中科院，专业 70 年，敢于下判断（内有福利

2019-11-01 15:22 作者:二次元的中科院物理所 0人读过 | 我要投稿

人们从未放弃预测未来

大胆下判断

小到房价股票涨跌

大到人生命运走向

也有人动物因为敢于下判断而走红……

比如 2010 年南非世界杯期间

因成功预测了多场世界杯比赛

而闻名的章鱼“保罗”

又比如在电子竞技圈里，“敢于下专业的判断”，却因在数次大赛前都给出相反预测，江湖人称“电竞毒奶”的著名解说“小色”。

这些事情可能十分巧合，

但一出现总是会让人觉得不可思议……

让人不禁陷入沉思

是不是真的有一股

神秘的东方力量

其实要说真正的东方力量

我们也不是谦虚

中科院作为科研“国家队”

过去这 70 年里

判断这块还是很专业的

不瞒你说，上面的那个70年

真的是个整数

11 月 1 日 （就是今天）

其实是我们中科院建院 70 周年的纪念日

我们给遥远的星辰下判断

中国科学院国家天文台

“500米口径球面射电望远镜”（FAST）

这颗“天眼”于 2016 年 9 月 25 日落成启用，已经发现了数十颗脉冲星。

(图片来自新华社记者刘续摄)

1988 年 10 月 16 日

北京正负电子对撞机 首次对撞成功

对那么小的电子，我们也下判断

复杂的材料，我们还是可以下判断

中国科学院物理研究所

高温临界超导研究在 1987 年获得重大突破我国超导研究跃入世界先进行列

还有太多写不下的东西

此处要扣一下题

什么叫专业，这就是专业

其实今年不仅是

中华人民共和国成立 70 周年

中国科学院建院 70 周年

11 月 1 号还是

中科院物理所微信公众号 5 周年

PLUS 百万关注达成

的重要日子

老朋友应该知道，中科院物理所微信公众号从第一篇文章发出和大家正式见面到今天，已经走过了五个年头了。但早在关注量仅有今天 1/5 的三年前，我们就十分精准地成功预测了公众号百万关注的达成日期，

有图为证

在五年的时间里，我们从一个默默无闻的小号，成长为一个拥有百万关注，在科普领域具有一定影响力的微信公众号。

虽然这条曲线进不了史册

……

但喜欢预言和下判断的

远不止我们一家

很多著名的物理学家

也敢于下“专业”的判断

量子世界的大胆预言

1979 年的普林斯顿，爱因斯坦诞辰一百周年的纪念会议正在举行。在这个纪念伟大陨落的会议上，一个震惊物理学界的新预言正冉冉升起。哥本哈根学派的物理学家约翰·惠勒（John Wheeler）设计构想了巧妙的“延迟实验”，得出了一个大胆而惊人的推论:“未来可以决定过去”！这个看似疯狂的实验背后有着这样一个故事。

在量子领域内，设想有一个粒子，我们不能知道它处于什么状态，因为它的状态是很多个不确定态的叠加。但当我们用仪器去观测到粒子时，粒子的状态就确定了（量子力学中，我们称之为“波函数塌缩到某个确定态”）。如果我们不想观察它了，把仪器撤掉，那粒子就会按照科学家计算出来的波函数方程发展，而不处于某种确定的状态。在我们拿着仪器去测量粒子的状态之前，它一直处于不确定态，只有被观测后才塌缩到某个确定态。那么，难道第一个有意识的生物的出现才使得从创生起至那一刹那的宇宙历史在一瞬间成为现实？

看不懂没关系，我们可以设想这么个例子。假设你是一名英语老师，在一次考试中，你发现自己的学生面对这样一道题陷入了沉思（看不懂这道题也没关系，不影响后面理解）：

If you fainted after seeing this question, you are likely suffering from

A. Pneumonoultramicroscopicsilicovolcanoconiosis

B. Pseudopseudohypoparathyroidism

C. Chargoggagoggmanchauggagoggchaubunagungamaugg

D. Hippopotomonstrosesquippedaliophobia

好难啊！这四个选项都完全不会（ò Д ó）！他的情绪波涛起伏，他的表情变幻莫测，他的脑海一片混沌，你完全不知道此刻他决定选（蒙）那个选项——实际上，他自己也不知道。

这位可怜的同学一会儿决定选B，一会儿又决定选A，正当这时，“叮铃铃——”下考了!收卷子的那一刻，他正巧想要选A，于是作为老师的你看到他的答案就是A。但是，如果还没有收卷子，这位同学一定会永远纠结下去——他脑海中想的是A，B，C还是D呢？你永远无从得知。

让我们更进一步，你十分勤奋，经常利用自习课给大家补课，因此教出来的同学考试总会得到满分。然而，在与你争夺自习课使用权的战争中屡屡败下阵来的物理老师由此心生不满，决定发动祖传“惠勒·延迟大法”招式，对你进行诅咒：在任何一次考试中，一旦你放心不下学生，从教室后窗偷偷看他们，那这次考试他们一定会挂科。

一开始你是不信的：我在教室后窗偷看学生，他们又不知道，怎么会干扰到他们做题呢？可是，你惊恐地发现，这个诅咒仿佛生效了。你是否偷偷观察学生们竟然真的可以改变他们的成绩，仿佛你们可以心灵感应似的！于是你灵机一动：我先不做决定，等临下考他们写完卷子交给监考老师了，我再决定要不要去看！但是很遗憾，这条看似完美的妙计竟然失灵了。即使学生们之前每次都考满分，这次也没什么不同，但是因为他们交卷之后你去看了一眼，满分试卷竟然都变成了错误答案……

惠勒设计的“延迟实验”就可以得到这么一个神奇的推论——我们的观测，可以决定之前粒子的运动轨迹。惠勒的实验装置如图所示。光源释放一光子 A，打在一面镀着半镀银的反射镜上。那么光子A可能会随机“选择”沿着红色路径（反射）和蓝色路径（直接透过）出发，或者同时经过两条路径（正如经典双缝干涉实验中，光子可以同时通过两条缝隙产生干涉条纹）。再利用两块不透光的反射镜将两条路径汇合。我们在汇合处的光屏上没有发现干涉条纹，证明光子A是通过红或蓝色某一条路径传播的。

我们现在在靠近光屏的地方放置第四块镀着半镀银的反射镜，使光子A先透过它再打在光屏上，光屏上竟然出现了干涉条纹！这说明光子 A 是通过两条路径同时传播的。

延迟选择实验示意图。在放上半反半透镜以后，屏幕上会出现干涉条纹（图片来自维基百科）

我们当然可以在粒子实际通过了第一个反射镜后快要达到光屏时，再临时决定是否要插入第四块反射镜，那么是否说明，我们可以在光子通过第一个反射镜后，再通过控制第四块反射镜的安放与否来决定它是如何通过第一块反射镜的呢？

这个看似有悖常理的实验震惊了整个物理界。

在五年后的1984年，马里兰大学的卡洛尔·阿雷（Carroll O Alley）实施了惠勒构想延迟实验，证实了后者的猜想是正确的：我们何时决定光子是否决定粒子穿过哪个缝隙，对于实验结果是没有影响的。用波尔的话来说就是：“任何一种基本量子现象，只在其被记录后才是一种现象。”

大胆预测中微子

1995 年中微子的发现者将当年的诺贝尔奖收入囊中，而中微子的起源要追溯到距今 100 年前实验物理学家们发现的一个奇怪的现象，这个实验现象与当时已有的理论不相符，泡利据此大胆预测了新粒子的存在，这个预测被后来的实验所验证，而这个新粒子也就是获奖的中微子。

中微子的发现来自 19 世纪末 20 世纪初对放射性的研究。众所周知，在量子世界中，能量的吸收和发射是不连续的。但奇怪的是，1919 年英国物理学家查德威克 (J.Chadwick) 通过实验测定发现：β衰变中发射的电子能量与原子核的质量损失并不相称，而且物质在β衰变过程中释放出的由电子组成的β射线的能谱是连续的，也就是说，β衰变发射出来的电子能量从零到最大值都有分布，有些电子的能量小于初末态的能量差 [1]。这岂不是表示发生 β 衰变后总能量减少了吗？

这下物理学家们开始慌了，这不符合能量守恒定律！物理学前辈们的棺材板都要压不住了。那么丢失的那些能量去哪了呢？又是什么原因导致了β衰变的连续能谱呢？如果不能解释这个现象那么物理学的基石就面临崩溃，这对物理界乃至整个科学界来说简直就是一个现实版 2012，这哪个物理学家能顶得住啊。

为了解释这一现象，不少物理学家提出假设又被实验推翻，甚至N·玻尔(Bohr Niels Henrik David)都一度认为，在亚原子粒子问题上，能量可能真的不守恒了，有可能能量守恒只是在统计意义上成立，对每一次衰变并不成立。对，你没想错，这里的玻尔就是历史上那个大名鼎鼎的玻尔，连他都开始怀疑能量守恒了，足以看出这个实验现象有多惊人了。

玻尔的这个看起来有点自欺欺人的解释显然不能让物理学家们满意，于是在几年后一个天才般的物理学家站了出来，试图为这个现象做一个合适的解释，并让物理学家们安心，物理学的大厦暂时还不会坍塌。泡利为解决β衰变的能谱问题，大胆地提出了中微子的假设。在美国物理学会的一次年会上，泡利正式报告了自己的新想法，在会上费米(E.Fermi)激动地打断了他的讲话，高声叫道：“就叫它中微子吧!”(按意大利文的意思是“微小中性的一个”)[1]。至此，这个新粒子拥有了姓名。

然后费米基于中微子假说和实验事实建立了β衰变理论。费米的理论定量地描述了β衰变的连续能谱和半衰期规律。不仅如此，引入中微子还稳住了物理学大厦的另外两块基石：“动量守恒”和“角动量守恒”，一种粒子同时解决了三大守恒定律在β衰变中的困境[1,2]。

这些漂亮的预测和理论没有让我们失望，20 多年后在实验中得到了验证，并因此获得了诺贝尔奖。不得不说这是个漂亮的预测，没有随着时间而黯淡，反而在时间的推移中逐渐焕发光彩。

由“小车”引出的大胆判断

作为一项让人激动人心的比赛项目，汽车拉力赛可谓是在全球拥有一大批拥趸，无论是赛道上疾速驰骋的赛车，还是场边摇旗呐喊的车迷，都足以令人热血贲张。

而在2017年4月的法国图卢兹，也有一场紧张刺激的“汽车赛”正在进行之中。

诶，可是我为啥没听到引擎的轰鸣声呢？

因为和传统的汽车赛不同——这场比赛是在法国图卢兹大学材料制造和结构研究中心的实验室中进行的。一群热爱科（kai）研（che）的科学家们聚在一起，举办了这场“纳米小车竞赛”。参赛的这些“车辆”也同样神奇——它们仅仅由数百个原子组成。而且这些“小车”需要在扫描隧道显微镜尖端的隧穿电流的作用下来完成“移动”。

在这场别开生面的“竞速赛”中，科学家们需要控制他们自己的“爱车”在由金原子排布的“赛道”中前进100纳米，时限是36小时——毕竟“小车”的车速实在太慢了，每次操作成功也只能前进0.3纳米左右，可以说是“真.龟速”前进了ㄟ( ▔, ▔ )ㄏ。

现今的科学家们之所以能够“愉快”地聚众赛车，离不开近十年来纳米科学以及相关领域的飞速进展给予的强大的技术手段和扎实的理论支撑。这一切，都可以回溯到几十年前的一个天才般的预言。

时间推回到半个多世纪以前，尽管原子的概念和一些理论早已经被提出，但是由于缺乏有效的观测和探索的手段，真正要在纳米尺度上搞出一番名堂更像是“痴人说梦”。因而彼时的所谓纳米科学领域还处在近乎一片“荒漠”的状态。

但是！尽管如此，有一个人敏锐地预见到了这其中蕴含的巨大潜力。

而这个人正是我们的老朋友，著名物理学家、非著名鼓手、开锁大师，理查德费曼先生。

1959年，费曼在加州理工学院的物理年会上发表了一次划时代的演讲 [3]。费曼在这篇标题为 There's Plenty of Room at the Bottom（底下的空间还大得很）的演讲中如是说，“人们和我讲，现在可以做出手指指甲大小的电动马达，但这不算什么”，他立场坚定且极富启发性地提出了一个新奇的概念：通过其他的手段，人类可以显著提高显微镜的精度；在此基础上，我们甚至能够在微观尺度上实现对原子的一个一个地操控，进而能够实现对原子的重新排布——更进一步地，甚至可以进行有计划地组装“微型车辆”，“甚至更小的设备”。

这些断言在当时可谓是天马行空，然而时间证明了一切——而等待的时间也并不长久。费曼预言的“更好的显微镜”首先出现了。1981年Gerd Binnig和Heinrich Rohrer 发明了扫描隧道显微镜 [4]，使得人类可观察的尺度延伸到了 0.1 埃（10^-11米）量级，这极大地拓展了人类探索微观领域的手段：人类首次真切看到了一个个原子排布成的“美妙图景”。

更重要的是，通过扫描隧道显微镜的针尖的调控，科学家真的能够对原子进行“搬运”，甚至如同有了魔法般把原子在表面上“赶来赶去”——没有这些，我们开头所说的“汽车比赛”恐怕还只是停留在科（sai）学（che）家（shou）们的脑海里。