（精選）綜研學(xué)習(xí)報(bào)告高一(物理)

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 抱著對物理世界的濃厚興趣和對影視作品的喜愛，我報(bào)名了由趙（盛玉）老師開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、回到未來點(diǎn)燃了對時(shí)間旅行的熱議、星際旅行引發(fā)了對宇宙空間的向往、黑客帝國引爆青少年對電腦黑客的追捧，這些電影對人類思想的影響遠(yuǎn)超它們所造就的票房價(jià)值。 但你欣賞影片時(shí)，是否思考過這些科幻故事的科學(xué)性、可能性？美國科幻小說家赫伯特·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,在火星上與美國國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)來表演，觀眾需要有足夠的耐性來聽完整段對白了;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，相撞也只能穿過而繼續(xù)前進(jìn)，因此光劍在科學(xué)上是不可能存在的。對軍事愛好者和影迷來說，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世。 不過，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，不論做什么都無關(guān)緊要。他重新返回了源代碼無數(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，一切問題就迎刃而解。而且，在對微觀世界的研究中，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。既然用到量子論來解釋這部電影，就得拋開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”，簡單的說就是觀察者的觀測行為本身參與了宇宙的構(gòu)造過程?！耙庾R(shí)”的存在反過來又創(chuàng)造了它自身的過去，這個(gè)推論叫“自激活”。沒錯(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”?！耙庾R(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。記憶也是“意識(shí)”，也就是說讓男主角的“意識(shí)”和肖恩的“意識(shí)”連接起來。 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)”?，F(xiàn)在回到電影劇情來，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“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，并沒有“B意識(shí)”本身的記憶。這個(gè)后面會(huì)講到。 重點(diǎn)來了，“A意識(shí)”融入到“B意識(shí)”的宇宙中后，這個(gè)宇宙對于“A意識(shí)”來說有了意義，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“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，男主角從出生到現(xiàn)在的半死亡，然后通過“源代碼”融入到“B意識(shí)”構(gòu)筑的宇宙中這一系列的過程本身，其實(shí)就是“A意識(shí)”自我構(gòu)筑的宇宙歷史的一部分！ 按照電影里劇情來說，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程。再說的通俗一點(diǎn)，（男主角出生長大后參軍在阿富汗“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的生活在一起）這括號(hào)里一系列過程本身就是“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，這從他對女軍官發(fā)的短信可以看出來。但是和女主角最后一吻從火車上下來后，一起來到那個(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話可以知道男主角對量子物理有一定的了解，最后大徹大悟也可以說并不顯得突兀)。他站在圓形建筑物前對女主角說，你相信命運(yùn)嗎，我們來到這是命中注定的。其實(shí)就是說，結(jié)果(以肖恩的身份和女主角來到這)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。開頭我所說的“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，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)這部片子的樂趣所在。影片很多細(xì)節(jié)通過第三層量子論解釋，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）理論的英文簡稱。經(jīng)典理論看來，在電子雙縫干涉的實(shí)驗(yàn)中單個(gè)電子只通過了一條狹縫，在一條狹縫中穿過的粒子卻發(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，一旦我們試圖測定電子究竟通

13、過了哪條縫時(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，它每次只能通過一條狹縫，奇妙的是，一旦我們展開這種測量的時(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)世界中從未觀測到這種現(xiàn)象。電子即使在觀測后仍然處在左/右的疊加，但是，我們的世界也只不過是疊加的一部分！當(dāng)電子穿過雙縫后，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，當(dāng)電子經(jīng)過雙縫后，出現(xiàn)了兩個(gè)疊加在一起的世界，在其中的一個(gè)世界里電子穿過了左邊的狹縫，而在另一個(gè)里，電子則通過了右邊！波函數(shù)無

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，簡稱MWI)。在某個(gè)宇宙中，格魯希沒有在滑鐵盧遲到，而希特勒沒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，根本就沒有生命和行星的存在。接下來我們再闡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，只要從主觀視角來看，不但一個(gè)人永遠(yuǎn)無法完成