優雅的宇宙及量子糾纏

上文轉載潘教授講座內容，其間播放了一段影片，題目是The Elegant Universe，亦講到量子糾纏，以下資料可作參考：

在霍金於2010寫《大設計》（The Grand Design）之前，物理學家布萊恩．格林恩（Brian Greene）已經出版了《優雅的宇宙》(The Elegant Universe)，是幫助認識現代物理的一本科普書，如果能夠理解兩本書的內容，你便能夠探索大至整個宇宙的來源和結構，小至次原子粒子的世界的知識。

現代物理都能提供兩大基礎「廣義相對論和量子力學」，但它們之間，卻有著無法彌合的衝突。目前來看，經過物理學家多年努力所建立的弦論，是最有可能調和衝突、提供最終解答的理論。
優雅的宇宙作者是布萊恩．格林恩，他剝開圍繞著這個理論的重重謎團，揭露出它所描述的十一維宇宙。在其中，一切物質都是由弦的振動所產生，宇宙的時空結構可以自我撕裂和修補。從遊樂場轉輪到橡皮管上的螞蟻，格林恩結合了生動的例子和剴切深入的說理，向讀者闡釋了現代物理美麗而奇詭的真實面貌。
布萊恩．格林恩畢業於哈佛大學，在牛津大學獲得博士學位，及羅德學者(Rhodes Scholar)的身分。1990年，加入康乃爾大學物理系，1995年被聘為教授；1996年，任哥倫比亞大學物理及數學系教授。格林恩曾在二十多個國家開過普及和專業講座，公認在超弦理論中有過許多開拓性的發現。

布萊恩透過優雅的宇宙，幫我們探討二十世紀物理學一項重大發現︰「弦理論（String Theory）」。該理論的雛型是「超弦理論（Superstring Theory）」，當中提到宇宙原本有十一次元空間，及後發生了一場爆炸，使當中一些次元收縮到基本粒子的空間之中，造成天文物理學家在觀測天象時出現差距。「弦理論」主張宇宙萬物都是由一連串緊密排列的微細能量組成，隨著它們不同的震動模式而衍生出不同的狀態和現象；光子、電子及其他基本物理粒子也就是這樣產生出來。它更好解釋了小至原子、大至整個宇宙的起源來歷，且有助拯救相對論與量子力學之間的矛盾。

他還解釋現代物理學發展何以困在死胡同內。當中涉及到愛恩斯坦用以形容星體及銀河等宏觀宇宙現象的相對論（general relativity），和形容細微粒子的量子力學（quantum mechanics）的統一解釋。還討論由美國普林斯頓大學研究學者Edward Witten於1995年提出的「全能理論（M-theory）」，即一個能統一五種不同理解方式來闡述「弦理論」的說法的大同理論，提及需要總共十一度空間來支持。「全能理論」廣及整個宇宙之大，這套理念更關係到所謂平行宇宙（parallel universe）及地心吸力（gravity）等物理現象。

至目前為止，自然界中觀察到的物理現象，歸根結蒂都可以分別收納到量子力學或廣義相對論的架構裡。微觀粒子質量小，可以忽略重力/曲率效應。而質量大，重力/曲率效應也大的物體，都是巨觀物體，就可以忽略量子效應。因此以量子力學和廣義相對論為理論架構的物理學，暫時可以游刃有餘。二十世紀物理的成就在於能夠創造出這麼一個局面。可是量子力學和廣義相對論有深刻的矛盾之處。簡略地講，廣義相對論違反了量子力學中的「測不準原理」，所以我們得要「修理」廣義相對論以適應量子力學，或反過來，或兩者都得「修理」。總之，必然得有一門稱為量子重力論的學問，能夠完美地包容量子力學和廣義相對論。尋找量子重力論極端困難，主因之一是欠缺實驗的引導，因為沒有又小又重的粒子，可以拿來實驗。

量子重力論頭銜的理論就是弦理論 (String Theory)，弦論的基本假設是：一切基本粒子其實都是極小一段，類似弦一樣的物體。這一段弦可以是封閉的，也可以是開放的。弦有各式各樣的振動模式，每一種模式就代表一種粒子。尤其重要的是，可以形成重力波的重力子也是振動模式之一。弦理論的野心就是要把宇宙的一切給算出來。值得注意的是，弦理論目前尚未能做出可以實驗驗證的準確預測。

《優雅的宇宙》分五部份：

第一部份是知識的邊界，從中學物理科就知道我們週遭的事物，小至病毒，大至星系，都是由最基本的粒子(particle)，也就是原子(atom)組成的，這個概念最早是由古希臘哲學家德謨克利特(Democritus, Δημόκριτος,　460 B.C.~370 B.C.)所提出的，雖然這個概念當時沒有被世人接受，但埋沒已久的「真理」在文藝復興後便大放異彩，深深的影響著以後的科學家與哲學家們。後來的道耳吞(John Dalton, 1766~1844)所提出的原子說正是基於德謨克利特的概念而生的，雖然道耳吞的說法並非正確，但他確實是跨出了重大的一步。原子的概念一直沿用至今，縱然量子力學認為物質也是一種波的描述，但粒子的本質是不變的，目前全世界所建造或即將建造的幾個大型加速器，都是利用強磁場加速粒子接近光速後對撞，看其對撞後會產生什麼更基本的粒子，探求理論上所預測的粒子種類也是高能物理的一項工作之一。

雖然人類一直不斷探求更基本的粒子，但是這是否是無窮無盡的呢？中子由質子和電子組成，電子又由夸克(quark)組成，甚至力也是粒子，穩定強弱作用力的粒子例如膠子g，當然粒子家族還有很多如Σ 粒子、τ 介子、μ 介子、π 介子、玻色子等等，以及即將發現的重力子，但是組成這些基本粒子的物質又是什麼呢？有沒有一個極限呢？

在第二部空間、時間和量子的困局與第三部宇宙交響樂中則進一步的闡述了近代物理遇到的瓶頸，正是愛因斯坦的相對論和量子力學的不相容，縱使這兩個理論在自己的領域中各領風騷，但是在其交界處卻是如此的晦暗不明與格格不入，而弦論正式發展出來統合這兩個人類當前最偉大思想的理論。其中這裡提出了在微觀尺度下的一些問題，例如在空間尺度非常小的地方，空間並非平坦的而是上下劇烈起伏的量子泡沫，或許這都只是數學上的小問題而已，但是這會對物理學家造成極度地感情上不能接受，所以為了撫平這些物理解釋極端的現象，通常也就是數學上奇異點(singular point)存在的地方，為了避免通常會去修正方程式或是理論，有時候甚至只是為了一種“美感＂而修正方程式或整個理論，像愛因斯坦的相對論為了阻止宇宙會膨脹而加進了哈伯常數(Hubble constant)，當然他最後承認哈伯常數是他一生中最大的錯誤，因為根據天文觀測，星系彼此確實是在互相遠離的。

第四部份是弦論和時空結構：

許多科學家從弦論中推斷我們所居住的空間，它其實不只是四個維度而已（三維空間與一維時間），而是由更高的維度組成。由數學模式，它們在我們居住的空間四維是蜷縮起來的，在宇宙大爆炸(Big Bang)之初並未伸展開來，現在它們仍然存在，只是全部擠在一起於一個非常小的尺度，科學家推斷空間的維度可能高達十維（猜想維度）甚至更高維，不過只是在我們的宇宙中我們看不見也感受不到，因為它們沒有延展開來，變成我們所可感受的尺度，有理論認為只要能量夠大便可探測到這麼小的維度，不過至於能量的需求似乎不是地球上物種的經濟能力所允許的。在本書中作者和其他學者的研究認為未伸展開來的維度的存在與卡拉比－丘流形(Calabi-Yau manifold)是有某種關聯性。

最後第五部份（２１世紀的大一統），作者希望在二十一世紀結束的時候人類能找出大一統理論，也可稱作M 理論，許多的物理學家和數學家認為，找出大一統理論後，就等於是將最後一塊世界拼圖放在最終的位置了，那時候人類便完成了終極理論，一個可以解釋所以物理現象的理論，And that means human holds the Pandect to the Universe!

值得一提是，這本書用婦孺皆知的遣詞用句來談論最高深的學問，這些通常是需要精通龐大的數學才能夠鑽研的學問，能夠在這方面領域工作的學者幾乎是箇中翹楚，作者也說了縱使弦論最終被發現是錯誤的，而現行的其它大一統理論的候選者才是正確的，這都無妨，因為從研究弦論，人類也發展了許多學問，很多數學也藉由弦論被發展出來，這些都是弦論的價值，當然還包括其它的理論，甚至所有的理論都是錯的，這也是有可能發生的，但誠如前方所言，重點在於它發展出其它學問的分支，這也帶給我們許多的啟示，畢竟，物理就是從不斷地錯誤中學習，才能有今天的成就，不正是如此。

最後作者列出幾頁科學語詞彙表，對認識一些最新的物理詞彙有很大的幫助。

 

以下是之前中國科學家關於量子糾纏的研究成果。 　　　　中國科學家量子研究成果獲國際學術界高度評價
從中國科技大學獲悉，中國科學家大尺度量子信息處理實驗成果獲國際學術界高度評價，在國際權威學術期刊《自然》雜誌2012年底推出的年度回顧特刊中，該校潘建偉小組實現百公里自由空間量子隱形傳態和糾纏分發的研究成果被選為年度十大新聞亮點，同時該成果還被美國《科學新聞》評選為2012年度25項重大科技進展之一，並以“量子跳躍”為題進行專題介紹。 　　據悉，要實現量子信息科學的核心目標——實用化量子計算和遠距離量子通信，關鍵是通過發展多粒子量子系統的相干操縱技術，實現可擴展的大尺度量子信息處理。2012年潘建偉小組在這一研究領域取得一系列重要進展。其中，8月9日《自然》雜誌以封面標題形式發表的這一研究成果，通過地基實驗堅實地證明瞭實現基於量子衛星的全球量子通信網絡和開展大尺度基本物理問題實驗檢驗的可行性。《自然》評價認為，在量子通信領域，中國用了不到十年的時間，由一個不起眼的國家發展成為現在的世界勁旅；中國將領先于歐洲和北美發射量子科學實驗衛星，建立起首個全球量子通信網絡。 　　此外，潘建偉小組還利用自主發展的高亮度、高純度量子糾纏源技術，在國際上首次實現八光子薛定諤貓態，刷新由該小組保持的多光子糾纏態制備的世界紀錄，論文發表在《自然。光子學》上；利用八光子糾纏“簇態”，在國際上首次實驗實現了拓撲量子糾錯，這是量子信息領域以中國為第一單位發表在《自然》雜誌上的首篇“長文”。 　　與此同時，潘建偉小組還成功實現長壽命、高讀出效率的量子存儲，該成果為目前國際上量子存儲綜合性能指標最好的實驗結果，朝著最終實現實用化的量子中繼器邁進重要一步，論文發表在《自然·物理》上。 　　潘建偉小組取得的上述系列重要進展受到國際學術界的廣泛關注，《自然》、《科學》、《科學美國人》和《新科學家》等國際著名科學雜誌及歐洲物理學會新聞網“物理世界”、美國物理學會新聞網“今日物理”等，都曾專題聚焦其在量子領域的成果。

量子隱形傳態新突破

二○一二年人類在科學上最重要的突破是哪項成就？不同人有不同意見，不過，這件在很多科學雜誌和網站都被列為二○一二年重要突破：量子隱形傳態的新突破。

根據以上報導，量子隱形傳態（Teleportation）是可行的：隔空物質轉移或許在將來實現！就像武俠小說或科幻小說情節一樣，將東西「嗖」一聲從這裏變到那裏去，嚴格來說不是真的將物件轉移，而是將其資訊轉移，因為物質是由粒子組成，而粒子帶有資訊。這不是科幻小說情節，自一九九七年開始物理學家就能做到傳送光子（Photons），現時世界很多光學實驗室都有此設備。不過，糾纏光子（Entangled Photons）通過光纖最多只能傳送約一公里，再遠就不行。

去年中國科學家潘建偉等人成功在青海湖上將光子傳送九十七公里！他們是中國科學技術大學與中科院上海技術物理研究所科學家。有了此突破，他們希望能在二○一五年發射全球首個「量子通訊衛星」。據講將光子傳送超過一公里是很難的，但這批中國科學家成功在四小時內射了一千一百個光子去九十七公里外，所以《麻省理工科技評論》選此突破為「二○一二年最佳」科學突破，《時代》雜誌、《Wired》、《Popular Science》等科學雜誌回顧二○一二年科學事件時，都有列此項目為重點之一。

看來物件隔空轉移，並非遙不可及的事了。有趣的是，灣仔鵝頸橋橋底阿婆打小人，可能有科學根據。