——关于科学思维和量子理论的几本推荐读物
量子科技的热潮
量子技术似乎正在走近人们的生活。2017年刚刚开始，IBM就宣布正式商业化量子计算平台。这家世界领先的商业机器公司经过35年的研发，推出了计算机领域的概念级科技产品，虽然目前的处理器仍只有5昆比特位，但从理论和发展前景上看，量子计算机的运算速度会比传统电子计算机快得多，因为电子晶体管处理数据非0即1，而量子比特自带“叠加态”属性，可以同时是0也是1，这无疑是硬件材质上的一大跃迁。
然而，IBM并非首先推出量子计算机的公司。早在2013年，谷歌便已宣布和NASA联合投资了由D-Wave公司制造的超级计算机。据说，这是最早以量子比特为理念设计制造的运算设备，采用的是超导电路方案，而IBM此次推出的量子运算平台，使用的则是离子阱方案。两家公司的竞争也许才刚刚拉开序幕，但量子技术的前景似乎在此番竞争中越来越明朗了。
那么量子计算机是什么样子的？体积会比传统计算机更小吗？目前来看，虽然量子比特是由一些亚原子构成的，但只局限于处理器，而周边的输入与读取设备、以及维持处理器运转的低温恒温设备则庞大得多，正如电子计算机刚造出来时一样。
为运行其量子处理器，Google使用低温恒温器，使温度达到10毫开氏温度
也许随着时间的推移，未来的计算机和软件支持都会朝着量子技术的方向发展，以IBM的运算平台来看，目前已经有一些软件公司开始学习如何为量子算法设计程序了。所以，在不远的将来，量子理论或许不再是象牙塔里的猜想了，而是与生活息息相关的基础知识，那就看看目前从科普领域可以了解哪些内容吧。
量子理论的历程
20世纪初，物理学发展到量子理论之后，人们就逐渐发现，这个世界变得越来越陌生了。量子理论的创始人之一，哥本哈根学派的玻尔说，“那些在接触到量子理论之后，没有在第一时间震惊的人，肯定是还没有理解它”。量子理论的提出源于德国物理学家普朗克(Max Planck)的一个实验。
马兆远 著
“19世纪后期由于照明设备和冶金铸造的需要，人们希望找到发光体的温度和它发出的光的颜色的关系，这样就可以通过发热物体的颜色来判断它的温度。比如在制造电灯的过程中，人们注意到灯丝的温度可以改变发光的颜色，红色灯丝温度低，而黄色灯丝温度高。”
1900年，普朗克在实验中把电磁场中的能量分成一粒一粒的能量包，得到的计算结果与测试数据完全吻合，于是，他提出了能量量子化假说。五年后，爱因斯坦为解释光电效应而提出了光子的概念。但早在1801年，人们已经通过杨氏双缝实验认识了光线是一种波。那么光到底是粒子还是波呢？
于是，物理学家们重复了杨氏实验，但做了些调整，结果发现，光具有波粒二象性，当光粒子通过缝隙投射到屏幕上时，会发生自身干涉，也就是说，一颗粒子同时通过了两条狭缝，同一时间出现在两处。
20世纪20年代，丹麦物理学家玻尔(Dane Niels Bohr)提出了“量子跃迁”的概念，解释了光子现象。1925年，德国物理学家海森堡(Werner Heisenberg)提出了量子力学的第一种形式，矩阵力学。
[意]卡洛·罗韦利
“海森堡想象电子并非一直存在，只在有人看到它们时，或者更确切地说，只有和其他东西相互作用时，它们才会存在。当它们与其他东西相撞时，就会以一个可计算的概率在某个地方出现。从一个轨道到另一个轨道的‘量子跃迁’是它们现身的唯一方式：一个电子就是相互作用下的一连串跳跃。如果没有受到打扰，电子就没有固定的栖身之所，它甚至不会存在于一个所谓的‘地方’。”
简言之，电子是一种“不存在”的存在。没有相互作用的时候，相当于不可见，然而受到激发之后，便呈现出一次或一连串的跳跃，并在过程中实现能量的转移或转化。更重要的是，这些飞跃是随机的，不可预测，由此产生了量子力学中的另一个重要概念“随机性和不确定性”。但这个想法始终得不到爱因斯坦的认可。为此，玻尔和爱因斯坦辩论了许多年。
“最后，爱因斯坦承认，量子理论是人类认识世界进程中的一个巨大进步，但他还是坚信，事情不可能如此荒诞离奇，在这一切‘背后’一定存在着一个更为合理的解释。”
“上帝是不会掷骰子的，”爱因斯坦说。
在海森堡创立矩阵力学的同时，奥地利物理学家薛定谔从另一条途径创立了波动力学，也即量子力学的第二种形式。他在著名的猫实验基础上思考了芝诺效应，提出“粒子的存在状态是一切可能状态的统计分布。在测量前，人们不能确定它处在哪个状态，但是一旦测量，系统就坍缩到某个状态。而如果一直保持在测量状态，就是说一直观察系统，系统就不会改变，不会从一个状态演化到另一个状态，而实验也证明了这是正确的。”
在量子力学中，另一个能让人畅想未来的概念是“量子纠缠”。量子学认为，粒子处于一种自旋的状态，也即向上与向下的自旋叠加态，然而，一旦与另一个粒子相互作用之后，两个粒子便会发生关联。如果观测到其中一个粒子向下自旋，那么另一个粒子必定会向上自旋，而且无论相隔多远，两个粒子之间的这种相互感应都是瞬时的。因此，这种关系被爱因斯坦称为“鬼魅的超距作用”。
最有趣的地方是，只要找到正确的方式，利用量子纠缠现象，人们可以实现“瞬间传输”。
[英] Paul Parsons
“现在来介绍一下工作原理。比如说，你想要瞬间传送一枚例子A，从火星表面向上发送到‘企业号’星际飞船里。你首先需要另外两枚粒子，不妨称它们为B和C，早些时候这两个粒子已经相互纠缠了。B和你一起来到火星表面，而C早就待在企业号里了。下一步，你把A和B放在一块儿，做一个普通的测量，查看A和B之间的关系。尽管不确定原理阻止我们知道粒子A和B的确切状态，但知道它们之间的关系是容许的，并且这就是传送A的状态时你所需要知道的全部。测量的结果随后会被发送到企业号上，在那儿就可以从粒子C中提取出一份粒子A的准确副本……并且，原始粒子A在这个过程中会被毁灭。也就是说A已经被有效地瞬间传送了。”
猫隐配图
目前，粒子的瞬间传输已经在实验室中取得了进展。其中成功完成传输的最大粒子是2004年由美国人和奥地利人一起用于实验的原子。更大物质的传输由于负载信息量大，以目前的信息技术，在读取、传送与接收的时间上受到了局限。而另一个问题在于，传输的两端都需要瞬移机器，也就限制了传输的范围。更重要的是，瞬移所得到的并不是原对象，而是一个复制品，因此，瞬移机器其实类似于复印机，只不过原件被销毁了，最后只得到复印件，如果传输对象是人的话，这将面临一个多么难解的伦理问题啊？
量子理论从20世纪初诞生，发展到今天已经过了大约一百年的时间。许多实验证实了这个理论的正确性，但量子世界本身的匪夷所思之处也给人们带来了不少的困惑和怀疑。尤其近几年，国内对量子理论的科普讨论每每提及佛学。然而，如果一种科学理论与另一种宗教理论有异曲同工之妙的话，科学与宗教的差别究竟在何处？
对于这个问题，北京大学科学史博导吴国盛在《什么是科学》里间接给出了回答。
北大博导 吴国盛
“早先的逻辑经验主义者说，科学之为科学就在于它能够得到经验的证实，可是被波普尔(Karl Popper, 1902-1994)反驳说，我们的经验都是单称陈述，单称陈述经过归纳并不能确凿可靠地推导出全称陈述……于是波普尔别处心裁地提出证伪理论，认为科学之为科学不在于可证实，而在于可证伪……到了库恩(Thomas Kuhn, 1922-1996)这里，科学之为科学的标准这个问题的性质发生了改变。他在研究科学史的过程中发现，实际发生的科学理论的更替并不是由理论与观察之间的逻辑关系决定的，而是由科学家共同体决定的……换句话说，你要是非要问什么是科学，库恩的答案很简单：科学家们做的事情就是科学。”
作者在这本书讲述了现代科学的源头，一是基督教，一是数理实验科学的形而上基础。从这些历史来看，也许可以得出以下的认识：科学是人们看待这个世界的一种方式，是一种人类中心主义，是对自然的征服意识，也是人类发展步入成熟所必经的认知阶段。
25岁从牛津大学博士毕业、35岁出走科学圈的马兆远博士在他的新书《量子大唠嗑》中也阐述了类似的观点。
“当然，有神宗教的基本假设是无法证伪的……无法证伪的过程我会采取不排斥可研究的态度……我不相信‘唯科学’，科学目前并不是解决一切问题的万能方法，我喜欢的是科学不定义自己的边界。这是一种最大的自由，它允许我们因为自己的好奇心不断地诉求，而科学方法为这种诉求提供了可信的一步一步的基础，这是其他信仰系统不能够简单满足的。”
“……与民主是一种生活方式的逻辑类似，科学只是我们认识世界的一种途径。社会制度上，不一定打着民主的牌子就高级，在解决问题的有效性上来讲，也不一定打着科学的牌子就代表一定正确……只有掌握了现代科学方法之后，才知道怎样更好地保护自己文化里精髓的、有益的东西。”
至于马博士所说的现代科学方法，大概可以从另一本讲述科学思维的小册子里学习到。
[美]理查德·保罗，琳达·埃尔德
这是一本全英文的知识读本，里面列出了科学思维的要素、方式方法、步骤和分学科的思考重点。
在开篇《为什么要科学思考》一章中，作者给科学思维下了一个定义：
“科学思维简而言之就是自我指导(self-directed)、自我规范(self-disciplined)、自我监督(self-monitored)、和自我纠正(self-corrective)。”
作者还用一张图列举了科学思维的种种要素。其实一比较便很容易发现，GRE考试就是一场很规范的思维训练过程。鲁迅曾说，对于西方好的东西，我们要有“拿来主义”的精神。科学思维确实是干货，大家请放心大胆地拿吧。
科学思维的几个要素
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