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综合研究性学习 之“影视作品中的物理知识” 学业报告 高一（3）班 张 抱着对物理世界的浓厚兴趣和对影视作品的喜爱，我报名了由赵（盛玉）老师开办的影视作品中的物理知识综合性研究性学习科目。经过一个学期在赵老师的帮助下的观看、分析、学习，我们都获益匪浅，收获颇丰。 下面就对这段时间的学习做一个汇报，与同学交流，于老师批改。 科幻电影有时就像魔术，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骑车腾空而起、星球大战中天行者手持光剑绝地反击、黑客帝国中网络黑客尼奥钻入矩阵“杀毒软件”特工体内而进化这些经典画面深深印在观众的脑海。不仅如此，很多电影甚至开启了一个时代或一种文化：异形重新定义了恐怖电影、回到未来点燃了对时间旅行的热议、星际旅行引发了对宇宙空间的向往、黑客帝国引爆青少年对电脑黑客的追捧，这些电影对人类思想的影响远超它们所造就的票房价值。 但你欣赏影片时，是否思考过这些科幻故事的科学性、可能性？美国科幻小说家赫伯特弗兰克指出：科幻电影描述的是发生在一个虚构的但原则上是可能产生的世界中的戏剧性事件。因此，科幻电影描述的情节虽属虚构，其理论根基仍应是科学原理。但实际上，即使在经典影片中，为满足情节完整和追求场景刺激，也有很多违背基本科学原理的镜头或情节。 例如：异形中,在火星上与美国国防部顺畅通话这一情况就有悖常理-地球与火星的距离用光速飞行也要4分多钟，通话时要等地球上的人说完话4分多钟后，信号才可传到火星上。但如果电影真的遵照科学来表演，观众需要有足够的耐性来听完整段对白了;星球大战中，塑造了手持光剑的天行战斗者，引人遐想，使观者叹服于导演的技艺之下。而实际上光沿直线前进，中途不可能自动停止，相撞也只能穿过而继续前进，因此光剑在科学上是不可能存在的。对军事爱好者和影迷来说，一定也很熟悉涡轮轨迹枪这个名字，与光剑不同，这种利用洛仑兹力加速电子的武器是真实存在的，只是由于需提供强电力和几米长的轨道，至今还处在实验研究中。而像终结者中施瓦辛格使用的小型个人用涡轮轨迹枪至今尚未问世。 不过，在多次观影中，激起我的兴趣的是一部叫源代码的电影。下面我就给大家回忆并分析下： 故事讲的是：一个身体已经死亡的美军中尉，大脑在维生系统下还保持活性，意识中的他一开始并不知道自己已死，而是以为自己被困在飞机舱中和指挥中心视频联络。指挥中心其实是个美军科研机构，利用他的思维可以被进入一些已死亡的人的残留思维（源代码），进入死人看到的最后八分钟世界。在这个任务中，他被放入了一个列车恐怖袭击的受害者的最后八分钟世界，试图找到恐怖分子，以阻止将要发生的另一起更严重的恐怖袭击。项目主管人不断提醒他，他进入的只是死者的记忆，不论做什么都无关紧要。他重新返回了源代码无数次，最终找到了恐怖分子，拯救了他身体所在现实世界。然后他最后一次进入源代码，现实世界中的女指挥官同情他，应他的要求将在最后八分钟后断掉维生系统，让他获得安息。这次他拯救了那列列车，并在那个世界中活了下去。 这部电影涉及到了一点重要的量子物理知识：第一，意识是量子的，意识和物质不存在二重性，不是传统唯物世界观中被物质所决定并限制的，它具备量子的特征。在传统唯物世界观中，意识无法用任何物理定义描述，它不是物质而被物质所决定，这个解释就像一切都是上帝造出来的一样逻辑自洽但是牵强附会，但如果意识是量子的，一切问题就迎刃而解。而且，在对微观世界的研究中，粒子也确实表现出了一定程度的意识。所以提出这样的前提假设。第二，世界是片概率云，无数个平行世界处于悬而未决的状态，在有观察者的情况下，每一个概率点都可以塌缩成一个事实世界。既然用到量子论来解释这部电影，就得抛开一切常理的或者已经习惯的思维模式，否则你看到的只是导演给你看到的表象。想看到进一步的真相，就请格式化你常规世界的思路，进入量子世界的思路。首先要打破的是你已习以为常的因果论世界观。比如先有宇宙，而后诞生人类。宇宙的自身演化(原因)最终诞生了我们人类这种有“意识”的智能生物(结果)。即原因造成结果。但在量子世界里，正统的哥本哈根派有一个著名的推论：“参与性宇宙模型”，简单的说就是观察者的观测行为本身参与了宇宙的构造过程。“意识”的存在反过来又创造了它自身的过去，这个推论叫“自激活”。没错，不是原因决定结果，而是结果创造原因。电影中首先运用的就是这个“参与性宇宙模型”。“意识”在这个理论和电影中都起到了决定性的重要作用。这里要说明一下这并不是唯心主义的唯意识论，唯心主义认为除了“意识”本身，其它皆为“意识”创造的幻象。在量子世界里，虽然我们观察到的宇宙不是全部“真相”，但也不是所谓幻象，只是高矢量在低维度的投影，有兴趣的同学可以看看“超炫论”。电影里“源代码”这个程序的原理，它并不是创造了一个虚拟的计算机世界，更不可能创造出一个平行宇宙。他只是让男主角残存的部分“意识”和已经死亡的肖恩的最后的8分钟记忆连接起来。记忆也是“意识”，也就是说让男主角的“意识”和肖恩的“意识”连接起来。 我们把男主角残存的部分“意识”称作“A意识”，把肖恩最后8分钟记忆“意识”称作“B意识”。现在回到电影剧情来，根据“参与性宇宙模型”，“B意识”虽然短暂，但这个“B意识”本身的存在就足以构造出一个它自身存在的宇宙的历史，这个宇宙只对它自身有意义，电影里表现为火车爆炸前的8分钟。现在“A意识”通过“源代码”这个电脑程序和“B意识”相连，结果是“A意识”融入到“B意识”构造的宇宙中，“A意识”可以观测这个宇宙的一切，从而在里面追查凶手。注意，“A意识”只是融入到“B意识”构筑的宇宙中，并没有“B意识”本身的记忆。这个后面会讲到。 重点来了，“A意识”融入到“B意识”的宇宙中后，这个宇宙对于“A意识”来说有了意义，这个宇宙实质上等于是“A意识”自我构筑的宇宙了。在“自激活”理论里，“A意识”通过“源代码”和“B意识”相连(原因)，“A意识”融入到“B意识”构筑的宇宙中(结果)，并不是原因决定了结果，而是结果构筑了原因！换句话说，男主角从出生到现在的半死亡，然后通过“源代码”融入到“B意识”构筑的宇宙中这一系列的过程本身，其实就是“A意识”自我构筑的宇宙历史的一部分！ 按照电影里剧情来说，男主角每一次进入火车爆炸前的8分钟记忆里到死亡后回到“源代码”，实质上是一个线性的从未间断的过程。再说的通俗一点，（男主角出生长大后参军在阿富汗“阵亡”在“源代码”计划中“复活”第一次进入火车回到“源代码”第二次进入火车回到“源代码”第N次进入火车和女主角快乐的生活在一起）这括号里一系列过程本身就是“A意识”构筑的所存在宇宙的历史。 在影片里，男主角一直也以为“源代码”创造的是新世界，这从他对女军官发的短信可以看出来。但是和女主角最后一吻从火车上下来后，一起来到那个圆形建筑物前，联系到之前一系列的记忆片段，男主角才终于大彻大悟，明白了一切。(从男主角和博士之前的一些对话可以知道男主角对量子物理有一定的了解，最后大彻大悟也可以说并不显得突兀)。他站在圆形建筑物前对女主角说，你相信命运吗，我们来到这是命中注定的。其实就是说，结果(以肖恩的身份和女主角来到这)早已决定，之前一系列的所有事情都是这个结果构筑出来的原因。 故事其实到这里就可以结束了。影片的最后，女军官收到了男主角的短信，这个是导演留的一个玄虚，是给那些不太理解量子力学的观众一个合乎常理的解释。对于能坚持看到这里的你，只需知道，给影片收尾的男主角短信是在男主角大彻大悟前所发。 能坚持看到这里的朋友们，应该能够理解导演隐藏在白云深处的影片真正的量子论内涵。开头我所说的“量子电影”意思就是，导演至少给你准备了三层解释，站在不同的观影角度上可以得出三种完全不同的理论解释，却也都能自圆其说，这才是这部电影最神奇的地方。最外面一层是计算机虚拟世界解释，这是最简单的。中间一层是平行空间解释，也是大多数人认可的解释。最里面一层就是本文说阐述的量子论解释，它完全颠覆大众的常识和接受程度，却也最接近导演导这部片子的乐趣所在。影片很多细节通过第三层量子论解释，会发现源代码的逻辑性非常强悍。 以上是我通过学习基本可以理解的方面，还有一些涉及量子物理理论方面的知识是比较抽象的我的能力有限，不能消化，把它供给同学老师一起交流-涉及到的 量子物理理论-多宇宙（或者称为多世界、平行宇宙）理论的英文简称。经典理论看来，在电子双缝干涉的实验中单个电子只通过了一条狭缝，在一条狭缝中穿过的粒子却发生了干涉，我们若想在两道狭缝处都安装上某种仪器，为的是记录下来电子路径或者发出警报，那不就成了？这种仪器又不是复杂而不可制造的。而实际上我们的确可以装上这种仪器。但是，一旦我们试图测定电子究竟通过了哪条缝时，我们永远只会在其中的一处发现电子。两个仪器不会同时响电子是一个粒子，它每次只能通过一条狭缝，奇妙的是，一旦我们展开这种测量的时候，干涉条纹也就消失了。哥本哈根的解释认为人意识的参与导致了电子波函数的坍缩。如果波函数没有坍缩，则它必定保持线性叠加。电子必定是左/右的叠加，但在现实世界中从未观测到这种现象。电子即使在观测后仍然处在左/右的叠加，但是，我们的世界也只不过是叠加的一部分！当电子穿过双缝后，处于叠加状态的不仅仅是电子，还包括我们整个的世界！也就是说，当电子经过双缝后，出现了两个叠加在一起的世界，在其中的一个世界里电子穿过了左边的狭缝，而在另一个里，电子则通过了右边！波函数无需“坍缩”，去随机选择左还是右，事实上两种可能都发生了！只不过它表现为整个世界的叠加：生活在一个世界中的人们发现在他们那里电子通过了左边的狭缝，而在另一个世界中，人们观察到的电子则在右边！量子过程造成了“两个世界”！这就是量子论的“多世界解释”(Many Worlds Interpretation，简称MWI)。在某个宇宙中，格鲁希没有在滑铁卢迟到，而希特勒没有在敦刻尔克前下达停止进攻的命令。而在更多的宇宙里，因为物理常数的不适合，根本就没有生命和行星的存在。接下来我们再阐释一下量子自杀理论，也就是刚才提到的量子永生。在量子力学里, 量子自杀是想法实验，这令人毛骨悚然和啼笑皆非的实验在80年代末由Hans Moravec，Bruno Marchal等人提出，而又在1998年为宇宙学家Max Tegmark针对哥本哈根“波函数坍缩”中的“意识怪兽”，在那篇广为人知的宣传MWI的论文中所发展和重提。Max Tegmark认为宇宙