量子世界里的太极图

最近，科学界和玄学界都在被这张图刷屏。这是2023年8月登载在《自然光子学(Nature Photonics)》上的一篇论文。由加拿大渥太华大学与罗马萨皮恩扎大学合作研究的空间双光子干涉成像课题。

论文的标题是《Interferometric imaging of amplitude and phase of spatial biphoton states（双光子的空间干涉成像以及振幅和相位）》

有兴趣的朋友可以在知网上下载这篇文章。我们今天就用简单的方式来看看究竟发生了什么。

一、什么是空间双光子干涉成像

这篇文章的核心就是研究这个问题。

首先，我们得聊聊什么是“量子”。首先，量子与原子分子不同，它并不是“粒子”。学过高中物理的朋友都知道“双缝实验”，科学家们发现了光的“波粒二象性”。在研究亚原子世界的时候，人们逐渐发现了很多亚原子微观世界的物理特性呈现出了与宏观物理截然不同的特征。它们的物理特征更多的呈现“非线性变化”。研究这些特征的学科就是“量子物理”，并在此基础上进一步分支出了“量子力学”。

最早提出量子概念的是德国科学家：马克斯·卡尔·恩斯特·路德维希·普朗克。在研究黑体辐射问题的时候，给出了普朗克方程：E=hv，这与爱因斯坦的质能方程：E=mc之间展开了20世纪最宏大的物理学之争。最终，普朗克为我们打开了量子世界的大门。

量子想必大家都听说过“量子纠缠”这个名词。“量子纠缠”是量子物理学发展到今天最为神秘的一种量子特性。

我们刚才说过，量子并不是粒子，量子研究主要有两大类，一类是费米子,如电子、质子、中微子等亚原子粒子。另一类是玻色子,如光子、介子、引力子、虚粒子等非实体粒子。这些物质的运动规律都会产生量子特性（量子态）。比如说量子纠缠。

要知道，量子纠缠在量子光学与量子信息处理中占有非常重要的地位。比起电子、质子这些费米子，“光子”是最容易获得并实践的量子研究原料。它不需要对撞机等复杂的科研仪器就能够轻易获得。

所以，光量子的研究一直是各国争夺的量子资源。于是，让两个光子产生干涉，并形成量子纠缠。就成为研究量子纠缠领域最重要的一步。只不过，由于量子研究都是在亚原子尺度，量子的世界实在太小了。我们现在的量子研究主要都是在理论物理的层面。这就导致能够“看到”量子成为一个非常棘手的问题。

二、“太极图”说明了什么

这篇论文中的“太极图”就是科学家们利用了特殊的成像方法，成功拍摄出了量子世界中两个相互干涉的光子。

科学家们使用了一种名为“迈克尔逊干涉仪”的装置，从一束激光中分离产生两个光子，并让它们产生干涉，形成量子纠缠。

一个405 nm激光器在高斯模式(ℰ ref)进入迈克尔逊干涉仪，其中一个紫外空间光调制器（UV-SLM）被用来塑造和产生未知的泵浦场(ℰ p).干涉仪的输出是参考泵浦场和未知泵浦场的叠加，然后再在一个0.5毫米厚的i型BBO晶体上照射。因此产生光子对，并通过分束器分离后，发送到单光子传感器阵列上。最后用一台摄像机进行拍摄。

由于整个实验的结构复杂，论文中，科学家对成像结果进行了相位复原，并通过量子-场理论进行了校准。这里就不过多赘述。这里直接放出科学家的成果图像：

a、干涉之间的重合图像一种参考SPDC状态和一种由具有阴和阳符号形状的泵浦获得的状态（如插图
所示）。插图的比例与主图相同。

b、重建未知泵上的图像的振幅和相位结构。

论文中也将干涉成像称为“具有阴和阳符号形状”。在中国人的记忆里，这就是太极图（双鱼图）。

而我们讨论的重点就是太极图究竟是什么。

三、太极图的神奇之处

搞清楚发生了什么的同学不难发现，两个光子的干涉成像是一个太极图。

而量子纠缠最大的特性是什么？任何两个处于纠缠状态的量子，无论空间距离有多远，他们的变化都是同步的。好了，两个量子的纠缠态是不受空间和物质的阻隔的。而且两者之间的同步性是以我们所未知的方式进行的。这就是量子通讯技术的基础。

这就意味着，图片中同时拍摄下的两个光量子的干涉图像是个太极图。那么，如果把它们分开，哪怕是各自放在了宇宙的两端，它们之间的干涉图像仍然是个太极图！

这个知识点也许有点绕，大家可以仔细思索一下。道长配张图帮助大家缓一缓。

如果，我们把视角从量子的本身移开，我们不再关注这两个光子。而是将主角变成它们之间的干涉关系呢？

如果在宇宙的两端有这么一对处于纠缠态的量子，那么它们之间构建起的干涉图景就是一个如同宇宙这么大的太极图。而正巧我们身处其中……

四、易经的世界

“太极图”不光是道教使用了几千年的品牌LOGO。更是所有修道人的基础，太极图中蕴藏了五行八卦，更有着无数“天机”。我们不去探讨为什么道教的品牌广告能够植入量子宇宙。

今天我们简单以量子的视角来说说其中的逻辑。

首先，刚才我们说了。在量子世界中，很多的物理学规律都呈现了“非线性”特征。这种非线性变化特征简单来说就是无规律可寻。无论是普朗克方程还是海森堡不等式，一座座理论的高峰都是在试图破解这种非线性关系的。

我曾经说过，非线性问题无所不在，几千年前的周文王也发现了这个问题。《易》就是因此而生的。易者，变化之道也。易经就是研究变化之道的一门学问。

所有的非线性问题中都包含着“混沌现象”。量子纠缠这一问题的本身就是无处不在的非线性特征和表现出来的混沌现象。而正巧道家研究的方向就是“混沌”。圣人庄子的《南华经》通篇都在讲述混沌。（这里需要指明一点就是我们道士所说的混沌与物理学的混沌略有不同）

道教认为，宇宙万物都诞生于混沌，并身处混沌，万事万物都是在混沌中的。这种混沌被一种名叫“道”的力量所牵动运行着。在混沌之中，虽然偶然会出现一些看似规律的变化过程，但这些都不是事物的本质。

然而，混沌又是如何而来的呢？混沌是由“阴”和“阳”两种性质的“炁”相互影响相互融合产生的。而这种影响就创造了如今的宇宙。正如道经所言，万物负阳抱阴，负阴抱阳。这种相互干涉相互交融的过程产生的变化之道就是“太极图”。

“阴”“阳”是难以具体化的，在道教的理论体系中，阴阳在混沌之初就是代表纯阴纯阳的两个质点。但随着阴阳理论的深入，道士们把这两个质点具象化为了“王母娘娘”和“东华帝君”。

再然后，随着八卦理论的逐渐成熟，对于阴阳变化之道的研究取得了实质性的突破。以《易经》为代表的八卦理论成为了研究阴阳变化这一非线性问题的主要手段。经过几千年的发展，道教内部诸如“先天五太”“邵雍象数理论”等等一座座理论丰碑拔地而起。

如今，道教对于混沌的研究已经应用到：人生命运轨迹的非线性预测、环境时空变化的非线性研究、脑活动的非线性研究等实用性科学领域。（白话就是算命、风水和驱鬼）

人微言轻，思想跨度太大，深入的就不能再说了。抛砖引玉吧，福生无量天尊！