爲量子世界寫一首詩

量子世界似乎是違反邏輯的。例如,一個量子物體到達路徑上的一個分叉處時,不需要選擇是要向左還是向右偏轉,而是同時沿著兩條路徑前行——對於經典宏觀物體,像是棒球、人類,這種行為是不可能的。物理學家有一種嚴謹的數學語言來描述量子行為,但是把這種數學語言翻譯成日常用語卻困難重重。

她為拓撲量子計算機寫了一首詩


Amy Catanzano認為詩歌能幫助物理學家發展出一種更有效、準確的語言,來描述看似難以描述的量子世界。她為量子世界寫了一首詩:《世界線:量子超級計算機之詩》。這首詩可以用多種方式解讀,每當兩行詩歌相遇在一個節點時,你既可以選擇上面一行詩,也可以選擇下面一行詩繼續閱讀。


為量子世界寫一首詩


○ Amy Catanzano的《世界線:量子超級計算機之詩》,藍色和綠色的詩行在白色的節點相遇。| 圖片來源:Amy Catanzano, APS/Alan Stonebraker

Catanzano認為,詩歌語言就像雙曲線一樣,是一種發散式的語言,能夠激發新的觀察和存在的方式,解構並挑戰我們的假定。詩歌的這種獨特性質特別適合用於描述量子物理學,因為量子物理也挑戰著我們對於物理世界的基本概念。

Catanzano的詩歌的基礎是拓撲量子計算機的一種可能的架構圖。這個設計包含四個量子比特(qubit),每一個量子比特都包含被稱為任意子的兩個準粒子。然後,通過交換事先確定的序列中相鄰任意子的位置來進行計算。接著,計算結果包含在所謂的“紐結”(knot)和“髮辮”(braid)中,髮辮是任意子的路徑——或者,更確切地說,是任意子的世界線——交織而成的。


為量子世界寫一首詩


○ 拓撲量子計算機的一種可能設計的架構圖。設計包含四個量子比特,每個量子比特由兩個任意子組成。計算通過交換相鄰的任意子而實現,這個過程產生任意子的世界線交織而成的髮辮結構。在交換序列的末尾,會測量每個量子比特的一對任意子。| 圖片來源:APS/Alan Stonebraker

任意子是二維空間的準粒子。它既不是費米子也不是玻色子,但像費米子一樣,任意子不能佔據同一狀態,因此,兩個任意子的世界線不能相交或合併,而是在三維時空(兩個空間維加一個時間維)中形成穩定的髮辮結構。

任意子構成拓撲量子計算機的邏輯門。與利用禁閉粒子構成的量子計算機相比,基於量子辮的量子計算機更加穩定,這是因為微小的累積擾動會導致量子態退相干,在計算中引入錯誤,但是這種微小的擾動不會改變量子辮的拓撲特性。

在詩歌中,Catanzano用四對縱橫交錯的詩行取代相互交織的任意子路徑。兩行詩歌相遇時,會共用一個單詞,Catanzano使用這種方法來表示任意子的紐結,這些文本的紐結就像是讀者前行路上的交叉,他們可以按順序一行接一行讀,也可以在遇到一個文本的紐結時,跳到另一行詩歌去。穿越詩歌的不同路徑創造一種獨特的文字髮辮,導致不同的詩歌結構,就像是拓撲量子計算機中不同的計算一樣。

從詞語選擇和視覺結構上將拓撲量子計算機背後的理論轉換為詩歌,這個實踐過程被Catanzano稱為量子詩學,這使得詩學和物理學可以發生富有想象力且嚴謹的相互作用。

隱喻表達物理學概念


用文學手法來解釋物理概念的想法並不新鮮,事實上,長期以來,物理學家一直試圖用隱喻來解析複雜的數學。例如“糾纏”這個詞,物理學家用它表示兩個相互連接的量子粒子的概念,操縱其中一個粒子會影響另一個粒子的狀態,即使粒子之間相隔很遠的距離。

然而,隱喻也可能是危險的:隱喻為普通語言賦予新的內涵,而這可能導致誤解。糾纏這個詞似乎是在描述兩個粒子的狀態是相互交織、重疊的,然而事實上,這兩個粒子沒有物理連接,大量的量子物理學實驗已經證明了這一點。

因此,如果嘗試將普通的語言外推到人類從未直接經驗過的世界,將很難找到適合描述特定現實的表達。然而,這種困難從未阻止物理學家描述另一個世界的嘗試,他們甚至樂在其中。例如,物理學家用“色”和“味”來描述夸克,但是夸克實際上並沒有顏色,也沒有味道。

Catanzano認為,如果詩歌思維更為普遍,那就有可能避免這種混亂。詩歌是一種微妙而複雜的語言形式,它超越了對單個單詞的簡單標準定義。詩歌使用節奏、視覺結構、斷行、詞序和其他手段來探索看不見的世界,改變時間的流動,描繪其他無法想象的事物。因此,詩歌是量子理論的兼容語言。

意大利國際高等研究學院(SISSA)的物理學家Giuseppe Mussardo對此表示贊同:“詩歌提供了豐富的語言,為表達思想提供了新的工具。但是,任何一種新的語言必須準確捕捉量子理論中的數學,才有可能被物理學家廣泛使用。或許最終我們會找到某種量子語言,來相對貼切地描述自然,但是很不幸,直到目前為止,我們遭遇了悲慘的失敗。”


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