评郭光灿量子力学二次革命

----卡-丘空间精准量子力学二次革命

赵鱼广  葛代序 

摘要：原子轨道核外电子回旋的韦尔张量效应的量子信息隐形传输，与核内量子起伏质子卡西米尔效应产生负能量的超光速发射，两者本末出候天衣无缝的结合，成为量子力学二次革命的先声。这种量子编码解释了自然的很多秘密。

关键词：里奇张量 卡西米尔效应 量子编码 卡-丘空间

一、精准量子力学二次革命

2015年6月我国首届"量子力学二次革命"论坛在合肥召开，这是个非常激动人心的消息。因为所谓"量子力学二次革命"实际就是今天量子信息应用的革命，如量子态信息隐形传输，从发送方到接收方不用传输信息载体，这也是构建量子计算机的基础。而量子计算机和量子信息隐形传输机很多已经实现很大的发展苗头。如在量子信息的研究中，中科院院士、中科院量子信息重点实验室主任郭光灿，提出概率量子克隆原理，并推导出最大克隆效率公式；和在实验上，研制成功概率量子克隆机和普适量子克隆机，被称为"概率量子克隆"之父。

中国科学报记者赵广立采访郭光灿院士，他解释量子力学"二次革命"的号角，吹响于2014年为纪念贝尔不等式50周年，《自然-物理》杂志发表量子力学专刊，提出"二次革命"的口号。郭光灿认为，在目前乃至相当一段时间不过仍将是学术界的"冷门"和"少数派"。从事物理学哲学研究的中科院自然科学史所高山教授对此的认同是："人们至今对量子理论的诠释很多还停留在哲学层次。有了实验的重视，这个领域在5～10年内会有重要进展。"郭光灿也表示，当新的实验事实积累到某种程度时，人类中的"爱因斯坦二世"就会诞生，新理论也将应运而生，这是他对量子力学第二次革命的期待。

精准说清量子力学二次革命不容易。中国科学技术大学韩永建教授举例费曼，说他告诫学生不要问量子力学"为什么"，因为没人知道。举例玻尔说谁不对量子物理感到困惑，肯定就不懂。其实量子计算机和量子信息隐形传输机的工程应用研制，目前不顺利，也可以说是"停滞不前"，这和第二次超弦革命一样的。

例如，1976年27岁的丘成桐证明世界数学难题卡拉比猜想，这是1954年意大利裔美国几何学家卡拉比提出："曲率可以让空无一物的空间仍然有引力"。这里的曲率包括里奇曲率和来自里奇张量。丘成桐证明卡拉比猜想后，丘成桐和田刚在卡拉比-丘成桐空间尖端的翻转上，已为第二次超弦理论革命开辟了大道。因为弦理论中多余的维度会卷曲成卡-丘空间的形状，计算弦振动模式产生的影响，卡--丘空间都包含着洞，这就联系着环面线旋。田刚从数学上只严格证明卡-丘空间能放多少个球的公式，就解决了几百年的数学大难题。1987年丘成桐和田刚又发现一种翻转变换操作，使一定的卡-丘空间形式可以变换成其他形式。如想象把皮球的表面收缩到一点，使空间结构破裂，在破裂的卡-丘空间尖点，再"翻转"生成另一个球面。更精确的说，卡-丘3-流形的紧致化保持四分之一的原有超对称性不变，使卡-丘n-流形的紧致化显得很重要。因此威腾、施特罗明格等盛赞卡-丘流形是超弦理论上的顶端工作。

其次说来，卡拉比猜想也能联系卢昌海先生的《从奇点到虫洞》书中说的正质量猜想。该猜想说一个孤立体系的总能量是非负的，后被丘成桐及其学生舍恩和第二次超弦革命的旗手威腾所证明。弦论的战果扩大到庞加莱猜想，出发点变成了归宿点。庞加莱猜想是1904年法国数学家庞加莱提出的，是讲在一个三维空间中，假如每一条封闭的曲线都能收缩成一点，那么这个空间一定是一个三维的圆球。在争夺庞加莱猜想证明的过程中，虽然俄罗斯数学家佩雷尔曼领先，但在随后解读佩雷尔曼证明的三个版本中，中国数学家田刚和朱熹平等就分别占了两个版本。《环球科学》2012年7月号发表的《量子引力研究简史》一文，实为反映近一百年国际科学前沿研究弦理论的简史。它把1904年提出的庞加莱猜想，作为奠定当代弦论和卡-丘空间翻转数学基础的起点。这种量子引力研究的简史。在2007年出版的《求衡论---庞加莱猜想应用》一书中，还把该猜想一分为三：

一庞加莱猜想正定理：说的收缩或扩散，涉及点、线、平面和球面。二庞加莱猜想逆定理：说的收缩或扩散，涉及圈线、管子和环面。三庞加莱猜想外定理：说的空心圆球内外表面及翻转，涉及点内、外时空，和类似两地视频的通联。由此可想象一系列技术以一种意想不到的方式发挥协同并进的作用，与移动智能、机器智能和人工智能等互动相呼应，在产生大批的应用和设备。丘成桐教授曾在《数学与物理前沿》的演讲中解读说，近代弦论发现有不同的量子场论可以互相同构，然而能标刚好相反，这就可能因此有极小的空间不再有意义的观念改变。在微分方程或微分几何遇到奇异点或在研究渐近分析时，炸开（blowing up）分析是一个很重要的工具。炸开含有把内表面翻转成外表面，这亦是代数几何中最有效的工具。在北京2006年国际弦理论大会上，丘成桐先生又说，弦理论已经到了重大的革命性的前夜。所以《量子引力研究简史》一文虽然没有提到一个中国科学家的名字，但借助2006年俄罗斯数学家佩雷尔曼证明庞加莱猜想的宣传，可知中国人也在其中奋斗了很多年。

但国际国内到今天，无论超越超弦理论还是卡-丘空间的研究，并不顺利，也可以说是"停滞不前"。第二次超弦理论革命和量子力学二次革命的相同命运与遭遇，使人更感量子引力实为量子信息传输。再说量子计算机和量子信息隐形传输机的工程制造产品，需要量子纠缠的光子、电子、离子、原子等微观的粒子，但这绝不是一个或几个、十几个就得行的。这使大量微观量子纠缠的量子计算机和量子信息隐形传输机，实际类似一种"卡-丘空间"，也类似包含有大量的洞和孔，组合卷曲成多维度形状的环面线旋尖端翻转。这种多元组合类似大型管弦乐团的交响乐，其主旋律与和音不管来自交响乐团里的伴奏还是独奏，每个演奏者有操作的乐器。如弦乐组的小提琴、中提琴、大提琴、倍大提琴；木管组的短笛、长笛、双簧管、英国管、单簧管、大管；铜管组的小号、圆号、长号、次中音号；打击乐组的定音鼓、锣、镲、铃鼓、三角铁等；色彩乐器组的钢琴、竖琴、木琴、铝板钟琴等。对于一些如中国民族的特殊曲目，还会加入像唢呐，喇叭，二胡等民族乐器。这看似非常复杂，其实就类似整个卡-丘空间下面的各单元，同时又可以联系类比交响乐队的指挥。因为把整个交响乐团看作一个乐器，那指挥也是它的演奏者。这是其一。

其二，无论量子信息传输还是量子引力，都涉及光速和超光速的问题。而超光速又涉及是实数超光速还是虚数超光速之争。这就是高山教授说的"人们至今对量子理论的诠释很多还停留在哲学层次"。也如郭光灿院士所讲："微观理论和经典世界的矛盾导致了爱因斯坦与玻尔之争。"因此，"自量子力学诞生以来，人们主要在做一件事：求解薛定谔方程。这促使了激光、晶体管、核能等的产生。" 郭光灿评价量子力学的第一个100年："人们只关注能‘做什么'，不去问‘为什么'。" 郭光灿说，100多年没人回答清楚"为什么"，所以不能迷信权威。

其实政治和哲学，与物质和信息一样，也类似交响乐团模式的卡-丘空间。量子力学的产生，唯物论者的科学家也都遇到辩证唯物论的课题，100多年没人回答清楚，人们只关注能"做什么"，不去问"为什么"。爱因斯坦是"眼见为实"的老唯物论者，这种主张的实在论认为，量子力学理论不完备，才导致量子世界概率性和非局域性。玻尔是新唯物论者，他的"眼见为实"实在论是认为只有进行测量，即使量子世界是虚幻也必须进行测量，结果才知是否真实？这对经典物理学是一次革命的大转折。但其实，经典物理学一开始就是这样：如加速度是看不到的，伽利略测量圆球在斜面运动发现加速度。牛顿又将伽利略测量引出的加速度，变为测量的数学公式牛顿力学。这就是伽利略和牛顿开创的测量第一次科学革命，最终引发了后来的第一次工业革命。可见唯物论和辩证唯物论很难与时俱进，这就是后来造成各种"冷战"的原因。真实的东西最终不是物理、哲学和实验，而是数学：数学要求测量，测量得出数学规律，数学预算精准测量，测量巩固数学。但即使加速度的数学，也还远不止这一点。

加速度还区别了直线运动和圆周运动，而直线运动和圆周运动又引出了韦尔张量和里奇张量的区别。里奇张量联系里奇曲率、里奇熵流，最终登上爱因斯坦广义相对论方程和庞加莱猜想数学证明的大位，而成为攀登科学金字塔顶层的知识，把人类的智力分出层级。又如，从物理学的测不准原理到真空的量子起伏，再到卡西米尔效应的负能量引力，其实都是数学的数字"0"有关。用数字"0"推演，由于所有自然数的正、负相加等于0，所有实数的正、负相加等于0，所有虚数的正、负相加等于0，这样再配上时间、空间、物质、能量，就是"真空量子起伏"、"测不准原理"、"卡西米尔平板收拢效应"等一系列现代理论物理学解释自然现象的基础。"0"既在点外空间又在点内空间，把"无和有"、"连续与间断"，统一到韦尔张量和里奇张量，所以即使爱因斯坦比玻尔更天才更有天赋，但在大学，玻尔比爱因斯坦对数学课听讲更用功，让爱因斯坦吃了大亏。

今天看玻尔的哥本哈根学派量子力学正统诠释，虽不令人满意，但却促使了激光、晶体管、核能等的产生；加之新实验方法和手段的出现，为贝尔不等式进行的测量结果把关属真，量子力学二次革命也才有它提供的更多研究世界奥秘的有效工具，而堵住很多爱因斯坦类似的"眼见为实"老唯物论者的嘴。实数超光速变成学术界的少数派，是唯物论、辩证唯物论、物理和实验的进步。在20世纪前后玻尔兹曼、普朗克、爱因斯坦和玻尔等引发量子力学第一次革命的同时，绿色环保的马克思主义转型为红色革命的列宁主义，为创造和谐大国关系又增加了另一种模式的竞争。即在马克思主义原旨的避免陷入大国冲突走通过协商而不是战争建立起平等、相互尊重的关系和秩序的模式中，加入了苏俄从国内到国外理顺直辖市州、共和国、自治区、自治州、边疆区等联邦管区到组织起的阵营，形成统一全球局面的模式。这是一种不可抗拒的红色潮流，布尔什维克的民族平等、民族自决口号能促进被压迫民族的人民意识觉醒，同时也瓦解各国旧式中央与地方关系存在的思想文化基础，使苏俄能用各族人民的自决或公投，推行俄语、国家工业和农业集体化或私有化等斗争办法。

但列宁并不全是这样。十月革命前列宁批判庞加莱，大涨无产阶级文化派的志气。但十月革命胜利后，列宁立马把枪口对准无产阶级文化派批判。斯大林在二战中英明地把苏联的"科技治国"方针提升转型为"数学治国"，打败了法西斯。其实苏联科学家也不全是这样。十月革命胜利不久弗里德曼通过深钻解偏微分方程，求解出爱因斯坦广义相对论方程中，有类似气球膨胀模具模型的一个不同的膨胀解，就已经占领了现代宇宙学大爆炸论的高地。苏联数学家亚历山德罗夫，早在1922年就开始奠定莫斯科拓扑学派，引进庞加莱的一系列数学基本概念和拓扑结构，来建立映射定理、同调维数论、对偶性原理，发展连续映射、空间点集、空间紧致性、空间度量化等集合论方法与组合拓扑学方法，为前苏联培养了好几代大数学家，佩雷尔曼就是亚历山德罗夫最后的关门弟子。

所以苏俄模式的政治和哲学，其实也类似"卡-丘"空间，不知的是它组织起的阵营中的人民和科学家。因为任何统一全球局面模式的竞争，背后精准的都是科技竞争。例如苏联解体，美国、中国和俄国争夺庞加莱猜想证明高地，这不仅是一场各国政权之间的面子竞争，也是一场各国人民之间的智力竞争。但为什么这独被俄国人佩雷尔曼2006年获得国际颁发的数学"菲尔兹奖"？其实苏联解体，是苏俄模式的一个大"阳谋"：这是它棋高一着，从此可以甩开意识形态的包袱，公平、公开、公正地平等搞美俄核战等竞争。谁管得了？

但把今天量子力学二次革命与第三次超弦革命看成世界科学工业生产的竞争，那么这类似国际奥运比赛、奥数比赛，且是没有闭幕的奥运赛、奥数赛；它比赛项目的考题单一、明确和不变，就是要发展和应用相对论和量子论。如果比赛使用的模具、规则联系新型大国关系的两种模式，也就涉及核战争、核讹诈、核武器等带来毁灭后果的重杀伤性武器。但用类似量子纠缠、隐形传输等量子力学二次革命的成果给这类武器"上锁"，那么新型大国关系的强有力的执法机构，如有新型的联合国安理会，一方面是因"锁死开关"可以确保武器一直处于控制之下，无需采取任何军事行动；另一方面，也可以不加限制地在全球转让这类"上锁"的武器。因为"锁死开关"是与武器的核心芯片或弹药组装在一起的，要去除"锁死开关"，等于作废整个东西。因此这类似过去寺庙、祠堂、机关、人户等喜欢在大门口安的一对石狮子，即使在精神也起有警示不使用核武器的作用。

所以郭光灿院士在中国推波助澜世界科学工厂、世界科学工业类似的量子力学二次革命，意义是不同凡响。接下来的问题是：如何把少数派的量子力学二次革命变为多数派，不再走中国在庞加莱猜想证明上的惨痛老路？