人类生活在一个什么样的世界? 凝聚态理论物理学家、麻省理工学院终身教授、美国国家科学院院士温晓刚的回答是:“我们生活在量子计算机中。量子信息是真实的,我们看到的各种物质和人,它们都是量子信息的虚拟反映。”
7月23日,温小刚(文小刚科学网博客地址:/u/xgwen)访问中国科学院物理研究所,作题为《物理学新革命——量子信息:物质与相互作用》的学术报告。 》科普报道。
世界是丰富多彩的英国 物理学家,物质属性也各不相同。 他们来自哪里? 我们如何识别他们?
在文小刚看来,我们对世界的认识是通过发现、统一、更多发现、更多统一的循环逐步加深的。 “每一次大统一都可以被认为是物理学的一次新革命。而每一次新革命都为我们开辟了一个新世界。许多基本概念和看待问题的方式都会发生变化,随之而来的是,描述世界的语言和数学也会发生变化。”工具也会改变。”
历史上物理学的革命充分说明了这一观点。 第一次是力学革命,英国物理学家牛顿统一了天体运动定律和地面物体运动定律。 与此同时英国 物理学家,他发展了微积分作为描述牛顿方程的数学工具; 第二次是电磁学革命,英国物理学家麦克斯韦统一了电、磁、光三种看似无关的自然现象,同时还发现了一种新的物质形式——波形式。 他使用的数学工具是纤维束; 第三次是相对论的革命,爱因斯坦斯坦因将时空曲率与引力效应统一起来,并在广义相对论中预言了新物质形态中引力波的存在,其数学理论基础是黎曼几何。
一般来说,物理理论需要数学语言来描述它。 温小刚说牛顿很了不起。 他不仅发现了物理定律,还开发了一种新的数学语言,使物理理论得以书写。 在第二次和第三次物理革命中,数学家领先于物理学家。 新的数学工具首先被发明出来,物理学家直接借用了它们。
第四次物理革命是量子力学革命。 温晓刚表示,当前,我们正处于第二次量子革命。 “量子革命是最神秘、最不可思议的物理革命。”
他笑称,这场革命是物理学家“非常不情愿”发生的,是由于发现了许多奇怪的自然现象而发展起来的。 他认为,量子革命最本质的特征是对“存在”认识的根本改变。 这个“存在”的方式比我们想象的要多,就像“薛定谔的猫”一样,生就是存在,死就是存在,死和生也是真实的存在。 “这种认识是被迫的,没有理论物理学家喜欢它。”
这种认识颠覆了传统的世界观,即在量子世界中,物质的存在既不是粒子也不是波,而是既是粒子又是波,这就是波粒二象性。
过去,牛顿认为物质具有粒子的形式,麦克斯韦和爱因斯坦发现了波的形式。 温小刚说:“量子革命统一了物质的波动形态和粒子形态。”
温小刚表示,量子革命之所以具有重大意义,是因为数学工具也发生了“革命性”变化,即前三次物理革命所使用的解析几何语言发展成了线性代数语言。 “量子和代数的视角是一种非常独特的看待世界的方式。”
对于量子力学的应用,文晓刚认为信息与物质是统一的,这也是第二次量子革命的本质。 “能量是物质的属性,频率是信息的属性。量子物理学认为,能量就是频率,也就是说信息和物质是描述同一个物体的不同表达方式,而能量和频率是描述同一个物理量的不同表达方式。由于历史认识上的偏差,它们之间存在一个换算系数:普朗克常数。”
“空间和物质源于量子信息。” 温小刚总结说,世界上存在的各种物质的奇妙性质都是由量子比特和量子纠缠产生的,而量子信息和量子纠缠是第二次量子革命的中心。 “描述量子纠缠需要新的数学,未来除了整合范畴论之外,还需要高级范畴论、代数拓扑等各种现代数学的参与,这将发挥重要作用。”