玩了這個量子力學遊戲，你也能成為物理學家！

在非物理學專業人士看來，量子力學好像既艱深又玄妙，但這個遊戲可以讓你輕鬆上手解決一類量子問題，你的解答還會為科學家研究真正的科學問題添磚加瓦。據說外行反而要比學過量子力學的人表現更好哦。

撰文 伊麗莎白·吉布尼（Elizabeth Gibney）

編譯 王凌霄

審校 王樂

在量子世界中，粒子可以同時出現在兩個地方，這看起來有些違反直覺。而就在前幾天，丹麥奧胡斯大學的科學家開發了一款叫做「量子移動」（Quantum Moves）的遊戲，Windows版、iOS和安卓版都有（Windows版下載頁面鏈接，蘋果App Store下載鏈接，Google Play下載鏈接，全免費）。遊戲的目標是在一個量子阱中想辦法移動一汪晃蕩的「液體」，其過程遵循量子力學的規律，但每個人都能上手，遊戲數據會成為科學家研究量子物理問題的參考。數據表明，非物理科班出身的玩家們在其中反而表現得出色。這一研究成果發表在4月13日的Nature上（J. J. W. H. S?rensen et al. Nature532, 210–213; 2016）。

這個遊戲是如今科研「眾包」的嘗試之一。所謂科研「眾包」，就是通過遊戲化的方法，發動廣大人民群眾的力量，共同解決一個科學問題。過去，這種遊戲化的項目局限在像蛋白質摺疊這種有挑戰性但不那麼燒腦的問題上，但如今這一努力現已拓展到了量子物理學的領域。

這項工作也告訴我們另一點，就是我們人類思維把握「詭異」的量子世界規則的能力，或許比我們想像中的要強得多。奧胡斯大學的量子物理學家，該項目的領導者雅各布·舍森（Jacob Sherson）認為，這一發現可能會影響科學家研究量子物理的方法。他表示：「也許我們應該在研究量子物理問題時應當使用一些常規的直覺。」無獨有偶，研究量子力學基本問題的科學家也一直認為，用更直觀的方法處理量子物理，可能有助於破解一些懸而未決的謎題，雖然有許多人認為在沒有新理論幫助的情況下這是不可能實現的。

這款名叫「量子移動」的遊戲是基於量子計算中的一個真實問題：如何最快地用激光在量子阱（類似雞蛋盒一樣的結構）間搬運原子，同時保證處於脆弱量子態中的原子能量不發生改變？量子世界裡，粒子的位置和能量在海森堡不確定性原理的限制下相互制約，所以遊戲的訣竅就在於：儘可能快地找到從一點轉移到另一點轉移的最佳位置（sweet spot），同時不能干擾到量子態。不同的動作和時機會產生無窮無盡的組合，科學家們已經設計了計算機演算法試圖解決這個問題。

遊戲中，一個原子看起來就像是在量子阱里晃蕩的一汪液體，這也反映出了微觀粒子的波動特性。在某一個關卡種，玩家需要移動游標去控制第二個量子阱，讓它從第一個量子阱收集原子並把它們帶回「基地」。原子的行為雖然看起來類似液體，但它也要遵循量子力學規律，而不是真像一桶水那樣。舉例來說，為了拾取這些原子，玩家可以使用「量子隧道」讓它從一個阱「隧穿」到另一個阱，而這也是需要玩家去學習和適應的東西。一旦玩家找到搬運原子的方法，接著計算機就能將這個搬運過程轉化為真實世界中「量子雞蛋盒」對應的解。

Quantum Moves遊戲截圖。圖片來源：蘋果App Store

在一個叫做ScienceAtHome的研究志願者平台上，有大約300位玩家總共玩了12000次舍森團隊的這一關卡。接下來，研究者們把這些解決方案輸入計算機進行進一步精鍊。結果發現，玩家們想出的方法中有超過一半比僅由計算機演算法生成的方法更有效，而且，將玩家想出的兩個最好的方法進行混合，結果比純計算機生成的方法中最快的還要快。「這些結果真的讓我們吃了一驚。」舍森說道。

遊戲讓公眾幫助研究者們解決科學問題。圖片來源: ScienceAtHome.org

人類的優勢

科學家尚不清楚人類究竟具有何種特殊能力，能如此擅長於這一遊戲。不過他們發現，儘管對物理學有興趣的人似乎可以玩得更好，但玩得好的卻不見得是花了很多年學了量子物理的人。（清華物理系的譯者表示這句話讓他很傷心。）

舍森認為，人類策略之所以更佔優勢，是源自於我們大腦抓住問題核心的能力。來自芬蘭圖爾庫量子物理中心的薩布里納·馬尼斯卡爾科（Sabrina Maniscalco）補充了一點：相比於其他環境，在遊戲里，量子力學的概念似乎更容易讓人接受，這可能是因為在遊戲這種特殊的環境下，出現打破規則、違反直覺的事情也不會讓人感到奇怪。他也參與了另外一個用遊戲促進量子物理研究的項目。

對舍森而言，這些結果也表明，物理學家可以多用用他們的直覺。「我們應該試著更多地憑著直覺去處理量子問題。」他說道。為了這個目的，他的團隊正在設計新一版的遊戲，可以讓物理學家們根據不同的結構去塑造不同的場景，這也可以為他們的研究提供新視角。

在另一些量子物理學家看來，雖然人們可以形成對量子過程的直覺似乎令人驚訝，但其實至少在數學層面上，科學家已經在用這類直覺解決量子問題了。來自麻省理工學院的物理學家塞思·勞埃德（Seth Lloyd）認為，通過玩這個遊戲，人們就可能獲得一種「量子直覺」。他表示，嬰兒原先就擁有一種「量子直覺」，只是這種直覺在他們學會預判一個物體會待在哪之後就失去了。「三個月大之前，如果玩具消失了，他們會猜測在這個世界中原本東西就是可以隨時消失的，但他們長到三個月大以後後，他們就會想：『玩具去哪了？』」

勞埃德同時也認為，「量子移動」這一遊戲的成功歸功於它巧妙的設計：它成功地將量子問題翻譯成了一種可視的問題，但這種做法對於更加複雜的量子問題可能並不適用。來自馬里蘭大學帕克分校的理論物理學家查爾斯·塔漢（Charles Tahan）表示，研究量子計算演算法的物理學家們已經將圖形界面玩得很熟，並開始用它們來改進現有的解決方案。

但是塔漢認為通過遊戲來傳授量子直覺也不無裨益。他也開發了另一款遊戲叫做「Mequanic」，讓玩家們做一些基本的量子計算，同時也能培養他們的直覺，以此知曉一些量子規律。他希望這款遊戲能提升學生們的能力，或許還能發掘一些在該方面天賦的人才。

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