浙报融媒体|我们可以穿越时空吗？神秘的量子力学告诉你潘建伟

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潘建伟
【浙报融媒体|我们可以穿越时空吗？神秘的量子力学告诉你】“我是独一无二的，拥有自主意识，我的行为可以影响体系的演化，这是量子力学和牛顿力学根本的不同。 ”近日，在湖心讲堂公开课上，著名量子物理学家、中国科学技术大学常务副校长潘建伟说。
上帝到底掷不掷骰子？这一物理学的经典之问，一直是很多人津津乐道的话题。
牛顿力学告诉我们，所有粒子的运动状态都是可以精确预言的，这就会引起“决定论”的概念。在美剧科幻片《西部世界》里的机器人，自认为自己是具有自主意识的，但事实上，其每一个举动都是由后台程序所设定：下一时刻要做什么、说什么，早就像拍电影一样被确定好了。
那么，这个世界到底是决定论的，还是在本质上是不确定的、以至于允许我们有自主意识和自由的思想呢？如果本质上是不确定的，我们又该如何从物理学角度来证明这一点？
“目前的科学理论是：我们的世界不是决定论的。有了这样的新理念后，我们可以做很多有趣的事情。 ”潘建伟说。从爱因斯坦的好奇心到近年来量子信息技术的发展，在科学家们的引领中，我们走入量子力学的奇妙世界。

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上帝掷骰子吗？
量子力学诞生后，以玻尔、海森堡和泡利为主的哥本哈根学派一直认为，量子力学本身已经是完备的理论，而爱因斯坦则一直批评它并不完备。
在量子力学中，世界由两种基本成分组合而成。其一是波函数，也即一种平滑的、可以完全确定的数学表达式，它代表了关于粒子位置和特征的无数种可能性，可以用来描述粒子的信息。其二是波函数的塌缩，也即实现一种可能性并消除所有其他可能性。
爱因斯坦认为，量子力学只能描述处于相同环境中为数众多而又彼此独立的粒子全体，而不能描述单个粒子的运动状态。因为单个粒子的运动状态必须是决定性的，而不能是统计几率性的。因此，爱因斯坦相信上帝不掷骰子，我们对于粒子运动状态的描述必然会有一种确定规律或公式来测算。
玻尔则认为，量子世界是虚幻的、不真实的，只有对量子世界进行了测量之后的结果才是真实的。而现有的量子力学理论并没有问题，它恰好可以计算这个复杂的量子世界，并且符合实际。在他看来，不确定性也是自然的一部分。
现场，潘建伟用两个实验来解释这种争论的产生。
当打开手电筒照过一条缝时，光线会呈现中间亮，两边渐渐变暗的形态。而当我们重复做这个实验，并将光源不停减弱，最终在屏幕上可以发现，在每个确定的时刻，会看到一个点、一个点的出现。实验重复多次后，还可以发现，这些点的分布概率与之前实验情况是完全一致的。单次实验中出现的一个点，就是所谓的“单光子” 。其实，光是由很多小颗粒组成的，反复减弱光源后看到的小颗粒就是光能量的最小单元——光量子。
而进入双缝实验，我们首先只开一缝，会看到这条缝四周集中了很多小点，最后的分布状态为高斯分布。那么，当两条缝同时打开时，我们会看到什么现象呢？按照通常的观念，单光子是不可分割的，单次过程中，其应当从某一条缝中通过。两条缝都打开时，应是一种简单的概率叠加，其结果仍呈现高斯分布的状态。
但事实并非如此。在两缝皆开的情况下，屏幕上光子数目越来越多，就出现了干涉条纹。在量子力学中，按照玻尔和海森堡的观点，首先光子确实是一个粒子，但它在自由飞行时，状态是由波函数来描述的。在探测到光子之前，光子没有一个确定的位置。通过双缝之后，波函数的干涉就会影响光子出现的概率分布，就类似于经典波干涉一样。

浙报融媒体|我们可以穿越时空吗？神秘的量子力学告诉你

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