遇事不决，量子力学！开年第一烧脑剧《群星》带你学物理（马格努斯事故）

全是剧透，都要结合剧情做科普了肯定有剧透

黑城堡第474期

宇宙中的”观测者“，妮妮用midjourney生成

“它们为什么变化出眼睛来看着我们？”元首仰望天空。那些太空中的眼睛是很精美的雕塑，栩栩如生，它们都看着下面的行星，目光似乎很诡异。

“也许只是想显示自己的存在吧。”

——《三体》，刘慈欣

遇事不决，量子力学！开年第一烧脑剧《群星》展示了怎样的物理概念？

妮妮

首先，科幻片不是科普，无法与现实中四维宇宙的概念一一对应。而且电视剧也不是教科书，肯定不能把量子物理的原理给观众讲一遍，那他们岂不是要睡个死去活来！

但人类依靠想象力带我们遨游于宏观与微观世界，而不是双眼。

用开放的心态，借一个好故事的隐喻，去理解艰深的物理学概念，不比生啃知识有意思的多。

（注：本剧费了我差不多一周时间各种学习，享受知识从我光滑的大脑皮层滑过的感觉。因为只是浅谈，所以关于科学原理方面不会讲得特别完备，相关知识还请大家多去自己搜一搜看一看）

《群星》剧情很简单，它将两个平行宇宙设为“叠加态”的两种情况，将“量子纠缠”这个概念融入主角母女感情的羁绊，讲述了一个感人的故事。

空间站戏份拍出了属于太空惊悚片的感觉，重现了早期的《异形》等经典中的深空恐惧。失重特效媲美《苍穹浩瀚》，女主在太空的独自奋战令我们想起了同样是女性独角戏的桑德拉·布洛克的《地心引力》，为了女儿回归地球的情节又与诺兰的《星际穿越》不谋而合。

不过总的来说，它没有什么科学门槛。如果你觉得它讲得太浅，那绝对不是它的问题。影视作品采用深入浅出的做法，可以激起观众学习和进一步了解我们这个世界本质的热情，甚至推动一部分人投身于相关事业，这就是它积极的作用，也是巧妙与成功之处。

所以我们在剧中看不到很多物理学名词，却可以在戏外了解一下剧情背后的科学原理，也就是它的灵感来源。

Part1 剧情

要理解剧情，其实相对简单，它只有两个平行宇宙（比《彗星来了那一夜》可省心多啦），我们为了方便可以按照他们当时在空间站进行的试验称为：

A、冷原子宇宙

B、种菜宇宙

如下图↓↓↓

事故发生后，冷原子宇宙A的现有成员是：

种菜乔安娜B（活，不会弹钢琴，没有劈腿）

爱丽丝A（不会说瑞典语，极其聪明，称呼母亲“妈咪”，出场时梳一根小辫，头发分缝在左边，在幻觉中看到了撞上空间站的雅儿A，在家中看到B宇宙乔安娜A的追悼会）

马格努斯A（有劈腿嫌疑）

种菜保罗·兰卡斯特B（死，操作了种菜试验，被乔安娜带回地球，老婆名字艾瑞卡）

冷原子保罗·兰卡斯特A的老婆：芙蕾达

亨利·卡德拉B（没能救活B宇宙阿波罗18的同事，设计了冷原子试验）

“雅儿”艾琳娜B（活，和亨利暧昧，了解自己的双重状态）

乔安娜家中有不带花的柜子，钢琴：

素色的柜子代表爱丽丝A超越年龄的理性与冷静。

与此同时种菜宇宙B：

冷原子乔安娜A（死，会弹钢琴，劈腿了）

爱丽丝B（会说瑞典语，出场两根小辫，头发分缝在右边，称呼母亲“妈妈”，追悼会看到了A宇宙乔安娜B）

马格努斯B（没劈腿，在雪地看见了A宇宙乔安娜B）

冷原子保罗·兰卡斯特A（活，亨利的下级，操作了冷原子试验，追悼会看到了A宇宙乔安娜B，老婆名字芙蕾达）

种菜保罗·兰卡斯特B的老婆：艾瑞卡

巴德·卡德拉A（救活A宇宙阿波罗18的同事，酒鬼，弄死了吐槽他的主持人，在B宇宙得知艾琳娜是死的）

“雅儿”艾琳娜A（死，撞上了乔安娜B的空间站）

乔安娜家中有带花的柜子，没有钢琴：

花色的柜子代表爱丽丝B超越常人的想象力与直觉。另外不管是头发分缝还是家具布置，都是对称的，这里也隐喻量子纠缠的对称。

· 宇宙穿越：

需要注意的是，第一集空间站遇到意外的情节，是两个宇宙发生的事情剪辑在一起的。我们看到保罗在鼓捣菜和2条辫子的爱丽丝，就是B宇宙，保罗在鼓捣冷原子设备和1条辫子的爱丽丝，就是A宇宙。

手受伤的保罗B是种菜的（死）：

（这个是A宇宙，保罗和乔安娜是B）

头上受伤的是保罗A（活），做冷原子试验的。

（这个是B宇宙，保罗和乔安娜是A）

撞击后以活动状态出场的乔安娜只有一个B，因为A死去了。

（去捞pad撞上玻璃的乔是B宇宙）

A在头部受到撞击前马上切换了镜头，此时B也感受到了剧痛。说明B与A在撞击的瞬间交换了。B在A宇宙活下来，A在B宇宙死去。

（这个是A宇宙，但是人穿越过来了）

但B宇宙中的雅儿（死）怎么会被乔安娜B在A宇宙观测到？剧中来自亨利的解释是有一个中间地带，在那里，几种状态会同时出现：

荒废小屋就是这样一个中间地带。空间站应该也是。在这两个地方，几种状态的乔安娜，爱丽丝和雅儿可以产生交集。自从空间站的意外发生后，活着的艾琳娜病情也急剧恶化，或许跟死去的雅儿的叠加态重合增加有关。

那么观察者是谁呢？细思极恐。希望在第二季（如果有的话）能进一步探讨。

· 小屋中的画

A宇宙和B宇宙都是“两小儿抬蒙眼天使”与“魔鬼在家捣药非常开心”。这是一组描写换生灵的故事的图画，根据爱丽丝B的话，乔安娜很喜欢它们。

1、A宇宙：

爱丽丝A（蓝帽）的注意力在“两小儿抬蒙眼天使”上。暗示天使（乔安娜）是在不知情的情况下被替换。家长的侧面可以看到另一幅画。

2、B宇宙：

爱丽丝B（红帽）的注意力在“魔鬼在家捣药非常开心”上。暗示她这里被偷走的是天使，在家呆着的是魔鬼（不确定性）。家长的侧面可以看到另一幅画。

3、中间态：

小屋是废弃状态。画是“两小儿抬魔鬼”和“天使在家中哭泣”。与AB宇宙正好反过来。

3-1、爱丽丝A：

她的注意力在这幅画，蒙眼天使在室内（家中）垂头丧气，似乎在哭泣，显然它不属于这里。这是乔安娜B在A宇宙的状态。

当她转过头，也能看到“两小儿抬魔鬼”。

3-2、爱丽丝B：

注意力在“两小儿抬魔鬼”。她们每次注意到的都是相反的画。魔鬼手里拿着一个药碗在搅拌，其中浮起的烟雾代表“不确定性”。

· 小屋中的猫

1、爱丽丝A，看到死的猫，代表她的妈咪死了：

2、爱丽丝B，看到活的猫，代表她的妈妈还活着：

3、乔安娜B看到一个活猫一个死猫，代表她既活又死：

乔安娜冲进燃烧的小屋，发现自己第二次进入中间态，并看到“天使哭泣”燃烧起来。通过触摸这幅画，乔安娜进入爱丽丝A那边救她，也通过在对话的爱丽丝们看到对面的爱丽丝B。

这里可以看到“两小儿抬魔鬼”也在燃烧。我们不好说这些都发生在哪个宇宙，因为这里和空间站一样是叠加状态。在此，所有人事物拥有所有属性。

魔鬼被烧掉了。暗喻不确定的叠加态乔安娜会消失。

巴德踹开门，遇到乔安娜带出来爱丽丝A，将其抱到雪地。

乔安娜又回去了，但没有找到爱丽丝B。因为失火的只是A宇宙。

而爱丽丝B已经在雪地等待，似乎此时放弃爱丽丝A就可以回到B宇宙，但我们知道肯定没这么简单。不肯放弃爱丽丝A的生命，就等于选择留在她身边。

似乎一切回归宁静，B宇宙马格努斯和爱丽丝最后看到的小木屋的画也完好如初。爱丽丝B此次注意力非常坚定地放在“两小儿抬天使”上，说明她也明白了一切，而且没有放弃找回母亲。

这才倒数第二集，不可能完事。

爱丽丝A再次看到了“雅儿”。后者表示有办法带她去见亲妈。但是爱丽丝A实在太聪明，直觉上已经搞清楚雅儿是谁，两个宇宙是怎么回事，她的母亲已经死了。

所以她打算关闭和爱丽丝B的通道，将这个母亲据为己有。

（不是我受不了我怕有的观众受不了）

· 穿越机制：

1、卡德拉们一直有办法交流，但不知为何只有巴德·卡德拉A掌握了穿越方法（可能是停止服药），成功与亨利·卡德拉B交换了身份，回到冷原子宇宙A，占有对方的人生，并且毁掉冷原子试验设备，自以为这样就可以结束大家的继续穿越。

这个如意算盘肯定会落空，是因为艾琳娜决定重新调查取样，揭开这个时空（Time-Space）之谜。她身上科学家的态度占了上风。

还好B宇宙的保罗·兰卡斯特A没有死，似乎会遇到并帮助来自冷原子宇宙A的亨利B，他的导师。

2、爱丽丝们掌握了用录音机交流的方式，并与卡德拉一样能在某一叠加态时，从镜中看到对面宇宙的自己。

· 状态观测

1、理论上只有穿越过的人能观测到叠加态，包括冷原子试验中的干涉条纹，以及一个人的两种状态。譬如亨利可以看到活与死的艾琳娜。

（不是我受不了我怕有的观众受不了）

但是爱丽丝由于与乔安娜之间的羁绊，使她可以看到另一个宇宙的状态，譬如追悼会。最后甚至还干涉到马格努斯B，他也在风雪中看到了消失的爱人。

2、在某一“区域”，人们可以监测到叠加态的来自太空的声音并加以录制。如果进入观测状态（其实是意识上的一种接受），就可以听到来自另一种叠加态的声音。譬如丹麦默恩岛天文台姐弟找到的那片海域。

3、第一季终时，穿越者艾琳娜B看到乔安娜B怀上的孩子的B超图像上也出现了干涉条纹。这似乎证明这个孩子生来就属于两个宇宙，但是其他人都有两个版本A和B，而ta只有一个版本，或许证明ta属于两个宇宙，并具有随意穿越的能力。

当然，只有具备叠加态的“穿越者”可以观测到它们。手机、摄像机也属于无叠加态的观测者，当然是拍不到的。

（亨利观测到的实验中的干涉条纹，乔安娜也能看到）

（艾琳娜观测到的B超图上的干涉条纹）

· 纠缠态和叠加态

1、乔安娜A-B呈现出一种纠缠态，即并不是单纯的活着或死去，而是同时有两种状态。因为活着的乔安娜B（种菜）会觉得左眼剧痛，那是乔安娜A（冷原子）的致命伤。并且她还经常觉得自己还在太空站中。其实这么想没错，车既是红色也是蓝色，粒子“既是黑色也是白色”，她既在地上也在天上，既是活的也是死的。

最后一集重新证实了眼睛的问题，用光照乔安娜B左眼的时候，左眼瞳孔马上缩小，右眼毫无反应。说明和太空站上的乔安娜A叠加了。既活又死。

乔安娜A履行了自己的诺言，永远看着爱丽丝A，守护女儿。

这也证明她并不完全死，是她帮助了保罗A和乔安娜B的逃生舱分离。空间站本身就是中间区域，在此一切状态都是同时存在的。

（第二集，乔安娜B也看到的帮助自己分离的人，但看得不太清楚。死了的保罗B被她带在身边）

（第六集，保罗A看到的帮助自己逃生的人是被他留在空间站的乔安娜A。将她留在那里的举动同时救了自己和乔安娜B（分离舱体））

2、保罗也呈现出与乔安娜相同的身体感应状态。譬如在B宇宙大难不死的保罗A（冷原子）醒来后，他迷惑地看向自己的手。因为手受伤的是死了的保罗B（种菜）。我们可以猜测他也经历了叠加-纠缠态。

3、在最后我们看到死了的乔安娜A也睁开右眼，手还抓住了pad，所以她在中间态区域的空间站，是既活又死的状态。按照量子物理学的观点来比喻，没有被观测，就可以同时拥有这两种状态。

P.S.

1、艾琳娜B之所以会觉得亨利·卡德拉B亲切其实是因为他们都来自B宇宙。他们自己知道，但是从未向对方说过。

2、服用锂-7药丸可以抑制叠加/纠缠态。

艾琳娜对叠加态的了解比其他人更深，她第一眼看到乔安娜画的宇航员就知道那是另一个自己。

亨利和爱丽丝A一样也在”幻觉“中见过这个图像，所以他也知道这是谁。因为根据巴德的话，在他之前呆的B宇宙，大家都知道艾琳娜已经死了。

艾琳娜让宇航员服用药物抑制，甚至建立了专门“治疗”它的疗养院。里面也关着叠加态的“太空第一人”，看起来精神已经不太正常。

艾琳娜劝乔安娜服用药物，抑制叠加态，主动适应A宇宙的状态，“好好活着”，否则会像这位先驱一样精神崩溃。

这证明她也是过来人，并且已经用这种方法“帮助”了大量的宇航员适应现在的生活。是啊，用《三体》中的话说，只有半条命，很多人也可以活下去。

停止服药就可以体验酸爽的二重身状态，巴德就停止服用药品来实现对亨利的*扰。

3、换生灵（changeling）：换生灵在英国康沃尔，爱尔兰，马恩岛，北英格兰和苏格兰低地，威尔士，德国，波兰，西班牙以及斯堪的纳维亚半岛都有着不同的版本，甚至在非洲也有相关的传说。乔安娜是瑞典人，她老公是英国人。《格林童话》中也有这则故事，很多人小时候都看过。它指故事中被仙子偷换后留下的孩童。

（这段对话预测了爱丽丝A遭遇火灾，差点丢命。爱丽丝B找回妈妈的计划差点成功，但是乔安娜为了救爱丽丝A却留在A宇宙）

在蒙昧的时代，很多父母会觉得孩子忽然变了一个人，就说是古灵精怪盗走了自己聪明漂亮的孩子，留下了他们又笨又丑的孩子。其实这个情况多数只是儿童发育过程中心理和生理上的突然变化。

甚至有的古灵精怪的孩子长大后也会保留原来仙子世界的记忆，离开家庭回到原来的世界，也就是失踪了（你们确定不是孩子被pua狠了离家出走吗）。这也预示乔安娜会离开第一个家庭，不知道会不会离开后来那个家庭。但到最后一集看得出她对两个家庭都有感情。

在本剧中，我们可以将换生灵理解为一个人换了一个叠加态，被换走的是妈妈不是孩子。根据爱丽丝A的话，乔安娜很喜欢换生灵的传说。

在最后乔安娜B选择了救活爱丽丝A，因此滞留在A宇宙。而爱丽丝A也因为私心留下了这个不属于自己的妈妈。毕竟她再聪慧坚强也只是个小孩，有妈妈总比没妈妈强吧。

小屋中给的最后一个图像，是换生灵的图画，中间是洁白的天使，这里对应到丹麦老姐弟提到的前苏联宇航员观测到的景象——“天使”。

此前乔安娜在亨利的办公室看到他也在注意这这件事。这绝不是偶然现象。

（使徒？！）

或许这就是我们所寻找的真正的“终极观测者”，高维文明。也有可能是他们制造了两个宇宙，本文后面会讲讲为什么。

故事到这里，也可以说有一个开放式结局，可以结束。但是要是想继续讲，也不是不行。

Part2 遇事不决量子力学

需要指出的一点是,科学家们永远不可能真正证明一个理论绝对正确--他们只能说这个理论在目前所有能做的实验中都成功了。这个理论将来有可能会被一个更好、更完整的理论所代替。反之，如果实验结果和理论预测的结论截然相反,科学家们则有可能认为这个理论是错误的。

——迈克尔·G·雷默，《量子物理学》

现在我们来谈谈这些剧情可能的灵感来源，就是量子物理学的一些理论。费曼说”没有人懂量子物理学“，它真的很难说清楚，而事实也证明物理学的每一次进步都是对先人的有力打脸。不光我说的不一定对，现在的物理学大咖们的理论也不一定对。所以大家打我脸的时候请轻一点。毕竟说不定哪天高维文明打起来，规律武器往这边一扔，物理学就不存在了。

首先讲讲在剧情中起到推动作用的就是“冷原子”实验，这是一个有关量子叠加态的试验，利用超冷低温环境来制备粒子是实现的一种方式。

猜测是亨利用来搞清楚自己穿越之谜和双重状态的一个研究。

亨利说了一大段描述实验原理的台词大家看不太懂，那不重要，重要的是制备完成后叠加态就会一直存在，反正这是我们迄今为止没有做过的实验，所以可以圆回来为什么乔安娜偷走它之后没有大型制冷设备也一直可以保存。巴德砸了它也不一定能破坏。

那么人类为什么喜欢在太空做物理实验？因为太空能提供长期的微重力、辐射等特殊研究环境。在地球上，生命体和物质受到重力的作用，某些本质规律会被掩盖。中国研制的首颗空间量子科学实验卫星墨子号（Micius Satellite for Quantum Science Experiments），就成功实现了远距离量子纠缠分发等科研成果。

（太空对我们产生的影响与地面有何不同示意图：来自Canadian Space Agency）

另外还想提一下验证亨利所说的粒子“两种形态”，一个经典的“双缝实验”就可以验证它。这个的低配版很多人在高中的时候就学习过，甚至在大学时亲手实践，并不晦涩难懂。

但是大家在课上简单的实验中做的都是发射一束光并观察其从两条路径通过而产生的干涉图样，容易做到。真正能验证其“二象性”的则是只发射一个粒子的升级版。

（图：discovery.com，Double-Slit-Experiment）

理论上讲，一个光子只可能通过一个狭缝。但在不观测其路径的时候，它会展示其波的特性，产生干涉图样。如果此时加一个探测器于光子的路径，干涉图样就会消失。它揭示了意识参与物质世界的形成的可能性。

（图：medium.com，The Observer Effect）

光有意识吗？应该没有我们能理解的那种意识。但是我们的意识影响到它的状态了吗？显然大有可能。

进一步来说，就是如果不观测，它就是处于一种叠加态。亨利台词中的“既是黑色也是白色”也是一种叠加态。

而爱丽丝A是如此聪明，并没有露出疑惑的表情，而是默默记住甚至可能还理解了它。后面和自己的另一个版本聊天时，也没大惊小怪。

因为和乔安娜的羁绊，没有穿越的爱丽丝们在“区域”之外也可以观测到叠加态。但她观测到的有叠加态的只能是自己和其他穿越者有关的，所以独自胖揍小兔子的人，其实是她自己，不是她的朋友。

（上A下B）

亨利在这个时候看见先后走进去的小女孩都是爱丽丝。他正在和女同事解释的是只有他一个人能看见的是冷原子试验的干涉效应纹样。所以两个爱丽丝也只有他自己能看见。

（上A下B。两个小女孩这个女同事也看不到，正如她看不到干涉图样）

为什么我要说“观测”而不是“看见”和“听见”，这里又引入另一个理论，就是大家总听到的“薛定谔的猫”。小屋里的猫也是在暗示这个理论。

这个理论大家应该都很熟悉了。大意就是说，盒子里的猫可能是活的也可能是死的，你不打开盒子，你就不知道它是死的还是活的，因此它是处于一种又活又死的叠加态。

你一旦打开，就破坏了这个叠加状态，坍缩成一个了，即不是活就是死。这个理论讲的就是观测影响现实的呈现方式。而看或听，触摸，录像拍照，等等，都是观测的方式。

表面上看，“存在”是客体永久性（object permanence），就是说，物体是作为独立实体而存在的，即使个体不能知觉到物体的存在，它们仍然是在那里。这是我们人类在儿童时就形成的一种观点。

（Pinterest，Object Permanence）

但前面说的“观测对实验结果产生影响”给了经典物理学一耳光。这个世界是因为我们去观测才是现在这个样子吗？如果我们不去观测，它就不存在吗？

（现实是观测才会存在吗？图来自Quora）

而亨利的“以两种不同状态存在”这句话，还可以理解为是海森堡不确定性原理（Heisenberg’s Uncertainty Principle）的一种描述。它基于我们刚才提到的波粒二象性，即粒子既可以表现为波动，也可以表现为粒子，而波动和粒子性质之间存在一种相互转换的关系。当我们试图测量一个粒子的位置时，必须使用具有较短波长的波，这会使粒子的动量受到不确定性的影响。同样地，若要测量粒子的动量，就需要使用较长波长的波，这也会使得位置的测量结果不确定，测量一个物理量会不可避免地干扰另一个物理量。（百度）

简单打个比方（图是我乱画的）：你不测的时候它有可能会出现在这个大范围内；

你用这个方法一观测，它在这个范围内存在可能性比较大；

你用那个方法一观测，它在那个范围内存在可能性比较大。

但是你使用其中一种方法观测，就会令另一部分的可能性坍缩，只剩下一种可能性。（说得肯定不精准，只是简单的帮助理解两种可能性在观测下不能并存的情况，具体的大家可以搜一下薛定谔方程与海森堡不确定性原理）

（另外海森堡不确定性原理，不是海森堡测不准。很久以前的部分译法有失误）

所以“存在与否”，“在哪里”，其实都是不确定的。这就是为什么拥有叠加态的乔安娜，既活又死，既不会弹钢琴也会弹钢琴。但是没有“穿越”过的他人只有一个属性，就是活或者死，会或者不会。

那么量子纠缠是什么？它算是最难以解释的物理学概念之一。简单的说，它指通过某种方式制备出来的两个粒子，它们具有一些相同的特性，它们无论距离多远，都会相互关联，具有一种“超距作用”。

譬如地球与比邻星上的两个粒子，假设它们通过量子纠缠的试验反应有了对应的旋转方式，在你观测它之前，他俩是对称着转的，但是你看之前，它往上下左右哪个方向转，都有可能。现在你在地球上观测了其中一个，好，发现它是往斜上45度转，同时你再去用这个方法去观测另一个在比邻星上的就是往斜下45度转。理论上即使隔了四光年，也能有即时反应。

（具体可参看b站的“量子纠缠与贝尔实验” https://b23.tv/3T25SP7）