最近漫威电影“复联4”(《复仇者联盟4》)火热上映。电影中,英雄们通过一项“量子技术”成功逆转了当年灭霸一个响指造成的影响:一半生命被随机消失(湮灭)。量子技术取代了科幻中常用
的相对论效应而成为穿梭时空的新利器,
量子技术成功超越了相对论。以后想时间旅行,不需要虫洞,不需要传送门,只要带上皮姆粒子,带上GPS手环,就可以全宇宙耍流氓了。
《复仇者联盟4》中的量子原理
1、用来穿梭时空的不确定性原理。
在量子力学里,不确定性原理表明,粒子的位置与动量不可同时被确定,位置的不确定性越小,则动量的不确定性越大,反之亦然。1927年维尔纳·海森堡发表论文《论量子理论运动学与力学的物理内涵》给出这原理的原本启发式论述。同年,厄尔·肯纳德严格地数学表述出位置与动量的不确定性关系式。2年后,霍华德·罗伯森又将肯纳德的关系式加以推广。
在经典的物理因果律中,我们认为“假如知道现在的确切状态,就可以准确预测未来”。不确定性原理则告诉我们,这是不可能的。海森堡用了一个假想的实验来阐述这个原理:假如我们想用一台显微镜来观察电子的位置,由于显微镜用的是光波,那么位置的测量精度取决于光子的波长,如果要想更加精确地
测量位置信息,我们就只能用更短波长的光子。但反过来,更短的波长意味着光子能量/动量更大,而测量过程利用的就是光子与电子的散射,其结果就是动量信息严重丢失了——在观测结束后,我们的电子早就不知所踪了。
在傅里叶变换及信息理论发展起来之后不确定性原理有了更深刻的数学理解。通过傅里叶变换,位置和动量之间建立了一种对偶关系:位置波函数可以展开为一系列动量波函数的叠加,反之亦然。从数学上可以严格证明,位置和动量不可能同时限定在有限区域内。二者要么都分布在无穷大的区域内,要么一个有限一个无限。
在复联4中,超级英雄们就是利用这种时空的不确定性来实现穿梭的。在复联的宇宙中,英雄们已经掌握了让不确定性变得确定的方法,特别是天才的钢铁侠用一个晚上就发明了牛逼闪闪的时空定位手环,从此时空穿梭不用愁!
2、莫比乌斯环的昭示。
复联4中还出现了一个有意思的东西,那就是“莫比乌斯环”。这与当下流行的拓扑物理学联系起来了。
拓扑是研究几何图形或空间在连续改变形状后还能保持不变的一些性质的一个学科。它只考虑物体间的位置关系而不考虑它们的形状和大小。
复联4彩蛋
莫比乌斯圈是一种拓扑学结构,它只有一个面(表面)和一个边界,是一种单侧、不可定向的曲面。
它是下图中这样一个扭曲的环,假如有一个小人,从环上一点沿着环走一圈,结果会发现自己走到了环的背面去了,他只有走两圈,才能够回到原点。对一个莫比乌斯环做连续的形变,是无论如何不能变成一个甜甜圈形状的,除非将其打断。而一个甜甜圈形状的物体,在连续形变下也是无论如何不会变成球形的。不过,一个杯子通过连续形变倒是可以变成甜甜圈。这种连续形变下的某种不变性就是拓扑不变性,要想打破这种不变性,或者说改变拓扑序,是需要克服很大的障碍的,比如说把莫比乌斯环掰断。因此,受到这种拓扑序保护的量子态可以非常稳定,这一性质有望被用来构造量子计算的基本单元——量子比特。
3、量子领域——微型宇宙。
量子领域即微型宇宙,它是《复联4》中打败灭霸的秘密武器。
“量子领域”最早的发现是在1900年,德国物理科学家M·普朗克提出来的。而且当时M·普朗克物理科学家对外回应道:他当时提出“量子领域”的时候,也曾假设过“量子领域”
是通过黑体辐射中不断释放的辐射能量,在已基本单位提取能量。而物理学家M·普朗克也在对“量子领域”的研究中,恰恰的更好解释道了黑体辐射的实验现象。
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