CIS背景提升:真的猛士,敢於擁抱量子力學!

2020-12-05 CIS科研社

前不久,網友評選出了2019年度最沙雕新聞——「量子波動速讀」,把「量子」一詞推到風口浪尖,霎時間,「量子」成為了普通群眾口中頻頻提及的熱詞。

其實,在「量子波動速讀」這種讓人哭笑不得的魔幻現實出現之前,「土味量子神棍學」在科幻小說中早已屢見不鮮,一些「科幻作家」在劇情存在bug的時候常常強行大開腦洞,用「量子力學」來矇混過關,企圖靠不明覺厲的神秘力量來忽悠讀者。

因此,科幻迷中流行著一句頗具諷刺意味的笑話:「遇事不決,量子力學。」

那麼,《超人》漫畫中的超級英雄超人將煤炭擠壓成兩塊大鑽石,《海底兩萬裡》裡面的「鸚鵡螺」號能遠距離航行並且不需要補充燃料,《X戰警》漫畫中的「萬磁王」使用變種人超能力時金屬物理向著他的方向彎曲,《變形金剛》中邪惡的霸天虎使用量子計算機侵入美國五角大樓電腦安全系統,這些令人感到無比困惑又充滿好奇的情節只是創作者們腦洞大開的隨意想像嗎?星際旅行、時空穿越、瞬間移動……無數的文學和影視作品為我們展現的僅僅只是人類對未知世界的幻想和期待嗎?

也許你從未想過,這些看似異想天開的科幻情節裡,都隱藏著量子力學知識。量子力學,是當今物理研究的最前沿。量子力學的發展推動著現代科技的發展,改變著我們世界的方方面面。

但對於普通群眾來說,量子力學看似高深莫測。量子力學什麼鬼?薛丁格的貓?黑洞?測不準原理?恐怖的雙縫實驗?

其實,這都是量子力學。有些人感覺這玩意兒神秘遙遠反直覺,其實它也不是什麼猙獰大怪獸。

量子力學究竟是什麼鬼?

量子力學也是自然科學史上被實驗證明最精確的一個理論,但是量子的觀念,沒有人能夠理解。不僅是普通人,而是連世界上最頂尖的五位量子物理學家之一的理察·菲利普斯·費曼(Richard Phillips Feynman)也是自認「不真正理解」量子力學的。

1964年11月,費曼在康奈爾大學開展的系列講座「The Character of Physical Law(物理定律的本性)」中說:「我想我可以有把握地說,沒有人真正理解量子力學。」為什麼呢?他在那場講座中也給出了自己的答案:

我們要描述的是跟你以往熟悉的任何事物都不相同的對象……它是抽象的、遠離經驗的……如果能避免的話,儘可能不要問自己「它為什麼是那個樣子?』因為這樣會讓你陷入一個誰也逃不出來的死胡同裡。誰也不知道它怎麼會像那個樣子。」

——理察·菲利普斯·費曼

「它」泛指自然界中的一切量子。而量子,根據中國科技大學上海研究院教授陸朝陽的說法,「其實是一種物理上的概念,它是物質和能量的最小離散單元,是一個非常小的物理量。」量子力學「之所以非常難以理解,其實是因為它『尺度太小』,它的研究對象實際上比頭髮絲的尺度還要小几千萬,甚至幾億倍。

儘管量子力學中有太多讓人既無法理解,又不得不承認它們切實存在的詭異現象。譬如波函數坍縮、譬如量子糾纏、譬如量子擦除實驗、譬如惠勒延遲實驗……但科學家們並不停步,這也絲毫不會阻礙量子力學的發展。

量子力學的研究對於我們人類的生存有什麼作用?

量子力學,充滿許多匪夷所思的怪論,但是一切的實驗和計算,都驗證出它是對的。原理雖沒澄清,但不妨礙科學家們將它轉化為技術,真正為人類社會造福。

自1900年誕生以來,量子力學催生了許多重大發明——原子彈、雷射、電晶體、核磁共振、全球衛星定位等。帶來這些成果的「第一次量子革命」改變了世界面貌,成為社會跨越發展的基石和動力。2014年,英國《自然》雜誌吹響「第二次量子革命」的號角。

而這次革命,同時也帶來了以量子通信技術和量子計算為代表的新技術,將成為解決人類對能源、環境、信息等需求的重要手段,有著推動科學、工業和社會取得革命性進步的巨大前景。這是一次巨大的飛躍。

目前,這一領域的國際競爭不斷加劇,歐美紛紛啟動「第二次量子革命」計劃。谷歌、IBM、微軟等世界知名公司均有介入。量子資訊時代,或許是一個重新洗牌、彎道超車的機會。

利用量子糾纏現象,我國已經於2016年8月發射了世界上首顆量子通信實驗衛星,領先全球。2016年8月16日,我國發射世界首顆量子科學實驗衛星「墨子號」

2017年5月3日,世界上第一臺超越早期經典計算機的量子計算機在中國誕生,量子力學取得現實應用的重大突破。

量子計算機離我們已經如此之近。

量子力學正在滲透到科學的各個領域,也已經讓我們的生活翻天覆地。隨著對於量子力學研究的深入,實用化的量子產品終將迎來井噴的一天。

顛覆思維,走進量子力學的奇妙世界

毋庸置疑,量子力學一詞將會在我們的生活中出現得越來越頻繁。儘管我們對於量子的無知,就像300多年前人類對於光的無知一樣,難道我們普通人聽到「量子力學」這四個字就只能昏過去?

如果我們能了解量子力學的一些基本知識,打破定勢思維,不再拘泥於已知邏輯,而是用具有顛覆常識性的量子眼光去看世界,是能夠走進量子力學的奇妙世界,應對迅速變化的世界的。

真的猛士,敢於擁抱量子力學,敢於開啟新世界的大門。

想了解卻無從下手?

如果真的想學量子力學,沒有捷徑。千萬不要看幾本科普書,知道幾個名詞,就自以為懂了。這麼自學量子力學,會毀了你。自學,一知半解,沒有相關基礎,自己花的時間完全沒有意義。

量子力學入門重要的是概念的理解, 不是根據經典的或是科普書上的說法來理解, 而是按實驗結果來理解。如果是為了從事研究,那就更要先把基本功練好。只有清晰把握了量子力學的形式體系和核心概念,才能懂得量子力學的神秘,不至於找不到北。

如果你想了解量子力學的神奇世界,歡迎加入2020年1月CIS線上科研項目

杜克大學物理系終身教授

Thomas Carlos Mehen

將帶你入門量子力學及量子計算,開啟新世界的大門!

Thomas Mehen教授的研究主要是量子色動力學(QCD)和有效場論在核物理和粒子物理中的應用,他主導開發了被用於計算機玻色-愛因斯坦凝聚物能量密度的三體修正技術。曾獲得美國能源部授予的核物理傑出青年研究員稱號。

從1996年至今,Thomas Mehen教授已在《高能物理雜誌》(JHEP)、《物理快報》(PLB) 、《物理評論》(PRD)等國際著名專業期刊及PHIPSI13、CIPANP 2009等高水平的國際專業會議上發表論文一百多篇,成果斐然。

此外,Thomas Mehen教授還曾經受邀參加國際專業學術研討會及演講逾百次,包括勞倫斯伯克利、洛斯阿拉莫斯、阿貢、布魯克海文等在國際上享有盛譽的美國著名核試驗室研討會和耶魯、MIT、伯克利等名校學術會議,以及在世界各國如中國、德國、西班牙、義大利、德國等地舉行的國際性專業會議。

特別值得注意的是,Thomas Mehen教授長期關心和支持中國物理學的發展。早在2004年,他就到訪中國科學院高能物理研究所並作了精彩的學術報告。自那以來他已多次到訪中國,給國內各大高校(北大、北航、首都師範等)、研究所的師生作學術講座,並進行技術指導和交流。

在Thomas Mehen教授指導過的研究生及博士生中,也有不少來自中國的學生,所以教授非常清楚中國學生在面對物理問題研究中可能出現的問題,以及如何更好地指導中國學生。對量子力學及量子計算感興趣的你,趕緊抓住這次機會,在大牛導師的指導下擁抱量子力學吧!

更多項目詳情,敬請關注CIS科研社

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