betterchou的个人博客分享 http://blog.sciencenet.cn/u/betterchou

博文

近期问答精选系列一 精选

已有 3048 次阅读 2020-8-16 11:19 |系统分类:观点评述

什么是量子?

量子(化)概念源自于普朗克先生的一次离经叛道的成功尝试(假说),此次尝试的成果体现为普朗克黑体辐射定律(1900年提出)。为什么说此次尝试是离经叛道的呢?因为,在普朗克的黑体辐射定律之前,在人们的思想观念中,能量作为客观物体的一个基本物理量,是一个连续取值的量;但这一观念,在普朗克的黑体辐射定律中得到了截然不同的颠覆,普朗克认为能量连续(可无限细分)的观念(这一观念从来没有被证实,但被人类相信数千年),无法导出正确的数学公式来统一解释黑体辐射现象。与之相对,普朗克提出在黑体向外辐射能量时,从中辐射出的能量是电磁形式的,并且是一份一份离散的(即是所谓的“量子化”),黑体辐射的能量为基本能量单元的整数倍,能量基本单元由普朗克常数与电磁波频率的乘积决定;在此基础上,普朗克成功的解释了前人的实验结果,在此逻辑基础上,普朗克认为自己的假说或者尝试是准确无误,进而可被接受的(事实上,普朗克采用的是一种间接的方式证明自己的尝试是对的)。1905年,爱因斯坦将能量量子化的观念(光子)应用到光电效应(特定波长(频率)的光照射到金属上可以激发出自由电子的现象)现象的解释,大获成功。

可以说,量子的概念起源于普朗克以及爱因斯坦对两类实验的解释过程中使用了能量不连续的观念,但是量子真正成为一门学科,还要归功于以玻尔、爱因斯坦、薛定谔、海森堡、狄拉克、玻恩、泡利、德布罗意、波姆、费米、贝尔等一大批科学巨匠的努力,他们的成果用一本称作《量子力学》的书籍给出。量子力学的主要贡献就是给出了被人类称作量子的物理客体应该遵从的数理逻辑(包括被接受但并没有被证实的数理逻辑)。

有了量子力学的数理逻辑基础,再回到我们要回答的问题“什么是量子”。在这样的约束下,问题的答案就是:“服从量子力学数理逻辑规则的客观物理实体都可被认为是(在特定条件下)具有量子的(状态)”。所以,量子起源于以普朗克先生为代表的人类对于自身观念的颠覆,发展于以玻尔、爱因斯坦为代表的人类对于客观规律的深思熟虑,应用于每一个用量子力学数理逻辑考察客观世界的我们。我们可以问任何我们所见之物是不是量子的,然后运用科学的方法去衡量该物体在某种情况下的运动规律是不是符合量子力学的数理逻辑。如果符合,该物体就(在特定条件下)是具有量子(状态)的;反之则反。当然,道理讲述起来很简单,但是所谓的“运用科学的方法”需要我们每一个人的努力付出。

什么是计算机?

人类的计算来源于祖先的掐指一算,(极大多数)人类有十根手指和脚趾,所以在生活观念中我们接受以十为单位的计算方法(所谓的十进制),这是人类作为智慧体对自己认知的结果。现代计算机作为机器,哪怕我们现在常说“人工智能”这样的词汇,计算机也只能是机器,其原型是图灵机,由英国数学家艾伦·图灵于1936年提出,其基本思想是将人的计算行为抽象化为数学逻辑机,等价于任何有限逻辑数学过程的终极强大逻辑机器。现代计算机的发展得益于人类将图灵的数学逻辑机变成了实实在在的设备,并经过短短几十年的时间让该设备成为大多数人生活中的必需品,可以说有爱迪生电灯照亮的地方就有极大可能找到一台计算机设备。

值得指出的是,与人类用十进制进行计算不一样的地方在于,计算机是以二为单位进行计算(所谓的二进制)。这是图灵机能够成为设备的一个重要原因,因为二进制可以用一个开关来作为计算的基本单元。事实上,现代计算机出现之前的算盘也是一种计算机(有历史考据算盘可能来源于古巴比伦文明),在这件事情上我们的先辈们是倾注了心血和智慧的。算盘是以十为单位进行计算的(事实上,我们的祖先做了简化,将十简化为了五,熟悉算盘的朋友可以想想,这样说是不是合理)。尽管算盘作为一种计算机,但是需要使用人工进行操作。随着机械的出现,将计算过程中的人工操作改变为机械操作,是技术进步的关键。机械计算的进一步发展即是让机器重复做同一件事情,这个事情就是开关,所以二进制的数理逻辑思想和机械化发展思路不谋而合,共同推进了计算机的发展。而将一个计算过程翻译为一些列独立开关的重复运行,并在开关之间实现通信(通信的基础是时频传递,通俗的说就是步调一致,也就是计算中所谓的时序),从事这样工作的人叫程序员。事实上一个程序员不应该仅仅是从事程序代码书写的人,而应该从开关做起,到最后做成整个软硬件系统。当然,这样的事情是不会被现代社会所接受的,因为这样做的时间成本太高,特别是计算系统的规模和复杂程度变得越来越大之后,将系统划分为一系列的功能模块,然后由专人来负责各个模块是保证整个系统高效运转的关键(机械化思路)。其中,如何划分功能模块,如何衔接各个功能模块是管理的艺术。不过我想强调,我们认识计算机,认识程序员,需要有大程序系统的观念。

“什么是计算机”这个问题,让我想到一类具有特殊能力的人群,和一个特殊的词汇“珠心算”。我没有学习过“珠心算”,也不是很赞同推广“珠心算”。顾名思义,我理解“珠心算”实际上是在人的大脑中形成一个思维定式,把人的大脑训练成一个“自动”运行的算盘。在这个基础之上,最近在和一些朋友讨论,随着计算机的普及,会不会出现一类特殊的人群,通过训练能够在大脑中形成一个思维定式,将大脑训练成一个“自动”运行的计算机。这让我想到了图灵机或者人工智能发展的初衷是将人的计算模型抽象为数学逻辑机,那么随着技术的发展(计算机已经成为生活必需品),人类的大脑是否也会被计算机所重新塑造,成就一批具有“机心算”能力的人类个体呢?

如果说在人类的大脑中构建“机心算”是一种带有科幻色彩的猜想,那么利用微纳米加工技术在每平方毫米面积的硅片上制作出上亿个用于计算的开关,并保证它们之间能够互联互通,是现实发生的技术。在这一技术方面,我们国家还在不断努力(对应的专业词汇是集成电路技术)。首先,这方面受限的是用于如此高密度加工的设备和专门技术人员。这件事情还让我想到了小时候读过的一篇课文《核舟记》,其中描述明朝工匠王叔远,在一颗核桃上刻有“通计一舟,为人五,为窗八,为箬篷,为楫,为炉,为壶,为手卷,为念珠各一。对联题名并篆文,为字共三十有四,而计其长,曾不盈寸,盖简桃核修狭者为之”。同样是微加工(微小区域上的操作),从依赖能工巧匠,到依赖先进设备,我们还需要不断奋斗和前行。从大(系统)程序员的观点来看,计算机的根源始于此,没有制备开关的能力,再好的程序也难以立足,或者我们选择将程序放在我们的大脑中运行。

一些朋友很关心计算机和芯片的重要性,这里通过简单的计算来作答。一颗芯片的尺寸大致为100平方毫米,其价格约为人民币100元(远低于先进芯片的定价),照此加工一平方米的芯片(批量生产时集成电路技术的核心价值),其市值大致为1000000/100*100 = 人民币一百万每平方米。惊人乎?惊人矣!

以上内容与大家分享!



http://wap.sciencenet.cn/blog-1037866-1246568.html

上一篇:近期交流与思考小结
下一篇:回忆来时路,叙写新篇章

4 宁利中 黄永义 王安良 彭真明

该博文允许注册用户评论 请点击登录 评论 (1 个评论)

数据加载中...

Archiver|手机版|科学网 ( 京ICP备07017567号-12 )

GMT+8, 2021-2-26 18:34

Powered by ScienceNet.cn

Copyright © 2007- 中国科学报社

返回顶部