文小刚：量子革命是最不可思议的物理革命

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、美国科学院院士温小刚回答说:“我们生活在量子计算机中。量子信息是真实的，我们看到的各种材料和人都是量子信息的虚拟反映。”

7月23日，温小刚(温小刚科学网博客地址:http://blog.sciencenet.cn/u/xgwen)参观了中国科学院物理研究所，并带来了一篇题为“物理学的新革命——量子信息:物质和相互作用的起源”的科普报告。

世界是丰富多彩的，物质属性是不同的。他们从哪里来？我们如何认识他们？

在温小刚看来，我们对世界的认识是通过发现、统一、再发现、再统一的循环逐步深化的。“每一次伟大的统一都可以被视为物理学的一次新革命。每一次新的革命都为我们打开了一个新的世界。许多看待问题的基本概念和方式将会改变，用来描述世界的语言和数学工具也将会改变。”

历史上的物理学革命充分说明了这一观点。首先是机械革命。英国物理学家牛顿统一了天体和地面物体的运动定律。与此同时，他发展了微积分，它被用作描述牛顿方程的数学工具。第二个是电磁革命。英国物理学家麦克斯韦将电、磁和光这三种看似不相关的自然现象统一起来，并发现了一种新的物质形式——波型。他的数学工具是纤维束。第三次革命是相对论革命。爱因斯坦把时空弯曲和重力作用统一起来。在广义相对论中，爱因斯坦预言了新物质形式的引力波的存在。它的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。温小刚说牛顿非常了不起。他不仅发现了物理定律，而且还开发了一种新的数学语言，从而可以写出物理理论。在第二次和第三次物理学革命中，数学家领先于物理学家。首先发明了新的数学工具，物理学家直接借用了它们。

物理学的第四次革命是量子力学的革命。温小刚说，目前，我们正处于第二次量子革命，“量子革命是最神秘和不可思议的物理革命。”

他笑着说，这场革命是物理学家“非常不情愿”的，是因为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”理解的根本改变。“存在”的方式比我们想象的要多，就像“薛定谔的猫”。生命是存在，死亡是存在，死亡和生命也是真实的存在。"这种理解是*的，没有理论物理学家喜欢它."

这种理解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，既不是粒子也不是波，这被称为波粒二象性。

过去，牛顿认为物质有粒子形式，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型和粒子形态。”

温小刚说，量子革命的意义在于数学工具的“革命性”变化，即从前三次物理革命中使用的解析几何语言发展出线性代数语言。"量子和代数视野，这是一个非常独特的世界观."

在量子力学的应用上，温小刚认为信息和物质是统一的，这也是第二次量子革命的实质。“能量是物质的本质，频率是信息的本质，量子物理学认为能量是频率，也就是说，信息和物质是描绘同一物体的不同表达，而能量和频率是描绘同一物理量的不同表达。由于历史认知偏差，它们之间有一个转换系数:普朗克常数。就像重量和千克一样。”

"空间和物质起源于量子信息."温小刚总结说，世界上各种物质的奇妙性质都是由量子比特和纠缠产生的，量子信息和纠缠是第二次量子革命的核心。“量子纠缠的描述需要新的数学。将来，除了合并类别，还需要各种现代数学的参与，如高级类别和代数拓扑，它们将发挥重要作用。”