疯狂填字游戏答案_疯狂填字答案全集

发布时间:2022-02-07       阅读:11857       作者:admin       分类:行业资讯

这是有史以来第一次,人类在科学实验中正式遭遇「灵异事件」。

121年前的 12 月 12 日,马可尼收到横跨大西洋、人类史上第一个无线电信号的那一天。

似乎什么都没有改变。

包括马可尼自己,当时没有人能够想象,在接下来的一百多年,通信会把世界变成什么样子。

2016 年 8 月 16 日,世界第一颗量子通信卫星「墨子号」从酒泉发射的那一天。

就像当年的马可尼一样,我们也无从想象,未来的量子计算与量子通信,终将带来一个怎样的魔法时代。

绝对安全的信息传输?

智商秒杀全人类的人工智能

瞬移、穿越不再是科幻?

潘建伟教授的量子通信卫星上天了。

5 年后,人人都会用无法破解的加密网络刷信用卡。你还觉得量子理论是象牙塔里的黑科技,和你的生活毫无关系?

让我们先从神秘的量子理论开始,解密量子通信。

这注定是一场不可思议的旅程。

如果你完全不懂量子力学,请放心大胆地往下看,我保证不用任何公式就能让你秒懂,连 1+1=2 的幼儿园数学基础都不需要。

如果你自以为懂量子力学,请放心大胆地往下看,我保证你看完会仰天长叹:什么是量子力学啊?

正如量子力学大师费曼所说:没有人懂量子力学。如果你觉得懂了,那肯定不是真懂。

在烧脑、反直觉和毁人三观方面,没有任何学科能够和量子力学相比。如果把理工男最爱的大学比作霍格沃兹魔法学校,那么唯一和量子力学专业相提并论的,只能是黑魔法。

然而,量子理论之所以如此神秘,并不是因为物理学家的故弄玄虚。其实,在量子理论刚诞生的摇篮时期,它只是一门人畜无害的学科,专门研究电子、光子之类小玩意儿。

而 「量子」 这个现在看来很厉害的名字,本意不过是指微观世界中「一份一份」的 不连续能量 。

这一切,都源于一次物理学的灵异事件。

百年战争

20 世纪初,物理学家开始重点纠结一个纠结了上百年的问题:光,到底是波还是粒子?

粒派

所谓粒子,可以想象成一颗光滑的小球球。

每当你打开手电,无数光子就像出膛的炮弹一样,笔直地射向远方。

很多著名科学家(牛顿、爱因斯坦、普朗克)做了很多权威的实验,确凿无疑地证明了光是一种粒子。

波派

所谓波,就像往河里扔块石头,产生的水波纹一样。

如果把光看作是一种波,可以完美解释干涉、衍射、偏振等经典光学现象。

很多著名科学家(惠更斯、杨、麦克斯韦、赫兹)做了很多权威的实验,确凿无疑地证明了光是一种波,电磁波。

可问题是,波和粒子毕竟是两种截然不同的东西啊!

粒子可分成一个一个的最小单位,单个粒子不可再分;波是连续的能量分布,无所谓「一个波」或者「两个波」;

粒子是直线前进的,波却能同时向四面八方发射;

粒子可以静止在一个固定的位置上,波必须动态地在整个空间传播。

波与粒子之间,存在着不可调和的矛盾。

于是自古以来,塞伯坦星上的科学家就分成两派: 波派和粒派 ,两派之间势均力敌的百年撕逼战争从未分出胜负。

很多人问我:科学家为什么要为这种事情势不两立,大家搁置争议、共同研究不就得了。

为了两个字:

信仰!

千面之神

且问你:《权力的游戏》中,信奉七神的维斯特洛人民,为何要与信奉旧神的关外野人拼个你死我活?

自古以来,人们为了信仰争端大开杀戒,早已不足为奇。

唯一的和谐社会可能是古希腊:他们的神多达百八十号,有管天上、有管地下,各路神仙各司其职,倒也井水不犯河水。

人称:希腊众神。

要命的是,科学家们信仰的神只有一个,而且是放之宇宙而皆准的全能大神。这位神祇的名字,叫作真理 。

大到宇宙的诞生,小到原子的运转,科学家们相信,这个世界的万事万物都是基于同一个规律,可以用同一个理论,甚至同一套方程解释一切。比如,让苹果掉下来把牛顿砸晕的是万有引力,让月亮悬在空中掉不下来的也是万有引力。用同一个方程,既能算出地球的质量,也能让马斯克的猎鹰九号火箭上天,这就是科学的威力。

想要一个宇宙、两种规律?

对不起兄弟,别在科学界混了,您可以去跳个槽,比如竞选总统。

当然,科学家们没有谁敢自称是真理的代言人,就连牛顿谦虚起来都是这样的:「我只是一个在海滩上捡贝壳的孩子,而真理的大海,我还没有发现啊!」

就算是捡贝壳,捡的多了,说不定拼到一起就能窥见真理之神的全貌呢!

整个科学史,就像一个集卡拼图的过程。做实验的科学家们每发现一个科学现象,搞理论的科学家们就绞尽脑汁推测它背后的运行规律。不同领域的大牛把各方面的知识、理论慢慢拼到一起,真理的图像就渐渐清晰。

在 20 世纪初,光学的知识储备和数学理论越来越完善。大家逐渐觉得,这一块的真相总算有希望拼出来了——结果却发现,波派和粒派的理论早已背道而驰,还各自越走越远。这就好比你集了一辈子卡片,自以为拼得差不多了。这时突然发现,你拼出的图案居然和别人是不一样的,而且差的不是一点点!

是不是有种把对方连人带图都砸烂的冲动?

当时波派和粒派都坚信,自己手上的拼图,才是唯一正确的版本。

双方僵持不下直到 1924 年,终于有人大彻大悟: 波 or 粒,为什么光不能两者都是呢?

也许在某些时候,粒子看起来就像是波;在另一些时候,波看起来就像是粒子。波和粒如同阴阳一般相生相克,就像一枚硬币的正反两面(波粒二象性),只不过我们一直以来都在盲人摸象、各执一词。

真理确实只有一个,但是真理的表现形式,会不会存在着多个版本?

难道真理就是那个千面之神,用千变万化的面目欺骗了我们如此之久?

灵异的实验

究竟是波,是粒,还是波粒二象,大家决定,用一个简单的实验来做个了断:

双缝干涉实验

双缝,顾名思义,就是在一块隔板上开两条缝。

用一个发射光子的机枪对着双缝扫射,从缝中漏过去的光子,打在缝后面的屏上,就会留下一个光斑。(等效于 1961 年电子双缝干涉实验)

在实验之前,科学家的推测如下:

第一种可能

如果光子是纯粒子,那么屏幕留下两道杠。

光子像机枪发射的子弹一样笔直地从缝中穿过,那么屏幕上留下的一定是 2 道杠,因为其他角度的光子都被板挡住了。

第二种可能

如果光子是纯波,那么屏幕上会留下斑马线般的一道道条纹。

光子穿过缝时,会形成 2 个波源。两道波各自震荡交汇(干涉),波峰与波峰之间强度叠加,波峰与波谷之间正反抵消,最终屏幕上会出现一道道复杂唯美的斑马线(干涉条纹)。

第三种可能

如果光子是波粒二象,那么屏幕图案应该是以上两种图形的杂交混合体。

总之,

两道杠 = 粒派胜;

斑马线 = 波派胜;

四不像 = 平局。

是波是粒还是二合一,看屏幕结果一目了然,无论实验结果如何,都在我们的预料之中。

第一次实验 :把光子发射机对准双缝发射。

结果 :标准的斑马线。

根据之前的分析,这证明光子是纯波。OK,实验结束,大家回家洗洗睡吧。

粒派不服:我明明知道光子是一个一个的粒子!

这样,我们再做一次实验,把光子一个一个地发射出去,看会怎么样,一定会变成两道杠的!

第二次实验 :把光子机枪切换到点射模式,保证每次只发射一个光子。

结果 :斑马线,竟然还是斑马线,怎么可能?我们明明是一、个、一、个把光子发射出去的啊!

最令人震惊的是,一开始光子数量较少时,屏幕上的光点看上去一片杂乱无章,随着积少成多,渐渐显出了斑马线条纹!

光子要真的是波,那粒派也不得不服。

问题是:根据波动理论,斑马线来源于双缝产生的两个波源之间的干涉叠加;而单个光子要么穿过左缝、要么穿过右缝,穿过一条缝的光子到底是在和谁发生干涉?

难道……光子在穿过双缝时分裂成了两个?一个光子分裂成左半光子和右半光子,自己的左手和右手发生了关系?事情好像越来越复杂了。干脆一不做二不休,我们倒要看看,光子究竟是怎样穿过缝的。

第三次实验 :在屏幕前加装两个摄像头,一边一个左右排开。哪边的摄像头看到光子,就说明光子穿过了哪条缝。同样,还是点射模式发射光子。

结果:每次不是左边的摄像头看到一个光子,就是右边看到一个。一个就是一个,从来没有发现哪个光子分裂成半个的情况。

大家都松了一口气。 光子确实是一个个粒子,然而在穿过双缝时,不知怎么就会变形成两道波同时穿过,形成干涉条纹。

虽然诡异了些,不过据说这就是 波粒二象性 了,具体细节以后再研究吧,这个实验做得人都要精分了。

然而,就在这时,真正诡异的事情发生了……

人们这才发现,屏幕上的图案,不知什么时候,悄悄变成了两道杠!

没用摄像头看,结果总是斑马线,光子是波;

用摄像头看了,结果就成了两道杠,光子变成了粒子。

实验结果取决于看没看摄像头?

这不科学啊,做物理实验竟然见鬼了啊!

一个貌似简单的小实验做到这份上,波和粒子什么的已经不重要了,重要的是现在全世界的科学家都懵逼了。

这是有史以来第一次,人类在科学实验中正式遭遇灵异事件。

观察者魔咒

你还没看出灵异在哪里?

好吧,请先看懂下面这个例子:

电视里正在直播足球比赛,一个球员起脚射门——

「咔」暂停,你预测一下这个球会不会进?

在球迷看来: 球进还是不进,和射手是不是 C 罗、梅西有关,和对方门将的状态有关,和裁判收没收钱说不定还有关。

在科学家看来: 有关的东西更多,比如球的受力、速度和方向,距离球门的距离,甚至草皮的摩擦力、球迷吼声的分贝数等等。

不过,只要把这些因素事无巨细地考虑到方程里计算,完全可以精确预测三秒后球的状态。但无论是谁,大家都公认的是,球进与不进,至少和一件事情是绝对无关的:

你家的电视。

无论你用什么品牌的电视,无论电视的屏幕大小、清晰度高低、质量好坏,无论你看球时是在喝啤酒还是啃炸鸡,当然更无论你看不看电视直播——该进的球还是会进,该不进就是不进,哪怕你气得把电视机砸了都没用。

你是不是觉得,上面说的全都是废话?那么,仔细听好:

双缝干涉的第三次实验证明了,在其他条件完全相同的情况下,球进还是不进,直接取决于在射门的一瞬间,你看还是不看电视!

看还是不看,这是一个问题!

光子从发射器射向双缝,就好比足球射向球门;用摄像头观测光子是否进缝、怎么个进法,就好比用电视机看进球。

第三次实验与第二次的唯一区别,就是实验 3 开了摄像头观察光子(看电视),实验 2 没放摄像头(不看电视)——两次实验的结局竟截然不同。

这,就是观察者的魔咒。

难道说,不看光子它就是波,看一眼,它就瞬间变成粒子?

难道说,「光子是什么」这一客观事实,是由我们的观察(放不放摄像头)决定的?

难道说,对事物的观察方式,能够改变事物本身?

三观崩塌

在所有人懵逼的时候,还是有极少数聪明人,勇敢地提出了新的理论: 光子,其实是一种智能极高的外星 AI 机器人。

之所以观察会导致实验结果不同,是因为光子在你做实验之前就悄悄侦查过了,如果发现有摄像头,它就变成粒子形态;如果发现是屏幕,就变成波的形态。

这个理论让我想起了传说中的:

难道机器人阿童木真的存在?(「阿童木」是日语「アトム」的发音直译,词语源自英语「Atom」,意即「原子」)

这种扯淡理论居然没被口水喷死,还要做实验去验证它,可见科学家们已经集体懵逼到了什么地步。

第四次实验: 事先,只有屏幕没有摄像头;

我们算好光子穿过缝的时机,等它穿过之后,再以迅雷不及掩耳之势加上摄像头。(等效于 1978 年惠勒延迟选择实验)

结果是啥? 无论加摄像头的速度有多快,只要最终加上了摄像头,屏幕上一定是两道杠;反过来,如果一开始有摄像头,哪怕在最后一刻秒秒钟撤掉,屏幕上一定是斑马线。

回到看球赛的那个例子,就好比:我先闭上眼睛不看电视,等球员完成射门、球飞出去 3 秒钟后,我突然睁开眼睛,球一定不进,百试百灵。

在你冲出门去买足彩之前,我先悄悄提醒你:这种魔咒般的黑科技,目前只能对微观世界的基本粒子起作用。要用意念控制足球这样的大家伙,量子还做不到啊!

请注意,加不加摄像头,是在光子已经穿过双缝之后再决定的。不管光子在穿缝的时候变成什么形态,过了缝应该就定型了。

既然光子的状态在加摄像头之前就定型了,为什么实验结果还是能在最后一刻发生变化?

难道说,在之后做出的人为选择(未来),能够改变之前已经发生的事实(历史)?

而且,加摄像头的速度,可以做到非常快(40 纳秒)。就算光子真的是个狡猾的微型变形金刚,当它变成波的形态穿过双缝,在最后一刻却发现面前是一个摄像头时,它也来不及再次变身了吧?

「主观决定客观」「未来改变历史」「外星人其实是无处不在的光子」……

好端端一个实验弄得谣言四起,物理学家们纷纷感到几百年来苦心经营的科学体系正在崩塌。

与之一起崩塌的,还有全人类的三观。

量子魔法时代的大幕,正在徐徐拉开。

为了一只猫的死活,100 年前的天才哲学家,学历最高的足球运动员,撩妹无数的量子力学教授……他们都在纠结个啥?

另一些人,却恰恰相反——他们做任何事,都是为了纠结,下面我要说的,就是另一些人的故事。

学历最高运动员

1908 年夏天。

丹麦,哥本哈根。

一名足球运动员正在思考自己的前程。

23 岁,是时候做个决定了。比自己小两岁的弟弟,已经成为国奥队的中场核心。在刚刚结束的伦敦奥运会上,哈那德·玻尔率丹麦队 17:1 血洗法国队,斩获银牌创造「丹麦童话」,一夜之间成为家喻户晓的球星。

而我,作为丹麦最强俱乐部——哥本哈根 AB 队的主力门将,居然从未入选国家队,这简直是一种耻辱。

国家队大名单里怎能没有我?

教练说我什么都好,唯一的弱点是喜欢思考人生。

上次和德国米特韦达队踢友谊赛,对手竟敢趁我在门框上写数学公式的时候,用一脚远射偷袭,打断我的思路!最后一刻不还是被我的闪电扑救解围,要是后卫早点上去堵枪眼,那场球踢完就可以交作业了。

是成为世界最伟大的门将,还是成为世界最伟大的物理学家,这是一个问题,我需要纠结一下。

第一章里我们讲到,100 多年前,为了搞清光子究竟是波还是粒子,科学家们被一个貌似简单的「双缝干涉」实验弄到集体「精分」。

这个实验明白无误地说明,光子既可以是波,也可以是粒子。

至于它到底是什么,取决于你的观测姿势 。

装摄像头观测光子的位置,它就变成粒子;不装摄像头,它就是波!

我们曾经天真地以为,无论用什么样的姿势看电视直播,都不可能影响球赛结果,可是在微观世界中,这个天经地义的常识好像并不成立,这就是那么多高智商理工男懵逼的原因。

但是在玻尔看来,将宏观世界的经验常识套用到微观世界的科学研究上,纯属自寻烦恼。

通过常识,我们可以理解一个光滑小球的物理属性;但是凭什么断定,组成这个小球的万亿亿亿个原子,也一定有着和小球完全相同的属性?

凭什么在微观世界中,原子、电子、光子,一定要遵循和宏观世界同样的物理法则?

一般人纠结的问题无非是:量子世界的物理法则为什么这么奇怪啊…… 只有天才,能够直截了当问出关键问题:这些法则是什么? 严格来说,量子理论是一群人,而不是一个人创立的。但是如果一定要选出一个「量子力学代言人」的话,我觉得非玻尔莫属,因为当别人纠结的时候,他第一个想通了。

通过前面那些烧脑的实验,玻尔总结了量子世界的三大基本原则:

态叠加原理

在量子世界,一切事物可以同时处于不同的状态(叠加态),各种可能性并存。比如,在双缝干涉实验中,一个光子可以同时处在左缝和右缝。这种人类无法想象的叠加态,才是最普通不过的本质形态;而在我们看来「正常」的非黑即白,才是一种特例。

测不准原理

叠加态是不可能精确测量的。比如,精确测出了粒子的位置,但它的速度却永远测不准!这并不是因为仪器精度不够高,其实,仪器再好都没用。这个不可能是被宇宙规律所禁锢的「不可能」,而非「有可能但目前做不到」。

观察者原理

虽然一切事物都是多种可能性的叠加,但是,我们永远看不到一个既左且右、又黑又白的量子物体。只要进行观测,必然看到一个确定无疑的结果。至于到底看到哪个态则是随机的,其概率高低取决于叠加态中哪个态的成分居多。

这样一来,实验解释起来就轻松多了:

「双缝干涉」实验的官方解释:

没装摄像头:光子在未观测的情况下处于「多种可能性并存」的叠加态,以 50% 的概率同时通过了左缝和右缝,形成干涉条纹; 装上摄像头:光子被观测后只能处于一个态,不能神奇地同时穿双缝了,所以干涉条纹就消失了。 这就是目前量子力学教科书上的正统理论:哥本哈根解释。

终于,一切都有了答案。

有了答案吗?

因为完美解释了双缝干涉等灵异现象,玻尔一(四)夜(面)成(树)名(敌)。 但小伙伴们却纷纷表示:这个理论不仅反直觉反人类,而且 bug 点很多! 比如,没有观测时,光子是混沌中的叠加态;观测的一瞬间,光子就变成了单一的确定态,请问两种态是怎样无缝切换的? 按照玻尔的说法,观测的一瞬间,光子就随机蜕变成多种可能中的一种,还把这个过程取名叫 「塌缩」 。具体怎么个塌法,玻尔自己也说不清。

再比如,既然触发「塌缩」的前提是「观测」,那么谁能够成为合格的观察者呢? 科学家、人类、一切生命体、还是包括人工智能在内的任何智慧形态? 众说纷纭之际,给玻尔带来致命一击的,是一只猫。

一只猫的拷问

10 年前,正是薛老师亲手写下了量子波动方程,与矩阵力学、路径积分一起,被后人并称为量子力学的三大基石。

10 年后的 1935 年,对「哥本哈根解释」的群起而攻之,薛老师打响了第一枪。 当时,几乎所有人觉得「叠加态」是个纯属幻想的玩意儿,却没人能真正驳倒玻尔和他的哥本哈根学派。 因为,「态叠加」「测不准」「观察者」无论这三大原理违和感多么强,都被玻尔视作量子世界不可挑战的公理。所谓公理,就像「两点之间有且只有一条直线」,或者牛顿力学三定律一样,是无法、也无须证明的宇宙基本大法。

在玻尔看来,物理学家的任务是透过现象找规律,而不是去质问上帝:你为什么要把宇宙设计成这样子? 而且,凭什么微观世界的宇宙法则,一定要和宏观世界的生活经验相符呢? 无懈可击的玻尔之盾,也只有金枪不倒的薛定谔之矛能够与之一战。

「薛定谔的猫」 就是薛老师用来挑战玻尔的头脑实验(以下实验纯属想象、推理,没有任何无辜的猫因此而被害)。 把一只猫关在封闭的箱子里。

和猫同处一室的还有个自动化装置,内含一个放射性原子:如果原子核衰变,就会激发α射线->射线触发开关->开关启动锤子->锤子落下->打破毒药瓶,于是猫当场毙命。 在这个邪恶的连环机关中,猫的死活直接取决于原子是否衰变;然而,具体什么时候衰变是无法精确预测的随机事件。

只要不打开盒子看,我们就永远没法确定,猫此时此刻到底是死是活。

刑具准备完毕,现在,薛老师对玻尔的拷问开始:

1. 原子啊、衰变啊、射线啊,这些都属于你们整天研究的「微观世界」,自然得符合量子三大定律,没错吧?

2. 按照玻尔你自己的说法,在没打开盒子观测之前,这个原子处于「衰变」+「没衰变」的叠加态,没错吧?

3. 既然猫的死活取决于原子是否衰变,而原子又处于「衰/不衰」的叠加态,那是不是意味着,猫也处在「死/没死」的叠加态?

原子衰变 = 死猫;原子没衰变 = 活猫;叠加态原子 = 叠加态的猫。

所以,按照哥本哈根解释,箱中的猫是不死不活、又死又活的混沌之猫,直到开箱那一刻才瞬间「塌缩」成一只死猫或者活猫?

薛老师的逻辑,其实就是反证法:以子之矛,攻子之盾。先假装你是完全正确的,然后顺着你的说法推理啊,直到推出一个荒谬透顶的结论——那只能说明你从一开始就错了!

至于为什么要放进一只猫,这又是薛老师的高明之处。 以前大家研究原子、光子,总觉得那是与日常完全不同的另一个世界;无论量子多么诡异,我们总可以安慰自己说:微观世界的规律,不一定适用于宏观物体。 科学家们做完烧脑的实验,还能回归老婆孩子热炕头的正常生活。 现在,薛老师把微观的粒子和宏观的猫绑在一起,要么你承认叠加态什么的都是不切实际的胡思乱想,要么你承认猫是不死不活的叠加态——别纠结,二选一。

连三岁小孩都知道,如果打开箱子看到一只死猫,那说明猫早就死了,而不是开箱的瞬间才死的——只不过它被毒死的时候,你装作没听到惨叫声而已。

你的理论告诉我们,猫在被观测前是不死不活的;那么,如果把你关进一个密室,你不也变成不死不活了吗?或者,在密室中的你看来,全世界的人都是不死不活的僵尸态?还是说,地球和太阳是否存在,都变成不确定的了? 薛老师的猫,本意是想让玻尔下不了台,万万没想到,这只猫却引发了唯心、唯物主义的大辩论。 哲学家们突然发现,终于有机会以专家的身份,来对科学界说三道四了。

「我思故我在」的误会

400 年前,一个法国大叔的思考,奠定了唯心主义哲学的核心思想。 假设世间一切都是幻觉,所谓人生,也许只是我们的大脑在黑客帝国的 AI 里做的一个梦,说不定身体正插满管子泡在培养皿中。

那么问题来了:如果一切都可能是幻觉,那么,还有没有绝对不是幻觉的东西呢?

有。

唯一不可能是幻觉的,只有「我们正在思考世界是不是幻觉」这件事。

我在思考,至少说明我还是个东西。

其实,唯心主义并不是「我想要什么存在它就存在」,而是「只有我的意识(心)无可置疑,世界却可能是幻觉」。所以,如果你认真看那些唯心主义哲学大师的著作,会发现他们的逻辑严密得令人发指。

而唯物主义者的观点则是「我在故我思」:世界肯定不是幻觉,不过每个人都把自己版本的幻觉当作客观世界的真相。但是,到底哪一个世界观才对呢?

由于唯物主义者无法证明这个世界一定不可能是黑客帝国,而唯心主义者也拿不出这个世界一定就是黑客帝国的确凿证据,所以谁也无法说服对方。

直到唯心主义者们听说了量子力学。

这么说来,主张「心外无物」的明代哲学家王阳明,早在 500 年前就发明了量子力学!

王阳明与友人同游南镇,友人问曰:

「天下无心外之物,如此花树,在深山中自开自落,于我心亦何相关?」

先生答曰:

「你未看此花时,此花与汝心同归于寂,你来看此花时,则此花颜色一时明白起来,便知此花不在你的心外。」

唯心所现,唯识所变。

未看此花时,花的存在是不确定的叠加态;起心动念的一刹,花才会从不确定态「塌缩」为确定态,你观察的世界因此呈现。

意识与物质互为因果,无法割裂。量子力学的「观测导致塌缩」就是唯心主义的铁证! 然而,很多人至今都不知道「意识决定观测结果」这个名声在外的量子黑科技,其实是道听途说导致的误会。 回到双缝干涉实验,如果科学家故意不观测实验结果,而是用机器自动记录;去掉人类的「意识」干扰,是不是量子态就不会塌缩了?

再比如,做实验时突然飞过一只苍蝇,在它的 N 只复眼注视下,光子的叠加态会因此而塌缩吗?(你以为苍蝇就没有意识吗?)

结果, 根本没有任何影响 !

屏幕结果是代表波动的斑马线还是代表粒子的两道杠,只与实验设备的设置有关,和谁来观测、是否观测无关。 只要实验中双缝全开,哪怕有一亿双眼睛盯着,看见的仍然是未塌缩的叠加态光子产生的干涉条纹。 现在看来,比玻尔那句毁人不倦的「观察导致塌缩」更准确的表述是:

只要微观粒子处于「可能被精确测量」的环境下,它就会自动塌缩,并不需要等待「观察者」就位。

所以归根到底,量子实验仍然是不以主观意志为转移的。

眼见为实?

只不过,我们无法精确测量,只能用概率分布来计算这个客观世界,那么,薛定谔的猫真的存在吗? 一开始,包括薛老师和玻尔本人在内,没有人相信世界上真会有不死不活、既死又活的猫。 可是不久之后,科学家们惊恐地发现,这件看似显然的事,居然没法证伪(证明猫不是叠加态)。

按理说,猫到底是不是叠加态,做个实验不就明白了? 可惜,这个实验至今做不出来——毕竟,我们没法让猫产生干涉条纹啊! 证伪不行,证实的方法倒是有一个:把这只猫造出来。 令人细思恐极的是,我们已经做到了。

1996 年,美国人梦露(男)用单个铍离子制成「薛定谔猫态」并拍下了快照,发现铍离子在第一个位置处于自旋向上的状态,而同时又在第二个位置自旋向下,而这两个状态相距 80 纳米之遥!

这是人类有史以来第一次,亲眼「看」到活生生的量子叠加现象。 不过,这毕竟只是单个离子,和猫相比还差了十万八千里啊! 2004 年,潘建伟团队首次实现了多光子的薛定谔猫态。虽然这只猫的身材依旧苗条——浑身上下只有 5 个光子,但还是令玻尔的追随者信心大增。

这说明,从单个微观粒子到严格意义上的薛猫(宏观量子叠加态),也许只是量变而非质变,它被亲切地称为:薛定谔的小猫。 如果继续增加粒子数量,是不是能把小猫慢慢喂肥成大猫呢?

然而,现实很残酷:目前「薛猫」的最高纪录,仍然是潘建伟 2012 年实现的 8 光子叠加态。要知道,为了增加区区 3 个光子,实验用了整整 8 年时间。可想而知,要让猫身上亿个原子同时处于量子叠加态,绝非易事。

在乐观者看来,这不过是暂时的技术困难,假以时日迟早会攻克;但也有人认为,量子世界与宏观世界之间存在着一道天然的结界,像猫一样大的宏观叠加态,也许是这个宇宙明令禁止的。

有朝一日,能不能造出一只眼见为实的大薛猫,至少现在,我们还不知道。 但是我们已经知道:即使是小猫,也蕴含着无比惊人的能量。

1935 年,薛老师很忙。 除了 N 多前女友和养猫以外,薛老师发现了量子的另一个诡异之处,而当时几乎没有人注意到这个问题。 为了研究微观世界,看看原子核这个大西瓜肚子里都有些什么籽儿,科学家祭出了最强大的武器:粒子对撞机。 欧核中心(CERN)的加速器就是干这个的:

最常见的现象是:母粒子被撞击后,分裂成两个更小的粒子 A 和 B。

因为能量守恒原理,子粒子能量相同,方向相反。比如说,因为母粒子静止不动,所以分裂后的子粒子 A 向左边飞,B 一定往右边飞,这样才能左右抵消。同理,A 的自旋(角动量)向上,B 的自旋一定向下。 至于具体是向上还是向下,这是个随机事件,必须观测后才能知道。

那么问题来了:根据量子理论,在不被观测的情况下,粒子处于多种可能性的叠加态。

举个例子。 就像箱子里那只不死不活的薛定谔的猫一样:A 和 B 这对龙凤胎粒子,自打出娘胎起,他们的性别就没确定,直到有人来看了一眼,这才瞬间分出男女!

然而和薛猫不同的是,箱子里的猫只有一只,孪生粒子却有两个。而且,这两个粒子即使相隔很远很远,叠加态也能保持不变。如同在千里之外,瞬间产生联系……

是时候@爱因斯坦了。

来自幽灵的威胁

大家都知道爱因斯坦创立了相对论。但很少有人知道,大神在 35 岁就已经功成名就(完成狭义+广义相对论),而在之后 40 年的悠长岁月里,他其实都在纠结一件事:量子力学。 曾经,他也是一个集美貌与才华于一身的男子:

研究量子力学 30 年之后:

能让爱因斯坦这种大神级人物「不明白」的,不是深奥的理论和复杂的公式,而是宇宙的意义。 爱因斯坦深信,宇宙在本质上是高度和谐的,这种和谐是可以通过数学之美体现出来的。 所以,一个理论如果不美,倒不是说一定是错的,但它肯定不够本质。 在更高的层面上,和谐,比对错更重要。而量子力学,在爱因斯坦看来,就是一种不和谐(不完备)的理论。

比如,量子力学的核心思想是:

微观世界的一切只能用概率统计来表达,而具体到单个的粒子,它的状态是不确定的叠加态。把这个粒子放大 N 亿倍,就成了薛定谔的猫。

这是第一个让爱因斯坦不爽的地方:量子力学否认了物质的实在性。 爱因斯坦认为,根本不存在薛定谔思想实验中那只不死不活的叠加态的猫。猫的死活在观测之前就是定数,只不过愚蠢的人类看不见箱子里发生的一切,只能推测出「50% 活 or 50% 死」的概率。 你是不是突然有一种,和爱因斯坦英雄所见略同的感觉?

打个不太恰当的比方(给量子打个恰当的比方真的好难!): 比如,我在知乎的粉丝男女比例是 80:20。 我相信,每个关注我的知友,一定都对自己的性别深信不疑。 然而,那些发明量子力学的疯狂科学家们,他们竟然说:80:20 的比例,说明每位知友的性别是不确定的,见面时 80% 的可能性会变成男生,20% 的可能性变成女生!

因为只有这样我才能解释,为什么线下活动时见面的都是男生,而索要福利的都是女生。至于女生为什么没来,可能是出于一些很简单的原因,比如当天身体不舒服。 仅仅因为我们不知道背后的原因,就认为人的性别是可以按一定概率随机改变的,纯属不切实际的猜想。

这个「背后隐藏的原因」,学名叫作 「隐变量」 。

当时包括爱因斯坦在内的很多人都以为,一旦我们揪出了隐变量,量子力学那些混沌不清的阴暗角落,就会被照亮得一览无余。 一个不掷骰子的上帝,一个确定无疑的世界,一个可以被人类的直觉完全理解的宇宙——这就是爱因斯坦的终极梦想。到那时,「薛定谔的猫」之类的奇幻故事,只能给孙子当哈利波特讲了。

结果,猫的故事还没讲完,薛老师又想了一出「孪生粒子叠加态」,第二次触怒了爱因斯坦大神。 因为这一次,量子力学要挑战的是相对论。 研究微观小世界的量子力学,怎么会和研究宏观大宇宙的相对论结下梁子呢? 这又是薛老师「一不小心」捅下的篓子。 在薛定谔「孪生粒子」的思想实验中,两个相距万里的粒子,观测出 A 的状态,也就知道 B 的状态,因为 A 和 B 都是一个母粒子分裂而成的, B 的状态一定和 A 相反 。

因为 A、B 两个粒子的 命运紧密相连 ,牵一发而动全身,所以薛老师给起了个性感的名字: 量子纠缠 。 这就好比如:母亲把一双鞋分给兄弟俩,他们各带一只远走他乡。中国的哥哥打开盒子发现是左脚,就知道弟弟带到美国的另一只一定是右脚。

看上去,这并没有什么稀奇。

稀奇的是,根据量子力学的说法,弟弟那只鞋左还是右,不是他妈决定的,而是哥哥「打开盒子」的行为决定的。在哥哥看到左脚鞋的一瞬间,鞋里飞出一个神秘的信号,闪电般穿过千山万水,通知美国的另一只鞋变成右脚!

这个速度能有多快?

无限快。

但是,上帝允许无限快的瞬时传送吗? 在这个宇宙中,没有东西能超过真空光速。不要说超过光速,就是试图接近光速的行为,都会导致时空的畸变。

宇宙的尺度是以「亿光年」为单位计的,在恢宏的空间中,银河系一边发生的任何事情,不可能立即对彼岸的世界造成影响。 就算此时此刻太阳爆炸了,我们还能逍遥自在地活 8 分钟,因为 8 分钟后,光才来得及从太阳飞到地球。 通过对粒子 A 的观测,居然瞬间让远方的粒子 B 的量子叠加态塌缩了——这被爱因斯坦斥为「幽灵般的超距作用」。

在严谨的学术界,「幽灵」是一个让人联想起伪科学的词。不存在超光速,更不存在超距作用,因为这是相对论的大前提:局域性。如果量子纠缠允许超光速,那么,是量子力学错了,还是已经被无数次实验证实的相对论错了?

在爱因斯坦看来,这压根不是个问题。 一双鞋,俩兄弟当时分到的就是哥左弟右;两个粒子,在分裂的一瞬间 A、B 的状态就是确定的。尘埃落定之后,你爱怎么观察就怎么观察,为什么要信量子力学那一套「观察决定实验」的鬼话? 只可惜,在量子面前,人类的直觉和常识又一次大错特错。

终极黑客:约翰·贝尔

超距作用(量子)vs 局域性(爱因斯坦),人们曾经以为,这是个永远不会有答案的问题。 因为如果做实验验证,这两者根本没法区分啊! 比方说,先制备一对所谓的纠缠态粒子,然后一个运到北京,一个放在上海。我先测量到上海的 A 粒子自旋向上,然后打电话去问北京的同事:哥们,你那边测下 B 是什么态? 100% 是自旋向下!

爱因斯坦和量子理论都预言,B 的自旋一定和 A 相反。 也就是说,仅凭测量是不可能区分两种说法谁对谁错的,这就好比两个人都赌同一个球队赢,如何分胜负呢?但是不测量,又怎么可能知道它在测量之前是什么? 显然,这个问题无解。

30 年过去,爱因斯坦、玻尔、薛定谔等一代宗师已经成为逝去的传奇,然而还是没有人认真思考过这个问题。

也许这就是为什么,做出这个近代物理学最重要的大发现的人,不是某位著名的教授,而是一位当时还默默无闻的工程师,也难怪当他投稿之后,文章居然被杂志编辑「不小心」弄丢了,拖了一两年才发表。

约翰·贝尔,36 岁提出「贝尔不等式」,欧核中心(CERN)加速器设计工程师,爱因斯坦的脑残粉,业余爱好是研究量子力学的基础理论。

我一直觉得,贝尔不像个正统科学家,更像个「物理学黑客」。虽然和计算机黑客相比,他破解的是原子而非比特;但是,论及思维之独特、技巧之高超、发现漏洞之敏锐,则是有过之而无不及。

众所周知,粒子 A 的自旋一定和 B 相反;但贝尔发现,所有人都忽略了一件事:自旋在三维空间是有 3 个分量的。

A 在 X 轴的自旋分量(Ax)如果向上,B 在 X 轴的自旋(Bx)一定向下,但是 B 在 Y 轴和 Z 轴上的自旋(By、Bz)呢? 如果爱因斯坦的局域性理论是对的,By、Bz 应该和 Ax 一毛钱关系没有,但是用量子力学算出来的结果,却有着微妙的区别:在某些情况下,By、Bz 和 Ax 之间竟存在着微弱的关联!

其他科学家们看到「贝尔不等式」先是嗤之以鼻,接着目瞪口呆,最后是深深的悔恨。这个深藏 30 年的宇宙级 bug,就这样被贝尔这位工程师挖了出来。 贝尔不等式的诞生,宣告了量子局域性之争,从哲学思辨变为实验可证伪的科学理论。

20 年后(1982),法国人阿兹派克特(Aspect)第一个成功验证了贝尔不等式,结论:

万万没想到,实验结果揭晓之后,最高兴不起来的居然是贝尔本人。原来贝尔是爱因斯坦的忠实信徒,人家下班不约会而去搞不等式的目的,就是为了证明量子力学错了! 之后,贝尔花了大半辈子的时间,试图找出实验的漏洞,直到去世之前还在思考如何修正局域性理论。 当然,这一切并没有什么用。

从阿兹派克特实验至今 30 多年,人们在光子、原子、离子、超导比特、固态量子比特等许多系统中都验证了贝尔不等式,所有的实验无一例外,全部支持量子理论。 如今,除了层出不穷的民科,已经没有人怀疑量子世界的奇异和真实。但很多人还是忍不住会想,贝尔不等式什么的还是太抽象了,能不能亲眼见证量子纠缠的魔力呢?

幽灵成像实验

比起喜欢用数学公式讲道理的贝尔,搞量子光学的史砚华可就实在多了。 我觉得,史教授 2008 年发明的「幽灵成像」,应该是证明量子纠缠绝非幻想的最直观的实验。 请认真看下图:

幽灵成像的原理通俗易懂:先把红光子和蓝光子「纠缠」到一起,然后两者分开各走各路。红光穿过狭缝打出一定形状的图案,蓝光不穿缝正常走。 实验结果绝对震撼:明明没有穿过狭缝的蓝光,竟然也投射出了与红光相同形状的图像! 如果这个实验能够早 70 年做出来,我真想看看爱因斯坦的表情。

这次,你总不能说:光子在纠缠之前就已经是那个形状了吧! 穿缝还是不穿缝,显然是在光子出发后才决定的。发生在红光子身上的所有事,蓝光子也会分毫不差地经历一遍。这样看来,仅仅把量子纠缠比作龙凤胎还远远不够,他们出生时珠联璧合,长大成人之后仍然是生死与共!而且,通过改变红光那边狭缝的形状,想让蓝光打出什么样的图案都可以。

这就意味着,我们可以远程发送图像甚至视频,而无论距离多远、哪怕从宇宙的另一端传过来都是瞬时传输的,延迟时间永远为 0。 然而,这岂不是违反相对论(任何信息和物质不能超过光速)的公理了吗? 并没有! 虽然信息是瞬时传送过来了,但要把其中的乱码剔除,提取出真正的内容,还是必须把图像用不超光速的传统方式再发一遍。让爱因斯坦操碎了心的「超光速」问题,原来只是杞人忧天!

大自然就是如此微妙。

宇宙的规则也许看似奇怪,内在却有着惊人的自洽性。 我们只能说相对论和量子力学之间存在着理论上的矛盾,但从来没发现物理规律本身有自相矛盾的地方。 如果把宇宙看作一个产品,最令人细思恐极的是:无论狡猾的人类捣鼓出多么刁钻古怪的实验,这个同时在线用户数高达 10^80(1 后面跟 80 个 0)的产品却从来不会被搞出 bug。

如果宇宙真有一个产品经理的话,请收下我卑微的膝盖,顺便想问一个问题是:为什么您的宇宙中会有量子纠缠呢?

量子纠缠背后的秘密

100 年前,量子力学的祖师爷玻尔说: 如果谁没有被量子力学惊到,那他肯定不懂量子力学。 爱因斯坦: 我思考量子力学的时间百倍于广义相对论,但依然不明白。 造出第一颗原子弹的费曼更直接: 没有人懂量子力学! 学了 100 多年的量子力学,今天,我们懂了吗?

墨子号首席科学家、中国量子通信第一人潘建伟说:「如果能搞清楚为什么有量子纠缠,我可以现在去死」,接着潘老师又说:「但是现在还没搞清楚,所以我想活得长一点……」

考虑到潘院士今年才 51 岁,这句话似乎暗示着,我们在 50 年后都不一定能搞懂量子了。

这些牛人说的「不懂」,可不是小学生学不会四则运算的那种「不懂」。我们已经搞清了微观世界的所有基本规则,建立了强大的数学模型,算出来的理论预测和实验结果分毫不差,但我们还只是一个拿到使用说明书的孩子,对于其意义和目的一无所知,莫名地好委屈。

然而现在,越来越多的线索显示,量子纠缠的背后,可能隐藏着一个巨大的秘密。

2013 年,Maldancena 和 Susskind 发现,量子纠缠和虫洞(虫洞即爱因斯坦·罗森桥)在数学模型上非常相似。他们猜想,量子纠缠也许就是一个微型虫洞。 量子纠缠中最神秘的现象「超距作用」其实并没有超越光速,而是像虫洞那样穿越了时空。这就是为什么,孪生粒子能够异地千里,同呼吸、共命运的真正原因。 请认真看下图:

而在 2010 年 Van Raamsdonk 的独立研究中,发现了更为惊人的线索。 他建立了一个类似真实宇宙的三维宇宙模型,一旦在模型中去掉量子纠缠,时间和空间就会被打乱成碎片。 正是无处不在的量子纠缠,像建筑物的钢筋结构件一样,把本应支离破碎的时空编织成了一个整体。 请认真看下图:

在有进一步的实验证据之前,我们无法评价这些猜想有多靠谱。但是令理论物理学家们心跳加速的是,各条独立的线索似乎指向着同一个宝藏。找到它,发现量子纠缠真正的秘密,就有可能理解在开天辟地、宇宙洪荒的大爆炸时刻,宇宙是怎样被建造出来的。

为了传说中的 One Piece,越来越多身怀绝技的人踏上了量子时代的大航海之路。 有人说:哲学家们总是用各种方式解释世界,但问题在于改变世界。其实,科学和文明的高度,取决于我们对于世界理解的深度。 通过认识和理解世界,猿人把手中的石块换成了自然规律,拥有了改天换日的力量。当一群不食人间烟火的理工男在实验室热烈地争论原子模型时,谁能想到,30 年后广岛在火海中的哭喊?

自从 1900 年普朗克发明「Quantum」这个单词至今,量子终于从哲学辩论会的题材,变成了魔法般的黑科技。 基于量子纠缠,可以造出比现在快 1 亿倍的量子计算机,而超距作用和贝尔不等式,则把量子纠缠变成了加密通信领域的终极武器。

改变世界的时刻真的到了!

公元前 54 年,深冬。 高卢,毕布拉克德。 罗马共和国高卢行省长——尤里乌斯·恺撒,借着帐篷里的烛火,正在一张羊皮上写着什么。 战况紧急! 恺撒的爱将西塞罗,突然遭到维尔纳人的围攻。 现在,必须立刻派一名骑兵送信给西塞罗,命令他重整旗鼓,两军合力突围。 可是,万一这封信被敌人截获怎么办? 想到这里,他不由自主地停下了笔,棱角分明的脸上,分明掠过一丝狡猾的微笑……

恺撒大帝、福尔摩斯与密码学

作为罗马的第一位独裁者,恺撒大帝还有一个鲜为人知的技能点:

其实,大帝不是历史上第一个想出加密算法的人。据说,我朝的姜子牙在 3000 年前,就发明了古装版密码本「阴书」。

但恺撒密码,却很有可能是首个广泛运用到军事通信领域的加密技术。 恺撒密码的原理,说白了就是一个字: 替换 ! 如果心里想的是字母 A,纸上就写 B;要写 B,就用 C 代替。当然,我也可以用 D 替换 A,用 E 替换 B,以此类推(偏移 3 个字母)。

只要收发双方都知道偏移量是几,就能轻松加密和解密;而外人看到的无非是一堆乱码。 这就让上课传小纸条,有了新招数!心里想(明文):I love U,老师看到(密文):L oryh X。 在今天看来,这种算法极易破解,毫无技术含量可言。但在当年的罗马战场,这就是令吃瓜群众望而生畏的黑科技! 在恺撒制霸罗马的全盛时期,就连教主耶稣都不得不服: 上帝的归上帝,恺撒的归恺撒。

然而讽刺的是,这样一位狂拽酷炫屌炸天、还精通密码谍战的军事天才,却死于一场密谋政变,生生被戳了 23 刀。为了纪念大帝,人们把恺撒制成了扑克牌上的标本:方块 K。

又过了一千多年,恺撒大帝和他的罗马帝国早已灰飞烟灭,恺撒密码和扑克却被后人发扬光大。 原版的恺撒密码,是用字母替换字母,而且所有字母还是按照偏移量顺序替换的,极大地降低了破解难度。到了维多利亚时代,这两个弱点终于被改进。于是,连福尔摩斯逮到的一个普通黑帮小弟,都学会原创这样的密码了:

我们来看,传说中的卷福,是怎样破解这种图形密码的。 在英文字母中 E 最常见。第一张纸条上的 15 个小人,其中有 4 个完全一样,因此猜它是 E。

这些图形中,有的带小旗,有的没有小旗。从小旗的分布来看,带旗的图形可能是用来把这个句子分成一个个单词。 现在最难的问题来了。 因为,除了 E 以外,英文字母出现次数的顺序并不很清楚,要是把每一种组合都试一遍,那会是一项繁琐且无止境的工作。 根据似乎只有一个单词的一句话,我找出了第 2 个和第 4 个都是 E。

这个单词可能是 sever(切断),也可能是 lever(杠杆),或者 never(决不)。

毫无疑问,使用 never 这个词来回答一项请求的可能性极大,所以其他三个小人分别代表 N、V 和 R。 如此这般以此类推,福尔摩斯利用上(主)下(角)文(光)逐(环)个(的)击(加)破(持),分分钟破译了全部 52 个密文:

不过,所有基于替换法的加密算法,都有一个致命的弱点:因为凡是用字母构成的文字,其字母分布都要符合语言规律,比如英文单词中 E 最常见,Z 和 X 最罕见,无论把字母替换成多么奇葩的东西,符号的分布规律永远不会变,用概率统计+穷举法+玩填字游戏的基本技巧,任何密文的破解只是时间问题。

就当小伙伴们都以为恺撒密码的发展已经走到头的时候,德国人谢尔比乌斯却给替换式密码来了一次大升级,造就了有史以来最可靠的加密系统,一度令盟军绝望的噩梦,让希特勒成也萧何败也萧何的二战谍报神器——英格玛密码机,又叫恩尼格玛密码机(ENIGMA)。

二战谍报神器跌落神坛

英格玛(Enigma)密码机牛在哪里?

1.机器加密

这是世界首台全自动的加密机器,而此前编码、译码一直靠人力。 我国由于国情原因,直到 20 世纪 80 年代还在用铅笔+纸的人肉编码方法。 用机器的好处不仅是省力,而且,可以轻松搞定人力难以企及的复杂算法。

2.复式替换

虽然基础原理和恺撒密码相同,但英格玛的字符替换方式却高级了不止一个档次:复式替换。 也就是说,如果你连打 3 个 A,恺撒密码的密文可能是 DDD,但英格玛的密文却可能是 BDA。 英格玛的神奇之处在于「转子」,它通过转动的方式实时改变替换方式,每敲一个字所用的替换方式都不同,这让依赖频率分析、概率统计的破解方法从此无的放矢。

原版的英格玛密码机只有一个转子,二战时期德军为了万无一失,把转子加到了 3 个。

疯狂填字游戏答案_疯狂填字答案全集  第1张

每个转子都有独立的设置,3 个转子所有可能的设置,高达 105654 种组合!这样一来,连穷举法暴力破解的一线希望都断了念想。 正因为英格玛在当时太过逆天,以至于德军从此高枕无忧,以为盟军这辈子也别想破解了。 他们说得没错。单凭人力,是不可能干过英格玛密码机的。能够破解这台机器的,只能是另一台机器,一台算力更强大的机器。

马拉松运动员同志阿兰·图灵 1941 年发明的机器解码,用传统的频率分析+机器暴力穷举干掉了英格玛,从此军情六处把德军的情报兜了个底朝天。直到盟军诺曼底登陆,德国人还没有反应过来,他们正是被自己的传家宝坑死的。

而图灵的这台机器,就是世界上第一台计算机。 在计算机时代,复式替换加密从此跌落神坛、万劫不复。 而且实战中还发现,有时最容易攻破的反而不是算法,而是人。 只要搞定那个掌握密码本的人,一切密钥都不攻自破。

全民加密:RSA 技术

显然,拥有密码本的人越少越好。 但问题是 How? 曾经,这是个无解的难题。 道理很简单:密码本必须人手一本,否则卧底同志们还拿什么来加密通信呢?

历史告诉我们,当所有人都认为无解的时候,换个思路,往往就是柳暗花明、醍醐灌顶的时刻。 传统的密码学中,无论采用何种加密算法,都默默地遵循着一个思维定式:加密和解密是互逆的,也就是说,只要知道如何加密,就一定知道如何解密,反之亦然。

这被称为「对称加密」。

而世间还有一种「非对称加密」(RSA):我可以把加密方法公开给全世界(公钥),但解密算法(私钥)只有我一个人知道,就算你知道如何加密,也不可能据此推出如何解密。 RSA 为什么能做到「知道加密算法也推不出解密算法」?

这基于一个数学事实:将两个大素数相乘十分容易,但对乘积因式分解、还原成两个素数却极其困难,而且数字越大,困难级别指数上升。 解密靠的是私钥,而破解私钥的唯一方法是猜出公钥是哪两个数字的乘积,因此,把大数乘积作为公钥公开是非常安全的。

举个例子:

37×97=3589 小学生都会手算,但是,问 3589 是哪两个数的乘积?你回答得出来吗? 如果觉得靠运气能凑出答案,你可以挑战一下这个:

在对称加密时代,密码本只能人手一本;有了 RSA,真正的密码本(私钥)只要总部的领导一个人知道就行,在各地卧底的特工们靠公钥就能加密发密文。 这就是为什么 RSA 能在短短 40 年内取代流传两千多年的恺撒,成为当今世界全民加密的事实标准:方便。

生活中,当你网购时,浏览器用公开下载的公钥把你的付款信息加密发送给服务器,服务器用没人知道的私钥解密信息,这一切是在你没有丝毫察觉的情况下悄然完成的。更给力的是,RSA 还是一个相当坚固的加密算法。

比如,上面那个用来吓人的数字,有 232 位(768 比特),这已经是当今地球上计算机能分解的最大整数了。 而你在网上随便申请一个免费的 https 加密证书,长度都有 2048 比特! 在回顾了人类几千年来的密码学成果之后,请你,把它们统统忘掉。 因为现在,无敌的量子通信来了。 它靠的可不是什么逆天的算法,而仅仅是两枚神奇的硬币。 当所有的密码都可以秒破,只有量子通信可以做到无条件安全。

未来,已来。

由一枚硬币开启的超距传输

喂,年轻人!我看你骨骼精奇,是万中无一的创业奇才。 我这里有一对魔法硬币,与你有缘,就十块钱卖给你吧! 别看它长得和普通的一元硬币差不多,这种硬币有一项:

你想啊,这种硬币如果做成情侣版,肯定大卖!尤其是异地恋:

你和你伴侣人手一枚,你在北京不断抛硬币 A,发出「正正反反」之类的信号,她在西雅图的硬币 B 就会自动变成「反反正正」,编码成「0011……」,再转成 ASCII 码就是:

I LOVE U

疯狂填字游戏答案_疯狂填字答案全集  第2张

理工男的浪漫,你懂不懂!

再想想,如果能好好包装一把,还能卖给国家航天局、NASA 之类的土豪机构! 从月球到地球 38 万公里,电磁波信号需要走 2 秒多。月球的宇航员别说游戏玩不了,打个电话都卡死机。火星就更远啦,1 亿公里,得延迟 5 分钟!

但是用无延迟的魔法硬币做星际通信,网游不卡了,电话不等了,干啥都流畅! 要问魔法硬币有没有缺点? 你还别说,是有个小问题,不过不影响使用啦——就是每次抛硬币时,翻到正面还是反面,要看人品(喂,喂!年轻人,别走啊…… )

好啦!以上故事是玩笑,但魔法硬币可不是玩笑。 用量子纠缠态的一对孪生粒子,自旋向上=硬币正面,自旋向下=硬币反面,就能做出如假包换的「魔法硬币」。 无论相隔多远的距离,处于「纠缠态」两个孪生粒子就像有心灵感应般,零延迟、发生同步反应。如果把孪生粒子放在两地,在地球观测粒子 A 发现自旋向上,火星上的粒子 B 会因此而瞬间变成自旋向下,仿佛两个粒子之间始终有一道穿越时空的纽带——这就是传说中的「超距作用」。

因为 A 的粒子自旋态始终和 B 的相反,所以地球人只需观测一下粒子 A,就能实时改变粒子 B 被火星人观测到的自旋态。当火星人读取出 B 的自旋态时,相当于接收到了地球发来的一个比特。 如果把孪生粒子比作一对魔法硬币,通信双方重复以上步骤、通过「抛量子硬币」传送信号的方式,就叫作量子通信。

问题在于,就算拥有把爱因斯坦吓傻的超能力「超距作用」,量子通信却没法用来瞬时传数据! 因为,每次硬币(自旋)是正是反,是个完全随机事件,不要说控制,连影响都做不到。你想发「正正反反」,它给你来个「反正反正」——试想如果不能畅所欲言,对方接收到的都是乱码,还谈何通信呢?

既然发的是一团乱码,那么就算能够穿越宇宙瞬时传送,也称不上是真正的通信。 爱因斯坦当年杞人忧天的「超光速通信」问题,就这样被「随机性乱码」天衣无缝地解决了。 要想用量子传点有意义的东西,解决的办法只有一个: 用量子通信发完「反正反正」之后,赶紧再用微信给对方补个留言「错对对错」,告诉他哪些信号是发错的,让他自己纠正。

也就是说,对方收到量子信息虽然是瞬时的,但要从一团乱码中找出真正的意义,还得靠传统通信方式,微信、电话延迟多久,量子通信就延迟多久。你是不是在想:既然如此,不如我直接发个微信得了,还要用量子通信干吗?

所以,只有聪明人才能看出,量子通信真正的威力。

无条件安全,可能吗?

每次我和朋友聊起「无条件安全」的量子通信,几乎所有人都认为我在吹牛。 大多数人直觉上认为,凡事无绝对。 你说破解难度很高,OK;说 99.99% 安全,或许吧;但打死我也不信,世界上存在无懈可击的东西。 但是他们忘了,绝对安全的加密通信,其实早在 75 年前就被发现了。 1941 年,信息论的祖师爷香农,在数学上严格证明了:不知道密码就绝对无法破解的安全系统,是存在的。

而且,更令人惊讶的是,这种绝对安全的密码出人意料的简单——只需符合以下 3 个条件:

一次一密:每传一条信息都用不同的密钥加密,断了敌人截获一本密码本后,一劳永逸的妄想;

随机密钥:生成的密钥是完全随机的,不可预测,不可重现,破解者更不可能猜出规律,自己生成所有密钥;

明密等长:密钥长度至少要和明文(传输的内容)一样长,破解者穷举所有密钥,相当于穷举所有可能的明文。

谁要是有本事通过穷举猜出明文,还来劳什子破解密钥干吗?

奇怪的是,香农发明「无条件安全」的 75 年后,我们居然还没能用上这个黑科技。因为在当时的技术条件下,要同时符合这 3 个要求根本不可能!

先说「随机密钥」:请计算机程序 rand() 生成的随机数其实并不是真正的随机,理论上,如果知道已经产生的随机数,就有可能获得接下来的随机数序列(可预测)。 再看「明密等长」:如果我能轻松吧这么长的密钥安全地发送给对方,为什么不干脆发送明文呢?这样岂不是多此一举?

最后「一次一密」:每发一次信息就要更新密钥,但通信双方又不能天天见面接头,否则还要加密通信干什么? 然而,在不计成本的最高级别通信场合下,「一次一密」还真的用上了。 比如先编写一部超级长的密码本,派特工直接交到对方手里,然后双方就可以暂时安全通信了。 仅仅是暂时。 密码本用完之后,特工又得出动再送一本新的……(007:你以为我是快递小哥吗?)

就这样,我们研究了 75 年的密码学,什么对称加密、非对称加密(RSA)和黑客们展开了无数次「道高一尺魔高一丈」的攻防大战…… 直到我们遇见了香农 75 年前预言的密码学终极形态:无条件安全的量子通信。75 年前没有人能想到,那些「看上去几乎不可能实现」的三大要求,简直就是为量子通信量身定做的。 就拿最简单的量子通信协议——孪生粒子的量子纠缠来举个例子:

1. 随机密钥:服务器生成一对孪生粒子 A 和 B,分别发送给通信双方。注意,A、B 被观测后的自旋状态是完全随机的,不要说敌人,就连自己人都看不出规律来!。

2.明密等长:要发送的「正正反反」是明文编码,量子通信随机产生的「反正反正」相当于密钥,微信发送的纠错码「错对对错」是加密后的传送内容。此时,正文、密钥、纠错码,三者的长度完全相同。

3. 一次一密:为了发送 4 个比特的明文编码「正正反反」,服务器总共生成了 4 次随机密钥,每次传输 1 比特明文,都有 1 比特密钥保驾护航。 此时,破解的可能性,不是万分之一,也不是亿万分之一,就是 0。而且,最令人不可思议的是,量子通信不仅无法破解,还自带反窃听属性。就算敌人截获了每一次密钥,同时拿到了「正正反反」「反正反正」「错对对错」三条信息,量子通信仍然是安全的!

下面,就是见证奇迹的时刻。

反窃听,掌握主动权

量子通信为啥能反窃听?

因为量子世界三大定律之一:测不准原理。 如果敌人想要截获量子密钥,必须先截获 A、B 两个纠缠态粒子,然后测一下自旋态。 问题就出在这里。 量子态不是先天决定的,而是被你的测量决定的:你测了,它就从魔法般的量子纠缠态,变成平淡无奇的确定态了。 还记得前面提到的工程师贝尔吗?

他发明的「贝尔不等式」原理,就是用来检测纠缠态粒子之间是否存在「超距作用」。 当被敌人测过的 A、B 粒子到达我们的同志手中,他们只要做一件事,就能看出量子密钥是否被动过手脚:用阿斯派克特实验验证贝尔不等式——如果发现 A、B 之间的超距作用已然消失,只能说明一件事:在我方测量之前,已经有人测过了。

虽然在原理上,通过验证贝尔不等式已经足以确保信道的安全,然而在实际应用中,做阿斯派克特实验实在太麻烦了。 所以量子通信卫星「墨子号」用的是更先进的量子密钥分配协议——BB84 协议。和原版量子纠缠通信的不同之处在于,它利用光子的偏振方向(而非自旋态)产生随机化的 0 和 1(量子比特)。 当然,BB84 的安全性同样依靠量子「测不准原理」:窃听者对量子信号的测量会改变信号本身,导致接收方收到的信号中乱码大增,从而暴露了自身的存在。

从军事的角度来说,比无法破解的通信更安全的,是无法窃听的通信;比无法窃听的通信更安全的,是能发现窃听者的通信;比能发现窃听者的通信更安全的,是我能发现有人窃听,但窃听者却不知道被我发现了的通信。

「不被窃听」很重要,「发现窃听者」很重要,这些都容易理解,但为什么「窃听者不知道被我发现」更重要呢?

因为,如果窃听者不知道他已经暴露了,我军可以将计就计,故意发一些假消息引君入瓮!把谍战的主动权抓到自己手中,在军事上,比被动地单纯反窃听更管用。 就拿二战的逆转战役「诺曼底登陆」来说,其实希特勒早就料到盟军会把赌注押在诺曼底,但盟军情报部门用了一年的时间给德军传送假情报,发出几千封加密电报供德军破译,硬是忽悠得元首大人连自己都不相信了。

量子通信就属于第三种:「我方可以轻松发现窃听,而窃听者却不知道被我发现」的加密通信,而且是当今所有已知加密手段中,唯一能做到第三层次的技术。

当然,窃听者也知道量子通信的厉害。正因为如此,没有哪个间谍敢随便窃听量子通信的信息,就算窃听到了也没人信:我怎么确定这次窃听到的情报不会把元首坑死? 而攻击量子通信的唯一方法,不是窃听、破解,只能是干扰:例如用强激光照射接收器将其「致盲」,量子信道被干扰成乱码,把敌我双方拉回到同一起跑线。 毕竟,量子通信的特长是反窃听,而不是抗干扰。

但这称不上是量子通信的弱点。其他所有传统通信方式,在干扰下都会难以为继,「无条件不受干扰」的通信,目前还没发明出来呢。

最强之矛与最强之盾

量子通信卫星「墨子号」上天之后,立刻遭到了某些民科的抵制。 有说阴谋论的,有说浪费纳税人钱的,就是没有一个能说清量子通信究竟是怎么回事。 不过,在这群流言之中,让我印象最深的,是一个网友的发帖。

前 4 个问题,看完前面的内容,读者应该都可以自己回答了。不过,起码人家还说对了一点:「目前的加密系统早就超过实际所需了,你啥时听过有银行是因为信息窃听被破解的?」

讲真,目前的加密系统并不是没法破解,而是破解成本太高。就拿银行最常用的非对称加密算法 RSA 来说,2009 年,为了攻破一枚 768 比特的 RSA 密钥,一台超级计算机足足算了几个月,这几乎是当今计算机性能的极限!

虽然理论上,RSA-768 已不再安全,但由于 RSA 算法的破解难度随着密钥长度指数级上升,所以让 RSA 再次固若金汤非常简单:把密钥位数加长到 1024 比特,就会让破解时间增加 1000 多倍。 其实,现在网上交易最普遍的 RSA 密钥,至少是 2048 比特。然而,在互联网时代大获成功的 RSA 加密,真的能让我们高枕无忧地用上 500 年吗?

未必!

RSA 加密的前提是「加密容易解密难」。在 RSA 的核心算法中,用到了大数因式分解:把两个素数相乘(A*B=C),比把这个乘积 C 做因式分解还原出 A 和 B 容易得多,数字 C 的位数越多,因式分解的时间就越长。

但是,有没有这样一种可能:随着算力越来越强,解密的时间越来越短,会不会有朝一日再长的密码都可以秒破呢?甚至,有没有可能出现,解密的速度比加密还快的尴尬局面? 这就是困扰计算机系的同学们 50 年的经典问题:P 是否等于 NP?

P 就是能在多项式时间内解决的问题,NP 就是能在多项式时间验证答案正确与否的问题。抛开复杂的定义不谈,P=NP 实际上问的是:如果答案的对错可以很快验证,它是否也可以很快计算?

一开始人们觉得,P 显然不等于 NP。

比如,「找出大数 53308290611 是哪两个数的乘积?」很难,但要问「224737 是否可以整除 53308290611?」这小学生都会算。 在密码学领域,这正好是我们想要的结果:加密(相乘)容易解密(因式分解)难。

如果 P=NP,就势必存在一种算法,使得对 53308290611 做因式分解和验证 224737 是否是因子一样快(加密和解密同样容易)。 如果 P 真的等于 NP,为什么这么多年,都没人想出这种逆天的算法呢?

然而,令人细思恐极的是,我们至今还没法严格证明 P 不等于 NP,反而有人发现,在某种特定的计算模型下: P=NP 竟然是成立的!

这种 「特定的计算模型」 叫作 量子计算机 。和非 0 即 1 的传统计算机不同,量子计算机的「量子比特」可以处于「既是 0 又是 1」的量子态。

在量子世界,这种不可思议的「既死又活」,反而是最平常的现象:量子叠加态。还记得薛老师那只不死不活、又死又活的混沌猫吗?

量子叠加,使得量子计算机具有传统计算机做梦都想不到的超能力: 在一次运算中,同时对 2^N 个输入数进行计算。

举例说:

如果变量 X=0, 运行 A 逻辑; 如果变量 X=1, 则运行 B 逻辑。

这种最普通不过的条件判断程序,在传统计算机内部,永远只会执行 A 或 B 的一种逻辑分支,除非把 X=0 和 X=1 的两种情况各运行 1 次(共运行 2 次)。

但对于量子计算机,A 和 B 在一次计算中就同时执行了,因为变量 X 是量子叠加态,既等于 0,又等于 1,这就意味着,普通计算机要算 2 次的程序,量子计算机只需算 1 次。

如果把量子比特的数量增加到 2 个: 如果变量 X=00,运行 A; 如果变量 X=01,运行 B; 如果变量 X=10,运行 C; 如果变量 X=11,运行 D。 有了 2 个量子比特,普通计算机要算 4 次的程序,量子计算机也只要算 1 次。

如果把量子比特加到 10 个,那么普通计算机要算 2^10=1024 次,或用 1024 个 CPU 同时算的程序,量子计算机只需要用 1 个 CPU 算 1 次。

看出问题的严重性了吗?

把量子比特加到 100 个以上,那么,当今地球上所有计算机同时运行 100 万年的工作量,量子计算机干完只要几分钟!

对于曾经需要消耗巨大算力才能破解的 RSA 加密,这是一个灾难性的未来。

1994 年,全球 1600 个工作站同时运算了 8 个月,才破解了 129 位的 RSA 密钥。若用同样的算力,破解 250 位 RSA 要用 80 万年,1000 位则要 10^25 年——而对于量子计算机,1000 位数的因式分解连 1 秒钟都不到。

在量子计算机的最强之矛面前,现在最流行的 RSA 加密将无密可保,所有基于 RSA 的金融系统将瞬间变成透明人。 唯一能防住量子计算机的,只有最强之盾:量子加密通信。

和 RSA 等依赖计算复杂度增加破解成本的加密方式不同, 量子加密通信是「无条件安全」的,对量子计算机的恐怖计算能力先天免疫。

虽然量子比特的制备极为困难,目前最高纪录只有可怜的 5 个量子比特,但谁也不知道,量子计算机的爆发——或者说传统加密的末日,将会在何时到来。

这就是为什么,在广大人民群众一片「看不懂」的声音中:量子通信卫星「墨子号」上天了;京沪量子通信干线快建成了;工商银行在北京用上了量子通信做同城加密传输;阿里云的数据中心已经在用量子通信组网。

暂时落后的欧盟,也信誓旦旦,要2018 年投入 了10 亿欧元做量子通信。 就连扎克伯格未满月的女儿,都让他爹读《宝宝的量子物理学》。

你还觉得这种高深的学问,懂不懂也没什么关系,反正全世界也没几个人能懂?

未来,已来。

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