西湖大学公开课首讲,来看潘建伟、吴国盛两位“神仙battle”

来源:公共事务部 发布时间:2020-09-07 作者:刘云

95日,西湖大学湖心讲堂公开课正式开课了!这是西湖大学面向社会推出的首个公开课。

湖心讲堂公开课,将在世界范围汇集学术大家,提供“硬核”科学学习资源,开辟前沿思想研讨空间,打造高端终身教育品牌,使之成为西湖大学面向社会的一扇窗,帮助所有心怀梦想的人走近真理,获得求知的喜悦。

为什么要办公开课?

西湖大学校长施一公说:“今年我们亲历了新冠肺炎疫情汹涌来袭,人类生活的地球比以往任何时刻都复杂,每个角落发生的变化都可能演化为一场巨变。如何对人类的未来走向做出理智的判断?我们比以往任何时刻都需要洞察世界的远见。而科学,正是解决顽疾的良方;教育,正是激发向上的能量。”

湖心讲堂公开课,就是为了发挥大学汇聚思想与智慧的优势,传递最前沿的科学思想,探讨人类文明的发展,搭建回馈社会关爱的桥梁。

所谓“湖心”,是指西湖大学用心回馈西湖家人,践行社会责任;同时也将整合西湖大学最核心的学习资源,为公众服务。

这,是西湖大学对社会的责任,也是西湖大学出发的原点。

未来,这样的公开课将成为常态。西湖大学已正式成立“湖心讲堂”,作为公开课的主办方,它将面向社会各界公众,创建一个终身学习平台。

公开课首讲请来了两位中国大师——著名量子物理学家、中国科学技术大学常务副校长潘建伟,著名科学史家、清华大学人文学院教授吴国盛。

一位物理学家、一位科学史家,一边是深邃宇宙,一边是博大历史,在同一堂课上是怎样一场“跨越时空的纠缠”?潘建伟、吴国盛在课堂上的智慧碰撞,为公众带来了一场怎样的“神仙battle”对话?

如果你未能成为现场的一份子,那么,我们倾情贡献一份“课堂笔记”,把两位老师的满满干货,把鼓励大胆质疑、不同见解与头脑风暴,实现公众与顶级学者平等对话的现场,带给大家。

(公开课视频将陆续发布在西湖大学、西湖教育基金会官网)

“神仙battle

01:公开课第一讲,两位选择这样一个主题,是希望观众从中有什么收获?

潘建伟:我俩没沟通过,但想传达的观点在很大程度上其实是一致的。我觉得科学最大的价值,一种是人文方面,一种是精神方面的需求。

首先是满足人类的好奇心。科学是没有绝对性的,谁要说科学是一个绝对的真理,其实就不是科学。搞科学要追求思想上的解放、心灵上的追求,这才是最重要的。

其次,好奇心满足之后,自然会带来非常有用的东西,那不是追求的结果,是它一个自然的结果。

吴国盛:我们是一个科学的时代,中国人对科学充满由衷的尊敬和期待,我希望让大家眼界更开阔一点。

因为学术体制、主流思想,把人文变得很含混,变成我们不知道它真正价值在哪里。

我希望唤醒大家对于人文的重视,即使我们办一个理工大学,人文的训练和教育仍然属于科学教育内在不可分割的一部分,而不是一个外在或者说锦上添花。

 

02:大规模实现量子纠缠的难点,究竟在哪里?

潘建伟:量子非常敏感,哪怕对体系非常微小的扰动,量子叠加就会被破坏,纠缠就没有了,纠缠过程要保证跟周围的环境基本上是隔离的,相当于在黑匣子里面做一个事情,这是这个地方最大的难点。

如果说产生两个纠缠比较容易,多个纠缠的话,周围环境的干扰随着粒子数的增加指数增长,是在这里面最大的难点。

所以,造出量子计算机的难度非常大,因为粒子数越来越多之后,受到环境的干扰越来越多,我们可能永远就被固定在经典世界里面。

有一些科学家提出非常有趣的概念,说一个量子是比较敏感,但有时候把几个量子、几个体系作特别的组合时,对环境抗干扰的能力就特别强,什么意思呢?比如说有几个粒子搞在一起,噪声这边一推,如果这个粒子赶到这边的噪声跟那边的噪声正好反过来,正好把这种作用把它给消除掉,所以你能够搞到几个粒子纠缠在一起形成纠错编码之后,能特别好地抗噪声。

现在的做法,把几十个粒子搞在一个算成一个量子逻辑比特,这样做好之后将来搞到几十个、几百个,100万个粒子纠缠……目前看来比较有期望,如果五年之内进展比较好,大概十年达到100万个纠缠,大家抱团。

 

03:两位老师有没有看过《星际穿越》?电影里把世界描述成了一个五维空间,时间是一个可以自由移动的维度,主角可以在时间线上自由介入,这样的高维度空间如果真实存在的话,请问高维度空间关闭时回到低维度空间,有什么原理参照?

潘建伟:这可能跟我们去年利用墨子号检验的一个理论模型实验有关。

比如说,两个粒子纠缠在一起,为什么相距几千、几万公里之后,空间距离这么远,对一个粒子的测量对另一个粒子还会瞬间有影响。有一些科学家认为,我们的空间时空不止是“3+1”维,可能有更高的时空,相当于你有一张纸这样卷过来,蚂蚁从纸的上面爬到下面要爬很远,如果你能够在中间打一个洞,背面和正面一直连在一起,物理上把这个洞叫做虫洞。如果虫洞在宏观世界真的存在,蚂蚁就可以通过虫洞跑到很远的地方,这就是一种时空穿越里面。

但是虫洞这个东西在宏观世界几乎不可能存在,因为它会破坏因果性。为什么?如果从虫洞过去,你会看到上一刻的自己,这样因果性就会破坏,目前的主流物理学认为它在宏观世界是不应该存在的。

当然有些量子引力理论认为,在很小的时空尺度里面,量子涨落会导致奇异的时空,因果性可能会失效,所以里面就可能产生虫洞,但是空间尺度特别小。非常有意思的是,根据这些理论,量子纠缠会跟引力联系在一起。本来纠缠得很好的,但如果在很小的尺度上有奇异时空的话,纠缠经过引力场就会受到影响。当然我们去年的实验是排除了这种可能性,不过也有可能是由于当时的测量精度不够,所以我们希望在下一颗卫星里面,能够对这个理论给出更好的检验。

 

04:许田:如果说多维空间能够在很小的尺度存在,是否意味着在特殊情况下,你就可以安排大尺度虫洞的出现?这样我们真的可以开始穿越空间,如果小的尺度能够实现,应该可以存在大尺度,是不是可以这样理解?

潘建伟:这个目前不能严格地说行或者不行。映射到宏观世界,估计没有虫洞,这是主流物理学理论的一种信念。但是到了微观世界,根据某些理论可能是存在虫洞的。

 

05:许田:人生阶段有多少你认为是教养起的作用,有多少只是基因的作用?

吴国盛:我觉得这个问题过去没有被科学家意识到,关于时间的话题在西方哲学界是现象学这一派提出来的,但它那个内时间意识,始终没有被科学家所关注。

自己有一点点贡献,是把内时间意识的发育定在人生下来以后,不是生下来以前,内时间意识本身肯定是动态被构造出来,不是DNA能出现的。

因此婴儿的发育过程中,一方面是生物学意义上比如说DNA开关,还有一个问题他的手和脑之间的互动,手的行动会促成脑方面的变化。我相信会有一些实验来证明这一点。

另外,人类为什么可以通过文化进化来取代自己的生物进化?过去几万年,人类的身体进化大概是微乎其微,但是它的文化进化是非常巨大的。这是有机制,动物就没有这个机制,而人类有这个机制。

 

06:施一公:量子因为没有质量,只有能量,所以你可以纠缠,我在想不管多少量子,只要是有限的,能不能实现原子水平的纠缠?

潘建伟:我们可以产生大量原子的纠缠,原子纠缠非常有意思,原子本身是有质量的,但是纠缠里面基本上跟质量没有关系,可以跟能量有关,比如说几个原子处于高、低能级之间的纠缠。所以比如说我有一团原子,跟另一团原子相互作用之后就能把它们纠缠起来,在这个过程当中可以不涉及到任何质量的移动,只是信息移过去了,是可以产生原子的纠缠。

 

07:施一公:我对空间和时间的定义一直非常迷惑,您觉得时间真的能被定义吗?

吴国盛:特别有趣,施老师谈的空间、时间问题有没有答案?当然有答案,怎么答?回到常识。

科学的世界图景跟人的生活模式来比是派生的。比如说,由潘老师这样的科学家所绘制的世界图景,本来是他的产物,结果我们都相信,我们是生活在他所绘制的图景当中,我们变成他画的画里面的人,这当然是一种错觉,首先我们跟他都是一样的人,我们都是有血有肉,可以进行交流对话,但是由于他某些天才的发挥,描绘了一幅非常好的世界图景,典型就是时间空间的说法,结果我们被误认为我们变成他画的画里面那个人,当然不是这样。

我们经常说回到常识的问题,比如时间,难道不觉得像我们这些人慢慢变老,这是一个基本的事实吗?什么东西比这个更加严酷,我们满头飞雪,韶华不再,感觉自己没有一辈子没有做什么事情,愧对国家,愧对家乡父老,所有这些情绪是最基本的。当你觉得办了西湖大学,为国家做了贡献的时候,我们有一腔豪情,这就是时间性的东西,这就是时间。干嘛纠缠时间物理学的定义?那个定义是派生的。

当你纠缠在所谓的量子纠缠、时空纠缠、超时空和虫洞的时候,我们首先问一下,你难道认为人类变老不是一个最基本的人生意识,不是比一切物理学一切生命科学都最基本的事实?

 

08:我们都知道宇宙在膨胀,膨胀的速度已经越来越慢,有一个科学理论认为宇宙有一天会终结,膨胀到极致之后会向内收缩,最后形成一个奇点,这样我们现在的时间是有一个终点的,在终点之后什么都没有,是一片虚无,我们现在的历史也都不存在,宇宙没有历史,我们现在的生活是否还有意义?

潘建伟:目前天文观测的结论是宇宙在加速膨胀,不是膨胀越来越慢,所以能不能回来还不知道。

吴国盛:假定要收缩,那天文数字本来就不是我们普通人所能想的数字。

我想起一个问题,很多问题背后是有前提的,有预设的,比方说中世纪曾经有一个难题要研究在一个针尖上站几个天使,这个问题当时是很有名的问题,这个问题之所以有价值,跟中世纪的哲学氛围有关系,不要认为它对我们今天的人没什么意义,我们觉得随便谈谈像个笑话一样,导致那个问题成为有意义的那个环境,是永远会保持吗?也就是说未来会不会有一天,当我们的后人谈论宇宙的膨胀和人们当时由于膨胀担忧的时候,会不会像今天的人在说针尖上的天使这个问题一样的这个无所谓,所以既然跟你没关系,未来的人也不一定思考这个问题,因此我认为这些问题不一定很重要。

潘建伟:我做一点补充,大家看到目前宇宙在往外膨胀,于是倒推回来,得出结论宇宙有可能是从奇点出发的。但是,比如说一个曲线是这么振荡,进行拟合的时候可能只是从某个角度看到好像是这样的。也有可能过一会儿宇宙又开始收缩,收缩一半又往外膨胀,到底有没有从一个奇点爆炸产生宇宙,目前的理论可以倒推得到这样的结论,但你千万别认为这肯定就是终极的真理。

只是说目前来看,如果我可以这么倒推出去,也许宇宙就一直这样膨胀出去了,这是第一种结果,那么宇宙会越来越冷。第二种结果,膨胀太厉害宇宙被撕裂。第三种结果,可能也会收缩回来又变成一个奇点。

如果我们相信宇宙是从奇点爆炸出来的,那么就有点像一公老师讲的,我们都是来自于一个海洋里面的一个细胞,我们都是兄弟姐妹,然后慢慢出来之后,今天我们能够坐在一起,这么多原子搞在一起,聊天、讨论问题,这本身就是一个很有意义的事情,这是小概率事件,是一个很大的缘分,所以要珍惜这个事件概率的发生。

 

09:我是来自杭州第二中学的高一学生。刚刚我听到粒子进行纠缠的时候,每一个粒子可以处于叠加态,这个叠加态一旦进行测量之后就会发生坍缩,我们不进行测量的时候又怎么知道它是叠加态,我们不进行测量,怎么可以制造出一堆一模一样的粒子,然后再去对它们进行测量、概率统计,统计出它们原来状态下各种不同情况的概率呢?

潘建伟:很好,你很有当科学家的潜质,尤其可以来做我们物理学家。

一种非常简单的方法,先让一个光子,比如它的能量是400纳米,打到一块晶体上,结果那块晶体有一个原子看到这个光子,它很高兴地把它吃掉了,就变成了一个母亲,母亲后来又生出两个小孩来,就是两个光子,这两个光子的能量都是800纳米的。这两个光子是同时产生的,所以我只要探测到其中一个光子,就知道另一边一定也有一个光子,这是第一步。这两个光子也是处于纠缠态的,就像双生子一样,这个人如果是左撇子,那个人就是右撇子,这个是右撇子那个就是左撇子,因为有自旋守恒。这两种可能都同时存在,所以是左撇加右撇,右撇加左撇。这样我只要确定了其中一个是左撇子,那么我就可以知道另外一个一定是右撇子,通过这种方法就可以制造出一个确定状态的光子。然后不断地重复上面这个吃掉一个光子放出两个光子的过程,我们就可以制造出一堆一模一样的光子了。