人工智能科普知识 人工智能科普知识手册

人工智能通识-科普-双缝实验

在前一篇文章 人工智能通识-科普-量子化的原子结构 中，除了概率与随机，其实还提及了一个更深层可怕的事情： 世界的本质是个波函数 ，它描述了宇宙基本粒子（如电子和光子）的出现方式。

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世界是个函数？这是什么！科学家怎么会得到这么奇葩的结论？

这个诡异的实验纠缠了全人类科学家300多年，至今仍然没有足够让所有人满意的。

实验很简单，左侧一个发光光源，光线穿过一个不透光纸板上的小孔，这样模拟点光源，然后再穿过第二个不透光纸板上的两条竖缝，你认为右侧灰色纸板上会呈现什么图形呢？两条竖线或者是？

正确不是A，而是B。

如果你还没感觉到意外，那么尝试猜想，你用自己替换掉块小孔遮光板，不停地向两条细缝投掷飞镖，你的飞镖后都会落在右侧的灰色板上，板上很多飞镖会形成什么样的图案？肯定是A，而不是B。

为什么会形成B图那样的图案？因为光是一种波。

如果我们把两个球同时左右丢入水面，激起的两个水波互相交叠扩展开来，就会形成一条一条的纹样。这和我们双缝实验的结果类似。

如果我们堵住一条竖缝，结果会怎样？

结果会变成一条很普通的竖条，只有一条，因为没有了干涉。

光是粒子，也是波，具有波粒二象性，这不是什么新科学知识 。

但当科学家们尝试每次连续发射单光子的时候，双缝实验带来更多启发：

科学的解释是， 在我们观测之前，光子具有量子属性，它既有可能穿过左侧竖缝，也有可能穿过右侧竖缝，也就是说它可以同时通过了两条竖缝，或者说它的路径是穿过左右双缝的两条路径的叠加 。

这就像说一个飞镖同时穿过了两条竖缝一样不可思议。但 在我们观测之后，光子的量子属性坍缩了，变成确定的只通过一条裂缝典型粒子 。

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。 这是明朝哲学大家王阳明的一句名言，粗粗糙说这句话就是在讲，你看或者不看的观察行为会对花产生影响。

量子力学中世界的纯粹客观性不复存在 。

我们习惯的认为 过去决定现在 ，但在量子世界可能是相反， 现在决定过去 。

1979年普林斯顿大学纪念爱因斯坦100岁诞辰的讨论会上，物理学家约翰惠勒John Wheeler提出了一个 延迟选择实验Delayed cho experiment ，这个实验可以视为双缝实验的升级版本。

实验是这样设想的：用光子发出一个光子，在其行进路线上设置一个半透镜，那么光子会叠加地同时沿两条路径前进（向前穿透或者被90度反射向下）。

然后再利用45度放置的全反射镜面和半透镜将两路光线会合。

如果不加入探测装置，即不观测，则依照量子力学，光子会在屏幕上打出一个点。如果加入探测装置，即人的“意识”选择观测，则依照量子力学，会在屏幕上打出干涉条纹。

问题就出在这里，如果光子作为粒子即将到达屏幕形成小点的时候，我们突然在中途加入探测装置，那么它就会突然变为波状条纹。

这意味着什么？我们可以人为的改变光子的历史，决定光穿过前面的半透镜的方式（粒子或波）。已经穿透镜面的光子，可以等待人们的决定后再“延迟”选择如何穿透镜面。人的“意识”可以决定客观事物的历史原因。

当时这只是个想实验，但不幸的是五年后这个实验被科学的实现并证实了。

1993年，另外两位科学家进一步想出了利用量子力学的炸弹检测器Elitzur–Vaidman bomb tester。如有一个遇到光子会爆炸的光敏炸弹，利用这个探测器就可以在不引爆炸弹的情况下检测出这是否一个真光敏炸弹。

下图中左下角和右上角浅灰色矩形表示半透镜，左上角和右下角的是全反射镜。A是光子，C和D分别可以检测干涉条纹或粒子光点的探测器。

这三个实验非常烧脑，后两个我也没有完全明白，后续会尝试更好的解说。

在牛顿经典力学，世界是纯客观的，你看或者不看，宇宙都如此这般的遵照规律运行。

而在量子力学中，观察者的身份是至关重要的，观察者是科学理论有效的必要部分（而不仅是可选部分）。你看或者不看，结果会不同，历史也会不同，决定过去和未来的，都是现在这一瞬。

观察者如何定义？难道宇宙直到只草履虫出现才变得“明白起来”？还是要等到个人类出现？

我们可以确定，智能观察者对宇宙的影响与设备不同，我们对光子的检测行为与留有双缝的木板有着不同的作用。至于这里面的原因，量子力学并没有给出，或者并不关心是否有，是否人类的观察和木板的遮挡有什么不同，这些都还是未解的疑问。

也许这些疑问本身就不是疑问，因为量子力学已经把原因和结果之间的链条敲断，他们的信条是： 任何一种基本量子现象只在其被记录之后才是一种现象 ，不可观察的内容不属于科学范畴。

END

人工智能通识-科普-薛定谔猫和维格纳的朋友

由邮电出版社出版的《人工智能通识》面向我国人工智能的通识教育与专业技术人才的培养。全书共8章，分为3篇，分别为人工智能的基本理论、人工智能的应用以及人工智能的融合拓展，涵盖了目前主流的人工智能技术。《人工智能通识》在介绍人工智能的基本原理时，尽量回避了相关的复杂模型和算法设计，方便读者在层面理解人工智能的应用形式和未来的发展路径。此外，书中每章都设计了一些思考与练习的题目，以便读者在课堂练习和研讨中使用。

人工智能通识-科普-量子擦除器

若光束是由经典粒子组成，将光束照射于两条相互平行的狭缝，则在探射屏应该会观察到两个单缝图样的总和。但实际并不是这样，如下图所示，在探射屏显示出一系列明亮条纹与暗淡条纹相间的图样。 这个实验在19世纪初就已经被英国科学家托马斯·杨Thomas Young正式提出，也称之为 托马斯杨实验 。

若把光视为波，如下图所示，则可以解释这种现象。

但是，如果把光束逐渐减弱，终又可以看到干涉图案是由很多小点组成，这又说明光具有粒子特性。

后的科学结论是光子具有 波粒二象性we–particle duality 。

波和粒子两个属性是 量子互补Complementarity principle 的，即有此无彼，有彼无此。

波可以同时通过两条细缝，而粒子只能通过其中一条。如果我们在双缝处尝试观察光子是否通过，那么光子会表现成粒子一样被我们正常检测到，但同时后面屏幕上的干涉图案也会神奇的消失。

同样，尽管光子作为波同时通过两条细缝之后，在屏幕上显示出光点也是 波与粒子叠加态终坍缩成粒子 的结果。

如果一个光子表现为好像是通过一条通向探测器的路径，那么它必须作为粒子进入双缝装置；如果一个光子表现为好像它是由两条难以区分的路径来表现的，那么它必须以波形进入双缝设备。

这里就存在一个悖论：如果在光子处于飞行中途时改变实验装置，则光子应该反转其关于是波还是粒子的原始“决定”。当这些设应用于星际维度的装置时，地球上关于如何观察光子的后决定可能会改变数百万甚至数十亿年前做出的决定。

但是，当光子处于飞行中途的时候，如果我们把它视为一种未知的 叠加状态Superition of states ,这种状态既可以表现为波动，也可以表现为粒子，那么这个时间悖论就可以得到解释。

在1982年，两位科学家斯库里Scully和德鲁尔Drühl提出一个实验可以在获得光子路径信息之后再擦除这个信息，终让干涉条纹再次出现。也就是说，可以先观察光子的粒子属性（路径信息which-path rmation），然后再擦除这个观测使之再次表现为波动干涉条纹。

这个实验的简单描述版本着这样的。

左侧A图可以知道，光子的具体路径是可知的，右上角处向上蓝色的光子通过右下角的反射镜，向右的红色光子通过左上角的反射镜。

但右侧B图就无法知道光子的具体路径信息，因为右上角的分光镜把路径信息又混淆擦除了。

简单说， A图屏幕①②处都不能得到干涉条纹，而B图屏幕③④则能得到干涉条纹。

如果在x或y处观察光子，同样可以确认光子通过的路径，但这些信息将被右上角的分光器擦除，也不会影响③④处得到干涉条纹。

双缝实验和很多量子实验并不是只出现在光子，很多量子现象还出现在更多粒子（电子、中子、原子），甚至分子水平上，比如由60个碳原子组成的巴基球（即富勒烯C60分子），而太空中的巴基球很可能是地球生命的起源。

我们的世界也是量子化的，只是宏观世界中无数量子波函数的坍缩，形成现实中足球无限接近的确定性运行轨迹，以至于我们根本没有可能观察到一个足球同时通过两扇门的现象。

生命的复杂性无疑由细胞的复杂性组成，而细胞由分子组成。细胞的功能依赖于其分子的化学性质，而分子的化学性质依赖于电子的数量和运行机制。归根结底，生命的机制来源于量子世界，整个世界的运转都受量子理论驱动着。

量子到底是什么？目前仍是未解之谜，波粒二象性之外是否还有更多未知可能？也许量子只是更高维度时空某种对象在我们世界的一个投影，它不断地略过我们的三维时空，形成我们所知的世界。

END

如何了解人工智能？

人工智能作为目前比较前沿的领域，其实有大量的文献资料，书本资料，视频资料可以进行了解和深入的学习。想要了解，不妨先看看百度百科的基本，了解定义，然后查找一些网络的资源，了解人工智能所设计的基础领域和基本应用范围，然后再去学习一些人工领域的基础知识和框架，慢慢的你就可以理解很多专业的术语，了解一些基本的讲解了。

1. 人工智能在目前很多领域都有应用，医学，互联网，车联网等等领域都有应用。常见的还有图像识别，语言识别，无人驾驶等等日常生活可以接触到的一些新鲜知识里都有人工智能的地方。

2. 想要了解可以看一些科普的视频讲解，然后通过查看一些专业词汇的文章进一步理解可以对人工智能有初步的理解和认识。再结合日常生活的一些贴近生活的应用，自然可以逐步了解了。

3. 人工智能在目前有很多应用，也可以轻易的查到很多文献，比如去图书馆，网络搜索等等都有很多的基础文章可以阅读，或者一些基础入门的人工智能课程，也可以轻松的了解人工智能发展的脉络和基本的技术领域知识。

作为目前相对前沿科技的一些技术，人工智能有很多领域的会议也有很多相关的宣传视频基础文章，只要愿意搜索你可以得到很多脉络的了解，和很多知识的挖掘。

人工智能作为计算机科学的一个分支，目前也有很多前沿的发展和生活中的实际应用。在看一些文献和视频的时候，也可以结合生活中的场景去进一步的理解和认识。

其实了解人工智能的内容，专业性质的了解还是需要一些基础知识的。人工智能本身是为了创造模拟人脑的机器，运用相关的原理去实践处理一些问题。相关的知识有很多，比如机器学习，大数据，深度学习等等。

作为一门新鲜科学，它常见的应用也有很多，比如自然语言处理，语音识别，计算机视觉等等。大家日常生活中的语音翻译其实也应用了人工智能的相关知识。

当然了真的要学好人工智能，可能还需要掌握很多数学知识，逻辑知识才能进一步理解人工智能甚至理解如何解释人工智能。不过如果知识日常的了解，其实通过一些科普的文章，科普的短视频就可以进行初步的框架了解。

人工智能确实给我们目前的生活带来了很多发展带来了很多便利，相信目前的发展和深入的实践在未来会有更多的结果反馈。

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人工智能是研究、开发用于模拟、延伸和扩展人的智能的理论、方法、技术及应用系统的一门新的技术科学。

人工智能是计算机科学的一个分支，它企图了解智能的实质，并生产出一种新的能以人类智能相似的方式做出反应的智能机器，该领域的研究包括机器人、语言识别、图像识别、自然语言处理和专家系统等。人工智能从诞生以来，理论和技术日益成熟，应用领域也不断扩大，可以设想，未来人工智能带来的科技产品，将会是人类智慧的“容器”。人工智能可以对人的意识、思维的信息过程的模拟。人工智能不是人的智能，但能像人那样思考。