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钱旭红院士:奇点时代,量子思维有多重要?

2024-01-05   文汇报   阅读量:123

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    日前,2023年诺贝尔奖颁奖仪式在瑞典首都斯德哥尔摩举行。此次三大自然科学诺贝尔奖都来自量子世界:无论是摘得化学奖的量子点,还是受到物理学奖垂青的阿秒激光都直接与量子力学相关,斩获生理学或医学奖的m RNA疫苗的关键技术“核苷酸碱基修饰”也离不开生命分子化学氢键之间的量子隧穿效应。

    经过两次量子革命,人类的认知正从经典力学时代进入量子时代。以不确定、叠加、纠缠等为特征,量子理论所带来的全新思维方式也不断从对自然、生命的认知,拓展到对教育、经济、管理等人类社会各个方面的理解,而人工智能的突飞猛进更使这一进程极大加速。量子思维何以成为人类认识世界并与之互动的更高层级思维方式?中国工程院院士、华东师范大学校长钱旭红日前接受本报专访,对此作了详细阐述。

——编者

    获得2023年诺贝尔化学奖的量子点,向人们展现了古老彩色玻璃中微观量子世界的奥秘。

    一旦进入微观世界,物质的尺度以百万分之一毫米(即纳米尺度)为单位,量子效应就会出现。在纳米世界中,单一物质可因分子尺度的不同,从而在宏观世界中呈现出不同的色彩。2023年诺贝尔化学奖得主阿列克谢·I·叶基莫夫和路易斯·布鲁斯恰是因为熟悉量子理论,才在好奇心的驱使下,破解了量子点中所蕴藏的科学原理。

    这是一次非常经典的、以量子思维探寻自然规律的一次成功尝试。所谓量子思维,就是由量子理论衍生出来的、有别于传统经典思维的崭新思维方式,它揭示了人类思维中叠加、纠缠、不确定和跃变等特点。

    实际上,量子思维普遍而真实地长期存在。自量子力学诞生以来,它日益广泛为人们所认知。2015年,被誉为“欧洲第一科学人文杂志”的《新发现》就出版专辑介绍量子思维,但由于量子理论极为深奥,对不少普通人而言,量子思维听起来有如玄学。

    自2012年起,钱旭红院士开始在华东理工大学倡导并推介量子思维,并在华东师范大学率先开展量子思维的跨学科研究,旨在让更多人认识到量子思维的重要性,从而在人类社会发展的崭新时代拥有且运用多样性、多元化的思维工具。

    “量子点”背后

    新思维认知自然底层逻辑

    叶基莫夫和布鲁斯对量子理论的熟悉,源自他们的学术背景。

    叶基莫夫从小就对光学有着浓厚的兴趣,后来成为固体物理和光学领域专家,主要从事半导体纳米晶体研究。量子理论的基本概念和原理在这些领域十分重要,因此叶基莫夫对量子理论十分熟悉。他使用光照射材料并测量吸光度的方法检查有色玻璃,发现玻璃吸收光的情况受到晶体颗粒尺寸的影响,颗粒越小,所吸收的光越偏蓝——他由此发现了尺寸相关的量子效应。

    而布鲁斯是一位实验化学物理和纳米科学家,上世纪七八十年代在美国贝尔实验室研究如何用太阳能实现化学反应。在进行捕获光的实验中,他发现一些物质的颗粒变大后,其光学特性也会随之改变。通过制造一系列新颗粒进行实验,他与叶基莫夫“背靠背”地发现了尺寸相关的量子效应。

    时任美国莱斯大学校长的雷金纳德-德斯罗切斯认为,布鲁斯的科学生涯具有开创性且鼓舞人心,“他将化学和物理学融为一体,开辟了全新的研究探索领域”。在钱旭红看来,这份功劳其实应该归属于量子理论。

    “从量子论的视角来看,自然世界中,其实并无所谓的物理学、化学、生命科学的分割,人们只是为了研究的方便,从不同角度切入,才将自然科学进行了不同学科的划分。”钱旭红举了个例子,围绕氢原子的研究属于量子物理,而研究氢分子则属于量子化学范畴。

    事实上,身处微观世界,所有粒子的行为都会遵从量子力学的法则,量子理论以一种更为基础的逻辑,将微观世界和宏观世界纳入其中。自20世纪后半期至今,随着量子理论和实验研究的深入,人们发现了许多在宏观尺度上呈现出来的量子效应,如超导、超流等。此外,科学家还在生命活动中发现了许多量子现象,例如候鸟神经系统中的地磁导航系统、酶促反应中存在质子隧穿的量子效应、植物光合作用中的量子节拍等,这都反映出量子理论所具有的普适性。

    如果说第一次量子革命是量子理论概念的兴起,那么20世纪70年代兴起的第二次量子革命,则通过主动利用量子特性,开发出量子通信、量子计算、量子精密测量等创新应用,这预示着量子科技开始大规模向现实生产力转化。最近一年,人工智能(AI)大模型的横空出世,更显示了量子思维等认知模式的巨大魅力。钱旭红认为,这将为人类了解微观世界的深层次奥秘、揭示时空起源带来更多希望,也将对人文、社科领域产生重要影响,从而给人类社会的生产、生活带来翻天覆地的变化。

    经典与量子

    各具优势且可相互融合

    在钱旭红看来,量子现象遍布于日常生活中,只是需要一个具备量子思维的头脑去加以认识与发现

    现代科学兴起之前,人们主要依靠感官直观感知宏观世界,或者说是感受量子性质弱化、量子退相干的宏观现象与结果。所以,人类早期主要与宏观事物打交道,如土地、植物、矿产、钢铁、机械、采矿、运输等,无法了解微观世界的实际运作方式,觉察不到量子力学这个世界运行更基底的规律。

    “这并不是说经典力学不好,实际上,它对于千万年来主要与宏观物质世界打交道的人类意义非凡。”钱旭红说,经典力学认为事物都是由清晰的、非此即彼的经典粒子组成,其规律都是由点、线、面、角、弧等清晰确定、纯理性的单元所组成。但随着对自然认识的深入,人们也逐渐发现,生活中很多事物或现象并不严格遵守经典力学的规律,比如鸟类的迁徙、人的嗅觉。

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量子纠缠艺术示意图。

    量子力学的出现给人类的思维方式带来了颠覆式变革。“如今,离开量子几乎无法进行基础研究。”钱旭红说,量子力学令人领悟到,宇宙并不是一个由上帝操控的精密机械,世界的万事万物是相互联系和影响的,人类无法通过操控某个“部件”去单独实现某种“功能”。

    从计算机芯片、网络到绿色发展、AI时代,从DNA双螺旋结构到人类基因组计划,随着量子科技成为支撑社会发展的底层技术,量子思维的测不准、叠加、跳跃等属性越来越显著地呈现出来,也愈加深刻地影响着科学技术的发展。

    “过去人们认为,微观世界对应量子理论,宏观世界对应经典理论,但后来人们发现,两者之间的界限并非泾渭分明,而是可相互融合的。”钱旭红提到,上世纪70年代,在经典物理学框架内,计算机难以模拟复杂化学反应,而量子物理学可以模拟化学反应,但由于计算量大到无法实现,故只能应用于小分子。美国斯坦福大学终身教授迈克尔·莱维特等人开创性地将经典物理学与量子物理学相结合,解决了蛋白质和药物设计难题,由此获得2013年诺贝尔化学奖。

    “经典理论不限于宏观尺度,量子理论也不限于微观尺度。经典思维是量子思维的特例,不确定性、叠加、纠缠才是世界的主要通则。”钱旭红提醒说,两种思维方式并无优劣之分,现实中哪一种思维更适用,需视具体情况,运用前的判据可包括被观察研究对象的空间尺度大小、时间长短、复杂程度和经典方法是否失效等。

    把握引领未来

    量子思维重要且不可少

    基于牛顿经典力学的经典思维由于适应了肉眼观察、惯性思维的时代需求,在人类大脑中已延续数百年,因此要跳出这种经典的机械性思维模式来认识世界,并不容易。

    量子思维告诉我们,世界在底层基本结构上具有很强的关联性,我们应该以整体全面的眼光看待世界,即理解整体超越部分,整体大于部分之和,整体衍生出部分并决定了部分的性质。”钱旭红解释,人具有多种角色并存的特点,如同一个叠加态。如果把一个人比作一个量子,那么这个人在被观察、测量或做决策之前,具有无限的、变化着的选择可能性,可一旦人们最终选择完成,所有其他与之相悖的可能性,因人、事、物的波函数被微扰而崩塌,只剩下确定性。

    从这一认知出发,在量子世界,观察结果与观察者密切相关,即所谓“仁者见仁,智者见智”。钱旭红认为,量子思维方式与中华文明固有的思维和精神基因有相当程度的互通性。“老子的《道德经》对于‘道’本体的描述,关于多态叠加、纠缠关联、恍惚、测不准之类的就有十数章,这可能也是人们几千年来难以真正读懂《道德经》的原因之一。”

    事实上,欧洲量子力学先驱之一尼尔斯·玻尔在解释其量子物理理念时就曾欣喜于中国道家学说及其标识,认为它们表达出了他想表达的意思。2001年、2022年两度获得诺贝尔化学奖的卡尔·巴里·夏普利斯也十分爱读《道德经》,其中有关“有”与“无”的关系阐述,在某种程度上启发了他,并推动了“点击化学”的发展。

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量子隧道艺术示意图。

    基于量子科技或思维的人工智能与合成生物学的发展,向我们预示了一个物质更加丰富的时代即将来临。我们需要在精神层面抵达一个新境界,才能在发展科技的同时,为社会提供人文滋养和关怀,防止技术与精神异化所带来的种种风险。”钱旭红说,美国数学家弗诺·文奇将人工智能超过人类智力极限的时间点定义为“技术奇点”,奇点出现后的世界发展将会超出人类传统经典思维的理解范畴。

    近年,AI大模型运用量子思维模式的突破性进展,给人类未来带来挑战。“人们需要在思维上适应量子跃迁式的发展和跨界超限。”钱旭红认为,未来科技与人文必将走向交叉、融合、升维、超限,各种羁绊、界限、分科等人为设置会逐步消融。因此,想要预测、应对并引领未来的变化和趋势,了解并掌握量子思维非常重要,且必不可少。

    文:许琦敏

    图:均来自视觉中国

    编辑:许琦敏

    责任编辑:任荃

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