从爱因斯坦到霍金的宇宙章节测验答案_百度文库
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从爱因斯坦到霍金的宇宙章节测验答案
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你可能喜欢量子力学框架中的多世界解释与薛定谔的猫
针对薛定谔的猫思想实验，科学家进行多种验证，1996年，美国国家标准与技术学院科学家成功实现了单原子（铍）级相干实验，设定两个相干态的波包模拟处于即死又活的猫讯（Everett）美国量子物理学家休·埃弗雷特提出的多世界诠释被认为属于第三类平行，从量子力学的角度看，此类平行宇宙发生的每一个事件都会产生无数个可能性事件的宇宙，在埃弗雷特看来，在测量过程中，初始状态波函数所存在的宇宙“分裂”成许多个相互不可观测的，却又同样真实的宇宙分支，每一次测量只会产生一个结果，各个分支宇宙中的结果显然是不同的。由埃弗雷特首次的EWG诠释就是在寻求量子力学体系的内在解释，观察者是孤立系统的内在组分，也是波函数的描述对象。2001年，美国宾夕法尼亚大学教授Max Tegmark在纪念量子发现一百周年时发表了一篇文章，他认为根据退相干理论以及最新的实验表明多世界诠释可以取代正统的哥本哈根解释，是量子力学的最新诠释。多世界诠释一共经历了三个发展阶段：第一，1957年埃弗雷特发表了《量子力学的相关态解释》；第二，1973年《量子力学多世界解释》和1999年《心与世界的量子力学》；第三，2007年在牛津大学举行的埃弗雷特50年之量子力学解释会议。由埃弗雷特首创的量子力学多世界解释（EWG理论）需要在数学体系的指导下形成诠释，这就要求EWG理论要消除经典观察者，对此，埃弗雷特导入了两个基础假设，第一个是复杂性假设，该理论认为世界是足够复杂的，可以分解成单一的系统；第二个是纯波动力学，可提供数学模型给予支持。在多世界理论中，观测者被认为是孤立系统与其他子系统之间相互作用“连接系统”，而无数个“可能性”世界并非抽象的，而是与我们所处世界拥有相同的真实性和客观性，德威特曾经评价过“世界分裂”的观点，他认为由于无数系统之间的相互作用导致了宇宙正在不断地分裂出令人惊讶的“分支”，每一个分支都对应着一个与我们宇宙极为相似的时空。从宇宙学的角度上看，多世界解释阐释了量子测量过程中形成的波包坍缩，对此，埃弗雷特重新给出了量子力学的相关态的表述，并认为所有的孤立系统演化都遵循着薛定谔方程，而波函数是不发生坍缩的。在复合系统叠加态中，每一个观察者都可以感知到一个确定的结果，波函数的坍缩看似是在一个主观水平上发生，但是观测者只感知到一个确定的结果。1970年，海德伯格大学科学家首次阐述了退相干理论，该理论解释了系统波函数之间各分支相干性破坏，当测量仪器与观测者相互作用之后，就会出现退相干过程。多世界解释中提到“分裂”一词，这个说法被逐渐用平行并完全的世界来取代，这些无数衍生出来的平行宇宙在相同的时间和空间中并存，按照多世界理论的解释，实验观测可以形成无数平行宇宙，比如其中一个平行宇宙中的实验对象依然存活，另一个平行宇宙中的实验对象已经死亡，此类最著名的案例为薛定谔的猫实验，这个思想实验揭示了量子力学世界中的神奇一面，薛定谔将辐射原子的可能衰变与一只猫的命运联系起来，由于辐射原子可能衰变也可能不衰变，因此这只猫就处于即死又活的状态中。埃弗雷特认为宇宙间的相互叠加在波函数确定之前就存在无数种可能性，它们之间是相互平行的，观察者的出现并不是让发生的概率出现变化，而是从无数种可能性空间中选择了一种，就如同无数波函数叠加态一样，由此形成的平行宇宙数量是非常可观的，估计的数字为10的100次方个。针对薛定谔的猫思想实验，科学家进行多种验证，1996年，美国国家标准与技术学院科学家成功实现了单原子（铍）级相干实验，设定两个相干态的波包模拟处于即死又活的猫。2000年，纽约州立大学石溪分校研究小组运用一个无耗散效应的超导环成功模拟“死猫”和“活猫”的叠加态。薛定谔的猫作为一个微观与宏观的纠缠态，将微观原子的衰变与不衰变状态与宏观猫的死活状态相联系，其对于理解量子力学中量子态的非定域性十分重要，此外，对于理解量子测量中瞬间波包坍缩也是非常有帮助的。在现实生活中，退相干效应的存在，在量子与经典物理介质过渡的领域，量子物理学则还原为经典物理。在2007年，埃弗雷特50年量子力学解释的国际会议上，科学家认为多世界解释并不违背哥本哈根解释，只是从一个不同于哥本哈根解释的角度与完善量子宇宙。2007年，科学家在研究宇宙微波背景辐射（CMB）信号时发现了巨大的宇宙冷斑，暗示了我们的宇宙之外还存在平行宇宙，根据最新计算结果，平行宇宙或处于其他维度的时空中，彼此相距为1毫米。
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还能输入140字16秋学期《从“愚昧”到“科学”-科学技术简史（尔雅）》在线作业&
16秋学期《从“愚昧”到“科学”-科学技术简史（尔雅）》在线作业 _0002
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1.二项式定理是谁发明的？
B.莱布尼茨
D.阿基米德
2.迄今为止的为止阶段最重要的成果是什么？
A.实验精神的酝酿
B.实验精神的形成
C.经验精神的酝酿
D.经验精神的形成
3.行星运行三大定律是谁提出的？
4.人类科学发展不包括以下哪个阶段？
A.古埃及和两河流域时期
B.古希腊时期
C.古印度时期
D.迄今为止的为止阶段
5.参与了编纂《崇祯历书》，并帮助清庭创制历法的西方传教士是谁？
6.以下哪一项属于17世纪科学院的代表？
A.伦敦科学院
B.意大利科学院
C.柏林科学院
D.中国科学院
7.中世纪发展的最伟大的成就是什么？
A.小学的兴起
B.中学的兴起
C.大学的兴起
D.研究院的兴起
8.编纂了《仪象志》、《（康熙永年）历法》、《坤舆全图》等等，对于中国的近代的科技的发展做出了卓越的贡献的西方传教士是谁？
9.以下哪一项是达尔文进化论的最主要的观点？
A.自然选择
B.共同起源
C.用进废退
D.获得的性状可以遗传
10.以下不是量子力学的创立者的是哪一个？
C.爱因斯坦
11.以下西方天文学家对中国明清时代的天文仪器的制作及天文观测起过较大影响的是？
12.以下是达尔文的观点的是哪一项？
A.共同起源
B.用进废退
C.获得的性状可以遗传
D.物种不变
13.第一次以数学方式提出能量守恒定律的是谁？
C.亥姆霍兹
14.恩培多克勒认为万物由什么元素组成？
A.水、火、气、土
D.原子和虚空
15.德国的科学体制化进程是德国的一种传统，这种传统包括以下哪个方面？
A.工业和农业的结合
B.工业和农业和科学的结合
C.农业和大学和科学的结合
D.自然科学和社会科学的结合
16.科学主义认定真正的科学知识只有一种，是什么？
B.人文学科
C.自然科学
D.社会科学
17.基伯和德谟克里特认为一切事物的本质是什么？
C.水、气、火、土
D.原子和虚空
18.中国有自己的传统的系统的知识体系，这个系统的知识体系不包括以下哪一项？
19.哥白尼在研究过程中所采用的模型是什么？
A.托勒密模型
B.亚里士多德模型
C.阿里斯塔克模型
D.经典宇宙模型
20.希腊最早的科学的体系的学派是什么？
A.斯多亚学派
B.米利都学派
C.毕达哥拉斯学派
D.爱菲斯学派
21.中国古代思想最重要的传承方式是什么？
22.中国古代技术的成就主要集中在八大门类，其中不包括以下哪一项？
A.陶瓷和织染
B.冶铸和建筑
C.水利和天文
D.造纸和印刷
23.科学史最狭义的标准是什么？
A.十四十五世纪欧洲的科学
B.十六十七世纪中国的科学
C.十五十六世纪欧洲的科学
D.十六十七世纪欧洲的科学
24.俄罗斯数学学派的创始人是谁？
A.莱布尼茨
B.哥德巴赫
25.爱因斯坦于哪一年提出狭义相对论？
26.数学的产生与以下哪一项无关？
A.财物分配
C.天文学计算
D.农业生产
27.生物发展的方向由什么决定？
D.生存斗争
28.“自然界所有的事物都有其自身的目的”是谁说的？
A.亚里士多德
C.苏格拉底
29.以下不是遗传病的是哪一项？
30.真正的第一批的职业科学家产生于哪里？
A.巴黎科学院
B.俄罗斯科学院
C.中国科学院
D.英国皇家学会
31.遗传病的治疗方法是什么？
A.置换基因
B.药物治疗
C.化学治疗
D.放射治疗
32.孟德尔将什么方法运用于遗传学的研究？
33.以物质的指标衡量，人类经历的各个时代依次是什么？
A.铁器时代、石器时代、铜器时代、复合材料时代
B.石器时代、铁器时代、铜器时代、复合材料时代
C.铜器时代、石器时代、铁器时代、复合材料时代
D.石器时代、铜器时代、铁器时代、复合材料时代
34.四元素说是谁的理论？
A.德谟克利特
B.亚里士多德
C.恩培多克勒
D.苏格拉底
35.以下说法中错误的是哪一项？
A.基督教有一种观念是研究自然也就是研究上帝。
B.基督教有人认为自然会体现一种神性的秩序。
C.基督教对科学研究总是起消极作用的
D.基督教有人认为研究自然有助于发现宗教
1.古代文明总是落后的。
2.《几何原本》是由徐光启翻译的。
3.绝对黑体可以把照射到其上的光线全部吸收而不发出任何辐射。
4.乔治·萨顿写了80份科学史的重要研究文献母。
5.最早发展的知识是计算和几何。
6.生物世界存在图景和演化图景的建立有助于我们对生物世界内在规律的探索。
7.高等动物是直接适应环境的。
8.第一次科学革命是以经典力学体系的确立为标志的。
9.DNA的分子中碱基间是互补配对的。
10.从概念上讲，人类所创造的一切物质和非物质成就，就是文化。
11.中世纪的经院哲学及大学包含了一些对于后来科学发展有利的因素和铺垫。
12.柯南特意识到科学史对科学发展具有重要的意义。
13.蛋白质是构成生命本质的最重要的物质。
14.亚里士多德认为植物和动物是同时产生于自然界的。
15.本杰明·汤普森于1798年发表《论摩擦激起的热源》，并否定了热质说，确立了热的运动学说。
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－苏格拉底
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薛定谔的货币
- 卢昌海 -
本文是应《科学画报》约稿而写的短文， 本站版本包含了若干注释， 并在若干人名和术语初次出现时注有英文。
本文的发表稿增添了一小段引言， 但正文内容经编辑修改后略有删节， 标题则改为了 “无法伪造的货币”
喜欢量子力学科普的朋友或许都听说过 “薛定谔的猫” (Schr&dinger's Cat)，
那是量子力学创始人之一、 奥地利物理学家薛定谔 (Erwin Schr&dinger)
提出的一个将量子世界的某些奇异特点放大到宏观世界的理想实验。 2010 年 4 月，
英国《新科学家》(New Scientist) 杂志的顾问编辑马林斯 (Justin Mullins) 为自己的一篇有关量子货币
(Quantum Money) 的文章拟了一个与 “薛定谔的猫” 很谐音的标题， 叫做 “薛定谔的现金”
(Schr&dinger's Cash)， 可惜在发表时未被采用。 本文有心继承那个聪明而有趣的标题，
不过考虑到它所具有的谐音在译成中文后已不复存在， 而本文所要介绍的是量子货币， 因此将它改为
“薛定谔的货币” (可惜这一标题在本文发表时也同样未被采用， 看来 “薛定谔” 三个字在中外编辑那里都有些
“票房毒药” 的意味)。
说到货币， 虽然经济学家们可以写出很多大部头的著作来， 但对普通人来说， 想得最多的恐怕就是自己钱包里的那些钱，
那也正是本文感兴趣的东西。
钱的重要性， 相信大家都心领神会， 所谓 “有钱能使鬼推磨” (或者反过来， 穷困的时候 “一分钱难倒英雄汉”)。
这样重要并且多多益善的的东西， 自然会有很多人想要获取， 其中包括采用伪造的手段来获取。 可以毫不夸张地说，
人们伪造货币的历史， 就跟发行货币的历史一样悠久； 人们伪造货币的手段， 就跟发行货币的手段一样高明；
而人们伪造货币的规模， 有时也跟发行货币的规模一样庞大。 这听起来有些夸张， 其实不然。
伪造货币在和平时期通常是个人和集团的行为， 在战争时期则有可能上升成国家行为。 比如独立战争后期的美国，
有三分之一以上的美元是英国政府伪造的； 而二战后期的英国，
则有三分之一以上的英镑是德国政府伪造的。
为了遏制伪造货币的行为， 各国政府都绞尽了脑汁。 1696 年， 英国政府甚至聘请最富盛名的科学家牛顿 (Isaac Newton)
担任了英国皇家铸币厂 (Royal Mint of the United Kingdom) 的主管。 这位科学巨匠一方面亲自督管货币的重铸，
从技术上遏止伪造； 另一方面则凭借自己高超的推理查证能力， 亲自追缉伪造货币的罪犯， 并对他们施以重刑。
牛顿的这种技术和刑罚 “两手抓、 两手都要硬” 的做法， 直到今天依然被各国政府所采用。
从刑罚上讲，
伪造货币在各国都是重罪， 从技术上讲， 今天的货币已经采用了诸如专用纸张、 荧光纤维、 水印、 安全线、 全息标识、
微缩文字、 光变数字、 磁性油墨、 防复印油墨、 凹版印刷等一系列防伪技术。 可惜的是， 这一切措施虽一再抬高了伪造货币的门槛，
但在巨大利益的驱使下， 伪造货币的行为却依然 “野火烧不尽， 春风吹又生”。
伪造与反伪之间的这种 “货币战争” 可以几百年甚至几千年如一日地持续进行， 一个很根本的原因，
就是迄今所有的货币防伪标识都是宏观尺度上的。 从物理学的角度讲， 没有任何宏观尺度上的防伪标识是原则上不可复制的。
因此只要有足够的实力， 货币的发行者能够办到的事情， 伪造者就也能办到。
那么， 有没有可能存在一种防伪标识， 它受物理定律的直接保护， 从而在原则上就不可复制呢？
量子货币想要回答的就是这个问题。 有些读者或许会觉得奇怪， 像量子这样一个来自微观世界的概念， 怎么会跟货币联系起来呢？
那是因为， 迄今人们所知道的唯一一种原则上不可复制的东西就来自微观世界， 它就是所谓的量子态，
即微观体系的状态。 1982 年， 美国物理学家伍特斯 (William Wootters) 等人证明了一条有趣的定理， 叫做量子不可克隆定理
(Quantum No Cloning Theorem)， 它表明一个未知的量子态是原则上不可复制的。
为什么会有这样一条定理呢？ 那是因为要想复制一件东西， 通常要首先对它进行观测， 以获取有关它的信息，
然后再依据那些信息进行复制。 但量子世界的一个著名特点， 就是几乎所有观测都会对量子态产生不可忽视的干扰，
从而妨碍人们获取复制所需的信息。 而一旦无法获取复制所需的信息， “不可克隆”
也就不足为奇了。
现在， 读者们想必自己也能猜到量子货币的思路了： 既然量子态是不可复制的， 那么只要将量子态作为货币的防伪标识，
货币也就变成不可复制的了。 猜得不错， 这正是量子货币的核心思路。 有意思的是，
这种思路实际上早在量子不可克隆定理问世之前的 20 世纪 60 年代末就出现了。 当时美国哥伦比亚大学
(Columbia University) 的一位名叫威斯纳 (Stephen Wiesner) 的研究生提出了一个设想，
那就是在货币上配置一个储存光子的量子器件， 利用光子的量子态作为货币的防伪标识。
威斯纳并未直接使用量子不可克隆定理那样的东西。 事实上， 在他和后来其他人的设想中，
作为防伪标识的量子态往往只有为数很少的几种选择， 即便有量子不可克隆定理的保护，
伪造者也可以通过随意制备那几种量子态中的一种， 来碰运气。 不过，
这种碰运气的做法碰对一个量子态容易， 要想碰对十个、 一百个就不太可能了。
这就好比掷硬币掷出一个正面不难， 但连续掷出十个、 一百个正面却不太可能。
因此威斯纳的量子货币可以通过增加量子态的数目， 而将伪造货币的可能性减小到微乎其微。
与普通货币的防伪技术不同， 威斯纳量子货币给伪造者带来的麻烦是受物理定律保护， 从而是原则上就无法突破的。
但是， 威斯纳的设想也有一个严重的缺陷， 那就是只有银行， 确切地说是只有发行货币的中央银行，
才能检验货币的真伪——因为只有他们才知道每张货币的量子态。 其它人若贸然检验的话， 不仅无从判别检验结果的通过与否，
反而会破坏量子态 (别忘了检验也是一种观测， 而观测可以干扰量子态)，
使得货币因检验而作废。
这个缺陷的严重性是不言而喻的。 因为如果每一位想要检验货币真伪的人都必须求助于中央银行，
那不仅对于想要检验货币真伪的人是很大的麻烦， 更会使中央银行不堪重负。 相比之下， 普通货币的防伪能力虽弱，
却让每个人都能进行一定程度的检验。 对于像货币这样被广泛使用的东西来说， 这无疑是至关重要的。
那么， 威斯纳量子货币所具有的缺陷是否能被弥补呢？ 在回答这一问题之前， 让我们先想一想，
一种具有实用意义的量子货币究竟应该满足什么条件？ 很明显， 第一个条件是它能被中央银行所发行
(即中央银行有能力制造)， 这是所有货币的共同特点。 第二个条件是除中央银行外其他任何人都无法复制，
这是量子货币有别于普通货币的主要优点。 这里所说的无法复制既可以是如量子不可克隆定理那样的严格意义下的无法复制，
也可以是像威斯纳量子货币那样的概率意义下的无法复制。 第三个条件则是必须克服威斯纳量子货币的缺陷，
即必须让所有人都能检验真伪。
这三个条件都很直观， 但实现起来却并不容易。 直到距离威斯纳量子货币 40 年后的 2009 年，
才由麻省理工学院 (MIT) 的计算机学家阿伦森 (Scott Aaronson) 提出了一种方案。 而这可怜的方案连年关都没熬到，
就被阿伦森的几位校友联手推翻， 因为他们发现这一方案的检验环节存在漏洞，
使得伪造者无需严格复制量子态就能滥竿充数。 无奈之下， 阿伦森决定 “弃暗投明”，
与那几位不打不相识的校友携起手来， 共同研究量子货币。 这个由计算机学家、 物理学家及数学家组成的
“量子货币俱乐部” (Quantum Money Club) 的工作效率还算不错，
很快就提出了一种新的量子货币方案。
不过， 无论是新方案还是阿伦森那个已经夭折的旧方案， 它们为了克服威斯纳量子货币的缺陷，
都不得不付出了一个并非无足轻重的代价， 那就是减弱自己的防伪能力。
我们知道， 威斯纳量子货币的防伪能力是受物理定律保护的，
这种防伪能力被称为信息学意义上的安全性 (informational security)。
而阿伦森等人的方案由于要让所有人都能检验量子货币的真伪， 不得不走出物理定律的保护伞，
转而求助于一种类似加密程序那样的算法保护。 这种算法保护通俗地讲， 就是迫使伪造者做一道一辈子也做不完的计算题。
这种受算法保护的防伪能力被称为计算意义上的安全性 (computational security)，
它与受物理定律直接保护的信息学意义上的安全性相比， 要逊色一筹。
但真正要命的是， 迄今为止阿伦森等人并不能证明他们的方案具有计算意义上的安全性， 也就是说，
那道号称能让伪造者一辈子也做不完的计算题是否真有那么难， 他们无法给出证明。
在他们的论文中， 甚至不无悲观地表示， 要想证明他们的方案具有计算意义上的安全性，
或许需要等待新的数学工具。
由此看来， 量子货币的设想虽然巧妙， 迄今为止却还面临很多理论问题。 除理论问题外，
量子货币其实还面临一个非常实际的困难， 那就是完整地保存一个量子态是一件极其困难的事情。
事实上， 即便投入一整个物理实验室的设备， 在极低温的环境下， 量子态也往往只能被保存很短的时间。
而量子货币要想具有实用性， 必须能在钞票所具有的微小体积内， 在钱包所处的常温条件下， 就将量子态保存足够长的时间，
而且所需费用必须控制在极低的水平上 (除个别小额货币外， 那费用起码要低于货币本身的面值)。
这在目前几乎是一件 “不可能任务” (mission impossible)。 事实上， 就连阿伦森本人也在一篇博文中承认，
也许没等人们解决量子货币所面临的理论和实际困难， 货币本身就已被其它东西替代而退出历史舞台了。
但即便如此， 对量子货币的研究依然有它的意义， 因为量子货币作为一种有趣的理论模型，
可以帮助人们推进量子计算、 量子密码等新兴领域的研究。 而且谁知道呢，
说不定哪天人们能克服量子货币所面临的困难， 为货币乃至其它东西的防伪开辟一个新的天地。
网友： 星空浩淼 & (发表于 )
“美国物理学家伍特斯 (William Wootters) 等人证明了一条有趣的定理，
叫做量子不可克隆定理 (Quantum No Cloning Theorem)”——这个定理证明起来那么简单，
以至于第一次接触它的人， 总想寻找它的漏洞。
从数学上看， 量子态之间的张量积， 相当于 “几个独立事件同时发生的概率等于各自发生的概率相乘” 这一原理在
(非纠缠的) 几率幅上的体现， 把它与量子态的线性叠加原理一结合， 就产生不可克隆定理。 因此，
在线性叠加原理不满足的 “非线性量子力学” 中 (假如存在这种量子力学的话)， 该定理就不适用。
网友： 卢昌海 & (发表于 )
“这个定理证明起来那么简单， 以至于第一次接触它的人，总想寻找它的漏洞”——我看见国内有些人宣称找到了漏洞，
理由是克隆算符不是线性算符， 因此原证明中利用算符的线性性所做的推理是无效的。
那实际上是把对方通过反证法得到的结论当成前提来用了。 一旦确认了克隆算符不是线性算符， 证明就已经完成了，
因为那已经证明克隆过程不是量子力学的状态演化。
“在线性叠加原理不满足的 ‘非线性量子力学’ 中 (假如存在这种量子力学的话)，
该定理就不适用”——只能说该定理的原始证明不再适用， 该定理本身仍有很大可能性成立， 因为要想让该定理不成立，
量子力学不仅需要是非线性的， 而且必须是让克隆过程能成为演化过程之一的那种特殊的非线性。 这几乎是不可能的，
因为那意味着巨大的非线性， 而不仅仅是对现有量子力学的非线性修正——后者必定是微小的。
网友： 星空浩淼 & (发表于 )
昌海兄分析得很有道理， 我完全赞同！
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