人類生活在一個怎樣的世界？

　　凝聚態(tài)理論物理學(xué)家、美國科學(xué)院院士、麻省理工學(xué)院終身教授文小剛的答案是，“我們生活在量子計算機里面。量子信息是真實的，而所看到的各種物質(zhì)、人，都是量子信息的虛擬反映”。

　　7月23日，文小剛做客中國科學(xué)院物理研究所，帶來了一場題為《物理的新革命——量子信息：物質(zhì)和相互作用的起源》的科普報告。

　　世界絢麗多彩，物質(zhì)性質(zhì)各有不同，它們從何而來？我們?nèi)绾握J(rèn)識它們？

　　在文小剛看來，我們對世界的認(rèn)識是通過發(fā)現(xiàn)、統(tǒng)一，更多發(fā)現(xiàn)、更多統(tǒng)一的循環(huán)，一步步地深化。“每一次大統(tǒng)一，都可認(rèn)為是物理學(xué)的新革命。而每一次新革命都為我們打開了新世界，許多基本概念和看問題的方式會發(fā)生變化，隨之描寫世界的語言、數(shù)學(xué)工具也會發(fā)生改變。”

　　歷史上的四次物理學(xué)革命，充分說明了這一觀點。

　　第一次是力學(xué)革命，英國物理學(xué)家牛頓統(tǒng)一天體運動和地面物體運動的規(guī)律，與此同時，他發(fā)展了微積分，以此作為數(shù)學(xué)工具描述牛頓方程；第二次是電磁學(xué)革命，英國物理學(xué)家麥克斯韋統(tǒng)一了電、磁、光3種貌似不相關(guān)的自然現(xiàn)象，還發(fā)現(xiàn)了新的物質(zhì)形態(tài)——波形態(tài)，他使用的數(shù)學(xué)工具是纖維叢；第三次是相對論革命，愛因斯坦將時間、空間的彎曲和引力作用統(tǒng)一，在廣義相對論中預(yù)言了新型物質(zhì)形態(tài)引力波的存在，其數(shù)學(xué)理論基礎(chǔ)是黎曼幾何。

　　通常而言，一個物理理論需要數(shù)學(xué)語言來描寫。

　　文小剛表示，牛頓非常了不起，不僅發(fā)現(xiàn)了物理定律，還發(fā)展了新的數(shù)學(xué)語言，使得物理理論能夠被寫出來。

　　而在第二、第三次物理革命中，數(shù)學(xué)家則走在了物理學(xué)家前面，新的數(shù)學(xué)工具先被發(fā)明，物理學(xué)家直接拿來使用。

　　第四次物理革命是量子力學(xué)革命。文小剛表示，當(dāng)下，我們正處于第二次量子革命，“量子革命是最神秘、最不可思議的物理革命”。

　　他笑稱，這次革命的發(fā)生，是物理學(xué)家們“非常不情愿的”，是由于發(fā)現(xiàn)了很多奇特的自然現(xiàn)象而發(fā)展起來的。

　　他認(rèn)為，量子革命最本質(zhì)的特征是對“存在”的認(rèn)識發(fā)生了根本性的改變。

　　這一“存在”的方式比我們想象的要多，就像“薛定諤的貓”，活是存在，死是存在，既死又活也是真實的存在。“這種認(rèn)識是被逼出來的，沒有一個理論物理學(xué)家喜歡。”

　　這種認(rèn)識顛覆了傳統(tǒng)的世界觀，即在量子世界，物質(zhì)的存在既不是粒子也不是波，既是粒子也是波，即被稱為波粒二象性。

　　過去，牛頓認(rèn)為物質(zhì)有粒子形態(tài)，麥克斯韋、愛因斯坦又發(fā)現(xiàn)了波的形態(tài)。文小剛說：“量子革命，把物質(zhì)的波形態(tài)和粒子形態(tài)統(tǒng)一起來了。”

　　文小剛表示，量子革命之所以意義重大，還在于數(shù)學(xué)工具也發(fā)生了“革命性”改變，即從前三次物理革命中運用的分析幾何語言發(fā)展為線性代數(shù)語言。“量子和代數(shù)的眼光，是非常獨特的看世界的眼光。”

　　關(guān)于量子力學(xué)的應(yīng)用，文小剛認(rèn)為，信息和物質(zhì)是統(tǒng)一的，這也是第二次量子革命的本質(zhì)。“能量是物質(zhì)的性質(zhì)，頻率是信息的性質(zhì)，量子物理認(rèn)為能量就是頻率，也就是說信息與物質(zhì)是刻畫同一對象的不同表述，而能量和頻率是刻畫同一物理量的不同表述。由于歷史認(rèn)識偏差，它們之間存在一個轉(zhuǎn)換系數(shù)：普朗克常數(shù)，就像斤與公斤一樣。”

　　“空間、物質(zhì)起源于量子信息。”文小剛總結(jié)道，世界上所存在的物質(zhì)，其所具備的奇妙性質(zhì)都是由量子比特和量子糾纏產(chǎn)生的，而量子信息和量子糾纏處在第二次量子革命中心的地位。“描繪量子糾纏需要新數(shù)學(xué)，未來，除了融合范疇學(xué)，還需要高級范疇學(xué)、代數(shù)拓?fù)涞雀鞣N現(xiàn)代數(shù)學(xué)的參與，它們將發(fā)揮重要的作用。”