探索的动机
微观世界与经典世界最明显的一个区别是，事物不是明确的非此即彼，而是此与彼的某种尚未确定的叠加态。
我在欧洲留学时，到阿尔卑斯山区的一个大峡谷，一个很少有外国人到的地方去游历。在那里，我见到一位大概80多岁、满头白发的老太太坐在轮椅上。她非常高兴看到一个外国人，于是我们就聊起来。她问我是干什么的，我说：“我是做量子物理的。”然后她进一步问我：“你做量子物理的哪一方面？”我说：“是量子信息、量子态隐形传输，就像时空穿越里的东西。”她说：“我读过你在《自然》杂志发表的那篇文章。”我非常感动，一位80多岁的老太太，却对科学保持着这样一种原始兴趣的初心，当时我想也许她只是个例。又过了几年，我在海德堡大学做切除息肉的手术。当我做完手术醒过来之后，正好护士站在我的床前。她说：“潘教授，你是不是研究跟时空穿越类似的东西啊。”我说：“是啊。”她说：“你能不能给我讲讲。”因为我当时鼻子里面插着两个管子，非常痛苦。我说：“现在我讲不了，我将来送给你点资料吧。”为什么举这两个例子？我觉得一位护士对科学感兴趣，一位乡村老太太对科学也感兴趣，这很难得。如果我们对科学没有这种原始的冲动，没有兴趣，我们就不可能变成一个真正的创新的国家。
什么是探索的动机。作为科学家，特别关心两个事情。第一，宇宙的规律是怎么样的。通过规律研究，希望能够知道我们从哪里来，到哪里去，也就是说，我们非常关心人类和宇宙的生成和命运。好多年前我曾经读过房龙的一本书，叫做《圣经的故事》，声明一下，我不是教徒，里面讲到，上帝当时说要有光，然后要有云，要有天，要有地，这个过程就是告诉我们创世纪的过程。所以人类追求的过程中，一直希望能够理解，我们是怎么来的？我们的未来是怎样的？以此寻找一种安全感。但是在过去，因为没有科学，只有靠人类的种种想象。经过几千年的知识积累，到了1687年人类的观念发生了重大改变。1687年之前，一个偶然机遇使伽利略把玻璃片做成望远镜观测太空，他看到了土星环等等。那时人类开始能够探索整个宇宙是怎样的，不仅仅看地球怎么样。1687年，牛顿在前人知识基础之上，发表了一部专著《自然哲学的数学原理》，改变了整个人类思想认识进程。这部书告诉我们，宇宙的演化完全可以通过微积分计算出来。这是什么意思？本来我们觉得上天非常神圣，而牛顿却说苹果掉在地上和星星在天上转是可以算出来的。当我们感觉原来可以计算神圣的上天的星星运行的轨道时，科学的自豪感无比巨大，这样我们就可以计算我们的未来。但是如果进一步想，你马上会感到非常失望，完了，我的命运是不是也在宇宙诞生的时候就已经被决定了呢？比如，潘建伟成为物理学家，其实根本不是自己努力的结果，在宇宙刚刚诞生的时候，一切都已注定。为什么？牛顿力学告诉我们，这些都是可以计算的。所以，有些科学家在意识到这一点之后，认为这个世界是宿命的，奋斗毫无意义，于是他们选择了自杀，确实有这样的事情发生。当然，科学还是要进一步发展的。
一直到上世纪初，又一个新的革命发生，这就是量子力学。量子力学非常有意思，它跟原来的牛顿力学完全不一样。牛顿力学告诉我们，比如我今天在北京做讲演，那就不可能在上海。但在量子力学有个概念—作为一个微观客体，当你没有看它到底在上海还是在北京的时候，它可以同时在两个地方，处于一种叠加的状态。我们把这样一种状态叫做量子叠加态。小片量子，是物理学概念，作为不可再分割的基本个体，量子用来形容微观世界的一种倾向，粒子的物理量（比如能量）倾向于不连续的变化。微观世界与经典世界最明显的一个区别是，事物不是明确的非此即彼，而是此与彼的某种尚未确定的叠加态。举个例子，我要从德国柏林飞到中国北京，飞机有两种飞行路线，一条是柏林-莫斯科-北京（冷），另一条是柏林-新加坡-北京（热），如果我在飞机上睡着了，那么我下飞机后就会觉得浑身处于一种“又冷又热”的奇怪状态，不知道飞机到底从莫斯科中转还是在新加坡中转。这时，用量子力学看世界的我只能得出结论“我同时经过莫斯科和新加坡”，也就是量子的叠加态；而当我在飞机上睁开眼睛看的时候，才知道到底是从莫斯科中转还是从新加坡中转，下飞机后也会觉得要么冷要么热，不会再处于“又冷又热”的状态了。这也正是量子力学的积极哲学，“看到即改变”，当你把视线关注到量子运动轨迹，其状态就会随之发生改变。这就告诉我们，你睁开眼睛看一下，对整个世界的演化是会有影响的。量子力学，从哲学上讲是一种非常积极的概念，它的含义是我们个人的奋斗，对这个世界是有影响的。量子力学不仅可以了解宇宙的历史，也可以推动一个新学科的发展。目前我们在从事的研究叫做量子信息科学。利用所谓的量子叠加原理来做量子通信，解决信息安全问题。
量子力学还有一个所谓量子纠缠的概念。一个粒子可以处于零加一，就是两个状态的叠加。两个粒子也可以处于一种非常奇怪的状态叠加：“零零加一一”。比如我和你同在北京，假定我给你一个纠缠粒子在手里，另一个在我手里，然后我回到合肥。你把手中的粒子一扔，它会随机得到零或一。但是我在合肥看一看我手中粒子的状态，我就可以把你手中的结果猜出来，因为即使这两个粒子已经隔得非常远，它们扔出来的结果始终是一样的。科学上把这种现象叫做量子纠缠，或者从不太严格的意义上讲，甚至可以叫做“遥远地点之间的心电感应”。利用这个，可以构造一种非常强大的量子计算机，通过量子计算，在大数据爆炸时代，把信息有效地提取出来。所以从这个角度上讲，科学不仅能带来心灵的自由和安宁，而且科学是非常有用的。
随着电动力学和量子力学的发展，带来了信息科技，整个世界已经变成一个地球村。所以，人类的进化是与信息共享和互动紧密联系在一起的。同时，还有一个非常重要的东西需要我们进一步珍视和加以保护，那就是心灵的自由和独立的思想。从古到今，正因为我们保证了思想的独立性，才能够保证想法的千变万化，才会有创新和进步。爱因斯坦有一篇著名的演讲，题目叫《探索的动机》。他说有三类人在科学的殿堂里，第一类人只要有机会，也许会成为企业家，也许会成为政治家，也许会成为诗人。只要是能够让自己得到荣耀，得到名利，他干什么都可以。当然他还是很有才华的。还有一类人完全是兴趣驱动，他只是觉得好玩，不管对大家有没有好处，有没有坏处。第三类人是什么？他确实希望能够对这个宇宙进行探索，进行凝视，进行思索，能够找到一些先天和谐的规律。只有这一类人才能够很静心地、长久地从事科学研究。爱因斯坦说，当然不能把前两类人驱逐出去，因为这些人可能对科学做过很多，也许是主要的贡献。把他们驱逐出去，这个殿堂就倒塌了。但是可以肯定，如果没有第三种人，这个殿堂就不会成为殿堂，只能是一些蔓草，而不会成为森林。什么是探索的动机，作为一个真正的科学家，他应该是很有责任心的，他会用无穷的耐心，去理解这个宇宙是怎么样的。但现在我们还不能解释为什么我们会有爱？为什么我们会有感情？我想随着未来科学的发展，也许到某一天我们能从方程里给出非常好的解释。这就是探索的动机。（本文为作者在中央电视台公开课《开讲啦》的演讲稿，有删节）
责任编辑 孟 玮
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