1、 綜合研究性學(xué)習(xí) 之“影視作品中的物理知識(shí)” 學(xué)業(yè)報(bào)告 高一（3）班 張 抱著對(duì)物理世界的濃厚興趣和對(duì)影視作品的喜愛(ài)，我報(bào)名了由趙（盛玉）老師開(kāi)辦的影視作品中的物理知識(shí)綜合性研究性學(xué)習(xí)科目。經(jīng)過(guò)一個(gè)學(xué)期在趙老師的幫助下的觀看、分析、學(xué)習(xí)，我們都獲益匪淺，收獲頗豐。 下面就對(duì)這段時(shí)間的學(xué)習(xí)做一個(gè)匯報(bào)，與同學(xué)交流，于老師批改。 科幻電影有時(shí)就像魔術(shù)，你明知它是假的，但越假可能越吸引你。E.T.外星人中小男孩在月亮下騎車騰空而起、星球大戰(zhàn)中天行者手持光劍絕地反擊、黑客帝國(guó)中網(wǎng)絡(luò)黑客尼奧鉆入矩陣“殺毒軟件”特工體內(nèi)而進(jìn)化這些經(jīng)典畫面深深印在觀眾的腦海。不僅如此，很多電影甚至開(kāi)啟了一個(gè)時(shí)代或一種文化：異

2、形重新定義了恐怖電影、回到未來(lái)點(diǎn)燃了對(duì)時(shí)間旅行的熱議、星際旅行引發(fā)了對(duì)宇宙空間的向往、黑客帝國(guó)引爆青少年對(duì)電腦黑客的追捧，這些電影對(duì)人類思想的影響遠(yuǎn)超它們所造就的票房?jī)r(jià)值。 但你欣賞影片時(shí)，是否思考過(guò)這些科幻故事的科學(xué)性、可能性？美國(guó)科幻小說(shuō)家赫伯特·弗蘭克指出：科幻電影描述的是發(fā)生在一個(gè)虛構(gòu)的但原則上是可能產(chǎn)生的世界中的戲劇性事件。因此，科幻電影描述的情節(jié)雖屬虛構(gòu)，其理論根基仍應(yīng)是科學(xué)原理。但實(shí)際上，即使在經(jīng)典影片中，為滿足情節(jié)完整和追求場(chǎng)景刺激，也有很多違背基本科學(xué)原理的鏡頭或情節(jié)。 例如：異形中,在火星上與美國(guó)國(guó)防部順暢通話這一情況就有悖常理-地球與火星的距離用光速飛行也要4分

3、多鐘，通話時(shí)要等地球上的人說(shuō)完話4分多鐘后，信號(hào)才可傳到火星上。但如果電影真的遵照科學(xué)來(lái)表演，觀眾需要有足夠的耐性來(lái)聽(tīng)完整段對(duì)白了;星球大戰(zhàn)中，塑造了手持光劍的天行戰(zhàn)斗者，引人遐想，使觀者嘆服于導(dǎo)演的技藝之下。而實(shí)際上光沿直線前進(jìn)，中途不可能自動(dòng)停止，相撞也只能穿過(guò)而繼續(xù)前進(jìn)，因此光劍在科學(xué)上是不可能存在的。對(duì)軍事愛(ài)好者和影迷來(lái)說(shuō)，一定也很熟悉渦輪軌跡槍這個(gè)名字，與光劍不同，這種利用洛侖茲力加速電子的武器是真實(shí)存在的，只是由于需提供強(qiáng)電力和幾米長(zhǎng)的軌道，至今還處在實(shí)驗(yàn)研究中。而像終結(jié)者中施瓦辛格使用的小型個(gè)人用渦輪軌跡槍至今尚未問(wèn)世。 不過(guò)，在多次觀影中，激起我的興趣的是一部叫源代碼的電影。下

4、面我就給大家回憶并分析下： 故事講的是：一個(gè)身體已經(jīng)死亡的美軍中尉，大腦在維生系統(tǒng)下還保持活性，意識(shí)中的他一開(kāi)始并不知道自己已死，而是以為自己被困在飛機(jī)艙中和指揮中心視頻聯(lián)絡(luò)。指揮中心其實(shí)是個(gè)美軍科研機(jī)構(gòu)，利用他的思維可以被進(jìn)入一些已死亡的人的殘留思維（源代碼），進(jìn)入死人看到的最后八分鐘世界。在這個(gè)任務(wù)中，他被放入了一個(gè)列車恐怖襲擊的受害者的最后八分鐘世界，試圖找到恐怖分子，以阻止將要發(fā)生的另一起更嚴(yán)重的恐怖襲擊。項(xiàng)目主管人不斷提醒他，他進(jìn)入的只是死者的記憶，不論做什么都無(wú)關(guān)緊要。他重新返回了源代碼無(wú)數(shù)次，最終找到了恐怖分子，拯救了他身體所在現(xiàn)實(shí)世界。然后他最后一次進(jìn)入源代碼，現(xiàn)實(shí)世界中的女指

5、揮官同情他，應(yīng)他的要求將在最后八分鐘后斷掉維生系統(tǒng)，讓他獲得安息。這次他拯救了那列列車，并在那個(gè)世界中活了下去。 這部電影涉及到了一點(diǎn)重要的量子物理知識(shí)：第一，意識(shí)是量子的，意識(shí)和物質(zhì)不存在二重性，不是傳統(tǒng)唯物世界觀中被物質(zhì)所決定并限制的，它具備量子的特征。在傳統(tǒng)唯物世界觀中，意識(shí)無(wú)法用任何物理定義描述，它不是物質(zhì)而被物質(zhì)所決定，這個(gè)解釋就像一切都是上帝造出來(lái)的一樣邏輯自洽但是牽強(qiáng)附會(huì)，但如果意識(shí)是量子的，一切問(wèn)題就迎刃而解。而且，在對(duì)微觀世界的研究中，粒子也確實(shí)表現(xiàn)出了一定程度的意識(shí)。所以提出這樣的前提假設(shè)。第二，世界是片概率云，無(wú)數(shù)個(gè)平行世界處于懸而未決的狀態(tài)，在有觀察者的情況下，每一個(gè)概

6、率點(diǎn)都可以塌縮成一個(gè)事實(shí)世界。既然用到量子論來(lái)解釋這部電影，就得拋開(kāi)一切常理的或者已經(jīng)習(xí)慣的思維模式，否則你看到的只是導(dǎo)演給你看到的表象。想看到進(jìn)一步的真相，就請(qǐng)格式化你常規(guī)世界的思路，進(jìn)入量子世界的思路。首先要打破的是你已習(xí)以為常的因果論世界觀。比如先有宇宙，而后誕生人類。宇宙的自身演化(原因)最終誕生了我們?nèi)祟愡@種有“意識(shí)”的智能生物(結(jié)果)。即原因造成結(jié)果。但在量子世界里，正統(tǒng)的哥本哈根派有一個(gè)著名的推論：“參與性宇宙模型”，簡(jiǎn)單的說(shuō)就是觀察者的觀測(cè)行為本身參與了宇宙的構(gòu)造過(guò)程。“意識(shí)”的存在反過(guò)來(lái)又創(chuàng)造了它自身的過(guò)去，這個(gè)推論叫“自激活”。沒(méi)錯(cuò)，不是原因決定結(jié)果，而是結(jié)果創(chuàng)造原因。電影

7、中首先運(yùn)用的就是這個(gè)“參與性宇宙模型”。“意識(shí)”在這個(gè)理論和電影中都起到了決定性的重要作用。這里要說(shuō)明一下這并不是唯心主義的唯意識(shí)論，唯心主義認(rèn)為除了“意識(shí)”本身，其它皆為“意識(shí)”創(chuàng)造的幻象。在量子世界里，雖然我們觀察到的宇宙不是全部“真相”，但也不是所謂幻象，只是高矢量在低維度的投影，有興趣的同學(xué)可以看看“超炫論”。電影里“源代碼”這個(gè)程序的原理，它并不是創(chuàng)造了一個(gè)虛擬的計(jì)算機(jī)世界，更不可能創(chuàng)造出一個(gè)平行宇宙。他只是讓男主角殘存的部分“意識(shí)”和已經(jīng)死亡的肖恩的最后的8分鐘記憶連接起來(lái)。記憶也是“意識(shí)”，也就是說(shuō)讓男主角的“意識(shí)”和肖恩的“意識(shí)”連接起來(lái)。 我們把男主角殘存的部分“意識(shí)”稱作“

8、A意識(shí)”，把肖恩最后8分鐘記憶“意識(shí)”稱作“B意識(shí)”。現(xiàn)在回到電影劇情來(lái)，根據(jù)“參與性宇宙模型”，“B意識(shí)”雖然短暫，但這個(gè)“B意識(shí)”本身的存在就足以構(gòu)造出一個(gè)它自身存在的宇宙的歷史，這個(gè)宇宙只對(duì)它自身有意義，電影里表現(xiàn)為火車爆炸前的8分鐘。現(xiàn)在“A意識(shí)”通過(guò)“源代碼”這個(gè)電腦程序和“B意識(shí)”相連，結(jié)果是“A意識(shí)”融入到“B意識(shí)”構(gòu)造的宇宙中，“A意識(shí)”可以觀測(cè)這個(gè)宇宙的一切，從而在里面追查兇手。注意，“A意識(shí)”只是融入到“B意識(shí)”構(gòu)筑的宇宙中，并沒(méi)有“B意識(shí)”本身的記憶。這個(gè)后面會(huì)講到。 重點(diǎn)來(lái)了，“A意識(shí)”融入到“B意識(shí)”的宇宙中后，這個(gè)宇宙對(duì)于“A意識(shí)”來(lái)說(shuō)有了意義，這個(gè)宇宙實(shí)質(zhì)上等于是

9、“A意識(shí)”自我構(gòu)筑的宇宙了。在“自激活”理論里，“A意識(shí)”通過(guò)“源代碼”和“B意識(shí)”相連(原因)，“A意識(shí)”融入到“B意識(shí)”構(gòu)筑的宇宙中(結(jié)果)，并不是原因決定了結(jié)果，而是結(jié)果構(gòu)筑了原因！換句話說(shuō)，男主角從出生到現(xiàn)在的半死亡，然后通過(guò)“源代碼”融入到“B意識(shí)”構(gòu)筑的宇宙中這一系列的過(guò)程本身，其實(shí)就是“A意識(shí)”自我構(gòu)筑的宇宙歷史的一部分！ 按照電影里劇情來(lái)說(shuō)，男主角每一次進(jìn)入火車爆炸前的8分鐘記憶里到死亡后回到“源代碼”，實(shí)質(zhì)上是一個(gè)線性的從未間斷的過(guò)程。再說(shuō)的通俗一點(diǎn)，（男主角出生長(zhǎng)大后參軍在阿富汗“陣亡”在“源代碼”計(jì)劃中“復(fù)活”第一次進(jìn)入火車回到“源代碼”第二次進(jìn)入火車回到“源代碼”第N次

10、進(jìn)入火車和女主角快樂(lè)的生活在一起）這括號(hào)里一系列過(guò)程本身就是“A意識(shí)”構(gòu)筑的所存在宇宙的歷史。 在影片里，男主角一直也以為“源代碼”創(chuàng)造的是新世界，這從他對(duì)女軍官發(fā)的短信可以看出來(lái)。但是和女主角最后一吻從火車上下來(lái)后，一起來(lái)到那個(gè)圓形建筑物前，了解到之前一系列的記憶片段，男主角才終于大徹大悟，明白了一切。(從男主角和博士之前的一些對(duì)話可以知道男主角對(duì)量子物理有一定的了解，最后大徹大悟也可以說(shuō)并不顯得突兀)。他站在圓形建筑物前對(duì)女主角說(shuō)，你相信命運(yùn)嗎，我們來(lái)到這是命中注定的。其實(shí)就是說(shuō)，結(jié)果(以肖恩的身份和女主角來(lái)到這)早已決定，之前一系列的所有事情都是這個(gè)結(jié)果構(gòu)筑出來(lái)的原因。 故事其實(shí)到這里就

11、可以結(jié)束了。影片的最后，女軍官收到了男主角的短信，這個(gè)是導(dǎo)演留的一個(gè)玄虛，是給那些不太理解量子力學(xué)的觀眾一個(gè)合乎常理的解釋。對(duì)于能堅(jiān)持看到這里的你，只需知道，給影片收尾的男主角短信是在男主角大徹大悟前所發(fā)。 能堅(jiān)持看到這里的朋友們，應(yīng)該能夠理解導(dǎo)演隱藏在白云深處的影片真正的量子論內(nèi)涵。開(kāi)頭我所說(shuō)的“量子電影”意思就是，導(dǎo)演至少給你準(zhǔn)備了三層解釋，站在不同的觀影角度上可以得出三種完全不同的理論解釋，卻也都能自圓其說(shuō)，這才是這部電影最神奇的地方。最外面一層是計(jì)算機(jī)虛擬世界解釋，這是最簡(jiǎn)單的。中間一層是平行空間解釋，也是大多數(shù)人認(rèn)可的解釋。最里面一層就是本文說(shuō)闡述的量子論解釋，它完全顛覆大眾的常識(shí)和

12、接受程度，卻也最接近導(dǎo)演導(dǎo)這部片子的樂(lè)趣所在。影片很多細(xì)節(jié)通過(guò)第三層量子論解釋，會(huì)發(fā)現(xiàn)源代碼的邏輯性非常強(qiáng)悍。 以上是我通過(guò)學(xué)習(xí)基本可以理解的方面，還有一些涉及量子物理理論方面的知識(shí)是比較抽象的我的能力有限，不能消化，把它供給同學(xué)老師一起交流-涉及到的 量子物理理論-多宇宙（或者稱為多世界、平行宇宙）理論的英文簡(jiǎn)稱。經(jīng)典理論看來(lái)，在電子雙縫干涉的實(shí)驗(yàn)中單個(gè)電子只通過(guò)了一條狹縫，在一條狹縫中穿過(guò)的粒子卻發(fā)生了干涉，我們?nèi)粝朐趦傻廓M縫處都安裝上某種儀器，為的是記錄下來(lái)電子路徑或者發(fā)出警報(bào)，那不就成了？這種儀器又不是復(fù)雜而不可制造的。而實(shí)際上我們的確可以裝上這種儀器。但是，一旦我們?cè)噲D測(cè)定電子究竟通

13、過(guò)了哪條縫時(shí)，我們永遠(yuǎn)只會(huì)在其中的一處發(fā)現(xiàn)電子。兩個(gè)儀器不會(huì)同時(shí)響電子是一個(gè)粒子，它每次只能通過(guò)一條狹縫，奇妙的是，一旦我們展開(kāi)這種測(cè)量的時(shí)候，干涉條紋也就消失了。哥本哈根的解釋認(rèn)為人意識(shí)的參與導(dǎo)致了電子波函數(shù)的坍縮。如果波函數(shù)沒(méi)有坍縮，則它必定保持線性疊加。電子必定是左/右的疊加，但在現(xiàn)實(shí)世界中從未觀測(cè)到這種現(xiàn)象。電子即使在觀測(cè)后仍然處在左/右的疊加，但是，我們的世界也只不過(guò)是疊加的一部分！當(dāng)電子穿過(guò)雙縫后，處于疊加狀態(tài)的不僅僅是電子，還包括我們整個(gè)的世界！也就是說(shuō)，當(dāng)電子經(jīng)過(guò)雙縫后，出現(xiàn)了兩個(gè)疊加在一起的世界，在其中的一個(gè)世界里電子穿過(guò)了左邊的狹縫，而在另一個(gè)里，電子則通過(guò)了右邊！波函數(shù)無(wú)

14、需“坍縮”，去隨機(jī)選擇左還是右，事實(shí)上兩種可能都發(fā)生了！只不過(guò)它表現(xiàn)為整個(gè)世界的疊加：生活在一個(gè)世界中的人們發(fā)現(xiàn)在他們那里電子通過(guò)了左邊的狹縫，而在另一個(gè)世界中，人們觀察到的電子則在右邊！量子過(guò)程造成了“兩個(gè)世界”！這就是量子論的“多世界解釋”(Many Worlds Interpretation，簡(jiǎn)稱MWI)。在某個(gè)宇宙中，格魯希沒(méi)有在滑鐵盧遲到，而希特勒沒(méi)有在敦刻爾克前下達(dá)停止進(jìn)攻的命令。而在更多的宇宙里，因?yàn)槲锢沓?shù)的不適合，根本就沒(méi)有生命和行星的存在。接下來(lái)我們?cè)訇U釋一下量子自殺理論，也就是剛才提到的量子永生。在量子力學(xué)里, 量子自殺是想法實(shí)驗(yàn)，這令人毛骨悚然和啼笑皆非的實(shí)驗(yàn)在80年代末由Hans Moravec，Bruno Marchal等人提出，而又在1998年為宇宙學(xué)家Max Tegmark針對(duì)哥本哈根“波函數(shù)坍縮”中的“意識(shí)怪獸”，在那篇廣為人知的宣傳MWI的論文中所發(fā)展和重提。Max Tegmark認(rèn)為宇宙有多個(gè)，量子的不確定性被分配到各個(gè)宇宙去，只要從主觀視角來(lái)看，不但一個(gè)人永遠(yuǎn)無(wú)法完成