我在欧洲留学的时,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型国家。

  作为科学家,特别关心两件事情。第一,宇宙的规律是怎么样的。通过规律的研究,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》,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非常大的改变。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。这是什么意思呢?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。比如说,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,一切事情都已注定。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了,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,比如潘教授今天在北京做讲演,那就不可能在上海。但在量子力学里有个概念——作为一个微观客体,当你没有看它到底在上海和北京的时候,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。量子,是物理学概念,作为不可再分割的基本粒子,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,潘教授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)。如果潘教授在飞机上睡着了,那么他下飞机后就会觉得浑身处于一种“又冷又热”的奇怪状态,他也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潘教授只能得出结论“我同时经过莫斯科和新加坡”,也就是量子的叠加态;而当潘教授在飞机上睁开眼睛看的时候,他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。刚才我提到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,我们就可以构造一种非常强大的量子计算机,可以让我们通过量子计算,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。正因为从古到今,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》。他说今天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,有没有什么坏处。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,能够找到这样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,当然我们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。所以说探索的动机,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。

  (作者为中国科学院院士,中国科学技术大学常务副校长。图片来自网络)