笔记

蒙多

01.光其实是一种以光速传播的波。什么是波呢?波是某种东西在传播过程中振动的现象。比如,水波是由水的振动而产生的。再比如,声波 是由空气的振动而产生的。波也有能量:其频率越高,或者说波长越短,波的能量越高。

02.雨后的天空经常会出现美丽的彩虹,它有赤橙黄绿蓝靛紫七种不同的颜色。可见光的频率范围,就介于红色光和紫色光之间。其中红色光 的频率最低,波长最长,能量也最低;紫色光频率最高,波长最短,能量也最高。比红色光能量更低的是红外线,利用红外线可以制成夜视 仪,遥控电视机、空调。比红外线能量更低的是微波,它可以用来加热物体。我们家里用的微波炉,就是利用了微波能加热物体的特性。还 有比微波能量更低的,那就是无线电。我们的电视、广播、手机和无线网络信号,都是用无线电来传输的。

03.刚才说的都是能量比较低的光,下面来说说能量高的。比紫色光能量更高的是紫外线。如果我们长时间在外边晒太阳的话,皮肤就会被晒 伤,而晒伤我们的就是紫外线。比紫外线能量更高的是X射线。X射线的穿透本领很强,我们到医院体检拍X光片时,用的就是X射线。比X射线 能量更高的是γ射线。γ射线的能量非常高,所以可以当是一种特殊的手术...

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01.光其实是一种以光速传播的波。什么是波呢?波是某种东西在传播过程中振动的现象。比如,水波是由水的振动而产生的。再比如,声波 是由空气的振动而产生的。波也有能量:其频率越高,或者说波长越短,波的能量越高。

02.雨后的天空经常会出现美丽的彩虹,它有赤橙黄绿蓝靛紫七种不同的颜色。可见光的频率范围,就介于红色光和紫色光之间。其中红色光 的频率最低,波长最长,能量也最低;紫色光频率最高,波长最短,能量也最高。比红色光能量更低的是红外线,利用红外线可以制成夜视 仪,遥控电视机、空调。比红外线能量更低的是微波,它可以用来加热物体。我们家里用的微波炉,就是利用了微波能加热物体的特性。还 有比微波能量更低的,那就是无线电。我们的电视、广播、手机和无线网络信号,都是用无线电来传输的。

03.刚才说的都是能量比较低的光,下面来说说能量高的。比紫色光能量更高的是紫外线。如果我们长时间在外边晒太阳的话,皮肤就会被晒 伤,而晒伤我们的就是紫外线。比紫外线能量更高的是X射线。X射线的穿透本领很强,我们到医院体检拍X光片时,用的就是X射线。比X射线 能量更高的是γ射线。γ射线的能量非常高,所以可以当是一种特殊的手术刀,来给病人做手术。

04.我们刚才说过,科学家早在19世纪就已经发现,光是一种以光速传播的波。但在1900年,我们前面提到的普朗克有了一个惊人的发现:物 体热辐射所发出的光,其能量并不连续,而是一份份的,大小等于光的频率乘以一个很小的常数,叫普朗克常数。我们所说的“量子化”, 其实就是指这种物理量本身不连续、总是一份份分布的特性。换言之,在量子世界里,物理量总是存在着一个最小值,无法像在经典世界中 那样,直接趋于零。这个伟大的发现开启了通往量子世界的大门,普朗克因此获得了1918年的诺贝尔物理学奖。

05.1905年,原本默默无闻的爱因斯坦突然进入人们的视野,他在一年之内做出了三项震惊世界的重大发现,分别是狭义相对论、布朗运动和 光电效应。由于爱因斯坦的神奇表现,后来人们把1905年称为“爱因斯坦奇迹年”。在爱因斯坦的三大发现中,光电效应是人类在理解量子 世界的道路上迈出的第二步,爱因斯坦也因此获得了1921年的诺贝尔物理学奖。

06.牛顿22岁从剑桥大学毕业,那年英国爆发了一场大瘟疫,牛顿就回到自己家的农庄避难。在避难的那两年,他做出了三项影响后世数百年 的伟大发现,分别是微积分、光谱学和万有引力。

07.现在大家已经知道,所有微观世界中的粒子,包括原子、原子核、电子及光子,全都是量子的,而且它们不满足牛顿力学的规律。那么问 题来了,它们到底满足什么规律呢?答案是不确定性原理。这是由德国物理学家海森堡在1927年发现的。他是1932年的诺贝尔物理学奖获得 者。

08.海森堡发现,在微观世界里,拉普拉斯的前提本身就是错的。你根本无法同时测出物体的位置和动量。换句话说,如果你的“石子”只有 原子那么小,你要想精确地测出它的位置,那它的动量就一定测不准;反过来,你要想精确地测出它的动量,那它的位置就一定测不准。总 之就是鱼和熊掌不可兼得。而这个鱼和熊掌不可兼得的结果,就是量子力学中最重要的海森堡不确定性原理。

09.可能有的小朋友会继续追问,为什么在微观世界里,物体的位置和动量没办法同时测准呢?这其实不难回答。想想,我们一般要怎样测量 一个物体的位置?我们首先得看见它,对不对?所谓的“看见”,就是让光打到物体上面,然后再反射到人眼或显微镜里。我们前面讲过, 每种光都有自己的波长。万一光的波长比物体的尺寸还长,那它就反射不回来了;换句话说,我们无法看见尺寸小于光的波长的物体。所以 ,要想精确地测出物体的位置,就要尽可能用波长比较短的光。但我们也讲过,光的波长越短,光子的能量就越大;而能量大的光子打到特 别小的物体上,就会干扰到它原来的运动。打个比方,有一个皮球在地上滚,一只苍蝇撞上去,皮球还是照滚不误;但一只小狗扑上去,皮 球的运动轨迹立刻就变了。同样的道理,能量越大的光子,也越容易干扰微观粒子的运动状态。这意味着,用波长短的光,就没办法测准物 体的动量了。所以你看,用波长比较长的光,能测准微观粒子的动量,却测不准它的位置;而用波长比较短的光,能测准微观粒子的位置, 却测不准它的动量。鱼和熊掌不可兼得,说的就是这个道理。

10.事实上,微观粒子根本没有确定的运动轨道,而是像云雾似的弥散在很多地方。可能有的小朋友会问,宏观世界的物体是否遵从不确定性 原理呢?答案是遵从。但是宏观物体的不确定度特别小。举个例子,一个正常人,他位置的不确定度只有1米的一亿亿亿亿亿分之一。在这个 世界上,没有任何一台科学仪器能测量这么短的距离。换句话说,宏观世界的物体全都可以测得非常准。所以牛顿力学在宏观世界是完全成 立的。

11.粒子是波这个说法是不完全对的,应该说粒子还是粒子,只是在我们看它之前,我们不确定它在哪里。而这个不确定性是由波动的性质得 出的,就是说不确定性有高有低,就像波谷和波峰,所以这个不确定性的性质是波,而不是说粒子本身就是波。

12.在我们测量光子之前,它是不确定的,它的不确定性按照波的方式呈现。当大量的光子聚在一起形成一个经典的对象时,它的不确定性就 变成确定性了,这个确定性由波来组成,这个波就是经典的波,像水面的波动那样。我们通常说电磁波,原因就在于此,科学家是先发现电 磁波,后发现光子的。当然,科学家同样也先发现了光是波的,尽管很早之前,牛顿说过光是由粒子组成的,不过牛顿眼中组成光的粒子和 爱因斯坦眼中的光子是不一样的。牛顿所说的组成光的粒子和很小的石块没有区别,而爱因斯坦眼中的光子除了携带能量和动量,与石头没 有任何相同之处。

13.量子这个概念是普朗克引进的,按照他的理解,量子就是光里面的那些能量,一份一份的能量。后来,爱因斯坦发现,这一份一份的量子 其实就是光子。现在量子的含义则更加复杂,不再是一份一份的能量,所有跟量子力学有关的东西都可能被叫作量子。

14.原子核里面发生物理变化的时候,产生的能量比原子发生变化时产生的能量要大很多,这也和不确定性原理有关,原子核越小,能量就越 大。因为原子核比原子小十万倍,所以能量就会大十万倍。也就是说,核能比化学能大十万倍。原子弹就是利用核能制造的,跟原子核有关 ,跟原子本身没有关系。

15.根据相对论,质量和能量是一回事。

16.在原子里面,所谓电子的跳跃,是从能量高的地方向能量低的地方跳跃。根据能量守恒定律,电子在跳跃的过程中得辐射光子。如果从能 量低的地方向能量高的地方跳,同样,根据能量守恒定律,它必须吸收光子。

17.整个宇宙充满了能量,除了能量没有别的东西,只不过能量的形式不一样,有的呈现为电子,有的呈现为原子,有的呈现为光子,有的甚 至呈现为暗物质或暗能量。

18.在相对论里我们会有不同的质量定义,有时把一个物体静止时的能量叫作质量,有时我们把物体运动的整个能量叫作质量,这两个质量的 概念是不一样的。

19.任何一个有质量的粒子,它的速度原则上都不能达到光速,因为达到光速时它的能量会无限大。有质量的粒子,它的速度只能慢慢地靠近 光速,比如,要把一个质子加速到光速的99%,那么我需要的能量是这个质子质量的6倍以上。

20.粒子是不是无限可分的?其实,根据现代粒子物理概念,粒子不是无限可分的,它分到一定程度就只剩下一些所谓的基本粒子,这些基本 粒子是不可再分的,它们都是最基本的。

21.让我们把一个原子核放大一千万亿倍。一千万亿是什么概念呢?我们地球上目前有70亿人。有人估算过,如果把所有曾在地球上生活的人 都加起来,大概会有一千亿人。用这一千亿再乘以一万,就是一千万亿。这么大的数字,一般只有在天文学中才会用到,所以人们就把这类 数字叫作天文数字。把一个原子核放大一千万亿倍,这个原子核的直径就会达到1米,和一个士兵的身高差不多。

22.我们前面已经提到了原子的结构,就是电子在绕着原子核转,有点像地球在绕着太阳转。我们把电子所在轨道的大小看作是一个原子的大 小。类似的,我们把原子也放大一千万亿倍。你猜现在的原子会变成多大?有100公里,大致相当于从北京到天津的距离。换句话说,如果把 原子核放大到一个人的大小,那么原子核之间的距离最少也会有从北京到天津那么远。让我们回到士兵的比喻。有两排士兵,每排相邻的两 个士兵之间都隔了100公里。现在让这两排士兵互相朝对方士兵走去。那他们会彼此相撞吗?肯定不会!

23.电子,其实并不在一个个独立的轨道上运动,而是像我们上节课讲的,像鬼影一样到处移动。换句话说,电子的位置是不确定的,任何时 刻都会同时出现在很多地方。只有当我们去看的时候,才能知道电子具体出现在哪里;如果不去看,电子就会同时待在很多地方。听起来很 奇妙,对吧?这就是量子力学的神奇之处。

24.原子中的电子是一个基本粒子,它是点状的,没有大小,所以不会爆炸;所有基本粒子在物理学中都是数学上纯粹的点,没有大小也没有 长宽,因此不会爆炸。

25.火是一个概念,当我们看到火的时候,其实是一团物质在发光。加热物质之后,它里面原子中的电子会被激发出来,电子从原子中掉出来 就会辐射光。所以火本身不是物质,火只是物质发光的一种现象。

26.我们通常把火向上烧的那个发光的部分看成火,其实它大部分是气体。铁也发光,我们会说铁烧红了而不说那是火,这是习惯说法。铁发 光的时候跟空气发光是一模一样的。

27.每个质子和电子都有确定的重量。如果能称重量,每两个电子的重量是完全相同的,这就是费米发现的事实:所有电子都长得一模一样, 没有办法区分。每两个质子的重量也是完全相同的。

28.电子永远不会碰到原子核,因为电子就是围绕着原子核的一团雾。当两个原子靠近的时候,它们的电子会互相干扰对方,但不会碰到原子 核。

29.电子是基本粒子。原子核不是基本的,原子核里面有质子和中子。质子和中子也不是基本的,质子和中子是由夸克组成的。

30.现在可以确定中微子不是暗物质,暗物质一定是我们不知道的一种粒子,或者某几种粒子。

31.中微子之间几乎没有吸引力,因此不可以用中微子组成任何物质,原子之间是有吸引力的,所以原子可以用来组成物质。

32.粒子,当我们说大小的时候,指的是它们的质量,而不是尺寸,因为基本粒子都没有尺寸。

33.夸克是基本粒子,电子也是基本粒子,中微子和光子也都是基本粒子。

34.目前在加速器上可以通过碰撞的办法制造出反物质,但不能大批地生产。

35.如果不经过剧烈的过程,通常自然界中只有比太阳大很多的物质才会塌缩成黑洞。

36.基本粒子没有大小,这一点是很难理解的,因为它有质量,所以也就是说,它的密度是无限大的。的确,物理学家用量子力学和相对论来 解释基本粒子,就得假设它没有大小,在逻辑上是这样的。

37.普通电流,比如电线里面的电流,由运动的电子构成。这些运动的电子是怎么来的?当电子变成自由状态时,在电压的作用下,会从一个 原子核跳到另外一个原子核,它们就成为运动的电子了。但半导体里面也可以由其他方式产生电流,就是少了一个电子的原子运动起来产生 了电流。

38.每种激光的光子又都有一个特定的能量。当激光打到气球上时,如果气球里电子的能量与激光光子的能量不匹配,那它就不会吸收这种激 光。反之,它就会吸收这种激光。

39.现在让我们看看原子的雪崩是怎么回事。我们已经讲过,你背着书包爬上5楼消耗的能量少,背着书包爬上10楼消耗的能量多。类似的, 把电子送到低轨道消耗的能量少,把电子送到高轨道消耗的能量多。换句话说,高轨道上的电子比低轨道上的电子拥有更大的能量。很明显 ,当电子从高轨道跑到低轨道的时候,能量会变少。那变少的能量跑哪儿去了呢?会变成一个个光子跑出来。在物理学上,我们把这种发出 光子的过程称为辐射。

40.1917年,爱因斯坦发现,这个辐射过程其实是可以诱导的。把一个光子打入原子,它可以诱导原子中的电子从高轨道跑到低轨道,同时发 出一个跟第一个光子能量完全相同的新光子。这个过程叫受激辐射。有受激辐射就厉害了。一个光子打入原子,就跑出两个一模一样的光子 ;这两个光子再打入两个新原子,就跑出四个完全一样的光子。这样不断进行下去,就会形成一种原子的雪崩效应,从而产生大量的光子。 而且所有光子都携带着相同的能量,就像我们前面看到的芭蕾舞女演员都在做相同的动作一样。这样产生出来的就是激光。

41.大家都用过普通的复印机。小朋友们应该都知道,如果有一张照片,或者一张写满字的纸,用复印机都可以复制出一模一样的东西。事实 上,在宏观世界,或者说在经典世界中,不管什么东西都可以拷贝。无论是房子、汽车、飞机还是人体器官,利用3D打印技术都可以分毫不 差地把它们复制出来。换句话说,在经典世界中,我们只需事先准备一堆原材料,然后把一个物体的信息全部复制到这堆原材料里,就可以 造出一模一样的东西。

42.但在微观世界,或者说量子世界中,一切都不一样了。1982年,三位物理学家发现了一个重要的定理,叫作量子不可克隆定理。它说的是 ,在量子世界里,没有一个东西可以被完全地复制。换句话说,你没办法拷贝像一个电子、一个原子或一个分子那么小的东西。

43.虽然量子不可克隆定理禁止了微观世界中的拷贝,但它却没有禁止微观世界中的传输。也就是说,在量子世界中,你还是可以把一个微小 物体的信息全部复制到一堆原材料里,从而造出一个一模一样的东西。但与经典世界不同的是,原来的物体一定会被破坏掉。最终的效果是 ,一个物体会突然从自己原来的位置消失;与此同时,另一个地方会突然出现一个一模一样的东西。

44.为什么会有光子和原子?这个问题物理学家并没给出答案,我们只知道,在我们这个世界里,有光子,也有原子。有了光子,这个世界就 有了颜色。光子是电磁波的最小组成部分,我们已经将电磁波应用于很多方面。有了原子,才有了地球、行星、太阳和其他很多物质,以及 人类。也许在另外一个世界里没有光子和原子,只是在我们的世界里有。

45.通常,比太阳大十倍以上的恒星,燃烧到最后的时刻,热核聚变停止了,或者热核聚变支撑不了恒星巨大的万有引力,它就会不断地缩小 ,最后变成黑洞。

46.英特尔公司的芯片制造,只是在比分子层次更高的结构上面来制造,用激光来做光刻。现在还不存在用到原子核的芯片,也许有一天我们 会利用原子核来做芯片。那个时候的芯片已经不是现在的芯片,应该可以叫作量子芯片了。

47.有人说加速器会产生微小黑洞,这有可能,只是现在还不可能。物理学家发现,如果存在高维空间,那么就有可能产生小黑洞。如果没有 高维空间,就产生不了小黑洞。

48.星系是恒星的集合,因此,我们会说一个星系里面有多少恒星。我们的银河系里至少有2千亿颗恒星,其中有一多半都在发光。这些发光 的恒星和我们的太阳很像。

49.量子传输应当是忠实的传输——把一个物体传到另一处,得到的新物体和原来的一模一样。能不能改变被传输的人?应该可以,这是实现 忠实传输之后下一步的事情。

50.黑洞是没有特殊外形的,所有黑洞的外形都是由它的质量和旋转所决定的。在质量和旋转决定了以后,所有的黑洞长得都是一样的。

51.如果把我们人压缩到比原子核还小一万亿倍,就会形成一个黑洞,当然此时人已经不是什么生物了。

52.我觉得未来是一个我们无法想象的世界:第一,在200年之后,我们很可能制造出反物质飞船。第二,也许大约100年之后,我们将制造出 量子计算机,也许在那之后50年左右,我们就能制造出一个指甲盖大小的量子计算机,它的运算能力是现在世界上所有的计算机加起来都达 不到的。

53.无论是存储器还是处理器,都只是计算机的硬件。要想让计算机真正派上用场,还需要软件,也就是对计算机下命令的指令集。像剁馅、 和面、擀饺子皮和包饺子,就是饺子机的指令集。计算机里也有很多指令集,其中最简单的指令是加法,也就是把两个数加在一起。至于减 法、乘法和除法,都可以通过加法来实现。举个例子,乘法其实是加法的累积。比如说1乘2,就相当于1加1;1乘3,就相当于1加1再加1。至 于减法和除法,其实是把加法和乘法颠倒过来。有了加减乘除,就可以让计算机做更复杂的事,比如解方程、算微积分、画图、播放视频等 。总之,计算机最核心的工作原理就是最简单的加法运算。不管多复杂的计算机指令集,归根结底都是在做加法。

54.图灵在剑桥大学读书的时候,有花粉过敏的毛病。但他却不愿意吃药,因为他觉得那些药让他昏昏欲睡,会影响到工作。所以每到春暖花 开的时候,他便会戴上一个防毒面具,以防止吸入花粉。此外,他总是骑一辆旧自行车上课。那辆车经常掉链子,而图灵又懒得修理。他发 现只要骑到一定的圈数,链子就会掉下来,所以每次骑车时他都计算着圈数,在链子将要掉下的瞬间刹车,倒一下脚蹬,然后上车再骑。因 此,每年春天,剑桥大学的师生都会看到一个戴防毒面具的怪人,骑着一辆破自行车在校园里走走停停。

55.我们刚才已经讲过,薛定谔是量子力学的奠基人之一。他发现了量子力学中最核心的方程,也就是所谓的薛定谔方程,从而获得了1933年 的诺贝尔物理学奖。也正是通过薛定谔方程,物理学家们发现,在量子世界中,粒子可以同时存在于很多地方。我们说“薛定谔的猫”处于 50%活着和50%死掉叠加的状态,其根源就在这里。这被称为量子力学的哥本哈根解释。

56.为什么叫哥本哈根解释呢?因为持这种观点的科学家的领袖就是哥本哈根大学的著名物理学家玻尔。但有意思的是,由于这个物理观点实 在太过离奇,薛定谔后来居然加入了反对它的阵营。这一点很像爱因斯坦。爱因斯坦由于发现光电效应而获得了1921年诺贝尔物理学奖,并 被誉为量子论的先驱之一。但爱因斯坦非常讨厌哥本哈根解释,为此还留下了一句名言——“上帝不会掷骰子”。薛定谔也是如此。为了反 对哥本哈根解释,他提出了著名的思想实验“薛定谔的猫”。薛定谔的本意是用它来揭示量子力学的荒谬之处。没想到的是,后来“薛定谔 的猫”不但没有驳倒哥本哈根解释,反而还为它的传播做了最好的宣传。

57.如果这个迷宫是量子的,那情况就大不相同了。走到一个岔路口的时候,我们有50%的机会选到那条通的路;而走到下一个岔路口的时候 ,我们又有50%的机会选到那条通的路。这样我们就可以直接找到那条通的路。换句话说,我们可以在一定的时间里,同时走完这个迷宫中所 有的路,其中肯定有一条路是通的。所以走量子迷宫比走经典迷宫要快得多,因为你可以一次走完所有的路。这就是为什么量子计算机比经 典计算机要快得多。

58.我们来看看普通计算机和量子计算机的计算能力有多大的差别。一个经典开关,它能存储的数字只有0或1,存了一个就不能再存另一个; 也就是说,一个经典开关一次只能表示一个数字。而一个量子开关,它有50%的几率存储0,还有50%的几率存储1,存了一个后还能再存另一 个;换言之,一个量子开关一次就可以表示0和1这两个数字。如果是两个经典开关,一次还是只能表示一个数字;但如果是两个量子开关, 一次就能表示00、01、10、11这4个数字。依此类推,随着开关数的增加,经典系统一次表示的数字依然是一个,但量子系统一次表示的数字 将会以指数的方式快速增加。这个增加的速度有多快呢?举个例子,当量子开关数达到20的时候,它一次能表示的数字就会超过100万。这就 是为什么量子计算机的计算能力会如此强大。

59.神经元是可以放电的。而大量神经元一起放电时就会向外辐射脑电波。

60.最近我碰到一位叫瑟夫的认知科学家,他获得了第五届“菠萝科学奖”,然后就来到杭州演讲。在他演讲之后,主办方安排了一个我和他 的对谈。我就问他:“你认为人类大脑到底是不是一台量子计算机?”他回答说:“每当一种复杂事物出现的时候,我们总是觉得人脑像它 。比如,当互联网出现的时候,我们就觉得人脑像互联网;当量子计算机出现的时候,我们就觉得人脑像量子计算机。如果将来出现了某种 更复杂的事物,我们也会觉得人脑像这种更复杂的东西。”所以说,人类大脑才是这个世界上最大的奥秘。

61.我们经常觉得我们的决定出自自己的意志,可是有人觉得我们的决定其实是我们受环境影响做出的,这就是著名的自由意志难题。我相信 我们有自由意志,因为量子力学是不确定的,也就是说我们做出的决定不一定是确定的。这非常好,这样就给我们未来的可能性提供了很多 种选择。

62.我觉得人类的大脑就是一个小宇宙,甚至某种意义上比宇宙还复杂,因为它会联成一个网络,而宇宙的星系和星系之间,未必能连成一个 网络。

63.人类大脑中有个丘脑。丘脑是更加原始的脑,也就是原始动物的那种脑,它能记得更加原始的情绪,如恐惧、高兴。尽管丘脑不高级,但 它很重要。如果一个人走在大街上,一副天不怕地不怕的样子,我猜他十有八九是没有丘脑(开玩笑)。

64.郭光灿预言40年以后就会有通用量子计算机,那个时候,量子计算机会像现在的智能手机一样,风靡全世界。我个人的观点认为,没有量 子计算机,就没有真正的人工智能。真正的人工智能像人一样,具有情感,能够做出模糊的判断。很多事情是必须要用到量子计算机的。

65.量子计算机要想变得和人类大脑一样,可能要复杂到一定程度才行。人类大脑有860亿个神经元,所以你可以想象,需要多少量子比特才 能成为一台有意识的机器。

66.通用量子计算机其实不用很大,只要150个量子比特,我觉得就已经很厉害了。它的特点是什么事情都可以做,不仅仅是加法或者减法。 可能几十个量子比特就可以了。

67.一旦有了量子计算机,将人的意识上传就可能会实现,那时人类会不会实现永生?这是一个比改变人类基因更大的问题,它涉及伦理、道 德等人类社会的各个方面。

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