在非数学学专业人士看来,量子热学似乎既深奥又神妙,但这个游戏可以让你轻松上手解决一类量子问题,你的解答都会为科学家研究真正的科学问题添砖加瓦。听说外行反倒要比学过
在量子世界中,粒子可以同时出现在两个地方,这看上去有些违背直觉。而就在前几天,德国奥胡斯学院的科学家开发了一款称作“量子联通”(Moves)的游戏,版、iOS和安卓版都有(版下载页面链接,苹果AppStore下载链接,Play下载链接,全免费)。游戏的目标是在一个量子阱中想办法联通一汪游荡的“液体”,其过程遵守量子热学的规律,但每位人都能上手,游戏数据会成为科学家研究量子化学问题的参考。数据表明,非化学科班出身的玩家们在其中反倒表现得出色。这一研究成果发表在4月13日的上(J.J.W.H.S?etal.532,210–213;2016)。
这个游戏是现今科研“众包”的尝试之一。所谓科研“众包”,就是通过游戏化的方式,发动广大人民群众的力量,共同解决一个科学问题。过去,这些游戏化的项目局限在像蛋白质折叠这些有挑战性但不这么烧脑的问题上,但现在这一努力现已拓展到了量子化学学的领域。
这项工作也告诉我们另一点,就是我们人类思维掌握“诡异”的量子世界规则的能力,其实比我们想像中的要强得多。奥胡斯学院的量子化学学家,该项目的领导者雅各布·舍森(Jacob)觉得,这一发觉可能会影响科学家研究量子化学的技巧。他表示:“也许我们应当在研究量子化学问题时应该使用一些常规的直觉?!蔽薅烙信?,研究量子热学基本问题的科学家也仍然觉得,用更直观的方式处理量子化学,可能有助于破解一些悬而未决的谜团,即使有许多人觉得在没有新理论帮助的情况下这是不可能实现的。
这款名叫“量子联通”的游戏是基于量子估算中的一个真实问题:怎么最快地用激光在量子阱(类似猪肉盒一样的结构)间搬运原子,同时保证处于脆弱量子态中的原子能量不发生改变?量子世界里,粒子的位置和能量在海森堡不确定性原理的限制下互相掣肘,所以游戏的诀窍就在于:尽可能快地找到从一点转移到另一点转移的最佳位置(sweetspot),同时不能干扰到量子态。不同的动作和时机会形成无穷无尽的组合,科学家们早已设计了计算机算法企图解决这个问题。
游戏中,一个原子看上去好似是在量子阱里游荡的一汪液体,这也反映出了微观粒子的波动特点。在某一个关卡种,玩家须要联通光标去控制第二个量子阱,让它从第一个量子阱搜集原子并把它们带回“基地”。原子的行为其实看上去类似液体,但它也要遵守量子热学规律,而不是真像一桶水那样。举例来说量子物理学三大定律,为了拾取那些原子,玩家可以使用“量子隧洞”让它从一个阱“隧穿”到另一个阱,而这也是须要玩家去学习和适应的东西。一旦玩家找到搬运原子的方式,接着计算机能够将这个搬运过程转化为真实世界中“量子猪肉盒”对应的解。
在一个称作的研究志愿者平台上,有大概300位玩家总共玩了12000次舍森团队的这一关卡。接出来,研究者们把这种解决方案输入计算机进行进一步精炼。结果发觉,玩家们想出的方式中有超过一半比仅由计算机算法生成的方式更有效,但是,将玩家想出的两个最好的方式进行混和,结果比纯计算机生成的方式中最快的还要快。“这些结果真的让我们吃了一惊?!鄙嵘档?。
科学家尚不清楚人类到底具有何种特殊能力,能这么擅长于这一游戏。不过她们发觉,虽然对化学学有兴趣的人虽然可以玩得更好,但玩得好的却不见得是花了好多年学了量子化学的人。(北大化学系的译者表示这句话让他很难过。)
舍森觉得,人类策略之所以更占优势,是源自于我们脑部捉住问题核心的能力。来自美国图尔库量子化学中心的萨洛姆纳·马尼斯卡尔科()补充了一点:相比于其他环境,在游戏里,量子热学的概念其实更容易让人接受,这可能是由于在游戏这些特殊的环境下,出现打破规则、违反直觉的事情也不会让人倍感奇怪。他也参与了另外一个用游戏促使量子化学研究的项目。
对舍森而言,这种结果也表明,化学学家可以多用用她们的直觉?!拔颐怯Φ笔宰鸥嗟仄窘柚本跞ゴ砹孔游侍??!彼档馈N苏飧瞿康?,他的团队正在设计新一版的游戏,可以让化学学家们按照不同的结构去打造不同的场景,这也可以为她们的研究提供新视角。
在另一些量子化学学家看来,尽管人们可以产生对量子过程的直觉虽然令人震惊,但毕竟起码在物理层面上,科学家早已在用这类直觉解决量子问题了。来自麻省理工大学的化学学家塞思·劳埃德(SethLloyd)觉得量子物理学三大定律,通过玩这个游戏,人们就可能获得一种“量子直觉”。他表示,小孩原本就拥有一种“量子直觉”,只是这些直觉在她们学会预判一个物感受待在哪以后就丧失了。“三个月大之前,假如玩具消失了,她们会猜想在这个世界中本来东西就是可以随时消失的,但她们长到三个月大以后后,她们还会想:‘玩具去哪了?’”
劳埃德同时也觉得,“量子联通”这一游戏的成功归功于它巧妙的设计:它成功地将量子问题翻译成了一种可视的问题,但这些做法对于愈加复杂的量子问题可能并不适用。来自佛罗里达学院帕克校区的理论化学学家查尔斯·塔汉(Tahan)表示,研究量子估算算法的化学学家们早已将图形界面玩得很熟,并开始用它们来改进现有的解决方案。
然而塔汉觉得通过游戏来传授量子直觉也不无助益。他也开发了另一款游戏称作“”,让玩家们做一些基本的量子估算,同时也能培养她们的直觉,借此知晓一些量子规律。他希望这款游戏能提高中学生们的能力,其实能够开掘一些在该方面天赋的人才。
撰文伊丽莎白·吉布尼()
编译王凌霄
审校王乐
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