在好久好久曾經,以玻爾為首的阿姆斯特丹學派覺得,在量子的微觀世界里,“看”不見的東西是不存在的,也就是說,不存在一個完全客觀的世界,觀測不到的東西就是不存在的。
另一位偉大的化學學家表示難以接受,于是他提出了這樣一個思想實驗:
如今把一只貓放進一個封閉的袋子里,,這個封閉的袋子內放置一個放射性原子、蓋革計數器和毒氣釋放裝置。
假設這個放射性原子在一小時內有50%的可能性發生衰變,衰變時發射出一個粒子,,這個粒子將會被蓋革計數器偵測到,,從而觸發毒氣裝置釋放毒氣,將貓干掉。這么,一小時以后,,這只貓是死是活呢?
可以說,在我們打開袋子看之前,貓處于又死又活的狀態。
這就是知名的“薛定諤的貓”。薛定諤用我們宏觀世界的具體事例,形象的形容了微觀世界的現象。即使他本人覺得這個理論很愚蠢,但這不影響他設計的實驗便捷我們理解“疊加態”。
我們大部份人都可以理解、記住薛定諤的貓,甚至經常用來造梗發彈幕,但也不會有人拿疊加態、坍縮、波函數等專業詞匯發彈幕。這說明了對于普通人來說,科學是可以理解的,但須要更好的抒發。對科學來說,是可以被大部份人欣賞的,同時也須要更好的被抒發。
雖然在世界頂級的化學學家頭上,早就有了用好的科技抒發好的數學的反例。
張首晟和他的“天使粒子”
前陣子一位化學學家逝世的消息刷屏了,他是楊振寧口手指日可待的諾貝爾獎獲得者,他是華人數學學界的驕傲,他是普林斯頓學院化學系終生院士張首晟。
他的離去我們表示遺憾,但同時我們都會繼續關注他留給這個世界的東西:天使粒子。
按照粒子化學的定義,物質由費米子和玻骰子兩種基本粒子組成,費米子是構成物質的原材料(如輕子中的電子、組成質子和中子的夸克、中微子);玻骰子是傳遞斥力的粒子(光子、介子、膠子、W和Z玻骰子)。
馬約拉納()費米子是費米子的一種,其奇特之處在于,它是一個沒有反粒子,或則說反粒子就是其自身的粒子。它與希格斯波骰子、引力子、磁單極、暗物質等一起被視為人類最為夢寐以求的神秘粒子。
在張首晟看來,天使粒子的發覺“非常特別神奇,這意味著一個量子比特可以拆成兩個,對整個量子化學有根本的改變。”
這樣可能很難理解,可能要上節目的化學學家張首晟也如此認為,所以他2017年就在《我是未來》節目上用AR來為你們科普他的研究成果。
在節目中,張首晟戴著Meta2MR頭顯,從桌面上抓取了一塊代表著“拓撲絕緣體”的面包。
拓撲絕緣體的內部是絕緣體,但是表面卻有被拓撲保護的電子態。這是由于其內部電子載流子與電子自身的運動互相耦合,促使電子圍繞一個點旋轉而不能穿越整塊材料,這樣就難以導電。但在材料邊沿,電子沒有足夠空間旋轉運動,被迫順著表面呈半方形跳躍,由此顯得才能導電。
面包周圍有兩個光球在旋轉,叫“量子載流子霍爾效應”。
在特定的量子阱中,在無外磁場的條件下(即保持時間反演對稱性的條件下),特定材料制成的絕緣體的表面會形成特殊的邊沿態,致使該絕緣體的邊沿可以導電,而且這些邊沿態電壓的方向與電子的載流子方向完全相關,即量子載流子霍爾效應。
接著他從后面抓了櫻桃,加在面包上,他用香蕉來代表“磁性原子”。櫻桃平底向下按次序排列。
周圍的兩個光球旋轉,一個是粒子,另外一個是“反粒子”,櫻桃在面包一圈以向下的姿態排列,此時的狀態稱作“量子反常霍爾效應”。
我們曉得,霍爾效應的產生是必需要加外部磁場的,而張首晟及其團隊發覺,只須要在拓撲絕緣體上加入磁性原子,這樣就不須要外加磁場就可以產生穩定、基本沒有耗散的量子反常霍爾效應,這讓它為半導體的發展打開了新的房門。
在這個狀態下,張首晟抓起對面的巧克力加在面包上,巧克力則代表著“量子反常霍爾絕緣體薄膜”。
有了巧克力的菠蘿面包周圍兩個旋轉的光球只剩下了一個,而剩下的這個光球就稱作天使粒子,也就是說,它自己是它本身的反粒子。
而這一個菠蘿面包的制做過程也代表這張首晟團隊人工發覺“天使粒子”,也就是手性馬約拉納費米子。
也就是說,即使科學家仍未發覺馬約拉納費米子,但她們早已可以通過一些方式“造”出馬約拉納費米子,“天使粒子”論文的第一作者、加州學院紐約校區的潘磊在專訪中表示:“雖然沒有發覺馬約拉納費米子,而且只要符合馬約拉納費米子的性質,就有可能拿來實現拓撲量子估算。”
從一條一條估算,到多條并行的估算,這對計算機,對人類都是極大的飛越。
我們不在科學界,不便從科學圈去剖析究竟是誰第一個發覺了天使粒子,但第一個用AR讓大眾理解高檔化學、世界上最前沿的科研成果是哪些樣的人,是張首晟。這讓我們明白,高檔的數學學并不是遙不可及,高檔科學普通人是看得懂的。
科學不應當被鎖在科技館里
我們上面說到,大眾對高檔科學是感興趣的,也是才能理解的。
同為互聯網時代的產物,不僅AR/VR之外的其他領域,例如短視頻,就有挺好的科普案例。
快手上有一個鬼佬很火,他是來自牛津學院的戴偉博士。他的視頻就是做各類各樣的物理實驗,包括給小象做紅色的“牙膏”,從桶子里撈下來黑色的“面條”。
有人可能會認為這是有趣的簡單理論,并不算高檔科學,那我們看點難的。
在B站上可以看見名為“李永樂老師官方”的帳號中,簡到雙十二規則科普,繁到化學學的200道困局,生活中所到之處的化學學、數學的規則、理論、現象,都像中學課堂一樣量子物理專業,拆解在我們面前。這種視頻播放量少的有五六萬,最多有30多萬。
李永樂其實不止這一個帳號,快手、微博、抖音,流行的平臺都有,這種平臺的播放量加上去也能媲美辦公室小野等娛樂帳號。
這種帳號實現了把科技館的知識搬到了普羅大眾家里,把看不懂的科學弄成了你們都感興趣的科學。
跟AR/VR有哪些關系?
我們慣性的覺得無獨有偶,我們慣性的以為張首晟不是惟一一個用AR科普的科學家量子物理專業,但翻看了過去幾年的新聞,關于科學家怎樣應用AR/VR的好多,但用它們來科普科學成果的卻少之又少——即使我們都明白AR/VR對科普有多大的作用。
首先是將具象理論抽象化。
我們要理解,前沿科學好多都很“毀三觀”。哥白尼提出的日心說,這個毋庸置疑,在當時哥白尼因此付出了慘痛的代價。
普朗克提出量子論,別說我們普通人了,連愛因斯坦這樣名眷顧史的大科學家都不信。
可這種現在都得到了否認。
假如要了解科學,就是要去理解這種“毀三觀”的理論,而那些常常來自于坐落科研金字塔頂端的那幾個人的腦袋里。
就拿化學來說,她們經常會用小球來比喻一個個的電子,為何,電子=小球嗎?其實并不,但這樣更便捷人去抽象化理解。
而AR/VR就才能讓人們360度無死角觀察科學家構建的模型,見證推論得出的經過,讓人們更好的理解這些“毀三觀”的科學理論。
其次,大大增加了實驗成本。
我們上面提及快手上的戴偉博士,他早已是一個眉毛胡須都花白的奶奶,卻往往要搬著很重的大袋子四處給中學生們做實驗。這也早已是科學里比較好實現的部份了。
在微博上看見一個小故事,一個女博士做實驗試劑都是自己買,追她的男人以為要不了幾個錢。但女博士微微一笑說,1克三四十萬吧。下邊的評論也否認了這件事,2毫克純化蛋白3000元左右,除以500倍是1克,也就是1克純化蛋白須要150萬。
這些科普微臣真的做不起啊!!!
而這樣高昂的實驗在有了推論以后,可以借助AR構建完整的實驗過程拿來科普,無需搭建高價的專門實驗室,也不須要一步一步繁雜的條件設定,更關鍵的是,無限次展示,不用擔憂材料費用問題。
我們總在想,科學的進步怎么推動AR/VR的發展,會有三天像《頭號玩家》里那樣實現虛擬和現實的無障礙互動嗎?87君認為,AR/VR雖然早就可以反哺科學了。
盡管科學只能被小部份人研究,但可以被大部份人欣賞。不能被大部份人欣賞的科學應當被覺得是研究得不夠好的科學。