一滴游走的诗意

文章来源：as科学艺术研究中心

作者：as center

“法拉第波”（Faraday Waves）以麦克·法拉第（Michael Faraday）的姓氏命名，是一种正在振荡的容器中液体表面的非线性驻波。当振荡频率超过临界值时，平静液面就会开始波动，“稳定”状态就此被打破，这个现象则称为法拉第不稳性（Faraday Instability）。”

2005年，法国巴黎第七大学（Université ParisDiderot - Paris VII）的物理学教授 Yves Couder 发现，法拉第波可以很直观地展现令人费解的量子世界。

跳跃的液滴，来源：youtube

一般来说，不同液体混合可能不相溶，相同的液体混合则一定相溶。而在这个实验中，将硅油滴在受到正弦波垂直振动的液面上，即使是同一种液体，油滴也不会立即融入其中，而是像芭蕾舞者一般在液面上极具韵律感的小跳。

芭蕾舞小跳，来源：makeagif.com

之所以产生这种现象，是因为振动促使液面产生的波与液滴之间存在很薄的空气层，阻断了溶合，而且碰撞时间小于排挤液滴和液槽间的空气层至范德华力引发聚结厚度所花费的时间, 液滴就形成反弹跳跃，理论上，这种跳跃在控制好垂直振动频率和强度的条件下，可以持续无限久。

除了竖直方向的跳跃，这些跳跃的液滴同时也会在水平方向随机游走，其行为与量子力学对于粒子运动行为的描述惊人相似。液滴与液面隔空撞击形成了法拉第波，随机的行走是由法拉第波与液滴的相互作用来驱动的，液滴被同一时间点、其前方的波所牵引，朝着一定方向运动。也就是说，液滴由它自己形成的波牵着走，实际上可理解为一体二象，类比到量子领域，就是粒子和波的关系，可以看作波粒二象性的宏观实体化体现。

行走的液滴，来源：youtube

这种现象与初代量子物理大家路易·德布罗意提出的导航波（Pilot Wave）如出一辙，导航波理论认为粒子的运动由一个导航波场来引导，粒子的运动轨迹可以由导航波函数来描述。

将微观的粒子行为实体化，此时的法拉第波就相当于导航波，液滴就是量子力学中研究的粒子。虽然导航波理论没有被科学界普遍接受，而上述“行走的液滴”实验却让导航波理论“起死回生”，引发科学家们对经典量子力学理论的质疑与重新思考。

液滴类似导航波的行为，来源：youtube

量子力学中经典的双缝干涉实验同样可以由“行走的液滴”复刻。容器中设置障碍墙，开两个小孔，液滴穿越其中一个小孔，而它的波则横穿了两个小孔；将液滴的最终位置做统计得到正态分布图，发现与双缝干涉实验中光子干涉的最终数据极其相似。

液滴双缝干涉实验

双缝干涉实验证明了光的波粒二象性，而在法拉第波上起舞的液滴，或许就是具有波粒二象性的光子的绝佳宏观“平替”。此外，包括“量子隧穿”、“量子化轨道”等现象都能以这种形式进行观察与类比。或许，振动与法拉第波是打通宏观与微观世界脉门的关键。

在描绘量子行为时，物理学家会使用严谨的数学语言，而这些数字与符号显然不是人类大脑能“自然”理解的。事实上，物理学家也一直在试图用别样的语言去更“亲民的”理解、诠释量子的世界。

20世纪初，量子力学刚刚兴起，微观世界里，一切都与深入人心的经典理论格格不入，电子的各种行为颠覆了科学家的“三观”。

目前普遍被科学界接受的量子力学“哥本哈根诠释”的奠基人、物理学家尼尔斯·玻尔曾说：“到原子这个级别时，只能用诗的语言来表达了。”一般的文字已无法描述他的数据。

1954 年 10 月，丹麦物理学家尼尔斯·玻尔、 德国物理学家詹姆斯·弗兰克、德国物理学家阿尔伯特·爱因斯坦和美国物理学家伊萨多·拉比在普林斯顿大学，来源：cerncourier.com

玻尔相信看不见的电子的世界实际上是立体派的，电子像是一把被毕加索解构了的吉他，一团由线条组成的朦胧，只有在你盯着它看时才能赋予它意义。

《弹吉他的少女》毕加索，来源：wiki

爱因斯坦与玻尔持不同意见，认为这个世界是有规律可循的，他说：“上帝不会掷骰子！”以反驳玻尔支持的海森堡“测不准原则”，而玻尔则回应爱因斯坦：“你不要教上帝该怎么做！”而通过后人的种种实验与证明，现在的普遍认知是“上帝真的会掷骰子。”

1927年第五次索尔维会议，在比利时布鲁塞尔召开，摄于国际索尔维物理研究所。此次会议可谓群贤毕至，爱因斯坦与玻尔在此次会议中对量子力学展开了如“神仙打架”般的激辩，来源：businessinsider.com

薛定谔用那只著名的猫向大众解释了量子叠加态的概念，巧妙地把微观物质在观测后是粒子还是波的存在形式和宏观的猫联系起来。

薛定谔的猫 by ADANeagoe，来源：wiki

一只猫，一瓶毒药、一粒放射性原子和一个锤子装置放在封闭的盒子里，依据量子力学“哥本哈根诠释”，原子有50%的概率在1小时之内衰变，而原子发生衰变则会引发锤子打破瓶子，释放毒药，猫就会被毒死；如果原子不发生衰变，猫则会活下来。

一切答案在1小时开箱时刻揭晓，而在开箱观察之前，所有的因素都处于叠加态（superposition），原子的衰变与未衰变、锤子的静止与落下，最经典也最可怜的就是那只猫，既是死的又是活的。

要知道，这是个思想实验，一切都靠想象，不必担心猫受到了虐待。

有趣的是，薛定谔的本意是批驳、讽刺以玻尔为首的“哥本哈根诠释”的荒谬。而现今，它却与“哥本哈根诠释”绑定，帮助大众理解量子力学。

“与小说家不同，我们的想象力已经文思枯竭，别说去想象不存在的东西了，就连去理解存在的东西都十分困难。”

1965年诺贝尔物理学奖得主理查德·费曼

科学家从来不缺乏想象力、灵感与诗意，科学的历史就像是一册满纸隐喻意象的诗集。

“宇宙大爆炸”名为“Big Bang”，而不是更直接的“Explosion”，犹如“噼里啪啦！宇宙诞生啦！”，来源于生活，又充满童趣。

“虫洞”连接了两个不同的时空，确实像虫子穿过的洞。用折纸的两端来阐释“虫洞”概念，平易近人，巧妙至极。

将纸折叠，类比时空扭曲，原本分别位于纸的两端的点重合，不同时空即通过虫洞相连，来源：知乎

对于科学概念、定义的命名，难道不是文学吗？对于一些最新发现、前无古人的事物，为其命名，难道不需要一些想象力和诗意吗？

粒子（particle），最初的意义是漂浮在空气中的微粒、灰尘，科学家信手拈来，便定义了能够以自由状态存在的最小物质组成部分。夸克（quark）则来源于爱尔兰作家乔伊斯的小说《芬尼根的守灵夜》中的神秘词语（原文：Three quarks for Muster Mark！），发现夸克的科学家以此来命名一种更神秘的物质。

我们时常在聊的各种星座，名字都来源于欧洲的神话与传说，天文学家们则以它们划分天域。

古人或许真的可以肉眼观察行星，抬头即见，根据它们的形象特点与运行轨迹为其命名。天空变成了天宫，众神云集。赤红的火星怒气冲冠、勇猛神武，古罗马战神马尔斯（Mars）一夺其名；距地球最近的金星明亮洁白、烂漫无暇，让人想到那不可言喻的美妙爱情，爱与美神维纳斯（Venus）为其留下芳名，中国古人则将金星称为“太白”，银须白袍，清修净远。现代科学家们则继承了这一传统，每发现一颗新星，便冠以极具人文色彩的名字。

19世纪英国物理学家、电磁理论的“宗师”，麦克斯韦也是“诗狂”，在观看了威廉·汤姆逊（W. Thomson）发明的镜式电流计后，那情那景，诗兴大发：

“灯光落到染黑的壁上，

穿过细缝，

于是那修长的光束直扑刻度尺，

来回搜寻，又逐渐停止振荡。

流啊，电流，流啊，让光点迅速飞去，

流动的电流，让那光点射去、颤抖、消失……”

中科院理论物理研究所研究员李淼将暗物质形容为黏合宇宙万物的“胶水”，因为如果没有暗物质，物质之间，尤其是天体之间的引力，将无法保持恒星和星系之间的聚集，星系早就分崩离析了。

物理学家、小说家阿兰·莱特曼（麻省理工学院人文教授，畅销书《爱因斯坦的梦》的作者）写道：“科学中的隐喻不仅仅有教育功能，还能启发科学发现。在做科学研究的时候，就算文字和等式不会有超出字面的引申意义，不去进行物理类比，不在心中画图，不去想象弹跳的球和摇摆的钟摆是不可能的。”

作为人类认知世界的两种方式，科学与艺术就像是行走的液滴与导航波，一体二象，不分彼此，相持而行，推动人类文明的发展。

“但不管怎么说，当我们走进这个陌生的时代，理论描写的那片天地越来越难以靠实验去探索时，物理学家更是特别需要依靠美学来帮助他们避免可能走进的死胡同。现在看来，美学的方法确实带来了力量和光明。”

——————《宇宙的琴弦》【美】B.格林

Reference:

《费曼演讲录》

暗物质隐藏着多少秘密，《文摘报》

John W.M.Josh, 导航波流体力学, 《力学进展》 2021年3月

Stephen Morris and Lydia Sharman，Images of Sound “Symmetry hidden and manifest in physics and arts”

《一个在实验室搬砖的人，为什么需要诗歌、音乐和绘画？》 JONAH LEHRER) 编译 徐寒易

wikipedia

编辑：了之