最近，漫威系列电影《蚁人2》上映不久，吸引了一大批影迷，电影中采用各大特效浓墨重彩地展现了一个新的世界——量子世界，这部科幻影片在给我们带来视觉享受的同时，也带给我们了一些量子物理学的启迪。影片里出现两个很重要的量子物理学名词：量子纠缠和时间涡旋，它们到底是什么呢？今天，小编就带你一起解开电影中量子世界的奥秘。
下面一则小视频带大家快速进入我们今天的主题：
视频来源：《影想力》节目《关于“蚁人 2” 背后的量子密码》
影片中，珍妮特(Janet Van Dyne)与斯考特(Scott Lang)都曾深陷量子效应，他们之间发生了量子纠缠，上演了珍妮特“附身”斯考特的趣味情节，并由此找到了珍妮特在量子空间中的具体坐标。
说起量子效应，我们自然想到“薛定谔的猫”：一只小猫被关在装有毒气触发装置的箱子里，触发装置含有50%概率发生衰变的原子，原子衰变会释放毒气，小猫死亡；反之，小猫就是安全的。若不打开箱子，小猫“既是死了又是活着”，这就是一种“量子叠加态”；如果我们要知道小猫的死活，就必须要打开箱子看，而当打开箱子的一瞬间，小猫将只能是“生”或“死”的确定状态，科学家将这两种状态称为“本征态”。因此，打开箱子的操作就使得小猫从叠加态“塌缩”到了其中一个本征态。
爱因斯坦在解释量子纠缠思想时，曾经做过一个比喻：假如一个人有一副手套，分别装入两个盒子中，一个在北极，一个留在了书房；当这个人打开书房中的盒子看到手套时，立刻就知道了北极的盒子里装的是哪只手套，这个知道的时间是超光速的。但当时爱因斯坦认为“上帝不扔骰子”，所以一直将这个例子看成是一种反驳量子力学的佯谬。但是量子纠缠实验在经过半个多世纪的不断重复后，已经证明了爱因斯坦在这一点上的认识是有误区的：盒子在被打开前，里面的手套处于“左/右”手套叠加态下，即薛定谔的猫态；当主人打开盒子看到手套时，手套坍缩成了一个本征态，确定为左手或者右手，而同时北极处的盒子内也自动坍缩成另一个本征态。爱因斯坦曾把量子纠缠描述为“幽灵般的超距作用”，因为这一现象看起来非常不可思议：在纠缠态中，即使二者距离很远，一个粒子发生了什么，另一个粒子也会瞬间发生同样的事，而且这一过程是超光速的。正如视频里，清华大学的王策小哥哥用硬币所举的例子一样生动。
因此，也就不难理解电影中两位发生量子纠缠的主人公之间发生的奇特遭遇了：在量子空间，只要发生了量子纠缠，两人无论相隔千万里，彼此之间都会有“心灵感应”，某个人的行动会“立即”影响另外一个人！
片尾第一个彩蛋里，斯考特准备再次进入量子空间获取量子能量时，珍妮特提醒他：小心不要掉进“时间涡旋”。在量子空间里，斯考特超越了时空的限制，躲过了灭霸的响指，他没有消失。
“时间涡漩”通常是对爱因斯坦相对论的阐述，即行星在太空中的运动扭曲了周围的空间和时间，形成了所谓的“涡漩”。理想情况下，通过它们或许可以实现“穿越”时间和空间。著名物理学家J.Wheeler有一句著名论断：时空中物质告诉时空如何弯曲，而时空告诉物质如何运动。
小编在了解时间涡旋的过程中，还学习到了另一种涡旋：量子涡旋。一起介绍给大家吧!
要了解量子涡旋，就不得不提到“超流体”，也就是上面视频里提到的在流动过程中没有任何阻力的超级流体。水经过搅动就会产生旋涡，而超流体则不同，只有搅拌达到了某个临界速度，超流体才会开始出现涡旋；当继续匀速或加速“搅拌”，在超流体的表面开始出现多个涡旋。由于这些涡旋的排列遵循能量最低原理，所以这些涡旋会自发的排成非常规则的形状——这就是“量子涡旋”。中国科学技术大学的科学家们已经在双超流体中成功地产生和观测到“玻色-费米量子涡旋晶格”，这一发现为理解复杂宏观量子现象提供了一种独特的研究手段。
蚁人最大的超能力就是随时“变大变小”了，影片里对于变小后的微观视角特写，非常细腻。而在量子物理学中，体积的大小是由粒子之间的距离决定的，想要改变粒子间距，则需要改变粒子间的相互作用。《蚁人1》中的 “皮姆粒子”就是通过改变这种相互作用，掌握了“变大变小”的“钥匙”。
霍夫变小后在厨房打斗的情节
皮姆教授的实验室瞬间变小
图片来源：http://image.so.com/i
水熊虫
而变得太小，也不见得是个什么好事。电影里，皮姆博士在量子空间里差点被一种极小的水熊虫吃掉。水熊虫是地球上生命力最强的生物，能够在低温、缺氧条件下存活，也可以高温生存，甚至可以在没有防护措施的外太空生存。它们非常细小，大部分不超过1mm，最小的初生水熊虫只有50μm。虽然上面的水熊虫图片看起来萌萌的，但在微观世界中见到他，还是会让人感到头皮发麻的。
具有穿墙能力的幽灵
影片里，还有一个神奇的存在：“ghost”（中文翻译为“鬼”），她在受到量子世界作用以后，具有了穿透实物的能力。在量子纠缠的相关研究中，也有一种称为“鬼成像”的奇异现象，也被称为“量子成像”。作为量子光学的一个重要分支，量子成像并不像经典的透镜成像技术，它的最大特点就是“物像分离”：它能利用两个探测光路分别对物体的空间和强度分布进行探测，其中任何一路信息都无法单独成像，唯有两路信息共同探测，才能通过测量进行关联成像。这就好比我们在室外安装一个探测器后，只需要在室内再配置一个探测器进行采样，就可做到“不出门而尽知门外事”。正是这种打破常规的方式，才使得量子成像得名“鬼成像”，而它最初也是利用了“量子纠缠对”才在实验上实现的。
总之，电影的奇妙就在于它让我们认识科学，又让人对科学充满了无限遐想，作为科幻片主创人员向我们展示了脑袋大开的奇妙世界，量子世界充满无限可能。随着量子技术的发展，或许未来我们幻想的某一部分也可以成为现实。
两江科技评论
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编辑：方轲、冯元会、范倩雯
审核：颜学俊
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