日前，2023年諾貝爾獎頒獎儀式在瑞典首都斯德哥爾摩舉行。此次三大自然科學諾貝爾獎都來自量子世界：無論是摘得化學獎的量子點，還是受到物理學獎垂青的阿秒激光都直接與量子力學相關，斬獲生理學或醫學獎的m RNA疫苗的關鍵技術“核苷酸堿基修飾”也離不開生命分子化學氫鍵之間的量子隧穿效應。
經過兩次量子革命，人類的認知正從經典力學時代進入量子時代。以不確定、疊加、糾纏等為特征，量子理論所帶來的全新思維方式也不斷從對自然、生命的認知，拓展到對教育、經濟、管理等人類社會各個方面的理解，而人工智能的突飛猛進更使這一進程極大加速。量子思維何以成為人類認識世界并與之互動的更高層級思維方式？中國工程院院士、華東師范大學校長錢旭紅日前接受本報專訪，對此作了詳細闡述。
獲得2023年諾貝爾化學獎的量子點，向人們展現了古老彩色玻璃中微觀量子世界的奧秘。
一旦進入微觀世界，物質的尺度以百萬分之一毫米（即納米尺度）為單位，量子效應就會出現。在納米世界中，單一物質可因分子尺度的不同，從而在宏觀世界中呈現出不同的色彩。2023年諾貝爾化學獎得主阿列克謝·I·葉基莫夫和路易斯·布魯斯恰是因為熟悉量子理論，才在好奇心的驅使下，破解了量子點中所蘊藏的科學原理。
這是一次非常經典的、以量子思維探尋自然規律的一次成功嘗試。所謂量子思維，就是由量子理論衍生出來的、有別于傳統經典思維的嶄新思維方式，它揭示了人類思維中疊加、糾纏、不確定和躍變等特點。
實際上，量子思維普遍而真實地長期存在。自量子力學誕生以來，它日益廣泛為人們所認知。2015年，被譽為“歐洲第一科學人文雜志”的《新發現》就出版專輯介紹量子思維，但由于量子理論極為深奧，對不少普通人而言，量子思維聽起來有如玄學。
自2012年起，錢旭紅院士開始在華東理工大學倡導并推介量子思維，并在華東師范大學率先開展量子思維的跨學科研究，旨在讓更多人認識到量子思維的重要性，從而在人類社會發展的嶄新時代擁有且運用多樣性、多元化的思維工具。
“量子點”背后 新思維認知自然底層邏輯
葉基莫夫和布魯斯對量子理論的熟悉，源自他們的學術背景。
葉基莫夫從小就對光學有著濃厚的興趣，后來成為固體物理和光學領域專家，主要從事半導體納米晶體研究。量子理論的基本概念和原理在這些領域十分重要，因此葉基莫夫對量子理論十分熟悉。他使用光照射材料并測量吸光度的方法檢查有色玻璃，發現玻璃吸收光的情況受到晶體顆粒尺寸的影響，顆粒越小，所吸收的光越偏藍——他由此發現了尺寸相關的量子效應。
而布魯斯是一位實驗化學物理和納米科學家，上世紀七八十年代在美國貝爾實驗室研究如何用太陽能實現化學反應。在進行捕獲光的實驗中，他發現一些物質的顆粒變大后，其光學特性也會隨之改變。通過制造一系列新顆粒進行實驗，他與葉基莫夫“背靠背”地發現了尺寸相關的量子效應。
時任美國萊斯大學校長的雷金納德-德斯羅切斯認為，布魯斯的科學生涯具有開創性且鼓舞人心，“他將化學和物理學融為一體，開辟了全新的研究探索領域”。在錢旭紅看來，這份功勞其實應該歸屬于量子理論。
“從量子論的視角來看，自然世界中，其實并無所謂的物理學、化學、生命科學的分割，人們只是為了研究的方便，從不同角度切入，才將自然科學進行了不同學科的劃分。”錢旭紅舉了個例子，圍繞氫原子的研究屬于量子物理，而研究氫分子則屬于量子化學范疇。
事實上，身處微觀世界，所有粒子的行為都會遵從量子力學的法則，量子理論以一種更為基礎的邏輯，將微觀世界和宏觀世界納入其中。自20世紀后半期至今，隨著量子理論和實驗研究的深入，人們發現了許多在宏觀尺度上呈現出來的量子效應，如超導、超流等。此外，科學家還在生命活動中發現了許多量子現象，例如候鳥神經系統中的地磁導航系統、酶促反應中存在質子隧穿的量子效應、植物光合作用中的量子節拍等，這都反映出量子理論所具有的普適性。
如果說第一次量子革命是量子理論概念的興起，那么20世紀70年代興起的第二次量子革命，則通過主動利用量子特性，開發出量子通信、量子計算、量子精密測量等創新應用，這預示著量子科技開始大規模向現實生產力轉化。最近一年，人工智能（AI）大模型的橫空出世，更顯示了量子思維等認知模式的巨大魅力。錢旭紅認為，這將為人類了解微觀世界的深層次奧秘、揭示時空起源帶來更多希望，也將對人文、社科領域產生重要影響，從而給人類社會的生產、生活帶來翻天覆地的變化。
經典與量子 各具優勢且可相互融合
在錢旭紅看來，量子現象遍布于日常生活中，只是需要一個具備量子思維的頭腦去加以認識與發現。
現代科學興起之前，人們主要依靠感官直觀感知宏觀世界，或者說是感受量子性質弱化、量子退相干的宏觀現象與結果。所以，人類早期主要與宏觀事物打交道，如土地、植物、礦產、鋼鐵、機械、采礦、運輸等，無法了解微觀世界的實際運作方式，覺察不到量子力學這個世界運行更基底的規律。
“這并不是說經典力學不好，實際上，它對于千萬年來主要與宏觀物質世界打交道的人類意義非凡。”錢旭紅說，經典力學認為事物都是由清晰的、非此即彼的經典粒子組成，其規律都是由點、線、面、角、弧等清晰確定、純理性的單元所組成。但隨著對自然認識的深入，人們也逐漸發現，生活中很多事物或現象并不嚴格遵守經典力學的規律，比如鳥類的遷徙、人的嗅覺。
量子力學的出現給人類的思維方式帶來了顛覆式變革。“如今，離開量子幾乎無法進行基礎研究。”錢旭紅說，量子力學令人領悟到，宇宙并不是一個由上帝操控的精密機械，世界的萬事萬物是相互聯系和影響的，人類無法通過操控某個“部件”去單獨實現某種“功能”。
從計算機芯片、網絡到綠色發展、AI時代，從DNA雙螺旋結構到人類基因組計劃，隨著量子科技成為支撐社會發展的底層技術，量子思維的測不準、疊加、跳躍等屬性越來越顯著地呈現出來，也愈加深刻地影響著科學技術的發展。
“過去人們認為，微觀世界對應量子理論，宏觀世界對應經典理論，但后來人們發現，兩者之間的界限并非涇渭分明，而是可相互融合的。”錢旭紅提到，上世紀70年代，在經典物理學框架內，計算機難以模擬復雜化學反應，而量子物理學可以模擬化學反應，但由于計算量大到無法實現，故只能應用于小分子。美國斯坦福大學終身教授邁克爾·萊維特等人開創性地將經典物理學與量子物理學相結合，解決了蛋白質和藥物設計難題，由此獲得2013年諾貝爾化學獎。
“經典理論不限于宏觀尺度，量子理論也不限于微觀尺度。經典思維是量子思維的特例，不確定性、疊加、糾纏才是世界的主要通則。”錢旭紅提醒說，兩種思維方式并無優劣之分，現實中哪一種思維更適用，需視具體情況，運用前的判據可包括被觀察研究對象的空間尺度大小、時間長短、復雜程度和經典方法是否失效等。
把握引領未來 量子思維重要且不可少
基于牛頓經典力學的經典思維由于適應了肉眼觀察、慣性思維的時代需求，在人類大腦中已延續數百年，因此要跳出這種經典的機械性思維模式來認識世界，并不容易。
“量子思維告訴我們，世界在底層基本結構上具有很強的關聯性，我們應該以整體全面的眼光看待世界，即理解整體超越部分，整體大于部分之和，整體衍生出部分并決定了部分的性質。”錢旭紅解釋，人具有多種角色并存的特點，如同一個疊加態。如果把一個人比作一個量子，那么這個人在被觀察、測量或做決策之前，具有無限的、變化著的選擇可能性，可一旦人們最終選擇完成，所有其他與之相悖的可能性，因人、事、物的波函數被微擾而崩塌，只剩下確定性。
從這一認知出發，在量子世界，觀察結果與觀察者密切相關，即所謂“仁者見仁，智者見智”。錢旭紅認為，量子思維方式與中華文明固有的思維和精神基因有相當程度的互通性。“老子的《道德經》對于‘道’本體的描述，關于多態疊加、糾纏關聯、恍惚、測不準之類的就有十數章，這可能也是人們幾千年來難以真正讀懂《道德經》的原因之一。”
事實上，歐洲量子力學先驅之一尼爾斯·玻爾在解釋其量子物理理念時就曾欣喜于中國道家學說及其標識，認為它們表達出了他想表達的意思。2001年、2022年兩度獲得諾貝爾化學獎的卡爾·巴里·夏普利斯也十分愛讀《道德經》，其中有關“有”與“無”的關系闡述，在某種程度上啟發了他，并推動了“點擊化學”的發展。
“基于量子科技或思維的人工智能與合成生物學的發展，向我們預示了一個物質更加豐富的時代即將來臨。我們需要在精神層面抵達一個新境界，才能在發展科技的同時，為社會提供人文滋養和關懷，防止技術與精神異化所帶來的種種風險。”錢旭紅說，美國數學家弗諾·文奇將人工智能超過人類智力極限的時間點定義為“技術奇點”，奇點出現后的世界發展將會超出人類傳統經典思維的理解范疇。
近年，AI大模型運用量子思維模式的突破性進展，給人類未來帶來挑戰。“人們需要在思維上適應量子躍遷式的發展和跨界超限。”錢旭紅認為，未來科技與人文必將走向交叉、融合、升維、超限，各種羈絆、界限、分科等人為設置會逐步消融。因此，想要預測、應對并引領未來的變化和趨勢，了解并掌握量子思維非常重要，且必不可少。
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記者丨許琦敏
來源丨文匯報
編審丨戴琪
