作者:韩扬眉 来源:科学网 www.sciencenet.cn 发布时间:2019/7/24 13:24:41
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文小刚:量子革命是最不可思议的物理革命

 

人类生活在一个怎样的世界里?凝聚态理论物理学家、美国麻省理工学院终身教授、美国科学院院士文小刚的答案是:“我们生活在量子计算机里面。量子信息是真实的,而所看到的各种物质、人,都是量子信息的虚拟反映。”

7月23日,文小刚(文小刚科学网博客地址:http://blog.sciencenet.cn/u/xgwen)做客中国科学院物理研究所,带来了一场题为《物理的新革命——量子信息:物质和相互作用的起源》科普报告。

世界绚丽多彩,物质性质各有不同,它们从何而来?我们如何认识它们?

在文小刚看来,我们对世界的认识是通过发现、统一,更多发现、更多统一的循环,一步步地深化。“每一次的大统一,都可认为是物理学的新革命。而每一次新革命都为我们打开了新世界,许多基本概念和看问题的方式会发生变化,随之描写世界的语言、数学工具也会发生改变。”

历史上的物理学革命,充分说明了这一观点。第一次是力学革命,英国物理学家牛顿统一天体运动和地面物体运动的规律,与此同时,他发展了微积分,以此作为数学工具描述牛顿方程;第二次是电磁学革命,英国物理学家麦克斯韦统一了电、磁、光3种貌似不相关的自然现象,还发现了新的物质形态——波形态,他使用的数学工具是纤维丛;第三次是相对论革命,爱因斯坦将时间空间的弯曲和引力作用统一,在广义相对论中预言了新型物质形态引力波的存在,其数学理论基础是黎曼几何。

通常而言,一个物理理论需要数学语言来描写。文小刚表示,牛顿非常了不起,不仅发现了物理定律,还发展了新的数学语言,使得物理理论能够被写出来。而在第二、三次物理革命中,数学家则走在了物理学家前面,新的数学工具先被发明,物理学家直接拿来借用。

第四次物理革命是量子力学革命。文小刚表示,当下,我们正处在第二次量子革命,“量子革命是最神秘、最不可思议的物理革命”。

他笑称,这次革命的发生,是物理学家们“非常不情愿的”,是由于发现了很多奇特的自然现象而发展起来的。他认为,量子革命最本质的特征是对“存在”的认识发生了根本性的改变。这一“存在”的方式比我们想象的要多,就像“薛定谔的猫”,活是存在,死是存在,既死又活也是真实的存在。“这种认识是被逼出来的,没有一个理论物理学家喜欢。”

这种认识颠覆了传统的世界观,即在量子世界,物质的存在既不是粒子也不是波,既是粒子也是波,即被称为波粒二象性。

过去,牛顿认为物质有粒子形态,麦克斯韦、爱因斯坦又发现了波的形态。文小刚说:“量子革命,把物质的波形态和粒子形态统一起来了。”

文小刚表示,量子革命之所以意义重大,还在于数学工具也发生了“革命性”改变,即从前三次物理革命中运用的分析几何语言发展为线性代数语言。“量子和代数的眼光,这是非常独特的看世界的眼光。”

关于量子力学的应用,文小刚认为,信息和物质是统一的,这也是第二次量子革命的本质。“能量是物质的性质,频率是信息的性质,量子物理认为能量就是频率,也就是说信息与物质是刻画同一对象的不同表述,而能量和频率是刻画同一物理量的不同表述。由于历史认识偏差,它们之间存在一个转换系数:普朗克常数。就像斤与公斤一样。”

“空间、物质起源于量子信息。”文小刚总结道,世界上所存在的各种各样的物质,其所具备的奇妙性质是由量子比特和量子纠缠产生的,而量子信息和量子纠缠处在第二次量子革命中心的地位。“描绘量子纠缠需要新数学,未来,除了融合范畴学,还需要高级范畴学、代数拓扑等各种现代数学的参与,它们将发挥重要的作用。”

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