太空中第一场量子艺术展的惊奇故事

 欧洲航天总署宇航员萨曼莎·克里斯托弗雷蒂(Samantha Cristoforetti),首位意大利女性宇航员 

NASA、ESA和MIT如何与一位荷兰艺术家合力创造一件奇异的艺术品?而原材料竟然是:国际太空站、詹姆斯·韦伯望远镜,以及——宇宙。 

当去年十一月萨曼莎·克里斯托弗雷蒂(Samantha Cristoforetti)向国际太空站出发,成为了意大利第一位女性宇航员,某种意义上也是欧洲太空总署的名人。考虑到她携带的那些非同寻常的物品,她的名气很快就会越传越广。 

在她的携带品之中,有一台长4厘米直径1厘米的小型望远镜,它与来自智能手机相机的未充电CCD阵列相连。 

这部望远镜是荷兰艺术家德尔姆•施特雷贝(Diemut Strebe)所设计的艺术项目的一部分,他试图使用量子效应来创造前所未有的艺术。而且,是在太空中。 

与此同时,施特雷贝用充上电的CCD阵列制作了可以在地球上操纵的第二台小型望远镜。施特雷贝的想法是两部望远镜可以产生量子纠缠,因此个体对地面上的望远镜的操纵可以影响到轨道上的那一台。 

今天,为了给该作品提供科学解释,MIT的赛斯·劳埃德(Seth Lloyd)向我们描述了艺术背后的量子力学原理。 

这件让人捉摸不透的作品名叫“维格纳的朋友”,灵感是由匈牙利理论物理学家耶诺·帕尔·维格(Eugene Wigner)纳所提出的思维实验。这个思维实验是“薛定谔的猫”悖论的拓展,后者指的是,一只猫被放在有一瓶毒药的盒子里,而毒药只在放射性粒子衰变时被释放。 

粒子的衰变是一个量子过程,在观察者的缺席下,它处于不确定态的叠加之中。换言之,粒子可以同时处于衰变和不衰变的状态。考虑到猫也必须同时处于死和活的叠加态之中,悖论就来了。 

维格纳做了这样的拓展: 假想有一个朋友在他离开实验室后重复了薛定谔猫的实验。当维格纳回来时,他发现了结果,而此时他所提出的问题是,实验的结果是何时被确定下来的——在他知道结果时还是更早? 

“维格纳的朋友”实验的关键点在于,意识对于量子力学测量的过程似乎是必不可少的。没有了意识,实验中所有参量都停留在所有可能状态的叠加当中。 

施特雷贝引申了维格纳的思维实验并提出,直到被观察前,望远镜中的CCD阵列一直处于包括了可能存在的一切艺术形态的量子叠加态中。 

这是一个合理的假设吗?在劳埃德看来,答案是肯定的。他假设CCD阵列在地球的阴影中被冷却到零下二百七十度左右,这是宇宙背景辐射的温度。这种辐射会导致CCD阵列产生能量波动。“认为这种波动的阵列在量子态中蕴含一切可能的图像看起来是不无道理的,”劳埃德如是说。 

只要没有人来观察它,或者说,只要维格纳在太空中没有朋友,这个CCD阵列就可以在这种无穷可能图像的量子叠加态中想维持多久就维持多久。 

如此就引进了第二部望远镜,即被充上电并指向天空的那一台。史特贝雷的第二个想法是,两台望远镜可以通过某些量子机制产生关联。这再度唤起了这是否是一个合理假设的质疑。 

劳埃德指出,它的合理性来自于一个名为“汉伯里布朗及特维斯效应”(Hanbury Brown and Twiss effect)的现象。这个现象在1950年代被初次观测到,当时天文学家在使用相隔六米的两台光电倍增器从天狼星收集光信号。令许多物理学家吃惊的是,该团队发现两道光信号之间存在关联,这后来被解释为光的波动性使它能够在同一时间通过两台光电倍增器。 

罗伊德指出,相同的效应可以被运用于施特雷贝所制造的两台望远镜——进入其中一台的光子可能与进入另一台的光子相干。而当这发生时,一个地面上的观察者会对太空中的望远镜产生微小但非零的影响,即爱因斯坦所言的“幽灵般的超距作用”。 

这会如何影响外地球艺术作品还不得而知。但重点是,它会以某种方式影响它,或者说,这是劳埃德试图让我们相信的。 

对于一件如此奇异的艺术作品,这是个相当有趣的科学解释。劳埃德的证明显然是宽泛的。当可能性推论被这样使用时,它们可以被用来证明几乎一切事情。举个例子,你可以在今天下午因为房间中的氧气分子同时聚集在废纸篓中而缺氧致死,不小心掉落一枝铅笔也可能推动一系列事件而最终导致第三次世界大战的发生。 

这些争论基于这样一个考论:无论多么不现实,它们的可能性也是存在的,因此必须被认真对待。 

危机分析领域的专家对于解决这类问题有一个直接的方法。他们指出,问题在于合理性的缺席,掉落一枝铅笔因而发动第三次世界大战的可能性远不如掉落它那么高。因此没有必要担忧这种可能性。 

可能相同的批判也适用于施特雷贝的艺术品。即使不被观察(或者直接在一开始就没有被创造),这件作品还会是这样吗? 

根据劳埃德透露,史特贝雷的计划是在地球上组织各种各样的“展览”,接着在NASA的韦伯望远镜上把第二台望远镜发射到太空之中。(无论你对于艺术的看法是什么,你都不得不敬佩施特雷贝的说服力竟然可以联合起NASA,ESA和MIT为其效劳。) 

劳埃德在他的文章中做了如下总结:“该艺术作品所需的科学基础看起来在艺术家资格证的要求上失败了,”这一陈述明显是在眨眼中传达的,可能还吐了吐舌头。




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https://medium.com/the-physics-arxiv-blog/the-strange-story-of-the-first-quantum-art-exhibition-in-space-8504b2dca63d 


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