在非數(shù)學(xué)學(xué)專業(yè)人士看來(lái)，量子熱學(xué)似乎既深?yuàn)W又神妙，但這個(gè)游戲可以讓你輕松上手解決一類量子問(wèn)題，你的解答都會(huì)為科學(xué)家研究真正的科學(xué)問(wèn)題添磚加瓦。聽(tīng)說(shuō)外行反倒要比學(xué)過(guò)
在量子世界中，粒子可以同時(shí)出現(xiàn)在兩個(gè)地方，這看上去有些違背直覺(jué)。而就在前幾天，德國(guó)奧胡斯學(xué)院的科學(xué)家開(kāi)發(fā)了一款稱作“量子聯(lián)通”（Moves）的游戲，版、iOS和安卓版都有（版下載頁(yè)面鏈接，蘋(píng)果AppStore下載鏈接，Play下載鏈接，全免費(fèi)）。游戲的目標(biāo)是在一個(gè)量子阱中想辦法聯(lián)通一汪游蕩的“液體”，其過(guò)程遵守量子熱學(xué)的規(guī)律，但每位人都能上手，游戲數(shù)據(jù)會(huì)成為科學(xué)家研究量子化學(xué)問(wèn)題的參考。數(shù)據(jù)表明，非化學(xué)科班出身的玩家們?cè)谄渲蟹吹贡憩F(xiàn)得出色。這一研究成果發(fā)表在4月13日的上（J.J.W.H.S?etal.532,210–213;2016）。
這個(gè)游戲是現(xiàn)今科研“眾包”的嘗試之一。所謂科研“眾包”，就是通過(guò)游戲化的方式，發(fā)動(dòng)廣大人民群眾的力量，共同解決一個(gè)科學(xué)問(wèn)題。過(guò)去，這些游戲化的項(xiàng)目局限在像蛋白質(zhì)折疊這些有挑戰(zhàn)性但不這么燒腦的問(wèn)題上，但現(xiàn)在這一努力現(xiàn)已拓展到了量子化學(xué)學(xué)的領(lǐng)域。
這項(xiàng)工作也告訴我們另一點(diǎn)，就是我們?nèi)祟愃季S掌握“詭異”的量子世界規(guī)則的能力，其實(shí)比我們想像中的要強(qiáng)得多。奧胡斯學(xué)院的量子化學(xué)學(xué)家，該項(xiàng)目的領(lǐng)導(dǎo)者雅各布·舍森（Jacob）覺(jué)得，這一發(fā)覺(jué)可能會(huì)影響科學(xué)家研究量子化學(xué)的技巧。他表示：“也許我們應(yīng)當(dāng)在研究量子化學(xué)問(wèn)題時(shí)應(yīng)該使用一些常規(guī)的直覺(jué)。”無(wú)獨(dú)有偶，研究量子熱學(xué)基本問(wèn)題的科學(xué)家也仍然覺(jué)得，用更直觀的方式處理量子化學(xué)，可能有助于破解一些懸而未決的謎團(tuán)，即使有許多人覺(jué)得在沒(méi)有新理論幫助的情況下這是不可能實(shí)現(xiàn)的。
這款名叫“量子聯(lián)通”的游戲是基于量子估算中的一個(gè)真實(shí)問(wèn)題：怎么最快地用激光在量子阱（類似豬肉盒一樣的結(jié)構(gòu)）間搬運(yùn)原子，同時(shí)保證處于脆弱量子態(tài)中的原子能量不發(fā)生改變？量子世界里，粒子的位置和能量在海森堡不確定性原理的限制下互相掣肘，所以游戲的訣竅就在于：盡可能快地找到從一點(diǎn)轉(zhuǎn)移到另一點(diǎn)轉(zhuǎn)移的最佳位置（sweetspot），同時(shí)不能干擾到量子態(tài)。不同的動(dòng)作和時(shí)機(jī)會(huì)形成無(wú)窮無(wú)盡的組合，科學(xué)家們?cè)缫言O(shè)計(jì)了計(jì)算機(jī)算法企圖解決這個(gè)問(wèn)題。
游戲中，一個(gè)原子看上去好似是在量子阱里游蕩的一汪液體，這也反映出了微觀粒子的波動(dòng)特點(diǎn)。在某一個(gè)關(guān)卡種，玩家須要聯(lián)通光標(biāo)去控制第二個(gè)量子阱，讓它從第一個(gè)量子阱搜集原子并把它們帶回“基地”。原子的行為其實(shí)看上去類似液體，但它也要遵守量子熱學(xué)規(guī)律，而不是真像一桶水那樣。舉例來(lái)說(shuō)量子物理學(xué)三大定律，為了拾取那些原子，玩家可以使用“量子隧洞”讓它從一個(gè)阱“隧穿”到另一個(gè)阱，而這也是須要玩家去學(xué)習(xí)和適應(yīng)的東西。一旦玩家找到搬運(yùn)原子的方式，接著計(jì)算機(jī)能夠?qū)⑦@個(gè)搬運(yùn)過(guò)程轉(zhuǎn)化為真實(shí)世界中“量子豬肉盒”對(duì)應(yīng)的解。
在一個(gè)稱作的研究志愿者平臺(tái)上，有大概300位玩家總共玩了12000次舍森團(tuán)隊(duì)的這一關(guān)卡。接出來(lái)，研究者們把這種解決方案輸入計(jì)算機(jī)進(jìn)行進(jìn)一步精煉。結(jié)果發(fā)覺(jué)，玩家們想出的方式中有超過(guò)一半比僅由計(jì)算機(jī)算法生成的方式更有效，但是，將玩家想出的兩個(gè)最好的方式進(jìn)行混和，結(jié)果比純計(jì)算機(jī)生成的方式中最快的還要快。“這些結(jié)果真的讓我們吃了一驚。”舍森說(shuō)道。
科學(xué)家尚不清楚人類到底具有何種特殊能力，能這么擅長(zhǎng)于這一游戲。不過(guò)她們發(fā)覺(jué)，雖然對(duì)化學(xué)學(xué)有興趣的人雖然可以玩得更好，但玩得好的卻不見(jiàn)得是花了好多年學(xué)了量子化學(xué)的人。（北大化學(xué)系的譯者表示這句話讓他很難過(guò)。）
舍森覺(jué)得，人類策略之所以更占優(yōu)勢(shì)，是源自于我們腦部捉住問(wèn)題核心的能力。來(lái)自美國(guó)圖爾庫(kù)量子化學(xué)中心的薩洛姆納·馬尼斯卡爾科（）補(bǔ)充了一點(diǎn)：相比于其他環(huán)境，在游戲里，量子熱學(xué)的概念其實(shí)更容易讓人接受，這可能是由于在游戲這些特殊的環(huán)境下，出現(xiàn)打破規(guī)則、違反直覺(jué)的事情也不會(huì)讓人倍感奇怪。他也參與了另外一個(gè)用游戲促使量子化學(xué)研究的項(xiàng)目。
對(duì)舍森而言，這種結(jié)果也表明，化學(xué)學(xué)家可以多用用她們的直覺(jué)。“我們應(yīng)當(dāng)試著更多地憑借直覺(jué)去處理量子問(wèn)題。”他說(shuō)道。為了這個(gè)目的，他的團(tuán)隊(duì)正在設(shè)計(jì)新一版的游戲，可以讓化學(xué)學(xué)家們按照不同的結(jié)構(gòu)去打造不同的場(chǎng)景，這也可以為她們的研究提供新視角。
在另一些量子化學(xué)學(xué)家看來(lái)，盡管人們可以產(chǎn)生對(duì)量子過(guò)程的直覺(jué)雖然令人震驚，但畢竟起碼在物理層面上，科學(xué)家早已在用這類直覺(jué)解決量子問(wèn)題了。來(lái)自麻省理工大學(xué)的化學(xué)學(xué)家塞思·勞埃德（SethLloyd）覺(jué)得量子物理學(xué)三大定律，通過(guò)玩這個(gè)游戲，人們就可能獲得一種“量子直覺(jué)”。他表示，小孩原本就擁有一種“量子直覺(jué)”，只是這些直覺(jué)在她們學(xué)會(huì)預(yù)判一個(gè)物感受待在哪以后就喪失了。“三個(gè)月大之前，假如玩具消失了，她們會(huì)猜想在這個(gè)世界中本來(lái)東西就是可以隨時(shí)消失的，但她們長(zhǎng)到三個(gè)月大以后后，她們還會(huì)想：‘玩具去哪了？’”
勞埃德同時(shí)也覺(jué)得，“量子聯(lián)通”這一游戲的成功歸功于它巧妙的設(shè)計(jì)：它成功地將量子問(wèn)題翻譯成了一種可視的問(wèn)題，但這些做法對(duì)于愈加復(fù)雜的量子問(wèn)題可能并不適用。來(lái)自佛羅里達(dá)學(xué)院帕克校區(qū)的理論化學(xué)學(xué)家查爾斯·塔漢（Tahan）表示，研究量子估算算法的化學(xué)學(xué)家們?cè)缫褜D形界面玩得很熟，并開(kāi)始用它們來(lái)改進(jìn)現(xiàn)有的解決方案。
然而塔漢覺(jué)得通過(guò)游戲來(lái)傳授量子直覺(jué)也不無(wú)助益。他也開(kāi)發(fā)了另一款游戲稱作“”，讓玩家們做一些基本的量子估算，同時(shí)也能培養(yǎng)她們的直覺(jué)，借此知曉一些量子規(guī)律。他希望這款游戲能提高中學(xué)生們的能力，其實(shí)能夠開(kāi)掘一些在該方面天賦的人才。
撰文伊麗莎白·吉布尼（）
編譯王凌霄
審校王樂(lè)
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