潘建伟：探索的动机
为什么跨越了千年的时空，跨越了万里重洋，跨越了不同人种，人类都会不约而同地选择去探索科学呢？他们探索的动机是什么？
在我看来，于个人而言，科学的首要价值在于，它是达到内心安宁的最可靠途径。宁静内心最大的敌人是恐惧和忧虑，而恐惧与忧虑都源于未知。人们不知道自己从哪里来，亦找不到自己的归宿，所以会不停地追问：“我们从哪里来？要到哪里去？”
1642 年伽利略去世，1643 年牛顿出生，在我们回顾物理学历史的时候，他们两人也许是我们最不能忘记的。伽利略开启了现代物理学，而牛顿是经典力学的集大成者。1687 年，在对先贤成果加以总结的基础上，牛顿写出并出版了《自然哲学的数学原理》，提出了三大运动定律，其中第一条就是墨子曾经提出的“止，以久也，无久之不止”，也就是我们所熟悉的惯性定律。
在三大运动定律的基础上，牛顿又根据开普勒的研究成果，提出了他的万有引力定律。伟大的万有引力定律被发现之后，苹果落地、星星绕太阳转等天上地下的现象，都可以被统一地解释。这既带来了人类思想的巨大解放，在后来也让很多物理学家深感忧虑。
说它带来思想的巨大解放，是因为人类从此了解到：世界是独立于人类而存在的。我们可以对世界进行凝视深思，通过对它的部分了解，认识到这个世界的某些部分是可知的。本质上，这就是对“物理学美且具有强大力量”的一种证明。我们知道人类只不过是星系中很小的一部分。不过那时的人们只能计算轨道，依然不能解答“我们从哪里来，要到哪里去”的问题。
尽管如此，当牛顿把三大运动定律和万有引力定律建立起来以后，科学家还是隐隐有了一种“看破宇宙奥秘”的感觉。在思想上，这就带来了巨大的解放。人们感受到一种“先天的和谐”，在自然规律中感受到“这真是太有意思了”，从而获得了心灵的自由和宁静，这其实也就是我所说的，科学家们探索的动机。
随着科学继续向前发展，人们意识到，原来天上的电和地上的电是一样的。后来，法拉第发现了电磁感应现象，发现磁与电是相互联系的。麦克斯韦在 1864 年发表了《电磁场的动力学理论》，建立了电动力学，将一切光、电、磁的现象统一为由一个方程组来描述。
很多看起来独立的现象被完全统一了。科学战胜了愚昧，随之而来的是以电力技术为代表的产业变革。科学家们越发认为科学是可靠的，最终得到了一种心灵的解放和自由。
那为什么还有物理学家会焦虑呢？因为直到那时，科学家们依然无法回答 “我们从哪里来，要到哪里去”这一问题。虽然那时大多数科学家都对科学的发展状况感到满意，但一个新的问题摆在了他们面前：一旦确定了初始状态，那么所有粒子的状态都是可以被精确预言的。这个世界上的一切是不是都可以用公式来预言？我将来会成什么样的人以及你此时正在看这篇文章，是不是都可以被计算出来？那么在宇宙的规律之下，个人的努力又有什么用呢？宇宙规律又是从何而来呢？这些问题，当时的人们无法回答。
到了20世纪初，两个伟大的科学家出现之后，这个问题有了新的回答。
普朗克提出了量子论，所有微观世界的规律都遵从量子理论；爱因斯坦随后提出了相对论，时间和空间的规律由相对论所描述。当我们把这两个理论结合在一起的时候，我们居然能初步通过大爆炸理论了解宇宙的起源与演化了。
宇宙的起源与演化
100多亿年前，由于量子涨落，一个“奇点”发生了爆炸，“炸”出了时间、空间和构成万物的基本粒子。最初，宇宙中只有氢和氦两种元素，它们在引力的作用下聚集在一起，形成了第一代恒星，宇宙中也终于有了第一缕可见光。
物质燃烧时有辐射，宇宙向外膨胀，引力则控制宇宙收缩，互相之间达到一种暂时的平衡。
恒星聚变后，慢慢形成了一个稳定的结构。但当恒星在核聚变过程中原料燃烧殆尽后，就无法再抵御引力塌缩，最后形成新的爆炸，也就是超新星爆发。然后，它会变成中子星或者黑洞。
宇宙要诞生生命，比人类的母亲怀胎十月困难得多。100多亿年前奇点大爆炸；经历引力、聚变等作用，大约50亿年前，太阳形成了；大约40亿年前，生命开始在地球上出现、进化；5亿年前，初等海洋生物出现；4 亿多年前，陆地上出现植物；大约3.6亿年前，出现两栖动物；2.3 亿年前，开始出现恐龙等爬行类动物；1.4 亿年以前，出现哺乳类动物；500万年前，出现人类始祖；180 万年前，有了原始人；直到 20万年前，才有了人类的祖先——智人。
到目前为止，人们通过观测到的现象与考古的研究，大概勾画出了人类起源的雏形，对“我们从哪里来，要到哪里去”也有了一个初步的概念。
量子力学打破了机械决定论，正如霍金所说：“即使是相信一切都是上天注定的人，在过马路时也会左右看，以免被车撞到。”
那么，量子力学是如何打破经典力学带来的机械决定论的呢？
很多人读过《西游记》，《西游记》是人类创造力的杰出体现，书中记录了很多有趣的概念，比如“天上一日，地上一年”“千里眼和顺风耳”“筋斗云”，再比如孙悟空的分身术。
爱因斯坦的相对论告诉我们，“天上一日，地上一年”是可以成为现实的。假定有一对双胞胎，其中一个做了宇航员去太空中旅行，而另一个留在地球上。如果飞船的速度快到接近光速，地球上很多年过去了，宇航员回到地球会发现，他的兄弟垂垂老矣，而他却仍和出发时一样年轻。
筋斗云让孙悟空在空中跑得非常快，仿佛可以在一个地方突然消失，然后又在很远的地方突然出现。我们的实验已经证明，在量子世界中，“筋斗云”是真实存在的。利用量子纠缠原理，我们可以使相隔遥远的两处的物质处于纠缠态。
所谓纠缠态，就是指处于纠缠态的两个物体，不管相距多远，一边的结果确定了，另一边的结果也会确定，且两个结果紧密关联。即使把A点的物质完全摧毁，但只要关于它的全部信息已经被“传送”到 B 点，通过数据处理，利用在 B处的物质可以把已被摧毁的物质重新构造出来。这就像“筋斗云”一样。很多年前，我们在因斯布鲁克做了这个实验，尽管当时只能“传送”一个粒子，但也在国际上引起了巨大的轰动，不过目前我们还无法“传送”复杂的个体——比如人体，毕竟人体中大概有 1028 个粒子。
量子物理也同样允许“分身术”的存在，因为量子世界和牛顿的世界是不一样的。
在牛顿的经典物理世界中，苹果要么在桌子上，要么在地上，它不可能同时在桌子上和在地面上。如果我们把“苹果在桌子上”叫作“0”，在地面上叫作 “1”，它只能处于“0”“1”两个可能状态中的一个；而在量子世界中，它可以同时处于各种地方—就像大家熟知的薛定谔那只“又死又活”的猫。在量子的世界中，当猫和我们没有互相作用的时候，它处于生和死的叠加状态。
墨子曾说：“端，体之无序最前者也。”量子在本质上，就是一个最基本的、不可分割的单元，它拥有不可分割性和可叠加性两种特性。对于像猫这种较大的实体，我们还无法塑造出这种状态，但对于微观颗粒已经很容易实现了。光的最小单元叫光子，光子会同时在水平和竖直方向振动，这就是“0”和“1”的叠加。一旦我们测量它，它的状态就会被影响。
为了解释这种现象，我们先明确两点，第一，在没有观测微观个体时，它可以同时处于两种状态；第二，一旦对微观个体进行观测，对它的影响是巨大的，它会变成只有一种状态。
如果我们对想要了解的微观粒子进行拍照，它的状态就不能再变化了，因此我们不能得到关于它的全部信息。由量子这个最简单的原理，我们得知最小颗粒是测不准的，测不准也就不能被复制。在生命科学中，当两个人的基因序列完全相同的时候，其中一个就是克隆人；但量子物理学认为，这两个人只是“硬件”一样，里面的思想、其中原子的状态，是测不出来的。所以，人作为个体，每个都是独一无二的存在。
量子力学中神奇的测量
除了哲学问题，量子力学也可以解决科学问题。比如，如果信息处理中也存在“0”和“1”同时存在这种现象的话，就成为量子通信。
利用量子不可分割、不可被复制的性质，A 给 B 发送一些单光子作为密钥，如果C想要窃听，那C只有两个选择：其一是拿走作为密钥的单光子，这样B就收不到A的信息了，所以可以发现通信被窃听了；其二是对密钥进行拍照，但在拍照的过程中，会改变单光子的状态，因此B 也可以发现自己被窃听了。
正是因为如此，利用量子技术，我们可以实现不可破译、无条件安全的通信。你可能还想问，量子力学对打破经典力学带来的决定论有什么帮助呢？
经典物理学告诉我们，世界是完全独立于个人而存在的，规律永恒不变；量子力学告诉我们，世界虽然在很大程度上独立于你而存在，但你的探索和努力对这个世界的演化是有影响的。
那么，未来的量子计算机是否会发展到人类大脑的程度呢？目前科学家并不能确定，这也给了我们一个向更深层次探索的动机。因为科学家对量子信息的研究并非只是为了通信和计算，而是希望探索人类意识从何而来。如果说我们看到的世界是人类大脑对世界的一种映射，那我们不禁想问：大脑是如何理解这个世界的？期待随着研究的深入，我们可以得到更多知识和发现。
科技的进步使得信息交互的效率越来越高，从早期的口口相传、千里传书，到热力学和力学的应用促使了铁路、火车等工具的出现，极大加快了人类的交互速度。再到电力学的广泛应用，人类迎来第二次工业革命，世界变得更小。而量子力学等理论的应用，带来了电子计算机和第三次工业革命，形成了现在的互联网，世界在人类的探索中不断向前发展。
人类自古以来就对世界有恐惧感，而科学可以帮助人们了解宇宙的规律、增长智慧，有了智慧之后，人类就不再困惑，也不再因为自身在宇宙中的存在而感到恐惧不安。当心安定了，人们做任何事情，成功也好，不成功也罢，都不那么容易患得患失。人心的焦虑往往源于此：没有时怕得不到，得到后又唯恐失去。
用爱因斯坦的话来说，人类探索的一个主要目的就是追求思想上的解放。尽管科学探索的路并非坦途，但归根到底依然是为了仁、智、勇，为了真正做好一个“人”，这也是科学探索的最终奥义了。
以上内容整理自潘建伟院士 2016 年在“墨子沙龙”上发表的演讲，摘自《科学之美》一书。
作者简介：
潘建伟，中国科学院院士、中国科学技术大学教授，现任中国科学技术大学常务副校长、中国科学院量子信息与量子科技创新研究院院长。潘建伟在量子光学、量子信息和量子力学基础问题检验等领域做出了重要贡献，是中国量子信息领域的领军学者。在超冷原子量子模拟、量子化学、量子成像等领域，潘建伟也做出了众多有影响力的工作。因其杰出成就，潘建伟荣获了众多重要奖项，包括欧洲物理学会菲涅尔奖 （2005 年）、QCMC 国际量子通信奖（2012 年）、国家自然科学奖一等奖（2015 年）、未来科学大奖（2017 年）、墨子量子奖（2019 年）、 蔡司研究奖（2020 年）等。
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本书是“墨子沙龙”过去几年的讲座内容精选，共分为6个部分，分别为：科学·思考·畅想、走进量子世界、探寻未知世界、新材料和新技术、生命科学的意义、科学与人生。即便相距千年时空，远隔万里重洋，人们都会不约而同地选择踏上探索科学的道路。
在本书中，读者将了解科学家探索科学的动机是什么；量子计算与经典计算有何不同，量子计算强大的计算能力从何而来；现代生物学如何解释生与死；为什么要了解生物的结构；什么是引力波，引力波天文学将带给我们什么……
对于这些深刻而充满诱惑力的问题，书中的科学家们将向读者分享他们的思考，这些科学家中包含诺贝尔奖获得者、沃尔夫奖获得者、科学突破奖获得者等。本书既有对前沿科学问题的探讨，又充满了科学家对科学人生的思索，非常适合对科学感兴趣的读者阅读。
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