潘建偉“漫話量子” | 量子年夜飯（一）
導語：
過去的2016你是否被各種“黑科技”閃得眼花繚亂呢？眾星閃爍中，量子通訊衛(wèi)星的尤出光彩，8月16日“墨子號”量子星在九泉衛(wèi)星發(fā)射中心成功發(fā)射升空更是引人矚目。在12月24日墨子沙龍·量子星大會上，中國科學院院士潘建偉為大家講述了他們這一年來做的事，和量子星發(fā)射背后的故事。
演講 | 潘建偉（中國科學院院士）
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“星”光熠熠
非常高興今天能夠有機會給大家介紹我們的一些工作，我今天報告的題目就叫做“漫話量子”，在今年新年來臨之際，我覺得我們有必要給公眾介紹一下我們這一年來做的一點事情。今年的8月16日“墨子號”量子星在九泉衛(wèi)星發(fā)射中心成功發(fā)射升空，這是當時發(fā)射時候的一個影像。
這是當時發(fā)射的時候，現(xiàn)在看起來很輕松，當時在發(fā)射前面30秒，其實我自己也是雙掌合十，盡管沒念阿彌陀佛，但是也是在說老天保佑，希望我們的衛(wèi)星能夠成功地送入太空。8月16日之后，可能大家沒有特別注意，9月15日，在九泉衛(wèi)星發(fā)射中心“天宮二號”又成功發(fā)射了，這是在發(fā)射的當時我們自己拍的視頻。
“天宮二號”也搭載了我們空地量子密鑰分配裝置，大家看到月亮，我們拍下來的地球畫面，看起來就像太空當中又多了一顆明月。大家可能會覺得比較奇怪，為什么我們在一個月里面連續(xù)發(fā)射了兩個和量子相關的載荷火箭，發(fā)射之后又出現(xiàn)了一個什么樣的情景？
我們當時就想看看有沒有相關的報道，于是做了一個簡單的收集，墨子號衛(wèi)星發(fā)射之后，不僅受到了國內(nèi)廣泛的關注，還受到了國際上廣泛的關注。比如說美國的《紐約時報》，英國的《新科學家》，英國的《BBC》，還有《金融時報》等等，基本上國際上比較有影響的媒體，都對我們中國成功發(fā)射的量子衛(wèi)星做了一個報道。今年年底，英國的《自然雜志》點評2016年度國際的重大科學事件，量子星發(fā)射這一成果和今年引力波的發(fā)現(xiàn)等重大科技成果一起入選了。隨后幾乎同時，科學美國人也評選了2016年度的改變世界的十大技術。我仔細看了一下，只有量子星的技術是來自于美國本土之外的創(chuàng)新性的科技成果。
“星”火相傳
其實這個量子衛(wèi)星的發(fā)射它是有一個標志性的意義，我稍后會講到，我們一個夢想希望能夠讓我們中國重新回到科技創(chuàng)新一個國際的頂峰上面去。
我們當時選“墨子號”的原因，主要是因為墨子是我們歷史上的第一位科圣。墨子他是生活在公元2400年前，他有些觀點，其中之一就是“平等、博愛、反對戰(zhàn)爭”，所以他的一個觀點是“兼愛、非攻”。當時非常有意思的，他在《墨經(jīng)》里面專門提到了“端，體之無序而最前者也”，端是什么意思呢？就是小顆粒，這個小顆粒實際上是組成所有物質的最基本的單位，從這個含義上里講，墨子是在國際上所有的科學家里面最早提出原子概念的雛形。
與他同期的希臘的科學家、哲學家德謨克利特也提出了相同的觀點，另外他在《墨經(jīng)》里面提到“止，以久也，無久之不止”，這句話什么意思呢？就是要讓一個物體的運動能夠停止，它是需要有阻力的?！盁o久之不止”，久就是力的意思。為什么一個一個物體會停下來呢？主要因為受到力的作用，如果說沒有阻力的話，一個物體的運動是永遠不會停止的。這就跟我們在高中學到的牛頓的慣性定律是完全一樣的。
當時與他同時期的一個非常有名的哲學家叫亞里士多德，他當時卻說，如果一個物體沒有力的作用的話它就會停下來。2000年之后，牛頓才提出慣性定律精確的表達形式，如果物體在沒有受到外力的作用下，它是可以一直地運動下去的。墨子在2000多年之前，我們中國就已經(jīng)有一位偉大的科學家了，在物理學方面提出了非常基本的概念。
我們經(jīng)常有一種想法，中國人是不是不適合來做科學。我們當時取這個“墨子星”的原因就是想告訴大家，我們中國人不僅其他事情可以做得很好，我們的科學也可以做得很好。
另外，墨子還有一個很重要的工作，是跟我們“量子星”的工作是緊密聯(lián)系在一起的。現(xiàn)在我們都知道光線是沿著直線傳播，但是在古時候這個事情是非常不清楚的，怎么通過一個實驗來證明光是沿著直線傳播的呢？墨子在2000多年之前，他搞了一個小孔成像實驗。他說站在門外面，挖一個小孔，里面有個墻，結果里面墻上的影子是倒過來的，我們就知道光只有沿著直線傳播才會發(fā)生這種現(xiàn)象。如果光不是沿著直線傳播的話，我們“墨子星”后面所講到的很多事情都做不成，所以我們把這顆世界上的首顆“量子星”取名為“墨子號”，一方面是為了紀念它在我們中國科學方面所取得的一些重大的進步，同時也為了紀念它在我們光學方面取得的一些成就。
其實“量子星”有一個非常有意思的，代表性的意義。就正如今年年底，《華爾街日報》發(fā)表了一篇文章，它說在沉寂了1000年之后，中國發(fā)誓要回到發(fā)明創(chuàng)新之巔。這個時候我們覺得“墨子號”本身發(fā)射之后，確實在社會的反響上取得了一些良好的反響，這么一顆有影響的衛(wèi)星它到底是什么東西呢？為什么會引起如此廣泛的國際關注呢？我想在下面簡要地介紹一下量子的基本概念。
淺談量子
什么是量子？
其實量子非常簡單，比如說我有一杯水，然后把水進行細分、細分之后，你用放大鏡一看，最后是由一顆顆小顆粒組成的，我們就把它叫做水分子，那是水最小的顆粒了。又比如鐵，你把鐵切開，最后就變成一個個鐵原子了。光也是這樣，光從激光筆里射出，你把它細分之后，它也由很多小顆粒組成，比如一個15瓦的電燈泡，它大概每秒會發(fā)射出10的18次方的小顆粒，我們把這些小顆粒就叫做光子，所有的構成物質世界的最基本單元就叫做量子。
所以量子其實很簡單，我們每天都大把大把的吃進量子，每天光照過來，好多光子打到你身上，那是無窮多的。對這些小顆粒它是也不能再分割了，不存在二分之一的水分子，二分之一的光子，二分之一的鐵原子，因為它是構成物質的最基本的單元，這就是量子。
量子在哪兒？
量子它有一個非常奇怪的特征，我們在《西游記》里大家可能看到過，孫悟空的毫毛，一抓，一吹，孫悟空可以在不同的地方出現(xiàn)，實際上在量子世界也有這樣的概念，但是我們?nèi)粘Ｉ钪惺菑膩頉]有遇到過的。
比如說，經(jīng)典世界里面有一個人，他要么在這里，要么就在那里，也就是說我在上海就不可能在北京，我在北京就不可能在上海，所以在某一個時間里面我只能在某一個地方。量子世界非常有意思，在某些特定的情況下，如果說整個宇宙當中沒有一個人，沒有一臺儀器知道你在哪里的時候，你就可以在所有的地方。這是什么意思呢？我在這里舉一個簡單的例子。
比如說我去出差了，從法蘭克福飛回上海，路上因為我太累了，我在飛機上睡著了，我沒在看我是（途經(jīng)）哪個地方過來的。到了上海之后，我的同事陳宇翱到機場接我了，他說潘老師你這次是從哪邊過來的？從法蘭克福到上海有兩條航線，途徑莫斯科或新加坡。莫斯科已經(jīng)下大雪了，新加坡是非常炎熱的，所以我到了上海之后感到又冷又熱。陳宇翱說你肯定是太累了發(fā)生錯覺了，下次你坐飛機不要睡覺（看下到底從哪邊過來的）。
我坐了一萬次飛機，每次從法蘭克?；貋淼缴虾＃铱偸潜牬笱劬υ诳次沂菑哪臈l路上回來的，結果我在看的時候我發(fā)現(xiàn)，要么我是非常熱，要么我就感到非常地寒冷，我總是從某一邊過來的，這樣看我很放心了，我以后坐飛機我又睡覺了，結果我每次到達上海之后醒來，感到又冷又熱。當然大家說你這個東西都是胡說，因為我坐了好多次飛機，我也經(jīng)常睡覺，但是我從來沒有感覺到這樣的現(xiàn)象。
（從量子物理的角度解釋）主要是因為這樣的，你睡覺了，你旁邊的人是醒著的，你旁邊的人睡覺了，飛行員還醒著，飛行員睡著了下面的雷達還在看，那么只有到什么情況下才有這感覺呢？就是我們在整個宇宙中沒有任何一臺儀器能夠告訴你，你是在哪個地方的時候，就會發(fā)生這種現(xiàn)象。
這種東西在微觀世界是經(jīng)常會發(fā)生的，因為宏觀世界里，你在動的時候，周圍有好多東西在探測你的軌跡，但到微觀是一個原子在動的時候，周圍都是真空，就沒有東西來測量你處于什么狀態(tài)了，這個時候它就會出現(xiàn)在任何一個地方。這個分析在微觀世界里面是成立的，在無數(shù)實驗已經(jīng)證實這個東西了。
一切注定？
這里告訴我們一個道理，就是量子客體的狀態(tài)是會被我們的測量影響的，也就是說你決定是不是睜開眼睛去看一下，就會影響飛機這么大一個客體，到底是同時處于兩個地方，還是只在某個地方。也就是說你這輕輕的睜一下眼睛去看，這個世界就發(fā)生變化了。
如果你仔細地再去想一想，其實這個道理是很深刻的，因為在座的各位可能大多數(shù)在高中里面是學過牛頓力學的。有個定理F=MA，知道這個定理之后，粒子什么時候會運動到什么地方，什么時候會碰到什么地方，什么時候轉回來都是可以算出來的，甚至連行星的軌道都是可以由我們凡人把它給計算出來的，所以牛頓力學告訴我們，一旦一個物體的初始狀態(tài)確定了，根據(jù)牛頓力學，所有粒子的未來運動狀態(tài)都是可以精確預言的。也就是說在座的各位，我們今天這里開會，我們什么時候死，誰會成為教授，誰會成為總統(tǒng)，其實不是跟我們個人奮斗相關聯(lián)的，因為老天早就已經(jīng)決定好了，這是牛頓力學告訴我們的結論。
小量子，大作為
看到的是你，改變的是你
牛頓力學一方面讓我們非常有雄心，我們凡人都可以預言神圣的星星的軌道，但是又告訴我們，我們?nèi)耸撬廾?，奮斗是毫無意義的。但是量子力學卻告訴我們，當你決定睜開眼睛看一看這個世界的時候，這個世界已經(jīng)被你影響，發(fā)生了跟原來完全不同的變化了，從這個角度上講，它的哲學是非常積極的。
什么是量子糾纏？
量子力學還有一個非常積極的地方，是跟我們一個息息相關的目標聯(lián)系在一起的。在這之前，我想進一步介紹一下它的另一個物理實現(xiàn)。
前面我只是講了量子力學的基本原理，量子是最小的顆粒，如果你不再看它的時候，它可以在任何一個地方。在具體的實現(xiàn)上來講，把這個小小的體系用到信息系統(tǒng)里面去的時候，就可以來考慮一個非常簡單的問題。比如說一只貓，在日常的設備中，它能處在死和活兩個狀態(tài)，但是在量子世界里，它可以處于死和活兩個狀態(tài)的相干疊加，死和活這兩個狀態(tài)如果代表0和1，這兩個死和活可以變來變?nèi)?，就意味著信息的單元是可以處理，可以發(fā)生變化的。
到了量子世界里，因為它可以處于這種0和1狀態(tài)的相關疊加，剛才的分析已經(jīng)告訴我們了，因為量子疊加，如果你去看它一下這個狀態(tài)有影響，所以這個狀態(tài)是永遠測不準的，測不準之后它就不能被精確地復制。
當我們把這樣一個單粒子的體系拓展到兩粒子體系的時候，一種更奇怪的現(xiàn)象就發(fā)生了，我們把它叫做量子糾纏。
一只貓可以處于死和活狀態(tài)的相關疊加，如果有兩只貓的話，是不是可以處于這樣一種活活和死死狀態(tài)的疊加呢？量子力學是允許的，這種狀態(tài)是什么意思呢？
比如今年圣誕節(jié)，我給在座的各位一個禮物——糾纏骰子，你拿回家之后去扔這個骰子，扔好多遍，你會隨機地得到一串結果。然后我打電話給你，我可以猜到你的第一次結果是什么，第二次結果是什么，第三次結果是什么，為什么呢？因為這兩個骰子是糾纏在一起的，你扔出3的話，我這里也是3，你那里是2，我這里也是2。
一旦處于糾纏的兩個客體，不管它們相距多么遙遠，其中一個狀態(tài)發(fā)生變化，另外一個狀態(tài)也會發(fā)生相應的變化，我們把這種東西就叫做“遙遠地點之間的詭異互動”。
一直以來，我們?nèi)祟愑幸恍┨貏e感興趣的問題，比如我們從哪里來，我們會到哪里去，有了量子力學基本的概念之后，我們對這個問題就能夠做出回答，而這是牛頓力學所不能回答的。為什么牛頓晚年信仰宗教，因為他的理論能夠解釋軌道為什么這么轉，周期是多少，但他解釋不了為什么這個宇宙本來會動起來，為什么星星會開始運動起來，所以他假定上帝有一個推動，在他的理論里面時間是均勻流逝的，也就是無窮無盡的，一直會這樣流逝下去。在他的理論里面空間也是無限大的，是均勻的。
量子帶我們溯源
但是到了量子力學之后，我們把量子力學和相對論結合在一起的時候，我們就可以來建立一種理論，叫大爆炸理論，這個大爆炸理論就告訴我們，在15億年之前宇宙是誕生于一個基點的爆炸，那么這個爆炸怎么產(chǎn)生呢？
就是由于量子漲落產(chǎn)生的，大爆炸幾分鐘之后我們才會有氫、氘、氦元素的形成，因為原來的時候溫度太高，所以只有質子、中子、光子、電子，溫度是幾億度。30萬年之后，我們才有原子形成，億年之后才會形成恒星，其實這個宇宙經(jīng)過相當于100億年的懷孕之后，我們的太陽系才正式誕生了。太陽系形成之后，地球各種行星慢慢就形成了穩(wěn)定的結構，然后經(jīng)過幾萬年，多少億年的進化，慢慢我們由普通的生物進化為現(xiàn)在的人。
引力波的預言證實之后，《紐約客》報道的文章說：其實“十幾億年前，兩個黑洞發(fā)生了碰撞，釋放出引力波。大概在五萬年前，引力波到達了我們的銀河系，這個時候我們的智人開始取代其近親尼安德特人，成為地球上最主要的人猿。
100年前，愛因斯坦，靈長類物種中進化的最先進的人類的一員，預言了引力波的存在”。那么再經(jīng)過100年，到2016年，我們終于探測到了引力波的存在。我想說，因為近代科學的發(fā)展，才能夠讓我們回答宇宙是怎么起源的，怎么演化這樣的問題。
從這個地方我們可以看到一種現(xiàn)象，就是宇宙當中把這個生命給進化出來是需要非常長的時間，宇宙到底有多大呢？我們可以統(tǒng)計一下，在我們銀河系里面有數(shù)千億顆恒星，在我們的可見宇宙里面，又有數(shù)千億個銀河系，如果我們的生命在整個宇宙中是唯一的，因為這種進化出來的概率是非常小的，那么我們今天坐在一起交流思想是有一種很大的緣分。
有一個非常有名的科學家惠勒，2001年，我在普林斯頓參加他90歲的生日，他送了我一本書，在這本書里面他專門畫了這個圖。他說這個宇宙太奇怪了，宇宙本來是沒有生命的，然后慢慢地進化出來一只眼睛就是我們?nèi)?，可以回過來看看這個母親到底是什么樣的。這就是我們整個宇宙的一個進化史，非常有意思。
但是到底為什么我們?nèi)藭幸庾R，為什么會有這些東西？我們到目前為止其實還是不清楚的。我們還需要對這個東西做進一步的研究。正因為對量子力學這些非常基礎的研究，我們能夠來回答這個宇宙是怎么誕生的，怎么進化的，對這個看起來和跟我們的生活沒有直接關系的東西進行研究，可以給我們的生活帶來巨大的變化。
量子新領域
量子信息
當你把這樣一種量子兩個狀態(tài)編碼信息的時候，一個新的學科就誕生了，叫做量子信息。它可以用來做安全的量子通信，可以來做超高速的量子計算與模擬，也可以來做高度精密的量子精密測量。這里面都是我們這個領域的相關的先驅。
其實第一個就非常有意思，利用單光子，因為不再可以分割了，我們也不能再進行測量，所以張三給李四發(fā)密鑰，如果中間有個竊聽者，因為他不能分割，他不能把信息拿走一半，他也不能拍個照，因為拍照對狀態(tài)有影響。
以這樣的方式，張三和李四之間就可以產(chǎn)生一種原理上無條件的安全通信方式，這種通信方式一旦有竊聽就會被發(fā)現(xiàn)，而且以這樣的形式產(chǎn)生的密鑰是不可破解的，這是它的第一個比較有趣的應用。
“任意門”
另外一個應用有點像《西游記》里孫悟空的筋斗云。比如說我要從北京來到上海，這里面因為時間的關系，我坐飛機過來肯定來不及了，但是按照這個量子力學的原理，如果說北京和上海之間有這么一團糾纏物質的話，我可以把我和這一團北京的糾纏物質做一個測量，測量完之后就變成一堆原始的物質了，比如說一堆水分子等等，這樣我會得到一組數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)代表好多信息，我把這個信息通過無線電臺發(fā)到上海，在上海的實驗艙里對我進行操作，就可以把我在上海一模一樣地重構出來，這個東西大家覺得這怎么可能呢？那不是復制了嘛。
但這不是一個復制品，因為我在上海做操作的時候，北京的潘建偉還原為原始物質，沒有關于我的任何信息，所以能夠逃脫量子力學不可測量定理的限制，在這邊重新重構出來（我），重構出來這個潘建偉和這邊這個潘建偉所有的信息和性質是一模一樣的，至少目前看來量子力學的原理就是這樣的。
但是這個東西要做成可能還需要很多年，幾百年甚至更多年，但至少物理上允許這么做。當然量子還有一個非常美妙的地方，因為這邊這個潘建偉不是我這邊的一個復制品，因為如果說我能夠復制兩份的話，那我兒子就麻煩了，他不知道叫誰是爹了。他為了能夠把這邊傳過去的前提就是這邊的潘建偉要被摧毀，所以我們在宇宙當中是獨一無二的。
量子計算
另外他還可以來做一些非常有趣的事情，比如超強能力的量子計算。前幾天學術界有人已經(jīng)報道了一些結果，目前已經(jīng)有些系統(tǒng)里面能夠對100個粒子左右進行相干操作了，如果說我們能夠把這樣一種計算能力利用起來，那么它相當于對2的100次方的數(shù)據(jù)進行計算。
我們現(xiàn)在把全世界所有的計算機、手機的計算能力加起來，這個計算能力是多少呢？大概是2的80次方。也就是我們在一個小小的實驗室里面做出來的小小的機器，它的計算能力是我們100萬個地球的計算能力都不能達到的。如果這種技術走向實用，它將是非常強大的，這種能力如果分給每個人的話，我們每個人計算能力上的財富，都是遠遠超過世界首富的。
這里，我愿意引用一下今年麻省理工學院的技術評論中的一段話，他說當量子計算機發(fā)展到50個量子位的時候，就能實現(xiàn)“量子稱霸（quantum supremacy）”，計算能力超過世界上任何傳統(tǒng)計算機，解決任何傳統(tǒng)計算機解決不了的問題。盡管哪天發(fā)生我還不知道，應該不會太遙遠。現(xiàn)在像Google、微軟、IBM，包括我們中國在座的很多人，都在開展這方面的相關工作。
精確定位
它還有一個應用，可以用于我們的精密測量，因為我們的GPS導航，全球定位很多都需要用到這個。利用這種量子精密測量的手段，我們可以發(fā)展自主導航技術，目前在100天的情況下，已經(jīng)能夠把潛艇的誤差縮小到幾百米的范圍了，這樣我們就可以長期的潛伏，可以悄悄地開到美國的西海岸不被發(fā)現(xiàn)，當然主要是將來應用到汽車上。
人工智能與量子計算機
我講著講著又回到原來的問題，就是我們的宇宙為什么會演化出這么個有生命的東西，回過來感受這個世界，我們必須得回答一個基本的問題，我們的意識是從哪里來的？
像今年有個很熱的話題叫做人工智能，因為今年阿爾法狗打敗了我們非常頂尖的圍棋手，所以大家都感到非?？只?，就也許機器某一天就很快地會戰(zhàn)勝我們?nèi)祟?，但我說其實我們還不用擔心，至少在量子計算機造出來之前我們不用擔心，為什么呢？因為我們每天使用的經(jīng)典計算機，它的運行的規(guī)則是跟牛頓力學是一樣的，它是絕對論的，什么意思呢？就是你每當一個問題輸進去的時候，它的答案肯定是一個確定的答案會出來的。
如果我是一臺機器人，有人讓我給他拿一杯水，如果離我同樣距離有兩個地方，有兩杯水，這兩杯水離我這個機器人的距離是一模一樣的，而且我過去把它取到水所需要消耗的能量也是一樣的，送到我主人的手里所需要的時間也是一樣的，這個時候我這臺計算機無論是多么強大的人工智能，它就死機了，因為它得選一個能量最節(jié)省的，它不知道該怎么辦了。這個時候我們要在后面做一個控制，如果兩個一樣的話你拿左邊就可以了，也就是說我們現(xiàn)在的人工智能都是有決定論的，它根本就沒有自由意志，它根本就不會認識到自己的存在，它連一個非常簡單的事情都決策不了。
這是經(jīng)典的人工智能機器人，但是量子力學剛才已經(jīng)告訴我們了，量子力學第一次把觀測者的意識與物質的演化結合起來。所以我們是高度懷疑，或者說高度相信，盡管這個還沒被科學最后證實。量子力學是必然參與這個意識的產(chǎn)生，而且我們每個人大腦里面想什么我現(xiàn)在是取不出來的，我也不知道你在想什么，這才保證了我們每個個體的多樣性，如果我們跟手機一樣，所有的信息都可以拷出來，那人就沒什么意義了，因為你的思想是對每個人都透明的，如果完全可以拷出，我就可以復制成一個完全一模一樣的想法，就可以復制成很多份了，但是量子力學告訴我們這是做不到的。
我們既然這么獨一，所以我們相信量子力學跟我們意識肯定緊密相連，我們也相信通過對量子計算機的研制，可能為我們?nèi)四X一些機理的研究會提供有價值的東西。
量子的未來
我最后做一個結尾，我剛才講到一些非常遙遠的一些事情，比說大家會問，你到底什么時候能夠拿來傳遞人類？
這里我愿意引用一下，1609年開普勒，那個時代非常偉大的科學家，給他的好朋友伽利略寫的信里的內(nèi)容，他說：“應該建造適合飛向神圣天空的船與帆，然后也會有這樣的先驅者，面對無邊的太空，他們毫不退縮”。1609年的時候大家都不會想到，1961年人類首次進入了太空，1969年人類首次登月，這個事情是多少年才發(fā)生的？要300多年之后。
所以我相信，第一個量子隱形傳態(tài)的傳態(tài)的實驗是1997年，我們當時很有幸把這個實驗給做了，十年之后，中國科大的團隊能夠首次傳送兩個粒子的狀態(tài)，到2016年，隨著墨子號的發(fā)射，我們的技術能力已經(jīng)能夠實現(xiàn)地星間的1000公里量子隱形傳態(tài)。
我們要在宇宙當中進行探索的話，我們用目前的飛行手段，我們是永遠都不可能離開太陽系的，因為我們快飛到太陽系的邊緣我們就已經(jīng)去世了。那么從這個角度上講，我想也許300年之后，也許500年之后，我們能夠用這些“墨子號”所帶來的成果，也許我們將來能夠利用這些手段來進行星際的旅行。
最后，我引用一下《新科學家》雜志的評論，他說你的量子大腦也許在未來的某某時刻，量子力學能夠為我們解釋意識的起源，做出貢獻，謝謝大家！
本文原載微信公號《墨子沙龍》，《知識分子》獲授權刊載。
