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量子世界亦需直觉

2019-03-14 03:06:40

研究者们通过游戏来吸引广大群众参与到众包解决科学问题中去。

一款电脑游戏表明,人类思维能够熟练掌握量子力学中违反常理的规律。

在量子世界中,粒子可以在某一瞬间同时存在于两个地点,所以人们常常认为,量子世界在本质上与人类直觉相违背。如今,一群科学家创造出了一款服从量子力学规律的电子游戏,而在这款游戏中,除物理学家之外的人类玩家也能够胜出(J. J. W.

量子世界亦需直觉

H. S?rensen et al. Nature 532, 210–213; 2016)。

该研究团队的成果预示,通过电脑游戏来众包解决科学问题的技术已经开始向量子物理领域扩展了。在过去,类似的游戏化项目仅局限于解决麻烦而不费神的问题,例如蛋白质折叠。

与此同时,这一工作也表明,人类思维或许比想象中要更善于在古怪的量子世界中抓住规律。来自丹麦Aarhus大学的量子物理学家Jocob Sherson主持了这项研究,他认为这一研究结果可能会对科学家处理量子物理的方法有所启示。他说:“或许我们应该让我们正常的直觉来帮助我们解决问题。”研究量子基础的科学家一直以来也认为,找到更符合直觉的量子物理处理方法有利于解开未完成的疑团,但也有许多科学家提出质疑,认为在发现新理论之前,那都是不可能的。

这款叫做Quantum Moves的游戏是基于量子计算中的一个真实问题而开发的:当某一原子处在类似于鸡蛋盒子结构的势阱之间时,该原子处于一个不稳定的量子态中,此时,激光在不改变原子能量的基础上,能够以多快的速度移动这个原子。根据海森堡不确定性原理,速度与能量在量子世界中是此消彼长的,所以问题的关键就在于找到适当的一点,使原子从一个位置到另一位置的速度尽可能快,而又不影响其量子态。运动与时间的组合无穷无尽,科学家也已设计出计算机算法来尝试解决这一问题。

在游戏中,原子被设计成势阱中晃动的液体,体现了量子粒子的波动性。在关卡中,玩家移动光标来控制另一个势阱,玩家需要利用这一势阱来收集晃动的液体,并将其带回到基地。液体的行为遵循量子力学规律,而非一桶真实的水的运动规律——例如,玩家能够利用量子隧穿效应来使液体从一势垒中转移到另一势垒中去,游戏玩家必须要学会适应这一规则。一旦他们找到了转移液体的方案,电脑会把他们的鼠标移动方案转化成真实世界的量子鸡蛋盒子问题的解。

Sherson的团队在一个叫ScienceAtHome的志愿研究平台上招募到了300人共尝试了12000次该游戏关卡。接着,研究者将游戏获得的解输入电脑,进一步处理。结果发现,一方面,超过半数的借助人类直觉计算出的解要比计算机算法得到的解更加有效,另一方面,混合处理法中的两种解的求解速度要快于速的计算机单独工作时的速度。“我对我们得到的结果感到万分震惊。”Sherson说道。

人类的优势

在该游戏过程中,人们究竟表现出了何种能力?这一问题仍有待科学家研究。尽管玩家在该游戏中的表现好坏与他们是否对物理感兴趣有关,但是否赢得游戏与学习量子物理的时间长短无关。Sherson认为,人类之所以能够在游戏中采用更优的策略,是与人类思维能够抓住问题本质的能力有关的。相比于其他环境,量子力学的概念在游戏中会显得不那么奇怪,因为游戏为人们营造出了一种打破规则的氛围,芬兰Turku量子物理中心的Sabrina Maniscalco补充道。Sabrina Maniscalco正在运营一个旨在开发游戏以辅助量子力学研究的项目。

对Sherson来讲,这一结果也意味着物理学家可以在量子物理中更多地参考自己的直觉。“我们应该尝试用更加符合本能、符合直觉的方法去解决问题。”他这样说道。为了达到这个目的,他的团队正在开发一款新游戏,在这款游戏中,物理学家可以通过微调游戏情境来实现不同的物理设定,从而有望帮助其对自身工作产生新的认识。

其他物理学家同样惊讶于这一新发现——人们能够培养对量子物理过程的直觉,但是他们同时也认为科学家们已经在使用直觉解决量子问题了,至少在数学层面上是这样的。在游戏过程中,人们或许能够获得那种直觉,麻省理工的一位物理学家Seth Lloyd说道。他发现,在婴儿学会意识到一个物体就该呆在它所呆的位置之前,婴儿是拥有一种量子直觉的,但是这种直觉会在后来消失。“在三个月之前,如果玩具消失了,他们会猜想这就是这个世界运行的规律。在三个月之后,他们会思考,‘玩具去哪儿了呢?’”

Lloyd也表示,Quantum Moves的成功之处很大程度上在于其灵巧的设计,这种设计成功将量子问题转化成一个可视化的问题,但是对于更复杂的量子问题来讲,这一种设计将可能无法实现。

一些物理学家正尝试开发量子计算算法,他们已经开始使用图像界面以帮助改进量子问题的现有解法,马里兰大学帕克分校的一位理论物理学家Charles Tahan这样说道。

但Tahan也认为通过游戏来培养量子直觉确实有很多益处。他开发了另一款游戏Meqanic,这款游戏能够让玩家进行基础的量子计算,让他们在游戏过程中由直觉记住量子力学的规律。他希望通过这款游戏来提高学生的能力,同时发现那些量子物理才华尚未展露的人。

翻译:王舟 审稿:赵昌昊

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