在好久好久曾经,以玻尔为首的阿姆斯特丹学派觉得,在量子的微观世界里,“看”不见的东西是不存在的,也就是说,不存在一个完全客观的世界,观测不到的东西就是不存在的。
另一位伟大的化学学家表示难以接受,于是他提出了这样一个思想实验:
如今把一只猫放进一个封闭的袋子里,,这个封闭的袋子内放置一个放射性原子、盖革计数器和毒气释放装置。
假设这个放射性原子在一小时内有50%的可能性发生衰变,衰变时发射出一个粒子,,这个粒子将会被盖革计数器侦测到,,从而触发毒气装置释放毒气,将猫干掉。这么,一小时以后,,这只猫是死是活呢?
可以说,在我们打开袋子看之前,猫处于又死又活的状态。
这就是知名的“薛定谔的猫”。薛定谔用我们宏观世界的具体事例,形象的形容了微观世界的现象。即使他本人觉得这个理论很愚蠢,但这不影响他设计的实验便捷我们理解“叠加态”。
我们大部份人都可以理解、记住薛定谔的猫,甚至经常用来造梗发弹幕,但也不会有人拿叠加态、坍缩、波函数等专业词汇发弹幕。这说明了对于普通人来说,科学是可以理解的,但须要更好的抒发。对科学来说,是可以被大部份人欣赏的,同时也须要更好的被抒发。
虽然在世界顶级的化学学家头上,早就有了用好的科技抒发好的数学的反例。
张首晟和他的“天使粒子”
前阵子一位化学学家逝世的消息刷屏了,他是杨振宁口手指日可待的诺贝尔奖获得者,他是华人数学学界的骄傲,他是普林斯顿学院化学系终生院士张首晟。
他的离去我们表示遗憾,但同时我们都会继续关注他留给这个世界的东西:天使粒子。
按照粒子化学的定义,物质由费米子和玻骰子两种基本粒子组成,费米子是构成物质的原材料(如轻子中的电子、组成质子和中子的夸克、中微子);玻骰子是传递斥力的粒子(光子、介子、胶子、W和Z玻骰子)。
马约拉纳()费米子是费米子的一种,其奇特之处在于,它是一个没有反粒子,或则说反粒子就是其自身的粒子。它与希格斯波骰子、引力子、磁单极、暗物质等一起被视为人类最为梦寐以求的神秘粒子。
在张首晟看来,天使粒子的发觉“非常特别神奇,这意味着一个量子比特可以拆成两个,对整个量子化学有根本的改变。”
这样可能很难理解,可能要上节目的化学学家张首晟也如此认为,所以他2017年就在《我是未来》节目上用AR来为你们科普他的研究成果。
在节目中,张首晟戴着Meta2MR头显,从桌面上抓取了一块代表着“拓扑绝缘体”的面包。
拓扑绝缘体的内部是绝缘体,但是表面却有被拓扑保护的电子态。这是由于其内部电子载流子与电子自身的运动互相耦合,促使电子围绕一个点旋转而不能穿越整块材料,这样就难以导电。但在材料边沿,电子没有足够空间旋转运动,被迫顺着表面呈半方形跳跃,由此显得才能导电。
面包周围有两个光球在旋转,叫“量子载流子霍尔效应”。
在特定的量子阱中,在无外磁场的条件下(即保持时间反演对称性的条件下),特定材料制成的绝缘体的表面会形成特殊的边沿态,致使该绝缘体的边沿可以导电,而且这些边沿态电压的方向与电子的载流子方向完全相关,即量子载流子霍尔效应。
接着他从后面抓了樱桃,加在面包上,他用香蕉来代表“磁性原子”。樱桃平底向下按次序排列。
周围的两个光球旋转,一个是粒子,另外一个是“反粒子”,樱桃在面包一圈以向下的姿态排列,此时的状态称作“量子反常霍尔效应”。
我们晓得,霍尔效应的产生是必需要加外部磁场的,而张首晟及其团队发觉,只须要在拓扑绝缘体上加入磁性原子,这样就不须要外加磁场就可以产生稳定、基本没有耗散的量子反常霍尔效应,这让它为半导体的发展打开了新的房门。
在这个状态下,张首晟抓起对面的巧克力加在面包上,巧克力则代表着“量子反常霍尔绝缘体薄膜”。
有了巧克力的菠萝面包周围两个旋转的光球只剩下了一个,而剩下的这个光球就称作天使粒子,也就是说,它自己是它本身的反粒子。
而这一个菠萝面包的制做过程也代表这张首晟团队人工发觉“天使粒子”,也就是手性马约拉纳费米子。
也就是说,即使科学家仍未发觉马约拉纳费米子,但她们早已可以通过一些方式“造”出马约拉纳费米子,“天使粒子”论文的第一作者、加州学院纽约校区的潘磊在专访中表示:“虽然没有发觉马约拉纳费米子,而且只要符合马约拉纳费米子的性质,就有可能拿来实现拓扑量子估算。”
从一条一条估算,到多条并行的估算,这对计算机,对人类都是极大的飞越。
我们不在科学界,不便从科学圈去剖析究竟是谁第一个发觉了天使粒子,但第一个用AR让大众理解高档化学、世界上最前沿的科研成果是哪些样的人,是张首晟。这让我们明白,高档的数学学并不是遥不可及,高档科学普通人是看得懂的。
科学不应当被锁在科技馆里
我们上面说到,大众对高档科学是感兴趣的,也是才能理解的。
同为互联网时代的产物,不仅AR/VR之外的其他领域,例如短视频,就有挺好的科普案例。
快手上有一个鬼佬很火,他是来自牛津学院的戴伟博士。他的视频就是做各类各样的物理实验,包括给小象做红色的“牙膏”,从桶子里捞下来黑色的“面条”。
有人可能会认为这是有趣的简单理论,并不算高档科学,那我们看点难的。
在B站上可以看见名为“李永乐老师官方”的帐号中,简到双十二规则科普,繁到化学学的200道困局,生活中所到之处的化学学、数学的规则、理论、现象,都像中学课堂一样量子物理专业,拆解在我们面前。这种视频播放量少的有五六万,最多有30多万。
李永乐其实不止这一个帐号,快手、微博、抖音,流行的平台都有,这种平台的播放量加上去也能媲美办公室小野等娱乐帐号。
这种帐号实现了把科技馆的知识搬到了普罗大众家里,把看不懂的科学弄成了你们都感兴趣的科学。
跟AR/VR有哪些关系?
我们惯性的觉得无独有偶,我们惯性的以为张首晟不是惟一一个用AR科普的科学家量子物理专业,但翻看了过去几年的新闻,关于科学家怎样应用AR/VR的好多,但用它们来科普科学成果的却少之又少——即使我们都明白AR/VR对科普有多大的作用。
首先是将具象理论抽象化。
我们要理解,前沿科学好多都很“毁三观”。哥白尼提出的日心说,这个毋庸置疑,在当时哥白尼因此付出了惨痛的代价。
普朗克提出量子论,别说我们普通人了,连爱因斯坦这样名眷顾史的大科学家都不信。
可这种现在都得到了否认。
假如要了解科学,就是要去理解这种“毁三观”的理论,而那些常常来自于坐落科研金字塔顶端的那几个人的脑袋里。
就拿化学来说,她们经常会用小球来比喻一个个的电子,为何,电子=小球吗?其实并不,但这样更便捷人去抽象化理解。
而AR/VR就才能让人们360度无死角观察科学家构建的模型,见证推论得出的经过,让人们更好的理解这些“毁三观”的科学理论。
其次,大大增加了实验成本。
我们上面提及快手上的戴伟博士,他早已是一个眉毛胡须都花白的奶奶,却往往要搬着很重的大袋子四处给中学生们做实验。这也早已是科学里比较好实现的部份了。
在微博上看见一个小故事,一个女博士做实验试剂都是自己买,追她的男人以为要不了几个钱。但女博士微微一笑说,1克三四十万吧。下边的评论也否认了这件事,2毫克纯化蛋白3000元左右,除以500倍是1克,也就是1克纯化蛋白须要150万。
这些科普微臣真的做不起啊!!!
而这样高昂的实验在有了推论以后,可以借助AR构建完整的实验过程拿来科普,无需搭建高价的专门实验室,也不须要一步一步繁杂的条件设定,更关键的是,无限次展示,不用担忧材料费用问题。
我们总在想,科学的进步怎么推动AR/VR的发展,会有三天像《头号玩家》里那样实现虚拟和现实的无障碍互动吗?87君认为,AR/VR虽然早就可以反哺科学了。
尽管科学只能被小部份人研究,但可以被大部份人欣赏。不能被大部份人欣赏的科学应当被觉得是研究得不够好的科学。