清华博士带你解读漫威电影的「量子世界」

《蚁人 2:黄蜂女现身》是漫威宇宙第三和第四阶段 “承上启下” 的重要节点,故事中的 “量子世界”,是打开漫威多元新宇宙最关键的概念。

本片 8 月 24 号将以 IMAX3D 格式隆重上映,我们先来看下预告片~

量子态、量子通道、量子世界、量子纠缠……作为极客影迷,看《蚁人 2:黄蜂女现身》之前我们必须先了解清楚这些烧脑概念,才更能体会到电影的玄妙之处。

特别感谢清华大学量子物理博士王策,和我们一起为大家解开 “蚁人” 背后的量子密码。

王策
清华大学
博士专业领域为量子物理与机器学习
发表过多篇关于 “量子拓扑态动力学和相互作用效应”
“机器学习方法用于物理学研究” 等方面的论文

清华博士带你解读漫威电影的「量子世界」

量子,尽管它是宇宙间最微小的东西,有意思的是,它却代表着上世纪以来最巨大的科学突破,隐藏着无穷可能性。

漫威《蚁人》故事里,汉克·皮姆博士发现 “皮姆粒子”,能让物质移入移出到另一维度的空间中,从而把东西变大变小,他亲手把斯科特·朗变成蚂蚁大小的超级英雄 “蚁人”。

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珍妮特·范·戴因,皮姆的妻子、同时也是 “初代黄蜂女”,为阻止核弹爆炸,把自己缩小进入量子世界,一消失就是 30 年。

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《蚁人 1》中斯科特·朗曾被短暂困在量子世界,但自己调整了蚁人战衣逃了出来;所以《蚁人 2:黄蜂女现身》的故事就围绕大家去量子世界拯救珍妮特·范·戴因展开。

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第四阶段的漫威电影更强调多元宇宙和星际探险;蚁人和 “量子概念” 也将在《复联 4》中起到至关重要的作用!

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量子力学可不是电影故事,它是这个世界上所有事物组成和运行的本质规律。

当一切缩小到微观状态,你将发现一个充满诡异现象、一切皆有可能的世界!

我们知道,物质是由原子构成的;而原子由原子核和绕核旋转的电子构成,我们统称它们为亚原子粒子。

电子,实际上是一种 “波”。

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虽然世间万物都由电子构成,但 “物质的存在” 取决于不同波的特性,所以大家看起来完全不同。

这些物质波的特性,规定了电子在绕原子核旋转时的空间和距离。

这是一套宇宙间最为严格的秩序体系:电子之间相隔着很远的距离,所以由它们构成的原子中有很大的空间,几乎是空的。

电子的泡利不相容原理(Pauli Exclusion Principle)规定了它们不允许同时存在于完全相同的位置,小伙伴们之间需要保持很大的安全距离。

相同电荷的电子间会引起排斥。

“蚁人” 故事中 “皮姆粒子” 能重新设定电子间的空间距离,从而把物体 “变大变小”,这是一种艺术上的 “物理思想实验”。

想象一下,在多出 26% 画面的 IMAX 巨幕上观看这种 “变大变小” 的特效,更让人心潮澎湃有没有?

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不仅如此,IMAX 影院震撼人心的音响系统,让蚁人和黄蜂女在微观世界里翅膀震动的嗡嗡声好像就在你耳边一样,听觉体验也加倍。

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我们再来说说片中的 “量子隧道”(Quantum Tunneling)这件事。

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虽然 “量子隧道” 是想象出来的,但亚原子粒子(电子)完全有可能在诡异的量子力学作用下 “穿越” 固体物质!

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在亚原子尺度上,你永远无法知道粒子在哪里、或它将要去哪里;当你企图去准确测量出它的位置,就测不准它的运动轨迹,反之亦然。

所以,“物质波” 这个波函数还可以解释为 “概率密度波”。

换句话说,我们能做的,就是描述出 “粒子在任何给定时刻、可能存在某个位置的概率”。

用 “猫猫杀手” 薛定谔给出的 “薛定谔方程”。

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因此,一个粒子总有一种可能性(哪怕微乎其微)——跑到它不该出现的位置上去,比如墙的另一边。

这个现象就是 “量子隧穿”(Quantum Tunneling)。

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粒子移动得越快,它拥有的能量就越大、穿过一些 “不可能通过的障碍物” 可能性就越大。

量子状态下的你想要穿墙而过,你必须尽可能快的跑,而且一遍又一遍的尝试,才能获得极小的成功机会——但它不是没可能。

“量子隧穿” 的实际应用包括恒星核聚变、以及人造晶体管这样的固态器件。

《蚁人 2:黄蜂女现身》中大反派 Ghost,其实就是把 “量子隧穿” 用宏观方式展现出来。她一定是通过一个什么方法改变了自己的波函数和波状态,从而使 “隧穿” 的概率接近 100%。

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如果她掌握了这种 “超能力”,那她几乎可以同时出现了各种不可思议的地方,不止 “穿墙” 这么简单了。

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在量子物理里,最奇特的概念莫过于 “量子纠缠”(Quantum Entanglement)。

它是:

一种粒子以看似瞬时的速度影响另一个粒子的方式,无论它们相隔有多远。

当 “两个粒子处于纠缠态” 的时候,这两个粒子的状态彼此影响。

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举个例子,比如我们现在有一蓝一红的两枚硬币——硬币 1 和硬币 2。

假设两个量子硬币发生了纠缠,我们把它们放在单独的不透明盒子里,没人知道它们各自的颜色。

现在,有人带着硬币 1 的盒子跑到银河系另一边;当打开装有硬币 1 的盒子看颜色时,我们就可以 100%确定硬币 2 的颜色是什么。

更神奇的是,在打开盒子前,硬币 1 既不是蓝色也不是红色,它只有在被观察之后才有可能定下自己是蓝还是红。

硬币在盒子里没被观察时的状态,通过其中一个量子波函数在数学上描述,是蓝色和红色的 “叠加” 状态;

当我看了硬币 1 的颜色之后,它就固定成一种颜色,而银河系另一边的硬币 2,就会立刻变成另一种颜色。

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如果打开盒子观察硬币 2 的颜色,就视为打破了量子纠缠。

你必须翘首期盼我的独家信息穿过银河银河系,才会真正确定自己是谁。

因此,量子纠缠可以被应用在密码学和下一代超级计算设备上。

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量子世界是个疯狂的宇宙!你越深入了解它,所有宏观世界已知的物理定律、时间距离的维度、物体移动的方向……都会被打破,各种新的可能性全都浮现出来——这就是全世界最聪明的脑袋们都对它痴迷不已的原因!

《蚁人》电影系列的科学顾问是加州理工学院的量子物理学家 Spyridon Michalakis,据说影片的情节和特效都是基于科研成果设计,科学家也深度参与了创作。

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▲ 量子物理专家 Spyridon(左)和斯坦·李(右)

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▲ Spyridon(左)和《蚁人》主创团队

《蚁人 2:黄蜂女现身》不仅让影迷们兴奋,其实让搞量子物理研究的人们更加期待。

它用 IMAX 巨幕把一个科学想象中的微观量子世界呈现出来,投身量子物理研究的科研人员们也想看看这个世界在顶级视觉创意团队手里,究竟会呈现出什么样子。

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▲ 物理学家为漫威 “设计” 的量子世界

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▲ 诺兰《星际穿越》中的 “黑洞”,就是完全基于加州理工学院物理学教授 Kip Thorne 的理论模型设计的

推荐你一定要选择 IMAX 3D 版本观看《蚁人 2:黄蜂女现身》,除了身为极客要追求的身临其境的影院体验,还有最实际的——它比其他格式多出 26% 画幅,在视听体验上会更加过瘾!

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