刚刚去世的“量子物理”大牛张首晟!也是用AR技术科普的先驱

VR/AR
2018
12/14
12:39
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在很久很久以前,以玻尔为首的哥本哈根学派认为,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。

另一位伟大的物理学家表示无法接受,于是他提出了这样一个思想实验:

现在把一只猫放进一个封闭的盒子里,,这个封闭的盒子内放置一个放射性原子、盖革计数器和毒气释放装置。

假定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探测到,,进而触发毒气装置释放毒气,将猫杀死。那么,一小时之后,,这只猫是死是活呢?

可以说,在我们打开盒子看之前,猫处于又死又活的状态。

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这就是著名的“薛定谔的猫”。薛定谔用我们宏观世界的具体例子,形象的形容了微观世界的现象。虽然他本人认为这个理论很荒谬,但这不影响他设计的实验方便我们理解“叠加态”。

我们大部分人都可以理解、记住薛定谔的猫,甚至常常拿来造梗发弹幕,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,但需要更好的表达。对科学来说,是可以被大部分人欣赏的,同时也需要更好的被表达。

其实在世界顶尖的物理学家身上,早就有了用好的科技表达好的物理的例子。

张首晟和他的“天使粒子”

前阵子一位物理学家离世的消息刷屏了,他是杨振宁口中指日可待的诺贝尔奖获得者,他是华人物理学界的骄傲,他是斯坦福大学物理系终身教授张首晟

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他的离去我们表示遗憾,但同时我们还会继续关注他留给这个世界的东西:天使粒子。

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根据粒子物理的定义,物质由费米子和玻色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);玻色子是传递作用力的粒子(光子、介子、胶子、W和Z玻色子)。

马约拉纳(Majorana)费米子是费米子的一种,其独特之处在于,它是一个没有反粒子,或者说反粒子就是其自身的粒子。它与希格斯波色子、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,天使粒子的发现“非常非常神奇,这意味着一个量子比特可以拆成两个,对整个量子物理有根本的改变。”

这样可能很难理解,可能要上节目的物理学家张首晟也这么觉得,所以他2017年就在《我是未来》节目上用AR来为大家科普他的研究成果。

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在节目中,张首晟戴着Meta 2 MR头显,从桌面上抓取了一块代表着“拓扑绝缘体”的蛋糕。

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拓扑绝缘体的内部是绝缘体,然而表面却有被拓扑保护的电子态。这是因为其内部电子自旋与电子自身的运动相互耦合,迫使电子围绕一个点旋转而不能穿越整块材料,这样就无法导电。但在材料边缘,电子没有足够空间旋转运动,被迫沿着表面呈半圆形跳跃,由此变得能够导电。

蛋糕周围有两个光球在旋转,叫“量子自旋霍尔效应”。

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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产生特殊的边缘态,使得该绝缘体的边缘可以导电,并且这种边缘态电流的方向与电子的自旋方向完全相关,即量子自旋霍尔效应。

接着他从旁边抓了草莓,加在蛋糕上,他用草莓来代表“磁性原子”。草莓尖头向上按顺序排列。

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周围的两个光球旋转,一个是粒子,另外一个是“反粒子”,草莓在蛋糕一圈以向上的姿态排列,此时的状态叫做“量子反常霍尔效应”。

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我们知道,霍尔效应的形成是必须要加外部磁场的,而张首晟及其团队发现,只需要在拓扑绝缘体上加入磁性原子,这样就不需要外加磁场就可以形成稳定、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大门。

在这个状态下,张首晟抓起旁边的奶油加在蛋糕上,奶油则代表着“量子反常霍尔绝缘体薄膜”。

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有了奶油的草莓蛋糕周围两个旋转的光球只剩下了一个,而剩下的这个光球就叫做天使粒子,也就是说,它自己是它本身的反粒子。

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而这一个草莓蛋糕的制作过程也代表这张首晟团队人工发现“天使粒子”,也就是手性马约拉纳费米子。

也就是说,虽然科学家尚未发现马约拉纳费米子,但他们已经可以通过一些方法“造”出马约拉纳费米子,“天使粒子”论文的第一作者、加州大学洛杉矶分校的潘磊在采访中表示:“虽然没有发现马约拉纳费米子,但是只要符合马约拉纳费米子的性质,就有可能用来实现拓扑量子计算。”

从一条一条计算,到多条并行的计算,这对计算机,对人类都是极大的飞跃。

我们不在科学界,不便从科学圈去分析到底是谁第一个发现了天使粒子,但第一个用AR让大众理解高端物理、世界上最前沿的科研成果是什么样的人,是张首晟。这让我们明白,高端的物理学并不是遥不可及,高端科学普通人是看得懂的。

科学不应该被锁在科技馆里

我们前面说到,大众对高端科学是感兴趣的,也是能够理解的。

同为互联网时代的产物,除了AR/VR之外的其他领域,比如短视频,就有很好的科普案例。

快手上有一个老外很火,他是来自牛津大学的戴伟博士。他的视频就是做各种各样的化学实验,包括给大象做绿色的“牙膏”,从盆子里捞出来红色的“面条”。

有人可能会觉得这是有趣的简单理论,并不算高端科学,那我们看点难的。

在B站上可以看到名为“李永乐老师官方”的账号中,简到双十一规则科普,繁到物理学的200道难题,生活中所到之处的物理学、数学的规则、理论、现象,都像高中课堂一样,拆解在我们面前。这些视频播放量少的有五六万,最多有30多万。

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李永乐当然不止这一个账号,快手、微博、抖音,流行的平台都有,这些平台的播放量加起来也能比肩办公室小野等娱乐账号。

这些账号实现了把科技馆的知识搬进了普罗大众家里,把看不懂的科学变成了大家都感兴趣的科学。

跟AR/VR有什么关系?

我们惯性的认为无独有偶,我们惯性的以为张首晟不是唯一一个用AR科普的科学家,但翻看了过去几年的新闻,关于科学家如何应用AR/VR的很多,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。

首先是将抽象理论具象化。

我们要理解,前沿科学很多都很“毁三观”。哥白尼提出的日心说,这个毋庸置疑,在当时哥白尼为此付出了惨痛的代价。

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普朗克提出量子论,别说我们普通人了,连爱因斯坦这样名垂青史的大科学家都不信。

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可这些如今都得到了证实。

如果要了解科学,就是要去理解这些“毁三观”的理论,而这些往往来自于位于科研金字塔顶端的那几个人的脑子里。

就拿物理来说,他们常常会用小球来比喻一个个的电子,为什么,电子=小球吗?也许并不,但这样更方便人去具象化理解。

而AR/VR就能够让人们360度无死角观察科学家建立的模型,见证结论得出的经过,让人们更好的理解那些“毁三观”的科学理论。

其次,大大降低了实验成本。

我们前面提到快手上的戴伟博士,他已经是一个头发胡子都花白的老人,却常常要搬着很重的大箱子到处给学生们做实验。这也已经是科学里比较好实现的部分了。

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在微博上看到一个小故事,一个女博士做实验试剂都是自己买,追她的男生以为要不了几个钱。但女博士微微一笑说,1克三四十万吧。下面的评论也证实了这件事,2微克纯化蛋白3000元左右,乘以500倍是1克,也就是1克纯化蛋白需要150万。

这种科普臣妾真的做不起啊!!!

而这样昂贵的实验在有了结论之后,可以利用AR建立完整的实验过程用来科普,无需搭建高价的专门实验室,也不需要一步一步繁琐的条件设定,更关键的是,无限次展示,不用担心材料费用问题。

我们总在想,科学的进步如何促进AR/VR的发展,会有一天像《头号玩家》里那样实现虚拟和现实的无障碍互动吗?87君觉得,AR/VR其实早就可以反哺科学了。

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虽然科学只能被小部分人研究,但可以被大部分人欣赏。不能被大部分人欣赏的科学应该被认为是研究得不够好的科学。

来源:87870

THE END
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