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量子思維 版權信息
- ISBN：9787576034073
- 條形碼：9787576034073 ; 978-7-5760-3407-3
- 裝幀：一般膠版紙
- 冊數：暫無
- 重量：暫無
- 所屬分類：
量子思維 本書特色
量子思維，讓我們少點禁錮，多些前瞻，構建一種全新的統攝自然與人文社會科學的量子思維方式。 1.院士做科普，揭秘從牛頓經典思維到量子思維的偉大飛躍。 2.量子思維的特點：疊加、糾纏、不確定和躍變。 3.量子思維+人文科學=新人文+新思維。
量子思維 內容簡介
《量子思維》一書通過對量子論及第二次量子革命的歷史回顧，深度發掘量子思維與量子論之間的內涵與邏輯關聯，以及量子思維與經典思維等思維方式之間的聯系與差異。在此基礎上，進一步闡述量子思維的基本定義與哲學內涵，深度詮釋量子思維“復雜因果性”“非因果關聯性”“不確定性”“動態性”“不連續性”等重要特征，并通過量子思維在哲學、政治學、人類學、教育學、管理學等領域的泛在應用，為量子時代下多學科、多視角的人文學術交叉與創新，卓越人才教育與培養，以及社會經濟發展和治理提供新思路與新方案。
量子思維 節選
新量子論——量子力學的出現與確立 物質的本性問題，是物理學長久以來關注的重點。以人們對光的認識為例，在經典物理學興起之初，就有英國物理學家牛頓的微粒學說與胡克和惠更斯等人的波動學說之爭。到19世紀中后期，電磁學理論的建立使波動說形成了對微粒說的壓倒性優勢。然而，到了20世紀量子論出現后，事情的發展又產生了轉機。從光電效應的現象來看，光的粒子性再一次顯現在人們面前。光的微粒說與波動說經歷了三百年的大論戰，*后在20世紀初量子論出現之后，以“波粒二象性”的認識而告終結。 1923年，來自法國的德布羅意在他的博士論文中，提出了一個大膽的觀點，即所有的微觀粒子都伴隨著一種波，并且給出了這種“物質波”的表達式。在當時，這個概念的提出大大超出了人們的想象，難以為大多數人所接受。然而幾年后，美國物理學家戴維遜等人發現了電子具有衍射現象，證明了德布羅意假說的正確性。之后，微觀粒子具有波粒二象性的觀點才逐漸成為人們的共識。 微觀粒子波粒二象性的認識，在量子力學的產生過程中是非常關鍵的一步。如果說早期的量子論帶領人們走到了微觀世界認知的門口，波粒二象性則是一把鑰匙。沒有波粒二象性（特別是粒子具有波動性這一點），后面的波動力學、矩陣力學等量子力學的理論表示就無從談起。 對量子論而言，1925年至1927年這三年非常重要，在此期間產生了矩陣力學與波動力學兩種關于量子論的表述形式，標志著新的量子論，即量子力學的產生。 矩陣力學的誕生與玻爾的舊量子論有密切的關系，德國物理學家海森堡一方面繼承了玻爾舊量子論中關于能量量子化、定態、量子躍遷和頻率條件等概念，一方面又摒棄了舊量子論中一些沒有實驗根據的內容，如電子軌道的概念等。根據康普頓散射的實驗觀察，光子和電子相互作用會伴隨有動量的轉移，對電子的運動將產生擾動，要求位置測量越精確，使用的X射線波長就越短，給電子的擾動就越大，電子就越不可能保持原來的運動狀態，所以無限精確地跟蹤一個電子是不可能的。海森堡還在通過對諧振子系綜的研究后，發現交換兩個物理量的乘法是不相等的，即“非對易”特性。之后，在與海森堡討論之后，玻恩意識到量子力學中的物理量可用矩陣來表示，這就是量子力學的**種表述方式，即矩陣力學。 波動力學則是沿著德布羅意波的概念延伸發展出來的。奧地利物理學家薛定諤(Erwin Schrödinger)在德布羅意物質波的啟發下，研究了力學與光學的相似性，在1926年找到了一個新的方程，并用于氫原子。這樣，量子力學就有了第二種表示形式，即波動力學；薛定諤找到的這個方程就是量子體系的物質波運動方程，即薛定諤方程[14]。該方程與電磁學中的麥克斯韋方程的相同點是，它們都是關于空間與時間變量的偏微分方程，這正是當時多數物理學家所熟悉的數學形式。因此，薛定諤方程問世之后，便受到了不少物理學家們的追捧。愛因斯坦就曾對薛定諤贊譽有加，稱薛定諤是“一位真正的天才”。 這樣，量子力學理論體系在其產生之初，就有了在數學上完全不同的兩種表述形式，即波動力學和矩陣力學。哪一種是量子力學的“正宗”表述，曾有過一個短暫的爭論。但很快，薛定諤、泡利、狄拉克等人通過不同的途徑發現，這兩種表述形式實質上是等價的。 在1926年至1927年之交，量子力學的理論體系已基本建立起來，以波動力學與矩陣力學為兩種等價的數學表述形式。1932年，馮??諾依曼把量子力學表述成希爾伯特空間的一種算符運算，建立了量子力學的公理化形式體系。到20世紀40年代末，美國物理學家費曼又創立了路徑積分的表示形式。所以到今天，量子力學共有三種等價的數學表述形式。 **************** 量子測量、量子糾纏與空間非定域性 量子測量與經典測量有很大的不同。在對量子疊加態進行單次測量時，量子態的坍縮具有隨機、不可逆、斬斷相干性的特征。對一個相干疊加的量子態的測量，總是會得到一個單態，這個結果往往令人感到困惑。例如，量子光學中的預選擇和延遲選擇現象、連續測量造成初態不坍縮的量子芝諾效應，都是經常被人們所談起的量子測量的極端化實例。 量子理論認為，自然界的微觀物理體系分成純態系綜與混合態系綜。人們通常所說的具有相干疊加性的狀態，主要是針對純態系綜而言的。在純態中，按照測量公設，測量一個物理量，得到的必然是這個物理量所表示算符的本征值，測量后系統的態將坍縮到相應的本征態。因此，需要按照該算符的本征態族進行展開，相當于將這個本征態族作為一組正交完備基，這就是“表象”的概念。因此，測什么、怎樣測，都會影響到表象的選取，也會在一定程度上影響測量的結果。但是，實驗中的主要物理量的平均值，則是不依賴于表象的選取的，這也反映出力學量算符和動力學態矢量是微觀系統的兩個理論要素。實驗表現是自然的、客觀的、不隨人們的意志而改變的。但理論是人為的、主觀的、按各種層次的考量都是可以改變的。需要指出的是，在以前的量子力學教科書和量子力學教學中，很少深入論述量子測量公設和它的特殊含義，特別是測量前后波函數的塌縮假定所導致的后果。新世紀量子信息學的興起，使這一情況發生了很大的改變。 1935年，EPR論證與薛定諤貓的提出使得量子糾纏效應引起了人們的極大關注。量子糾纏是粒子之間關聯的一種形式，但糾纏的意義并不僅僅限于關聯。一旦兩個粒子發生糾纏，其中的一個粒子發生變化時，另一個粒子立即會隨之發生相應的變化，不論它們的空間間隔多遠。這是一種在經典物理中沒有的、典型的量子非定域關聯 [稱為量子非定域性（quantum nonlocality）] 現象，愛因斯坦稱之為 “鬼魅般的超距作用”。由于其奇異和神秘的特性，又被人們稱之為“愛因斯坦的幽靈”，當時有人認為它將會導致量子論的衰落。有趣的是，與愛因斯坦的預見相反，幾十年后量子糾纏引起了越來越多的人的興趣，而且應用越來越廣。20世紀*后十幾年內興起的量子信息科學，在很大的程度上源自關于量子糾纏的深入探索。 近年來混合態中的量子測量也越來越受到人們的重視。混合態是指微觀粒子并非處于一個純態上，不能用一個相干疊加態的形式去表示描述的對象。比如，你所關注的體系和各種不同的環境狀態之間，就是一種混合態的關系，構成一個開放系統。混合態體現的是非相干的疊加關系，特點與經典的態較為相似。研究表明，對一個糾纏態的進行部分測量，會導致退相干的產生，*終可能會得到非相干的混合態。以著名的薛定諤貓實驗為例（姑且假定這是一個可以操作的實驗的話），可認為體系密度矩陣有如下的演化過程：測量前，貓的死活狀態和粒子的衰變-未衰變狀態處在一個糾纏態上；在對粒子衰變狀態作部分測量時，貓的死活狀態將會處于一個非相干疊加的混合態上。因此，當打開盒子時，貓只會出現死或活的某個經典狀態，不會出現什么活態與死態的相干疊加。 量子糾纏、以及由此導致的量子非定域性的出現，直接影響到人們對相對論定域因果性的再認識。在愛因斯坦的狹義相對論中，有一條稱為光速不變的基本原理。由此原理導出的結論認為，兩個在距離上滿足不大于光速傳播的事件（物理上稱為類時間隔）是有可能存在因果性聯系的，但如果在距離上滿足大于光速傳播的時間（物理上稱為類空間隔）兩個事件就不會存在因果性聯系，此即通常所說的“相對論性定域因果性”。如果兩個粒子之間存在量子糾纏，測量一個粒子導致態的坍縮，另外一個粒子盡管沒被測量，也會產生態的坍縮，這個就是關聯坍縮現象。那么，坍縮和關聯坍縮之間是否具有因果關聯？目前在實驗上看，坍縮和關聯坍縮是基本上是同時發生的，至少也是遠遠超過光速傳播的，顯然是超光速的非定域事件。可以看出，量子糾纏是超越了相對論性定域因果性限制的非定域效應。這似乎表明，在量子理論與相對論的定域因果律之間存在不相容之處。 **************** 第二次量子革命 20世紀末，基于量子科技和信息科技的融合發展趨勢，人們漸漸意識到，新世紀將會爆發一場新的科技革命，即第二次量子革命。2003年，美國物理學家道林和澳大利亞物理學家米爾本在英國《倫敦皇家學會哲學匯刊》上發表論文《量子技術：第二次量子革命》，首次提出“第二次量子革命”這個術語。作者指出，我們正處于第二次量子革命之中。**次量子革命給我們提供了支配物理現實的新規則（即量子力學）。第二次量子革命我們將采用這些新規則，并利用它們開發嶄新的技術。在文中，作者討論了新量子技術的基本原理和發展這些新技術所需的工具，特別是在未來幾十年中可能出現的量子技術，包括量子信息技術、量子機電系統、相干量子電子學、量子光學和相干物質技術等。幾乎在同時，法國物理學家阿斯佩克特在給貝爾的量子哲學的論文集第二版所寫的序言中，也提出了第二次量子革命的概念。在文中，他特別強調了單量子操控技術和相關理論發展的重要性，并對第二次量子革命的產生背景和將來的重要影響做了深入的分析。 從歷史發展的角度來看，第二次量子革命可以說是由愛因斯坦等人量子力學基礎問題的研究（包括EPR論證、薛定諤提出的量子糾纏概念、貝爾提出的貝爾不等式和阿斯佩克特等人的實驗檢驗等）所引發的，也可以說是由于好奇心驅使，科學家們對量子疊加、量子糾纏所表現出來的“鬼魅”量子特性的持久深入探索所導致的。那末，第二次量子革命的內涵是什么呢？從目前的情況和近期的發展態勢來看，可以歸納為以下幾個方面： **，第二次量子革命是前所未有的技術革命。 第二次量子革命是一次以量子信息技術為代表的科技革命。**次量子革命中開發的器件或技術遵循的基本上是經典物理學原理，其原因是所涉及的對象是包含大量的微觀粒子，其典型做法是對這些統計系綜進行整體控制，幾乎未涉及或未利用單量子的操控和粒子的量子糾纏特性。所以，從本質上來說，**次量子革命中所得到的器件仍然屬于經典器件。不同的是，第二次量子革命中所研發出來的器件以量子比特為基本單元；信息的產生、傳輸、存儲、處理、操控等都具有典型的量子力學特征，其中量子疊加、量子糾纏、量子非定域、量子壓縮等扮演著非常關鍵的角色，是地地道道的量子器件[83]。基于量子信息技術研制出來的器件，其功能遠遠超越相應的經典器件，能突破現有信息技術的物理極限。利用這些器件，信息處理速度、信息安全、信息容量、信息檢測等都可以獲得極大的提高。 目前量子信息技術的研究包括量子通信、量子計算和量子精密測量三個主要研究領域。 量子計算是一種通過對量子信息單元（量子比特）進行操控的新型計算模式，執行量子計算的設備被稱為量子計算機。由于量子態的可疊加特性，量子信息單元可處于多種可能的疊加狀態，從而使得量子計算機的并行計算能力大大超越經典計算機。特別是，量子計算機可用來模擬用經典計算機無法做到或難以實現的量子多體系統隨時間的演化，發現新型的虛擬量子材料，展現量子世界的神奇應用，創建用于求解特殊類型數學難題的專用機器（超越目前超級計算機所能達到的*快求解速度），等等。 量子通信是利用量子疊加和量子糾纏進行信息傳遞輸的新型通信方式，目前主要分為量子隱形傳態和量子密鑰分發兩種。基于量子不確定性、量子測量坍縮和不可克隆等原理，可提供無法被竊聽和計算破解的絕對安全性保證。基于量子不可克隆定理的量子密鑰分發，保證了密鑰的不可能被竊聽，可實現比經典通信具有更高的安全性的量子保密通信。基于量子糾纏特性的量子隱形傳態，可用來直接傳輸微觀粒子的量子態（即量子信息）而不用傳輸其微觀粒子本身，從而可用來構建量子網絡。 量子精密測量是利用量子疊加、量子糾纏、量子壓縮等典型量子力學特性對物理系統的參數進行高精度、高分辨、高靈敏的測量、控制與應用的研究領域。基于所發展的量子增強的計量、傳感等技術，可突破標準量子極限，得到比在經典框架內對相同的測量更好的結果。利用原子鐘、光鐘、量子干涉儀、重力儀、磁力計等設備可對時間、位置、加速度、電磁場等物理量實現超越經典技術極限的精密測量，大幅度提升衛星導航、水下定位、醫學檢測和引力波探測等的準確性和精度。 第二，第二次量子革命有望揭開量子世界的深層奧秘。 20世紀20年代量子力學的誕生，催生了**次量子革命。在**次量子革命的發展進程中，盡管愛因斯坦等著名物理學家對量子力學的基礎提出了質疑，但并未引起人們的重視。玻爾領導的哥本哈根學派對“EPR論證”的反駁，量子力學的不斷成功，很難懷疑它可能是錯誤的。所以，大多數人主要關心的是能用量子力學“做什么”，即用其原理去解釋實驗現象或解決實際問題，由此發明了晶體管、激光、核能等，而不去問“為什么”。人們或是把量子力學的基礎問題留給哲學家去回答，或是期待并相信以后將會有人給出明確的回答。 貝爾不等式的實驗檢驗和量子糾纏存在性的確認，使人們對量子力學基礎問題的認識提高到了一個新的高度。圖2-1是我們基于對量子力學基礎的分析給出的微觀粒子的量子態、量子運動的不連續性、量子隨機性、量子疊加性、量子非定域性、量子糾纏之間的關系。其中的量子非定域性是指，在空間中兩個彼此分離任意遠的量子系統之間存在的瞬時非因果性量子關聯，它是一種不能用定域實在論詮釋的現象。 圖2-1 微觀粒子的量子態、量子運動的不連續性、量子隨機性、量子疊加性、量子非定域性、量子糾纏之間的關系 需要指出的是，并不是每個系統與其他系統都能相互糾纏，只有通過某種制備（相互作用）之后，系統之間才存在相互糾纏，才會呈現量子非定域性。從圖中可以看出，量子糾纏的根源在于量子非定域性，量子非定域性在于量子疊加性，量子疊加性源于量子體系的量子隨機性，而量子隨機性源于微觀粒子運動的量子不連續性(見圖2-1中所標示的箭頭指向)。在所有這些因素中，量子隨機性是量子力學所具有的*基本的特征。 盡管與以前相比，我們對量子力學有了新的認識，但關于量子力學的基礎仍然存在若干尚待解決的問題。目前科學界關注的主要問題包括： 一是量子隨機性的本質。微觀粒子運動所表現出來的量子隨機性不是用概率，而是用概率幅來描述。這種隨機性不同于經典粒子的隨機性，因為它不是因為人們對體系的信息掌握不夠所導致的，而是微觀粒子的運動具有自身的內稟隨機性（或稱為基本量子隨機性）。那末，若從更深的層次上去看，這種內稟量子隨機性（“真隨機”）是從何而來的呢？當然，我們暫且可把它當作一個假設接受下來。但是，隨著研究的不斷深入，將來有可能對這種內稟的量子隨機性獲得更為深入的了解。為了描述量子隨機性，為量子力學提供堅實的理論基礎，需要發展量子概率論。在此基礎上，使我們能夠從根本上解決費曼所指出的“沒有人懂量子力學”的問題，也有望開拓概率與數理統計學理論研究的新領域。 二是量子測量問題。在量子力學的幾個基本公設中，大多是規定物理系統的狀態、演化和動力學變量的數學描述；其中只有一個，即測量公設，與實驗測量（經驗事實）相對應。這個公設，又稱為“投影假設”，是由著名美籍匈牙利裔科學家馮??諾依曼在建立量子力學的公理化形式體系時明確提出來的，是一個關于量子系統R過程（即系統從被測前的狀態“坍塌”到測量后的狀態）的基本假設。問題是，測量所導致的“波包坍塌”的物理機制是什么？測量過程能否在現有量子力學的基礎上進行定量描述？是否需要現有的拓展量子力學理論？與此相關的另一個重要問題是，服從經典規律的系統均是由服從量子規律的微觀粒子所組成，如何在理論上協調不確定的微觀世界與和我們看上去確定的宏觀世界（薛定諤貓佯謬）的描述？是否需要進一步拓展、甚至從根本上改造現有量子力學理論（如彭羅斯等人所建議的那樣, 對于R過程需要構建非線性量子力學理論[58]），使之可用來描述量子測量中發生的波函數塌縮過程？量子與經典的邊界是什么？ 三是量子非定域問題。量子糾纏的存在已為大量實驗所證實并逐步得到公認，已成為第二次量子革命中量子技術的*重要資源。但是，人們對量子糾纏所蘊含的非定域量子關聯的起源并不太清楚。另外，量子糾纏所蘊含的量子非定域性、整體性也似乎與愛因斯坦的相對論、與經典因果性也不相容。這是因為，對處于量子糾纏的兩個量子體系的其中一個進行測量，會瞬時（超光速）地影響另外一個體系的測量結果。當然，如果我們將內稟量子隨機性作為一條基本假設，則概率性的量子非定域性還能與相對論因果性還能“和平共處”[57]。否則，經典物理中的定域因果性要被量子物理中的非定域因果性所取代，從而，除了實在觀之外，人們的整體觀、因果觀等都需要做出重大的改變。 事實上，除了實現量子計算、量子通信、量子精密測量等為代表的量子信息技術革命的目標之外，量子信息研究者們開展這些研究的另一個重要研究動機是要增進我們對量子力學直觀上的把握，使其預言讓人更加明白易懂，因而十分重視量子力學基礎問題的研究。毫無疑問，對于以上這些基礎問題的探索，不僅有利于揭開量子世界所隱藏的深層次奧秘，發展量子理論，而且也可能為第二次量子革命進程中提出的關鍵科學與技術問題提供堅實的理論支撐和新型的物理資源。 第三，第二次量子革命有望揭示物質和時空的起源。 物質的基本粒子（如電子、光子等）的起源是物理學的一個基本問題。從量子場論的觀點看，這些基本粒子可以看作是真空態上的元激發，真空不空，這和以老子等為代表的東方哲學家的觀點十分相近。但是要問，真空是由什么構成的？如果它們是某種意義上的“以太”，那么以太又是由什么構成的呢？另外，研究表明量子場論和愛因斯坦的廣義相對論也不自洽。為了解決這個問題，20世紀60年代提出了超弦理論，認為自然界物質的基本單元由各種各樣的“弦”組成，由弦的激發產生各種粒子，試圖構造一種將自然界的基本粒子和四種基本作用力統一的理論，但由于實驗條件等遠未成熟而沒有取得成功。 1989年，美國著名物理學家惠勒，提出萬物源于比特（it from bit）的思想。他基于信息、物理、量子之間的關系，試圖回答關于存在的永恒性問題，認為在物理學中信息比其他任何東西都重要，因為每一個外在實在的屬性（it），都只能基于我們所得到的信息（bit）中獲得其有意義的陳述。隨著量子信息科學與技術的興起，美籍華裔物理學家文小剛提出弦網凝聚理論，認為真空是一個有弦網結構的量子比特海洋，拓撲物態起源于多體系統里的量子糾纏，弦的密度波即是光波(電磁波)，弦的端點即是電子，由此可揭示電子、光子等基本粒子的起源。 20世紀初誕生的相對論和量子力學是現代物理學的兩大支柱。盡管有不少物理學家一直在努力將兩大理論協調和融合起來，但遇到了很大的困難。2010年，加拿大不列顛哥倫比亞大學教授拉姆斯東克發表題為《利用量子糾纏構建時空》的論文，指出量子糾纏有可能是引力幾何化的基礎,從而可能是時空的起源，為促成相對論和量子力學的協調與融合帶來了希望。 總而言之，第二次量子革命是以量子疊加和量子糾纏的控制與利用為核心、以量子信息科學與技術為主導的技術革命。在第二次量子革命的發展進程中，我們有望了解微觀世界的深層次奧秘，并揭示物質和時空的起源。第二次量子革命的興起與發展，也將對其它科技、人文、社科領域產生重要的影響，從而使人類社會的生產、生活等產生翻天覆地的變化。 *******
量子思維 作者簡介
錢旭紅，主要從事化學化工、大學領導管理。中國工程院院士，華東師范大學校長，華東理工大學原校長，上海科普作家協會理事長，英國皇家化學會會士，英國女王大學名譽博士。曾任國家自然科學基金化學部咨詢委員、國家“973計劃”研究項目首席科學家、德國洪堡基金會中國學術大使等，科普類著作有《改變思維》《大學思維》《未來無限》等。 編寫人員： 序言 錢旭紅 序言補記 錢旭紅 第一章 錢旭紅 第二章 黃國翔 馬雷 吳健 楊濤 第三章 酈全民 吳冠軍 朱廣天 何佳訊 鄧玉欣 徐鳴 吳瑞君 劉世潔 第四章 酈全民 朱晶 第五章 吳冠軍 第六章 朱廣天 楊潔 鄭蟬金 曹妍 第七章 何佳訊 張 迪 劉世潔 胡靜怡 第八章 “跨越時空和學科及生命的量子學說與量子思維”項目組
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