月读 ‖ 《从量子到宇宙:颠覆人类认知的科学之旅》

南无爱因斯坦,南无海森堡,观自在波尔,行深量子物理时,照见薛定谔猫,测一切不准,二象性,波不亦粒,粒不亦波,波即是粒,粒即是波,受想微观,亦复如此。传播子,是诸法真空,不存不灭,不虚不实,不增不减,是故真空不空,无绝对测准。无上下顶底奇魅,无四大基本力场,无算符,乃至拉格朗日。阿贝尔,亦无交换场。乃无自旋,亦超对称理论。格点量子场论,无智亦无得,以无奇点故。超弦理论,依卡拉比丘空间故。心无古典,超古典故,无有冲突。远离古典座标,究竟当代。希伯尔特,以傅立叶透视频谱世界故。得弦理论十的次方五百种解。故知当代物理嘴炮,是大理论,是大解答,是物理圣杯,是诺贝尔奖。能除一切苦,真实不虚。故说统一理论神咒。即说咒曰:相对相对,量子量子,巨观与微观,上帝掷骰乎?

网友取名《量子真经》,虽然看不懂,但是很非常形象地描述出了普通人看完这本书的感受。

本书由清华大学出版社出版,作者名叫高鹏,是哈尔滨工业大学的一位老师。

本书以各种不可思议的量子现象为主线,以物理学家们所做的各种令人惊奇的实验为脉络,循序渐进地介绍了人类探索量子世界的整个过程。作为一本科普读物,本书涵盖了波粒二象性、叠加态、概率幅、纠缠态、隧道效应、电子云、超流体、量子真空涨落、费曼图、超弦理论等量子力学中引人入胜的大部分内容,也介绍了扫描隧道显微镜、量子计算机、量子隐形传态等量子工程技术,同时还把相关的历史趣事穿插其中。另外,书中还介绍了一些与量子物理相关的粒子物理、相对论、宇宙学等内容,其中就包括了目前更前沿的领域,如反物质、希格斯粒子、暗物质、平行宇宙,以及引力波等。

就本书的绝大部分内容而言,我基本似懂非懂,部分内容甚至完全不懂,宏观世界总结出来的经典物理概念几乎在微观量子世界中全部失效,而微观世界所归纳出来的现象又没有完备的概念和理论来解释,认知陷入困难是非常正常的事儿。

然而,对任何一门新知识的掌握和获取,都需要一个疑惑到逐渐清晰的过程,这是认知提升的基本规律。对此书的阅读,最大的意义即在于此。

量子是什么?不经百度能说的出来的没几个人。即便是此刻的我已经看完了这本书,我也说不出来量子的确切定义。

头条百科有一段话是这样介绍的:

量子是现代物理学中的重要概念。最早是由马克斯·普朗克在1900年提出的。他首次提出能量只能取基本单位的整数倍,即量子化的概念。这与以牛顿力学为代表的经典物理有根本区别。量子化现象主要表现在微观世界。这种描述微观世界的物理理论被称作量子力学。物理学中的量子是指一个不可分割的基本单元。所谓“量子化”指其物理量的数值是特定的,只能是基本单元的整数倍,而不是任意值。经过普朗克,爱因斯坦,斯蒂芬霍金等科学家的不懈努力,目前已建立了量子力学、量子光学等多个相关的专业研究领域。

不可否认的是,量子概念以及由此衍生出来的一切科研成果,现在非常时髦,时髦到如果你不能就量子发表一点自己的见解,基本上就等同于脱离了科技时代。

就我的理解,量子是目前相对于人类世界的微观世界,它的研究成果反映着人类对微观世界的探索认知。无论是宏观还是微观,都是一个相对的概念。从宇宙的角度来看,我们所在的太阳系乃至太阳系所在的银河系,都只不过是宇宙的一个微观。而站在人类社会或者地球的角度来看,原子以下尺度的世界就是我们常说的微观。

我们姑且称地球及人类社会生活的所见所闻为宏观,相对应的,把原子尺度以下的世界称为微观,那么量子就是我们对微观的描述和认知。

对于普通读者而言,对量子的了解,需建立如下几个认识。

经典物理概念和原理完全不适用于量子世界。

由牛顿散发定理直至爱因斯坦相对论的建立,我们已经熟悉了宏观世界的运行规律和模式,似乎有经典力学的加持,世界已经没有我们所不能解释的物理现象。然而,对量子世界的研究告诉我们,许多量子世界里发生的现象,与经典物理原理推导出来的结论完全相反。这书名,对量子理论的研究和建立,目前只是处于起步状态。

高中物理告诉我们,组织的最小单元是质子、中子、电子,到这个层面已经见底了。实际上,自那时候甚至更早时期,研究结论已经证明最小单位并非如此了,夸克等的概念已经产生了。

量子世界是不确定的,想要准确测量是不可能的,只能用概率描述。

关于这一点,最经典的实例是薛定谔的猫,它形象的描述了量子世界的不确定性。然而薛定谔黑匣子里的猫,毕竟是宏观世界的一个动物,它还是一个尝试用经典物理原理来解释量子世界的案例。事实已经证明,这种解释是不通的。

目前的量子计算机、量子纠缠、量子加密通信,都仅仅是对量子已知规律的尝试应用,还远未达到解释其原理的地步。

利用量子可以处于0和1之间的任意状态来实现计算机的大容量计算,实现比现有超级计算机更大的运算能力,是量子计算机的尝试性运用,目前进展还不完备。利用处于纠缠态的量子实现远距离加密通信,也是一个十分热门的研究方向。

虽然,研究已经迈出了步伐,但量子纠缠态的原因是什么?实现巨大运算的底层逻辑是什么?是一个目前无法解释的问题。现在人类只是初步发现了这种现象,然后加以利用。在探寻量子世界的道路上,还有很长的路要走。

科学技术发展日行千里,新的知识与日俱增,如果固步自封,不注重更新自己的知识结构,则会被时代所抛弃。对于最先进最前沿的科技成果,我们绝大多数人不大可能搞的清楚原理,也做不到掌握科技成果的细节。但必须对这些成果进展保持敏感和关注,而不能因为不是自己的领域就不去关心。

这本书就起到了这样的作用,虽然里面也有很多不懂的地方,但大体上还是浅显易懂的,对于我们普通读者而言,是一本适合阅读的科普类书籍。

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