理研究所,帶來了一場題為《物理的新革命——量子信息:物質和相互作用的起源》科普報告。

    世界絢麗多彩,物質性質各有不同,它們從何而來?我們如何認識它們?

    在文小剛看來,我們對世界的認識是通過發現、統一,更多發現、更多統一的循環,一步步地深化。“每一次的大統一,都可認為是物理學的新革命。而每一次新革命都為我們打開了新世界,許多基本概念和看問題的方式會發生變化,隨之描寫世界的語言、數學工具也會發生改變。”

    歷史上的物理學革命,充分說明了這一觀點。第一次是力學革命,英國物理學家牛頓統一天體運動和地面物體運動的規律,與此同時,他發展了微積分,以此作為數學工具描述牛頓方程;第二次是電磁學革命,英國物理學家麥克斯韋統一了電、磁、光3種貌似不相關的自然現象,還發現了新的物質形態——波形態,他使用的數學工具是纖維叢;第三次是相對論革命,愛因斯坦將時間空間的彎曲和引力作用統一,在廣義相對論中預言了新型物質形態引力波的存在,其數學理論基礎是黎曼幾何。

    通常而言,一個物理理論需要數學語言來描寫。文小剛表示,牛頓非常了不起,不僅發現了物理定律,還發展了新的數學語言,使得物理理論能夠被寫出來。而在第二、三次物理革命中,數學家則走在了物理學家前面,新的數學工具先被發明,物理學家直接拿來借用。

    第四次物理革命是量子力學革命。文小剛表示,當下,我們正處在第二次量子革命,“量子革命是最神秘、最不可思議的物理革命”。

    他笑稱,這次革命的發生,是物理學家們“非常不情愿的”,是由于發現了很多奇特的自然現象而發展起來的。他認為,量子革命最本質的特征是對“存在”的認識發生了根本性的改變。這一“存在”的方式比我們想象的要多,就像“薛定諤的貓”,活是存在,死是存在,既死又活也是真實的存在。“這種認識是被逼出來的,沒有一個理論物理學家喜歡。”

    這種認識顛覆了傳統的世界觀,即在量子世界,物質的存在既不是粒子也不是波,既是粒子也是波,即被稱為波粒二象性。

    過去,牛頓認為物質有粒子形態,麥克斯韋、愛因斯坦又發現了波的形態。文小剛說:“量子革命,把物質的波形態和粒子形態統一起來了。”

    文小剛表示,量子革命之所以意義重大,還在于數學工具也發生了“革命性”改變,即從前三次物理革命中運用的分析幾何語言發展為線性代數語言。“量子和代數的眼光,這是非常獨特的看世界的眼光。”

    關于量子力學的應用,文小剛認為,信息和物質是統一的,這也是第二次量子革命的本質。“能量是物質的性質,頻率是信息的性質,量子物理認為能量就是頻率,也就是說信息與物質是刻畫同一對象的不同表述,而能量和頻率是刻畫同一物理量的不同表述。由于歷史認識偏差,它們之間存在一個轉換系數:普朗克常數。就像斤與公斤一樣。”

    “空間、物質起源于量子信息。”文小剛總結道,世界上所存在的各種各樣的物質,其所具備的奇妙性質是由量子比特和量子糾纏產生的,而量子信息和量子糾纏處在第二次量子革命中心的地位。“描繪量子糾纏需要新數學,未來,除了融合范疇學,還需要高級范疇學、代數拓撲等各種現代數學的參與,它們將發揮重要的作用。”

    版權聲明:凡本網注明“來源:中國科學報、科學網、科學新聞雜志”的所有作品,未經書面授權,不得轉載、摘編或以其他方式使用。授權事宜,請聯系:shouquan@stimes.cn。

     
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