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比利時物理學家改革量子物理學教育，成功實驗證明學生易於掌握
比利時物理學家改革量子物理學教育，成功實驗證明學生易於掌握
December 17, 2023
重點摘要：
新聞內文：
比利時物理學家兼音樂家Bob Coecke教授，55歲，想要將量子物理學教給大眾。這個描述微觀世界並充滿悖論的理論已成為科幻作品的標準元素，從漫威的《蟻人》到多次獲得奧斯卡獎的《一切都在一起，一切都在一次》。它以奇異著稱，在英國，這個主題大多留給專攻物理學的本科生，因為它需要掌握複雜的數學。但Coecke，一位前牛津教授，已經構思出一種無需數學的框架，使用圖表來教授初學者，這在他與Stefano Gogioso博士今年早些時候出版的《量子圖像》一書中有所概述。今年夏天，他們進行了一個教育實驗，將這種圖像方法教給英國學童 - 這些學生的考試成績甚至超過了牛津大學研究生物理學生的平均成績。
量子物理學是出了名的深奧。為什麼大多數人甚至會想學習它呢？
想想人工智慧。想想現在世界是如何被搞砸的。擁有十億美元公司正在控制一場可能控制世界的革命，而沒有人明白他們在做什麼。我曾經在牛津大學做了20年教授，現在我在業界工作，與Quantinuum一起架構量子電腦（旨在利用亞原子物理學的優勢，有朝一日超越傳統電腦的機器）。我們希望人們從一開始就了解我們在做什麼，甚至在技術變得巨大之前。我們希望使STEM （科學、技術、工程和數學）更具包容性，讓量子更具包容性。這完全是反直覺的，但在業界我現在可以進行這種教育實驗。
您的教育實驗涉及54名15至17歲的學生，他們是從約1000名申請者中隨機選擇的，來自36所英國學校。這些青少年每週在線上課程上花費兩個小時，經過八週後接受了一項使用牛津大學研究生量子物理考試題目的測試。超過80%的學生通過了考試，大約一半的學生獲得了優異成績。您對他們的成功感到驚訝嗎？
有一段時間，我想取消整個實驗，因為我以為這將是一場徹底的災難。最初，我們希望孩子們能在社群媒體上互動或在線上交流，但由於實驗的倫理準則，這是不被允許的。我想，如果你不能互相交談，這是什麼樣的教育經歷？
這是新冠病毒一代：他們都沒有在線上課程上打開相機，所以我們看著黑螢幕。他們都沒有用聲音提問，只是打字。這是一個極具挑戰性的教學挑戰。我們還看到學生有自尊問題。但大多數孩子喜歡我們宣布不需要複雜的數學背景。數學一直是孩子們想要獲得這種知識的障礙。
然後我們得到了這些數據。他們的表現比我們在大學生中看到的要好得多。考試是盲目評分的，所以我們不知道有多少人是以追求STEM為目標而參加的。我們現在正在處理這些數據。
量子計算的一半人說：「你在用傻瓜圖片做事情，這不可能有用。太簡單了！」
您是如何想出這種「量子圖像主義」方法的？最初是為了兒童和初學者而設計的嗎？
我是一個非常視覺化的人。我不僅僅是一個量子物理學家，我還是一個藝術家和音樂家。實際上，我之所以最終從事量子物理學，是因為我想支持我的音樂事業，我的搖滾、金屬、電子音樂融合樂隊Black Tish今年發行了兩張專輯。我在1990年代獲得了牛津大學計算機科學系的工作，我的資深同事Samson Abramsky告訴我，我們需要一種高級編程語言來「未來」量子計算機。對於普通計算，您用零和一來編程，但大多數人不懂如何做到這一點。但每個人都懂得如何使用iPhone。我們想要一個量子計算機編程的iPhone界面。所以Abramsky和我在2004年發表了一種基於「範疇理論」的新量子力學形式。
後來我和其他人一起發展了這個理論，並且在2017年與Aleks Kissinger一起為物理學家寫了一本關於這個話題的書。但最糟糕的教學對象是理論物理學家。他們有太多需要放下的東西。量子計算主流的一半人說：「你在用傻瓜圖片做事情，這不可能有用，太簡單了！」，另一半人說：「範疇理論太難了，這不可能有用，太複雜了！」，花了好幾年才擺脫這種過於複雜的污名。所以我和Stefano一起寫了這本新書，專門進行這個實驗，證明這非常容易，孩子們可以做到，甚至比牛津研究生的成績還要好。
我們聽說了關於量子物理學的許多奇怪和美妙的事物：一隻貓在盒子裡可以同時死亡和活著，直到你看它；粒子可以同時出現在兩個地方，除非測量其位置；訊息可以在量子系統之間「傳送」。您是如何僅用圖片來傳達這些過程的？
答案很簡單。這全是繪製量子電路：用線連接的盒子來展示量子現象。傳送只是沿著一條線滑動盒子。測量用稱為「蜘蛛」的盒子表示，這些盒子有許多腿，或者說是從外伸出的線。一個在被測量之前可以同時出現在兩個地方的量子粒子被畫成兩條進入蜘蛛的腿，蜘另一邊有一條腿伸出來，那就是結果。
您對未來的量子圖像主義有何希望？
我已經被澳大利亞和希臘政府的教育部門的人接洽，他們對實施這一方法感興趣。我也熱衷於將這一方法引入非洲。現在還處於初期階段，但我們正在那裡規劃一些事情。
我最初想要改變人們對量子力學的理解，而且比起成年人，更容易說服孩子們。他們沒有成見。所以也許下一代會將其傳承下去。正如量子物理學的創始人之一馬克斯·普朗克曾說：「科學的進步是一次葬禮一次葬禮地前進」。
新聞原址： https://www.theguardian.com/science/2023/dec/16/physicist-bob-coecke-its-easier-to-convince-kids-than-adults-about-quantum-mechanics
- 比利時物理學家Bob Coecke開發了一種無需數學的圖像方法來教授量子物理學，這個方法對初學者更友好。
- Coecke進行的教育實驗顯示，利用這種方法教導的15至17歲學生，在使用牛津大學研究生量子物理考試題目的測試中表現出色，超過80%的學生通過了考試。
- Coecke的「量子圖像主義」方法讓量子物理更易於理解，即使對非物理學背景的人也是如此。他希望通過這種方法改變人們對量子力學的理解，並在全球範圍內推廣它。
新聞內文：
比利時物理學家兼音樂家Bob Coecke教授，55歲，想要將量子物理學教給大眾。這個描述微觀世界並充滿悖論的理論已成為科幻作品的標準元素，從漫威的《蟻人》到多次獲得奧斯卡獎的《一切都在一起，一切都在一次》。它以奇異著稱，在英國，這個主題大多留給專攻物理學的本科生，因為它需要掌握複雜的數學。但Coecke，一位前牛津教授，已經構思出一種無需數學的框架，使用圖表來教授初學者，這在他與Stefano Gogioso博士今年早些時候出版的《量子圖像》一書中有所概述。今年夏天，他們進行了一個教育實驗，將這種圖像方法教給英國學童 - 這些學生的考試成績甚至超過了牛津大學研究生物理學生的平均成績。
量子物理學是出了名的深奧。為什麼大多數人甚至會想學習它呢？
想想人工智慧。想想現在世界是如何被搞砸的。擁有十億美元公司正在控制一場可能控制世界的革命，而沒有人明白他們在做什麼。我曾經在牛津大學做了20年教授，現在我在業界工作，與Quantinuum一起架構量子電腦（旨在利用亞原子物理學的優勢，有朝一日超越傳統電腦的機器）。我們希望人們從一開始就了解我們在做什麼，甚至在技術變得巨大之前。我們希望使STEM （科學、技術、工程和數學）更具包容性，讓量子更具包容性。這完全是反直覺的，但在業界我現在可以進行這種教育實驗。
您的教育實驗涉及54名15至17歲的學生，他們是從約1000名申請者中隨機選擇的，來自36所英國學校。這些青少年每週在線上課程上花費兩個小時，經過八週後接受了一項使用牛津大學研究生量子物理考試題目的測試。超過80%的學生通過了考試，大約一半的學生獲得了優異成績。您對他們的成功感到驚訝嗎？
有一段時間，我想取消整個實驗，因為我以為這將是一場徹底的災難。最初，我們希望孩子們能在社群媒體上互動或在線上交流，但由於實驗的倫理準則，這是不被允許的。我想，如果你不能互相交談，這是什麼樣的教育經歷？
這是新冠病毒一代：他們都沒有在線上課程上打開相機，所以我們看著黑螢幕。他們都沒有用聲音提問，只是打字。這是一個極具挑戰性的教學挑戰。我們還看到學生有自尊問題。但大多數孩子喜歡我們宣布不需要複雜的數學背景。數學一直是孩子們想要獲得這種知識的障礙。
然後我們得到了這些數據。他們的表現比我們在大學生中看到的要好得多。考試是盲目評分的，所以我們不知道有多少人是以追求STEM為目標而參加的。我們現在正在處理這些數據。
量子計算的一半人說：「你在用傻瓜圖片做事情，這不可能有用。太簡單了！」
您是如何想出這種「量子圖像主義」方法的？最初是為了兒童和初學者而設計的嗎？
我是一個非常視覺化的人。我不僅僅是一個量子物理學家，我還是一個藝術家和音樂家。實際上，我之所以最終從事量子物理學，是因為我想支持我的音樂事業，我的搖滾、金屬、電子音樂融合樂隊Black Tish今年發行了兩張專輯。我在1990年代獲得了牛津大學計算機科學系的工作，我的資深同事Samson Abramsky告訴我，我們需要一種高級編程語言來「未來」量子計算機。對於普通計算，您用零和一來編程，但大多數人不懂如何做到這一點。但每個人都懂得如何使用iPhone。我們想要一個量子計算機編程的iPhone界面。所以Abramsky和我在2004年發表了一種基於「範疇理論」的新量子力學形式。
後來我和其他人一起發展了這個理論，並且在2017年與Aleks Kissinger一起為物理學家寫了一本關於這個話題的書。但最糟糕的教學對象是理論物理學家。他們有太多需要放下的東西。量子計算主流的一半人說：「你在用傻瓜圖片做事情，這不可能有用，太簡單了！」，另一半人說：「範疇理論太難了，這不可能有用，太複雜了！」，花了好幾年才擺脫這種過於複雜的污名。所以我和Stefano一起寫了這本新書，專門進行這個實驗，證明這非常容易，孩子們可以做到，甚至比牛津研究生的成績還要好。
我們聽說了關於量子物理學的許多奇怪和美妙的事物：一隻貓在盒子裡可以同時死亡和活著，直到你看它；粒子可以同時出現在兩個地方，除非測量其位置；訊息可以在量子系統之間「傳送」。您是如何僅用圖片來傳達這些過程的？
答案很簡單。這全是繪製量子電路：用線連接的盒子來展示量子現象。傳送只是沿著一條線滑動盒子。測量用稱為「蜘蛛」的盒子表示，這些盒子有許多腿，或者說是從外伸出的線。一個在被測量之前可以同時出現在兩個地方的量子粒子被畫成兩條進入蜘蛛的腿，蜘另一邊有一條腿伸出來，那就是結果。
您對未來的量子圖像主義有何希望？
我已經被澳大利亞和希臘政府的教育部門的人接洽，他們對實施這一方法感興趣。我也熱衷於將這一方法引入非洲。現在還處於初期階段，但我們正在那裡規劃一些事情。
我最初想要改變人們對量子力學的理解，而且比起成年人，更容易說服孩子們。他們沒有成見。所以也許下一代會將其傳承下去。正如量子物理學的創始人之一馬克斯·普朗克曾說：「科學的進步是一次葬禮一次葬禮地前進」。
新聞原址： https://www.theguardian.com/science/2023/dec/16/physicist-bob-coecke-its-easier-to-convince-kids-than-adults-about-quantum-mechanics