剛剛去世的「量子物理」大牛張首晟！也是用AR技術科普的先驅

文丨來福特別瘦

在很久很久以前，以玻爾為首的哥本哈根學派認為，在量子的微觀世界裡，「看」不見的東西是不存在的，也就是說，不存在一個完全客觀的世界，觀測不到的東西就是不存在的。

另一位偉大的物理學家表示無法接受，於是他提出了這樣一個思想實驗：

現在把一隻貓放進一個封閉的盒子里,，這個封閉的盒子內放置一個放射性原子、蓋革計數器和毒氣釋放裝置。

假定這個放射性原子在一小時內有50%的可能性發生衰變，衰變時發射出一個粒子,，這個粒子將會被蓋革計數器探測到,，進而觸發毒氣裝置釋放毒氣，將貓殺死。那麼，一小時之後,，這隻貓是死是活呢？

可以說，在我們打開盒子看之前，貓處於又死又活的狀態。

這就是著名的「薛定諤的貓」。薛定諤用我們宏觀世界的具體例子，形象的形容了微觀世界的現象。雖然他本人認為這個理論很荒謬，但這不影響他設計的實驗方便我們理解「疊加態」。

我們大部分人都可以理解、記住薛定諤的貓，甚至常常拿來造梗發彈幕，但也不會有人拿疊加態、坍縮、波函數等專業辭彙發彈幕。這說明了對於普通人來說，科學是可以理解的，但需要更好的表達。對科學來說，是可以被大部分人欣賞的，同時也需要更好的被表達。

其實在世界頂尖的物理學家身上，早就有了用好的科技表達好的物理的例子。

張首晟和他的「天使粒子」

前陣子一位物理學家離世的消息刷屏了，他是楊振寧口中指日可待的諾貝爾獎獲得者，他是華人物理學界的驕傲，他是斯坦福大學物理系終身教授張首晟。

他的離去我們表示遺憾，但同時我們還會繼續關注他留給這個世界的東西：天使粒子。

根據粒子物理的定義，物質由費米子和玻色子兩種基本粒子組成，費米子是構成物質的原材料（如輕子中的電子、組成質子和中子的夸克、中微子）；玻色子是傳遞作用力的粒子（光子、介子、膠子、W和Z玻色子）。

馬約拉納（Majorana）費米子是費米子的一種，其獨特之處在於，它是一個沒有反粒子，或者說反粒子就是其自身的粒子。它與希格斯波色子、引力子、磁單極、暗物質等一起被視為人類最為夢寐以求的神秘粒子。

在張首晟看來，天使粒子的發現「非常非常神奇，這意味著一個量子比特可以拆成兩個，對整個量子物理有根本的改變。」

這樣可能很難理解，可能要上節目的物理學家張首晟也這麼覺得，所以他2017年就在《我是未來》節目上用AR來為大家科普他的研究成果。

在節目中，張首晟戴著Meta 2 MR頭顯，從桌面上抓取了一塊代表著「拓撲絕緣體」的蛋糕。

拓撲絕緣體的內部是絕緣體，然而表面卻有被拓撲保護的電子態。這是因為其內部電子自旋與電子自身的運動相互耦合，迫使電子圍繞一個點旋轉而不能穿越整塊材料，這樣就無法導電。但在材料邊緣，電子沒有足夠空間旋轉運動，被迫沿著表面呈半圓形跳躍，由此變得能夠導電。

蛋糕周圍有兩個光球在旋轉，叫「量子自旋霍爾效應」。

在特定的量子阱中，在無外磁場的條件下（即保持時間反演對稱性的條件下），特定材料製成的絕緣體的表面會產生特殊的邊緣態，使得該絕緣體的邊緣可以導電，並且這種邊緣態電流的方向與電子的自旋方向完全相關，即量子自旋霍爾效應。

接著他從旁邊抓了草莓，加在蛋糕上，他用草莓來代表「磁性原子」。草莓尖頭向上按順序排列。

周圍的兩個光球旋轉，一個是粒子，另外一個是「反粒子」，草莓在蛋糕一圈以向上的姿態排列，此時的狀態叫做「量子反常霍爾效應」。

我們知道，霍爾效應的形成是必須要加外部磁場的，而張首晟及其團隊發現，只需要在拓撲絕緣體上加入磁性原子，這樣就不需要外加磁場就可以形成穩定、基本沒有耗散的量子反常霍爾效應，這讓它為半導體的發展打開了新的大門。

在這個狀態下，張首晟抓起旁邊的奶油加在蛋糕上，奶油則代表著「量子反常霍爾絕緣體薄膜」。

有了奶油的草莓蛋糕周圍兩個旋轉的光球只剩下了一個，而剩下的這個光球就叫做天使粒子，也就是說，它自己是它本身的反粒子。

而這一個草莓蛋糕的製作過程也代表這張首晟團隊人工發現「天使粒子」，也就是手性馬約拉納費米子。

也就是說，雖然科學家尚未發現馬約拉納費米子，但他們已經可以通過一些方法「造」出馬約拉納費米子，「天使粒子」論文的第一作者、加州大學洛杉磯分校的潘磊在採訪中表示：「雖然沒有發現馬約拉納費米子，但是只要符合馬約拉納費米子的性質，就有可能用來實現拓撲量子計算。」

從一條一條計算，到多條並行的計算，這對計算機，對人類都是極大的飛躍。

我們不在科學界，不便從科學圈去分析到底是誰第一個發現了天使粒子，但第一個用AR讓大眾理解高端物理、世界上最前沿的科研成果是什麼樣的人，是張首晟。這讓我們明白，高端的物理學並不是遙不可及，高端科學普通人是看得懂的。

科學不應該被鎖在科技館裡

我們前面說到，大眾對高端科學是感興趣的，也是能夠理解的。

同為互聯網時代的產物，除了AR/VR之外的其他領域，比如短視頻，就有很好的科普案例。

快手上有一個老外很火，他是來自牛津大學的戴偉博士。他的視頻就是做各種各樣的化學實驗，包括給大象做綠色的「牙膏」，從盆子里撈出來紅色的「麵條」。

有人可能會覺得這是有趣的簡單理論，並不算高端科學，那我們看點難的。

在B站上可以看到名為「李永樂老師官方」的賬號中，簡到雙十一規則科普，繁到物理學的200道難題，生活中所到之處的物理學、數學的規則、理論、現象，都像高中課堂一樣，拆解在我們面前。這些視頻播放量少的有五六萬，最多有30多萬。

李永樂當然不止這一個賬號，快手、微博、抖音，流行的平台都有，這些平台的播放量加起來也能比肩辦公室小野等娛樂賬號。

這些賬號實現了把科技館的知識搬進了普羅大眾家裡，把看不懂的科學變成了大家都感興趣的科學。

跟AR/VR有什麼關係？

我們慣性的認為無獨有偶，我們慣性的以為張首晟不是唯一一個用AR科普的科學家，但翻看了過去幾年的新聞，關於科學家如何應用AR/VR的很多，但用它們來科普科學成果的卻少之又少——即使我們都明白AR/VR對科普有多大的作用。

首先是將抽象理論具象化。

我們要理解，前沿科學很多都很「毀三觀」。哥白尼提出的日心說，這個毋庸置疑，在當時哥白尼為此付出了慘痛的代價。

普朗克提出量子論，別說我們普通人了，連愛因斯坦這樣名垂青史的大科學家都不信。

可這些如今都得到了證實。

如果要了解科學，就是要去理解這些「毀三觀」的理論，而這些往往來自於位於科研金字塔頂端的那幾個人的腦子裡。

就拿物理來說，他們常常會用小球來比喻一個個的電子，為什麼，電子=小球嗎？也許並不，但這樣更方便人去具象化理解。

而AR/VR就能夠讓人們360度無死角觀察科學家建立的模型，見證結論得出的經過，讓人們更好的理解那些「毀三觀」的科學理論。

其次，大大降低了實驗成本。

我們前面提到快手上的戴偉博士，他已經是一個頭髮鬍子都花白的老人，卻常常要搬著很重的大箱子到處給學生們做實驗。這也已經是科學裡比較好實現的部分了。

在微博上看到一個小故事，一個女博士做實驗試劑都是自己買，追她的男生以為要不了幾個錢。但女博士微微一笑說，1克三四十萬吧。下面的評論也證實了這件事，2微克純化蛋白3000元左右，乘以500倍是1克，也就是1克純化蛋白需要150萬。

這種科普臣妾真的做不起啊！！！

而這樣昂貴的實驗在有了結論之後，可以利用AR建立完整的實驗過程用來科普，無需搭建高價的專門實驗室，也不需要一步一步繁瑣的條件設定，更關鍵的是，無限次展示，不用擔心材料費用問題。

我們總在想，科學的進步如何促進AR/VR的發展，會有一天像《頭號玩家》里那樣實現虛擬和現實的無障礙互動嗎？87君覺得，AR/VR其實早就可以反哺科學了。

雖然科學只能被小部分人研究，但可以被大部分人欣賞。不能被大部分人欣賞的科學應該被認為是研究得不夠好的科學。

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