探索的動機

微觀世界與經典世界最明顯的一個區別是，事物不是明確的非此即彼，而是此與彼的某種尚未確定的疊加態。

我在歐洲留學時，到阿爾卑斯山區的一個大峽谷，一個很少有外國人到的地方去游歷。在那里，我見到一位大概80多歲、滿頭白發的老太太坐在輪椅上。她非常高興看到一個外國人，于是我們就聊起來。她問我是干什么的，我說：“我是做量子物理的。”然后她進一步問我：“你做量子物理的哪一方面？”我說：“是量子信息、量子態隱形傳輸，就像時空穿越里的東西。”她說：“我讀過你在《自然》雜志發表的那篇文章。”我非常感動，一位80多歲的老太太，卻對科學保持著這樣一種原始興趣的初心，當時我想也許她只是個例。又過了幾年，我在海德堡大學做切除息肉的手術。當我做完手術醒過來之后，正好護士站在我的床前。她說：“潘教授，你是不是研究跟時空穿越類似的東西啊。”我說：“是啊。”她說：“你能不能給我講講。”因為我當時鼻子里面插著兩個管子，非常痛苦。我說：“現在我講不了，我將來送給你點資料吧。”為什么舉這兩個例子？我覺得一位護士對科學感興趣，一位鄉村老太太對科學也感興趣，這很難得。如果我們對科學沒有這種原始的沖動，沒有興趣，我們就不可能變成一個真正的創新的國家。

什么是探索的動機。作為科學家，特別關心兩個事情。第一，宇宙的規律是怎么樣的。通過規律研究，希望能夠知道我們從哪里來，到哪里去，也就是說，我們非常關心人類和宇宙的生成和命運。好多年前我曾經讀過房龍的一本書，叫做《圣經的故事》，聲明一下，我不是教徒，里面講到，上帝當時說要有光，然后要有云，要有天，要有地，這個過程就是告訴我們創世紀的過程。所以人類追求的過程中，一直希望能夠理解，我們是怎么來的？我們的未來是怎樣的？以此尋找一種安全感。但是在過去，因為沒有科學，只有靠人類的種種想象。經過幾千年的知識積累，到了1687年人類的觀念發生了重大改變。1687年之前，一個偶然機遇使伽利略把玻璃片做成望遠鏡觀測太空，他看到了土星環等等。那時人類開始能夠探索整個宇宙是怎樣的，不僅僅看地球怎么樣。1687年，牛頓在前人知識基礎之上，發表了一部專著《自然哲學的數學原理》，改變了整個人類思想認識進程。這部書告訴我們，宇宙的演化完全可以通過微積分計算出來。這是什么意思？本來我們覺得上天非常神圣，而牛頓卻說蘋果掉在地上和星星在天上轉是可以算出來的。當我們感覺原來可以計算神圣的上天的星星運行的軌道時，科學的自豪感無比巨大，這樣我們就可以計算我們的未來。但是如果進一步想，你馬上會感到非常失望，完了，我的命運是不是也在宇宙誕生的時候就已經被決定了呢？比如，潘建偉成為物理學家，其實根本不是自己努力的結果，在宇宙剛剛誕生的時候，一切都已注定。為什么？牛頓力學告訴我們，這些都是可以計算的。所以，有些科學家在意識到這一點之后，認為這個世界是宿命的，奮斗毫無意義，于是他們選擇了自殺，確實有這樣的事情發生。當然，科學還是要進一步發展的。

一直到上世紀初，又一個新的革命發生，這就是量子力學。量子力學非常有意思，它跟原來的牛頓力學完全不一樣。牛頓力學告訴我們，比如我今天在北京做講演，那就不可能在上海。但在量子力學有個概念—作為一個微觀客體，當你沒有看它到底在上海還是在北京的時候，它可以同時在兩個地方，處于一種疊加的狀態。我們把這樣一種狀態叫做量子疊加態。小片量子，是物理學概念，作為不可再分割的基本個體，量子用來形容微觀世界的一種傾向，粒子的物理量（比如能量）傾向于不連續的變化。微觀世界與經典世界最明顯的一個區別是，事物不是明確的非此即彼，而是此與彼的某種尚未確定的疊加態。舉個例子，我要從德國柏林飛到中國北京，飛機有兩種飛行路線，一條是柏林-莫斯科-北京（冷），另一條是柏林-新加坡-北京（熱），如果我在飛機上睡著了，那么我下飛機后就會覺得渾身處于一種“又冷又熱”的奇怪狀態，不知道飛機到底從莫斯科中轉還是在新加坡中轉。這時，用量子力學看世界的我只能得出結論“我同時經過莫斯科和新加坡”，也就是量子的疊加態；而當我在飛機上睜開眼睛看的時候，才知道到底是從莫斯科中轉還是從新加坡中轉，下飛機后也會覺得要么冷要么熱，不會再處于“又冷又熱”的狀態了。這也正是量子力學的積極哲學，“看到即改變”，當你把視線關注到量子運動軌跡，其狀態就會隨之發生改變。這就告訴我們，你睜開眼睛看一下，對整個世界的演化是會有影響的。量子力學，從哲學上講是一種非常積極的概念，它的含義是我們個人的奮斗，對這個世界是有影響的。量子力學不僅可以了解宇宙的歷史，也可以推動一個新學科的發展。目前我們在從事的研究叫做量子信息科學。利用所謂的量子疊加原理來做量子通信，解決信息安全問題。

量子力學還有一個所謂量子糾纏的概念。一個粒子可以處于零加一，就是兩個狀態的疊加。兩個粒子也可以處于一種非常奇怪的狀態疊加：“零零加一一”。比如我和你同在北京，假定我給你一個糾纏粒子在手里，另一個在我手里，然后我回到合肥。你把手中的粒子一扔，它會隨機得到零或一。但是我在合肥看一看我手中粒子的狀態，我就可以把你手中的結果猜出來，因為即使這兩個粒子已經隔得非常遠，它們扔出來的結果始終是一樣的。科學上把這種現象叫做量子糾纏，或者從不太嚴格的意義上講，甚至可以叫做“遙遠地點之間的心電感應”。利用這個，可以構造一種非常強大的量子計算機，通過量子計算，在大數據爆炸時代，把信息有效地提取出來。所以從這個角度上講，科學不僅能帶來心靈的自由和安寧，而且科學是非常有用的。

隨著電動力學和量子力學的發展，帶來了信息科技，整個世界已經變成一個地球村。所以，人類的進化是與信息共享和互動緊密聯系在一起的。同時，還有一個非常重要的東西需要我們進一步珍視和加以保護，那就是心靈的自由和獨立的思想。從古到今，正因為我們保證了思想的獨立性，才能夠保證想法的千變萬化，才會有創新和進步。愛因斯坦有一篇著名的演講，題目叫《探索的動機》。他說有三類人在科學的殿堂里，第一類人只要有機會，也許會成為企業家，也許會成為政治家，也許會成為詩人。只要是能夠讓自己得到榮耀，得到名利，他干什么都可以。當然他還是很有才華的。還有一類人完全是興趣驅動，他只是覺得好玩，不管對大家有沒有好處，有沒有壞處。第三類人是什么？他確實希望能夠對這個宇宙進行探索，進行凝視，進行思索，能夠找到一些先天和諧的規律。只有這一類人才能夠很靜心地、長久地從事科學研究。愛因斯坦說，當然不能把前兩類人驅逐出去，因為這些人可能對科學做過很多，也許是主要的貢獻。把他們驅逐出去，這個殿堂就倒塌了。但是可以肯定，如果沒有第三種人，這個殿堂就不會成為殿堂，只能是一些蔓草，而不會成為森林。什么是探索的動機，作為一個真正的科學家，他應該是很有責任心的，他會用無窮的耐心，去理解這個宇宙是怎么樣的。但現在我們還不能解釋為什么我們會有愛？為什么我們會有感情？我想隨著未來科學的發展，也許到某一天我們能從方程里給出非常好的解釋。這就是探索的動機。（本文為作者在中央電視臺公開課《開講啦》的演講稿，有刪節）

（作者為中國科學技術大學常務副校長、中國科學院院士）

責任編輯 孟 瑋