诺奖得主Wilczek:无知的科学价值

作者: Frank Wilczek

来源: 蔻享学术

发布日期: 2023-10-07 08:13:33

本文探讨了无知在科学和日常生活中的价值,特别是在量子物理和量子计算领域,无知被证明是一种重要的工具,帮助我们更有效地处理信息和进行测量。

在量子物理中,只有对粒子的动量信息保持无知,才有可能获取它的位置信息。在乔治·奥威尔的小说《1984》中,有一句荒谬的标语“无知即力量”。这句标语是乔治·奥威尔笔下腐朽邪恶的政权的深刻缩影。如果把它巧妙地调整一下,改成“无知或为力量”,那这句新的标语就成了如今科技前沿的生动写照。如果我们能聪明地利用无知,它可以成为一种超能力,使我们的感官更敏锐(通过测量仪器),思维更开阔(通过计算机)。

这条标语看似自相矛盾,其根源却在于量子现实的本质,它从根本上对我们所了解的任意物体的特性施加了限制。如果我们掌握所有关于物体状态的理论知识,那么我们就能够准确地预测,在测量物体的位置与运动速度时,它出现在某个地点以及具有某个速度的概率。然而,根据量子理论,位置的模糊度与动量的模糊度的乘积必须大于一个极限值。这就是海森堡不确定性原理。

现在,假设我们要精确地测量某个物体的位置,以探测引力波引起的微小的时空扭曲。为了最大限度地减少位置测量的误差,同时不违反海森堡原理,我们需要尽可能地增加动量的模糊度。这种测量艺术被称为“量子压缩”,它是当前热门的前沿研究领域。要想制造出性能优越的量子计算机,最主要的困难在于如何让它始终保持对自己的状态一无所知。

经典计算机在运行过程中会经过一系列的“位置”,每个位置由一串0和1组成的字符所编码,其中的0和1代表晶体管的两种状态。与之相对的是,量子计算机的计算单元就像量子粒子一样,它可以同时处在所有这些位置上。要想确保量子计算机能够可靠地运行,这种位置的模糊性是必要的。因为只有这样,计算机才能在动量模糊度较小的情况下准确地执行下一步程序。如果计算机无意泄露了位置分布的信息,就会降低位置的模糊度。

根据不确定性原理,这必然会导致动量模糊度升高,从而破坏程序执行的可靠性。在我刚开始思考如何利用量子世界的不确定性——某种程度上,也可以被称为“无知”——的时候,我曾经认为这是量子世界独有的奇特现象。但我逐渐认识到这是一个更为广泛的概念,它清楚地揭示了我们与周围世界沟通的许多方式其实并不简单。比如,让我们想一想我们通常是怎样辨认出某个人的。

当光子投射到视网膜上,而后经大脑处理产生的图像会受到诸多因素的影响,比如这个人的位置、朝向、她是否被其它物体遮挡、她的穿着等等。尽管如此,我们仍然能够判断出“这是贝茜”。显然,在这个过程中我们选择性地忽略了很多细节,而这样做是有益的。还有一个问题也透露着无知的价值:为什么不是所有人都有完美的音准呢?在我们的内耳中,有一对小小的“反向钢琴”。

它们通过拨动特定的键(实际上是特定的毛发)来对特定的音调产生响应。通过这种方式,耳朵可以收集到所有的信息,但只有极少一部分人能够完全利用它们。对于我们这些没有完美音准的人来说,或许大脑在运作时,无意识地“选择”了无知——忽视那些音调的信息,好让我们专注于更加有用的信息上。在圣经故事中,亚当和夏娃因为吃了“分别善恶树”上的果实而受到惩罚。

无论你怎样看待这个故事,它都生动地提醒我们:无知是一项值得留意的选择。

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