科幻与量子理论

个人认为，除了基本的生存需求，科幻是人类最重要的思维行为，引导我们畅想未来，改变世界。无数的幻想今天变成了现实，飞行，探月，海底旅行，千里眼，顺风耳，……，以后还会有更多的幻想变成现实。

诞生于上世纪初的量子理论，是人类建立的最神奇的科学理论，促进了科学和技术的大发展，是现代社会最重要的科学基石。可是，虽然量子理论解决了我们碰到的几乎所有问题，却很难理解，让无数天才抓破头皮。量子力学的高深，神秘，却总是对的。

没有量子力学之前，很多诡异的幻想只能算志怪，魔幻，神话。有了量子理论之后，突然更多的，本来觉得荒诞不经的选择，出现在人类面前，怎么能不让人激动呢。所以，科幻怎么能够离开量子呢？

什么是量子？

简单地说，世界上所有的物质都是量子，物质既由量子组成，本身也是量子。只不过通常宏观条件下，量子效应不明显。那么能不能说量子就是物质呢？可以那么说。

虽然什么都是量子，但是却没有任何一个具体的东西叫量子。我们有电子，夸克，中子，质子，光子，原子，分子，……，等等，它们都是量子，或者量子的组合，但是我们不把任何一个具体粒子叫做量子（光子也叫光量子是一个特例，但是我们一般叫光子）。

所以可以说，什么都是量子，又什么都不是量子。

量子论最初由普朗克提出，他认为世界上所有物质，甚至物理量，都有最小不可分割的单位，该最小单位就叫该物质的量子。量子论最初的成功就来自于能量和角动量的量子化假设（黑体辐射公式和玻尔原子论）。后来还有人认为时间空间也是量子化的。要注意，虽然普朗克能量量子化的假设取得了成功，但是我们后来认为光子是量子化的，能量本身并不是量子化的（普朗克能量是非常大的一个能量，这里不再讨论）。

为什么物质我们并不觉得神秘，而叫成量子就很难理解了呢？

那是因为量子还有一个属性，与我们平常的概念矛盾。一般我们说的物质由实物粒子构成，实物粒子占据并且独占一定的空间，有明确的位置。德布罗意给出了量子的另一个基本假定，所有的物质同时又是波，叫物质波，而波可以占据但并不独占很大空间，可以和别的波也就是物质叠加。这就是波粒二象性。换言之，量子同时具有两个矛盾的属性。

量子有哪些神奇之处

测不准原理：你不能准确知道一个量子的位置或者速度（动量）。说不清一个东西在哪里，显然有悖常理。

叠加性：一个量子可以同时处在两个不同的地方，又没有确定地在任何一个地方，而是两个地方的叠加模式。一只猫可以同时死了和活着，又不是确定地死了，或者活着（薛定谔猫），还可以死得多一点，活得少一点。注意，死就死，活就是活，不是病或伤得奄奄一息。

实现薛定谔猫态的实验装置简图，Science 27 Vol. 352, Issue 6289, pp. 1087-1091

隧穿效应：经典条件物体不能越过高于自己动能的势垒，比如桶里静止的水不会自动流到外面。但这种势垒不能限制住量子。放射性很多都是势垒穿透效应。装在一个杯子里的液氦就会越过杯壁流出去。可以理解为，人可以毫发无损穿墙而过。

超流的液氦。容器中的液氦会越过容器壁流出来。

量子纠缠与非局域性：相互纠缠的两个量子，一个发生变化，另一个无论相距多远，如何隔离，立即瞬时发生变化。非局域性指不受局域性原理，也就是相对论的限制，也就是以上影响可以超过光速。一般理解为，无论相隔多远，都可以瞬时相互影响。

实验中拍到的量子纠缠现象，Moreau et al., Science Advances, Vol. 5, no. 7, 2019

远程传送：可以将一个量子的状态原封不动地，瞬时地传送到远处。

量子远程传送原理，Nature。1997年已经实验演示

量子通讯：量子纠缠并不能传送信息，但是有研究者认为可以利用量子纠缠的原理进行远程控制，实际上也可以通讯。量子通讯绝对安全，不可窃听。

量子计算：量子计算天然地比传统计算快很多，而且可以解决传统计算不能解决的问题。量子计算武装的智能文明可以洞悉低等文明的一切秘密，知道他们的一切意图。

谷歌的量子计算机，实现了量子霸权。Frank Arute等，Nature 574, 505–510(2019)

时间倒流：量子力学中的时间并没有方向，薛定谔方程可以接受时间倒流。

量子计算机在实验上演示了时间倒流。

G. B. Lesovik et al., Scientific Reports (2019).

人的意识改变物理实在：参考网络热搜“客观世界并不存在”，物理世界会因为我们的观察而改变。

改变过去：意识或观测对物理实在的改变包括对过去发生事件的改变。有一种实验，叫做延迟选择，可以通过设置未来的测量选择，改变粒子过去的路径，也就是，在现在或未来改变过去。

延迟选择实验布局。事后的选择会改变光子以前的光路。

Kim, Yoon-Ho等，Physical Review Letters. 84 (1): 1–5

多世界诠释：为了解释量子测量的概率属性，认为所有可能发生的事情，都会在某一个宇宙中发生。是一种平行宇宙概念。可以理解为，人类社会中，所有可能的结局都会在一个宇宙中实现。

无法理解：诺贝尔奖获得者，神级物理学家费曼说过：“世界上没有人理解量子力学。如果谁说他理解了，正好说明他不理解。”爱因斯坦因光电效应获得了诺贝尔奖，但晚年也说过：“我一辈子也没有搞清楚光子究竟是什么”。

除了多宇宙诠释是一种理解方式之外，以上所有现象已经在实验上证明。包括类似既死又或的猫，量子纠缠，量子计算的威力，等等。

科幻中的量子神器

辐射，放射性：是一种通用神器，绿巨人，诱导变异，量子力学和粒子物理给出了放射性的原理和计算。放射性诱导变异有生物和物理学基础。但放射性更多的是破坏性和杀伤力，因此更多地出现在灾难片中。

《绿巨人》，主人公因辐射造成身体变异，得到神力。图片：Brandon Peterson

大小变化：科幻电影《蚁人》中说，科学怪人找到一种改变原子间距离的办法，可以让人变大变小。在量子力学中，如果电子质量变化，或者电磁相互作用强度变化，可以产生这样的效应。

《蚁人》，主人公可以缩小或变大身体

穿墙术（无破坏）：也是一种常见神器。可以通过隧道效应理解。

《蚁人2》中的“鬼人”爱娃，可以穿过各种物体。

多维空间：不是严格的量子力学概念，是后继的量子理论如弦论的概念。作品有《星际穿越》等，但更多的是相对论因素。

多重现实：即平行宇宙。

心灵感应：量子纠缠。

身体更换：灵魂或者意识脱离现实而存在。量子纠缠、意识与物理现实的关系。

时间旅行，穿越：《大话西游》中的月光宝盒，《回到未来》，《终结者》系列等及非常多科幻作品中的时光机。每个人都会后悔自己的一些决定，希望回到决定发生的时刻做出另一个选择，时光机就成了大家耳熟能详的幻想装置。与量子力学的时间倒流，未来改变过去有关。

《星际》中，Coop利用引力超越时空的能力，将黑洞附近收集的量子信息传送回来，从而解出了引力方程。

平行宇宙：一个人可以有多重身份，进行多次选择。

远程传送：瞬时将人或物传送到宇宙中任何一个位置。由于星际距离太远，常规航线方式几乎是无限慢，还有双生子佯谬等问题，无法开展剧情，所以发生在宇宙星际的故事必须有快速移动的办法，没有相对论限制的瞬时转移就成了最佳选择。很早的电视连续剧《星际迷航录》（star trek）中，就大量使用远程传送方式，“Beam me up”成了口头禅。量子物理中的量子远程传送概念差不多能满足要求。还有常见的传送门等。

《星际迷航录》中的瞬时远程传送

快速进化：在很多外星文明入侵题材的科幻作品中，类似蚂蚁，蜜蜂之类的社会性生命快速进化，结合成一体，成为强大的不可战胜的综合体。这与量子计算概念相关，否则不可能进化那么快，并且方向总是正确的。

巨型生命：星球级生命，或者生命个体间可以全局通讯，如《阿凡达》中，每个人可以通过对接与整个星球的生命联系。相关概念是量子计算，量子通讯。

《阿凡达》中辫子或者尾巴可以互联，传递信息。

终极大杀器：摧毁星球，到摧毁星系的炸弹，叫量子武器，反物质武器，暗能量武器等，都行，具体工作机制不重要，也不一定有量子原理作为依据。叫做量子鱼雷，量子炸弹什么的，是因为“量子”的名字比较“酷”。一定要找到相应的量子原理的话，包括可以包括隧穿原理，反物质，质能关系，量子非局域性，量子远程传送，等。

《星际迷航录》中的量子鱼雷

聚变能源：冷聚变、钢铁侠的聚变核心，终极能源。一般需要用到隧穿原理。

《钢铁侠》中的聚变能源装置

量子神器的现实性

很多过去看来疯狂的想法，已经变成了现实，那么以上各种量子神器，是不是真的那么神奇，有多少会成为现实呢？下一篇文章中讨论。