量子世界

史峰

2016年8月16日1時(shí)40分，中國(guó)成功將世界首顆量子科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星（簡(jiǎn)稱“量子衛(wèi)星”）發(fā)射升空，世界為之震驚，量子也隨之進(jìn)入大眾的視野。

量子是什么

偉大的科學(xué)家牛頓創(chuàng)造了經(jīng)典力學(xué)，它可以測(cè)定一個(gè)物體的運(yùn)動(dòng)速度和運(yùn)動(dòng)軌跡。比如知道一個(gè)物體受到了哪些作用力，把這些力值代入牛頓研究出的計(jì)算公式，就能算出這個(gè)物體將以多快的速度沿著什么樣的路線運(yùn)動(dòng)。

經(jīng)典力學(xué)的計(jì)算公式可以計(jì)算宏觀物體的速度和軌跡，比如一個(gè)皮球、一輛汽車，甚至是冥王星等，但這個(gè)公式卻無(wú)法計(jì)算微觀世界里微粒的運(yùn)動(dòng)速度和軌跡。一個(gè)物理量如果有最小的單元而不可連續(xù)地分割，就說(shuō)這個(gè)物理量是量子化的，并把最小的單元稱為量子。簡(jiǎn)單地說(shuō)，就是把某物質(zhì)不停地分，分到不能再分，那個(gè)最小的微粒就是量子。當(dāng)然，可以分的東西不僅是有形的物質(zhì)，還包括有能量的非物質(zhì)。比如光是非物質(zhì)，但它有能量，也可以不斷地分，分到不能再分的那個(gè)光微粒就是光量子。

以量子的角度來(lái)理解，物質(zhì)的變化其實(shí)就是能量的變化，即是量子在變化，能量就潛伏在很多微小的物質(zhì)中，那么量子也可理解成最小的能量微粒，這可以說(shuō)是“量子級(jí)的世界觀”。

量子命運(yùn)多（chuǎn）

經(jīng)典力學(xué)理論在量子世界遭到挫折之后，一群打破習(xí)慣思維、大膽想象的年輕科學(xué)家開始尋找能解釋量子運(yùn)動(dòng)變化規(guī)律的新理論，于1925年確定了量子科學(xué)這一領(lǐng)域。他們是時(shí)年25歲的泡利、24歲的海森堡、24歲的費(fèi)米各、23歲的狄拉克，及年齡最大的36歲的薛定諤。

起初人們都不能理解量子理論，就連物理學(xué)界領(lǐng)袖愛因斯坦對(duì)量子的存在也持半信半疑的態(tài)度。愛因斯坦關(guān)注了量子理論十年后，最終選擇了回避。還有一些科學(xué)家對(duì)量子科學(xué)持完全否定的態(tài)度，他們認(rèn)為量子科學(xué)是神學(xué)，說(shuō)做量子研究的年輕人是騙子。量子科學(xué)家被誤解，關(guān)鍵是因?yàn)榱孔拥囊恍┍憩F(xiàn)實(shí)在是太驚人了。能有多驚人，我們一一道來(lái)。

量子讓意識(shí)不滅

生命不會(huì)永存，必將走向衰亡，這是常識(shí)?？墒橇孔悠魬?zhàn)常識(shí)，它告訴人們：人的意識(shí)可以不滅，從而得到某種意義上的長(zhǎng)生。

量子科學(xué)家認(rèn)為靈魂其實(shí)就是由帶有能量的量子組成的，人的意識(shí)就是量子的集合體。人活著時(shí)，量子組成的意識(shí)就駐存在大腦里，去世時(shí)量子就散失在外界空間里，等于離開了人體。因此，人的生死和意識(shí)的有無(wú)，被看作是量子的聚與散。量子科學(xué)家正在研究一種方法，試圖把意識(shí)量子鎖定在大腦里，讓它們永遠(yuǎn)無(wú)法向外界空間散失，意識(shí)量子永遠(yuǎn)存在，則人就不會(huì)“逝去”。

但大腦終究是肉體，人類目前掌握的科技，尚不能讓肉體永遠(yuǎn)保鮮。那么可以把意識(shí)從衰老的大腦轉(zhuǎn)移到鮮活的大腦，讓意識(shí)長(zhǎng)存。思識(shí)長(zhǎng)存。這個(gè)情節(jié)我們?cè)诳苹秒娪袄锼圃嘧R(shí)。

也許你會(huì)質(zhì)疑，科學(xué)家竟然說(shuō)出這種“神話”來(lái)，其實(shí)關(guān)于量子與靈魂的研究并不是神話，而是嚴(yán)肅的科學(xué)。用量子解釋靈魂，生活中遇到的一些怪異問題似乎就能找到答案。比如說(shuō)“靈魂出竅”，一個(gè)人感覺到自己的意識(shí)離開了自己的肉體，在自己的肉體之外活動(dòng)，量子科學(xué)認(rèn)為這是意識(shí)量子集體“出游”的現(xiàn)象。雖然這一理論尚未得到證實(shí)，但卻給人類開啟了認(rèn)識(shí)生命的新窗口。

量子很調(diào)皮

量子組成靈魂似乎不太靠譜，嚇到你了吧。接下來(lái)，我們說(shuō)些靠譜的事，來(lái)壓壓驚，定定神。

我們常見小孩子互相模仿：一個(gè)做鬼臉，另一個(gè)也學(xué)著做鬼臉；一個(gè)假裝哭，另一個(gè)也跟著假裝哭。像調(diào)皮的孩子一樣，量子也很“調(diào)皮”。一個(gè)量子發(fā)出“你好”的信息，另一個(gè)量子也立馬復(fù)制出“你好”這個(gè)信息；一個(gè)量子有“一加一等于二”的信息，另一個(gè)量子身上也會(huì)出現(xiàn)“一加一等于二”的信息。

小孩子調(diào)皮模仿，需要信息傳輸?shù)倪^程，至少他們之間需要相互看得到。量子之間的相互模仿則不需要實(shí)際的傳輸過程，不用相互看見，全靠“心靈感應(yīng)”。人與人之間的心靈感應(yīng)還沒有被科學(xué)證實(shí)和解釋，可是量子之間的心靈感應(yīng)是實(shí)實(shí)在在的自然現(xiàn)象，被稱為“量子糾纏”。

“量子糾纏”讓量子之間可以傳送信息，且信息在量子之間的傳輸不需要任何“線路”，信息的送達(dá)不需要“時(shí)間”。利用“量子糾纏”而開發(fā)出來(lái)的新一代量子通信技術(shù)已經(jīng)變成了現(xiàn)實(shí)，我國(guó)發(fā)射的首顆量子衛(wèi)星“墨子號(hào)”就應(yīng)用了量子通信技術(shù)。中國(guó)的科學(xué)家們計(jì)劃，未來(lái)要讓每個(gè)人都能使用到量子通訊。

量子的小脾氣

自古以來(lái)，密碼編制者和密碼破譯者不斷進(jìn)行著加密與解密的較量。在計(jì)算機(jī)時(shí)代，密碼編制者失敗的次數(shù)增多了，我們常聽說(shuō)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)密碼被破解、銀行卡密碼泄露的案例。曾經(jīng)有位數(shù)學(xué)家設(shè)計(jì)過一個(gè)超級(jí)復(fù)雜的密碼，然后信心滿滿地對(duì)外宣稱，要破解他的密碼，需要數(shù)億年。一群密碼破譯愛好者表示不服，組織了600人，使用了數(shù)百臺(tái)計(jì)算機(jī)，耗時(shí)6個(gè)月，超強(qiáng)密碼就被破譯了。

那有沒有牢不可破的密碼呢？答案是肯定的，量子密碼就無(wú)法破譯。什么叫量子密碼？簡(jiǎn)單地說(shuō)就是以量子的當(dāng)下狀態(tài)作為密碼。比如約定量子的“站立狀態(tài)”是密碼，然后雙方就使用量子的“站立狀態(tài)”保持通訊。如果竊密者想知道量子作密碼時(shí)的“狀態(tài)”，他就得“偷窺”量子的狀態(tài)是什么樣。結(jié)果這一窺干擾了量子，后果很嚴(yán)重。量子是有脾氣的，它被打擾后很生氣，從“站立狀態(tài)”立即變成“蹲著”或“躺下”的狀態(tài)，相當(dāng)于密碼“自毀”了。這時(shí)候發(fā)信息者就會(huì)發(fā)現(xiàn)信息無(wú)法傳輸或是信息傳輸出現(xiàn)錯(cuò)誤，從而推斷出有人在竊取量子密碼，趕緊采取保護(hù)措施。

量子的這個(gè)小脾氣，在科學(xué)上叫做“量子不可復(fù)制性”，這種特性是量子密碼安全的根本原因。竊密者如果想攔截量子密碼，就要對(duì)其進(jìn)行測(cè)量，結(jié)果量子密碼立即改變狀態(tài)，這就保障了量子密碼不可竊取和不可復(fù)制，甚至你都不能“看”它一眼。

量子的分身術(shù)

同學(xué)們都知道孫悟空的分身術(shù)吧，只聽得孫悟空大喊一聲“變”，一個(gè)孫悟空立刻變化出無(wú)數(shù)個(gè)孫悟空。如果誰(shuí)與孫悟空比賽摘桃子速度，真的比不上。你一個(gè)人摘，孫悟空分身出無(wú)數(shù)個(gè)自己來(lái)一起摘，真是天壤之別啊。

量子也有分身術(shù)，一個(gè)量子在某個(gè)空間內(nèi)可以在任意位置出現(xiàn)，和分身術(shù)有相似的效果。量子的分身術(shù)稱為“量子疊加態(tài)”，具有疊加性質(zhì)的量子最典型的應(yīng)用就是用來(lái)制造計(jì)算機(jī)。利用量子技術(shù)制造成的計(jì)算機(jī)，稱為“量子計(jì)算機(jī)”。

量子計(jì)算機(jī)與現(xiàn)在我們使用的普通計(jì)算機(jī)相比，最大的區(qū)別就是運(yùn)算速度不同。普通計(jì)算機(jī)一億年才能完成的計(jì)算量，量子計(jì)算機(jī)不出一秒鐘就能輕松搞定。量子計(jì)算機(jī)的驚人速度就是利用了量子的分身術(shù)，在運(yùn)行過程中無(wú)限疊加，相當(dāng)于由無(wú)數(shù)臺(tái)計(jì)算機(jī)在同時(shí)計(jì)算，真是“眾人拾柴火焰高”啊。量子計(jì)算機(jī)的計(jì)算速度甚至超過了光速，上文提到的用數(shù)百臺(tái)計(jì)算機(jī)歷經(jīng)6個(gè)月破除密碼，如果用量子計(jì)算機(jī)攻破傳統(tǒng)密碼，將瞬間可破。

如今計(jì)算機(jī)早已應(yīng)用在人們生產(chǎn)生活的方方面面。想象一下，有了超光速的量子計(jì)算機(jī)，人類的生活就將進(jìn)入“量子時(shí)代”，我們的生活、學(xué)習(xí)和工作方式都可能會(huì)改變。速度的飛躍同時(shí)伴隨著質(zhì)的提升，量子計(jì)算機(jī)的智能程度也將無(wú)可限量，很多科幻電影中的故事也許就能變成現(xiàn)實(shí)。

量子旅行

近年來(lái)火星旅行的概念非常熱門，隨著航天科技的發(fā)展，遨游太展，趙游太空已不再是夢(mèng)想。但宇宙廣闊，什么樣的飛行器才能載人到數(shù)億光年以外的星球上去呢？量子飛行器給我們提供了長(zhǎng)途太空旅行的可能。

量子理論認(rèn)為萬(wàn)物都由量子積聚而成，人體內(nèi)也存在著量子，但人體量子沒有“相干性”，也就是說(shuō)人體量子雖為“鄰居”，但相互不認(rèn)識(shí)，不來(lái)往。量子不相干，人