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真正的量子极客怎么看《蚁人与黄蜂女:量子狂潮》?

钛度号
遇事不决,量子力学。

图片来源@视觉中国

文|极客电影Geekmovie

最新蚁人电影标题叫作“量子狂潮”,因为这次的故事发生在量子力学规律支配的微观世界,漫威称之为“量子领域”

在现实生活中,也有一群正在掀起“量子狂潮”的极客,他们中有研究量子物理学的科研人员,也有做量子科技应用落地的创业者。

今天我们邀请到两位这样的极客,看看他们如何评价电影《蚁人与黄蜂女:量子狂潮》~

PART. 01

尹璋琦博士,北京理工大学物理学院教授,博士生导师

Q:《蚁人》系列影片把漫威宇宙带入“量子领域”。在蚁人和征服者康的对话中提到,量子领域和现实世界计算时间的方式是不一样的——为什么会这样?

A:在量子领域中“时间空间变得无关紧要”,这是电影艺术上的简化。

要进入这样的领域,我们需要进入普朗克尺度,对应长度为10^(-44) 米,时间为 10^(-35) 秒,这比通常的微观量子领域要小得多。在普朗克尺度下,由于不确定原理,量子涨落极为剧烈,空间距离的定义崩解,时间也随之难以定义。 通常意义上的量子领域,并不需要那么小的尺度,纳米以下就足够了,此时时间与空间的定义都没有变化。

电影中所谓的量子领域,应该是普朗克尺度下的量子领域,时间与空间均失去了意义,因此比较其与日常生活中的时间流速也失去了意义。

Q:影片中所有人在量子领域里都能正常行走、正常交流,遵守着现实世界的物理规则。在量子级别的微观世界里,我们所默认的物理规则还正常适用吗?

A:微观世界中,宏观的规则会被微观物理规则取代

比如说,微观氢原子,最外层电子就不能随便跑,它只能待在某些特定的轨道附近;

量子领域中人不能再依靠声音来交流了,因为声波的波长远长于量子领域中人的高度;

量子领域的人也不能再依靠光来观察了,因为可见光波长在微米尺度,也比量子领域人的高度要大得多,要与量子领域人的尺寸匹配,也许需要用波长更短的X射线或伽马射线。

电影中的量子领域世界与宏观世界看起来毫无区别,这显然不符合科学。

Q:蚁人的女儿发明了“量子通讯器”,可以穿梭时间线之中。“量子通讯”在科学上可能是怎样一种概念?“量子通讯器”在理论上可能实现“穿越时间线”的信息传递效果吗?

A:“量子通信”是指利用量子相干、量子纠缠等作为资源,来实现信息的安全传输。但穿越时间线的信息传输是违背基本物理定律的,不可能通过量子通讯器来实现。

早在1991年,就有学者从理论上研究过如何“穿越时间线“在多个量子平行宇宙之间通信。研究发现,只需要薛定谔方程中出现非线性即可。但最精确的实验也没有发现薛定谔方程中的非线性。所以从科学上并不能做出电影中的量子通讯器。

当然,科幻电影中如果设定薛定谔方程有非线性,从而可以做出量子通讯器,也无可厚非。

Q:片中最吸引人的,就是艺术家们对量子领域奇景的想象。如果基于量子理论开个脑洞,你心目中的量子世界可能会长什么样?

A:上图中的量子世界,感觉似乎是在外太空某个星系之中。而我心目中的量子领域,只有普朗克尺度那么小,充满了各种高能辐射和粒子:粒子塌缩为量子黑洞,而量子黑洞又会迅速变为高能辐射粒子;这两个过程把时空打出无数个破洞,形成时空泡沫。

在普朗克尺度的量子领域中,瞬间与永恒似乎没有区别。

Q:在电影中的量子领域里有“居民”、甚至有前所未见的“怪兽”存在。迄今为止,物理学家在量子级别的微观世界里发现过类似生命的迹象吗?

A:物理学家研究的是让宏观生物体进入量子领域,实现量子叠加、量子干涉,直到实现真正宏观生命体生与死的量子叠加,也就是“薛定谔的猫”。目前已实现氨基酸大分子的量子叠加

蚁人电影中曾出现百微米大小的水熊虫,科学家们提出了制备其量子叠加态的可行的实验方案,并在实验中开展验证。

Q:影片中,蚁人战队与反派战队在量子领域里进行了大决战,给量子领域带来了很大冲击。量子领域发生怎样的变化,才能被我们现实世界感知到?

A:量子领域中的很多变化都可能被宏观世界感知到。比如说,量子领域中的打斗,会伴随能量跃迁,辐射出高能粒子,可以被粒子接收器探测到。

PART. 02

张文卓博士,夸密量子(Quakey)创始人,前墨子号量子卫星团队成员

张文卓博士的创业公司夸密量子(Quakey),致力于用成熟的量子随机数技术塑造新一代互联网,改变我们的世界。

Q:电影“量子狂潮”是否符合现实中“量子极客”的想象?

A:不是很符合。量子领域应该是非常微观的尺度。按照漫威的官方设定,量子领域时间和空间无意义,那只可能是在普朗克尺度以内。普朗克尺度超出了已知物理学能描述的极限,但可以肯定的是普朗克尺度一定非常混乱,时空不断泛起泡沫,正反粒子对不断地产生和湮灭,没有什么能稳定存在。

但是影片中,进入量子领域却好像进入了另一个宇宙,出现那么多奇形怪状的生物,甚至文明,变成了一部纯粹的太空歌剧。

所以观影时我联想到了游戏《质量效应》,这个设定可以说非常地软科幻,符合美漫的一贯风格——披着科幻外衣的神话。

Q:现实生活中,真正的量子领域应该是什么样?

A:无论是基本粒子,还是基本粒子组成的复合粒子,都具有波粒二象性。在微观尺度,波粒二象性会非常显著。

所以如果蚁人缩小到一个电子的质量,即使他以光速运动,他的物质波波长依然有皮米(万亿分之一米)量级,这是普朗克尺度的亿亿亿倍。而在蚁人缩小之前,他的物质波波长要小于普朗克尺度,无法察觉。

也就是说,蚁人在不断缩小过程中,他的波动性就逐渐展现出来了。他不再是一个聚在一起的实体,而是神出鬼没(《蚁人2》中的幽灵女似乎借鉴了这个设定)。

在量子力学里,波粒二象性和海森堡不确定原理密切相关。海森堡不确定原理就是说不可能同时获得精确的动量和坐标(或者时间和能量),两者不确定度此消彼长。不确定原理其实在数学上是傅里叶变换的一个性质。

如果引入动量空间,就很容易通过不确定原理理解波粒二象性。

图片来自维基百科

如上图,坐标空间的一个点粒子,在动量空间就展为一个覆盖所有动量的波;同理,动量空间的一个点粒子(即固定动量),在坐标空间就展为一个覆盖全空间的波。那么单一从坐标空间来看,波粒二象性就是在波和粒两个极端之间来回变化。

Q:电影中都出现了哪些令人印象深刻的量子力学效果?

A:影片有一个情节是蚁人不断地分身,“在一瞬间有一百万种可能”全部都出现。

这个参考了量子力学的多世界解释:即每次测量量子态产生的随机结果,传统的哥本哈根解释认为是一个瞬间的量子态坍缩,随机选择了结果。

而多世界解释认为每个结果对应的世界都存在,世界(宇宙)产生了分叉。但量子力学要求这些分叉之间是不能交流的,如同直角坐标系的x轴和y轴,互相垂直没有投影,老死不相往来。

但为了讲好科幻故事,还是要假定多个世界(多个宇宙)之间能够交流沟通,来回穿梭,甚至跨时间的穿梭。所以有人总结:遇事不决,量子力学;解释不通,穿越时空;逻辑不够,平行宇宙。

Q:量子领域会影响我们的日常生活吗?

A:从根本上讲,量子力学是人类已知宇宙最底层的物理规律,更底层的还没发现,而且不知道人类是否有可能发现。所以我们在宏观世界遵循的物理规律,称为经典力学,实际上是量子力学在宏观尺度的近似。也就是说我们的世界根本上是量子力学支配的

当然量子力学是第三次科技革命(信息革命)的源头,已经对我们的世界产生了翻天覆地的变化。量子力学指导物理学家们发明了当今计算机和智能手机的核心集成电路(芯片),用于支撑起全球互联网光通讯和精密工业加工的激光,用于数字成像的图像传感器,用于医疗和材料检测的核磁共振,用于全球定位卫星的原子钟等等。

量子信息科技是量子力学更直接的应用,除了已经在信息安全基础建设布置的量子通信设备,以及一些国防安全场景的量子传感设备外,“上帝掷骰子”的量子随机数技术已经可以做成很小的光芯片,能够内置到移动设备里,成为人工智能和Web3时代的标配,近期很可能对人类生活产生重要影响。

这也是我的创业公司夸密量子(Quakey)主要在做的事业。

Q:影片中还有哪些被“量子极客”关注到的细节?

A:影片最后一个彩蛋,就是所有字幕都放完的那个彩蛋,非常有趣。这段继承了《洛基》的剧情,但致敬的画面是科幻小说鼻祖之一的《时间机器》。所以看过《时间机器》的电影,同时也看过漫威的《洛基》剧,就非常容易get到这个彩蛋的点。

当然,“征服者康”这个反派远比之前的灭霸更有“反派魅力”。

灭霸是在用一个冠冕堂皇的理由对生命进行屠戮,而征服者康则是在用科技的力量操纵多元宇宙。影片中被流放到量子领域的这个征服者康表现不太好,但是片尾彩蛋,不同多元宇宙的征服者康齐聚一堂,画面非常震撼。

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