《沙灘上的薛丁格,生活中的量子力學》:量子力學的十個大哉問,為什麼「光」占有重要地位?

《沙灘上的薛丁格,生活中的量子力學》:量子力學的十個大哉問,為什麼「光」占有重要地位?
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我們想讓你知道的是

如今,量子力學無處不在我們的日常生活中;從智慧型手機、GPS、雷射手術到醫學影像等。未來,量子力學將為我們提供如量子電腦、量子遙傳等新工具。

文:查爾斯・安托萬(Charles Antoine)

【量子力學的十個大哉問】

1. 何時以及為何要建立量子力學理論?

量子力學是現代物理學兩大基礎理論之一,另一個基礎理論是愛因斯坦的廣義相對論。

一九○○至一九三○年間,量子力學的原理主要由一群歐洲研究人員逐漸建立而成。首先,在一九○五年,愛因斯坦提出「光是粒子」的概念。接著,在一九二三年,德布羅意提出「物質波」。之後,我們今日所知的理論,主要由物理學家海森堡、薛丁格、狄拉克、波耳、包立和馮.諾伊曼等人,逐一完成並建立規則。

之所以提出量子力學理論,是為了因應當時的理論無法解釋觀察與實驗結果。當時的理論主要是力學和電磁學,也就是後世所稱的「古典物理」,與之相反的則是量子力學。

當時,這些理論無法解釋的觀察與實驗結果,都涉及了光與物質間的互動,例如,物體在恆溫時發射的輻射。

2. 「量子」是什麼意思?

量子力學(physique quantique)的「量子」(quantique)來自拉丁文的「quantum」,意思是「有多少」。而「quantum」現今的意思則是「小粒子」,若沒有特別說明這種粒子的特性,通常指「能量小粒子」。廣義來說,「量子」一詞,不論宏觀或微觀,都可用來指稱所有與量子效應或量子力學概念有關的事物。此外,除了量子力學,其他理論都無法預測或描述量子效應。

更精確地說,量子(單數為quantum,複數為quanta)是兩個物體相互作用時,物理量所能交換的最小單位量。將這個物理量表達為最小量的倍數的方法,便稱作「量子化」。

所謂的「能量小粒子」指兩件事:第一,光由名為「光子」(photon)的能量小粒子組成,所以具有粒子的特性。第二,廣義來說,存在於我們身邊的萬物,都呈現這類粒子行為。舉例來說,我們通常將原子視作組成物質的基本單位,但其實原子也具有粒子性的能量結構。最新的理論甚至推測,連空間和時間都可能由時空的粒子組成。

3. 量子力學的發展史上,有哪些重要的實驗?

量子力學的探險家不斷發現革命性的原理和概念,而為了確認這些原理和概念是否成立,則需要進行許多實驗。

毫無疑問地,其中最重要的實驗是湯瑪士.楊格(omas Young, 1773~1829)的「雙縫實驗」,我們會在第二章詳細介紹該實驗。在這個實驗中,科學家使用兩條狹縫,來證明和粒子相關的「機率波」(onde de probabilité)概念。這裡的粒子可能是物質的粒子(電子或原子),或光的粒子(光子)。

其他的重要實驗,則讓量子力學得以在初創時期就扎穩根基,尤其是證明光或電子所含能量的量子化、「自旋」存在、物質波存在的實驗。近期的實驗中,還有證明「量子糾纏」和「非局域性」現象的實驗〔一九八一年,法國物理學家阿蘭.阿斯佩(Alain Aspect,1947~)的實驗,和二○一五年荷蘭物理學家羅納德.漢森(Ronald Hanson, 1976~)的實驗〕,以及探索基本粒子的實驗,例如二○一二年發現「希格斯玻色子」的實驗。

自一九九○年代開始,得益於實現量子遙傳和製造同調物質波的新技術〔一九九七年,法國物理學者柯恩唐努吉(Claude Cohen-Tannoudji, 1933~)為此獲得了諾貝爾獎〕,量子力學的研究拓展了全新領域。最後,自二○一○年起,量子資訊科學與量子生物學因世界各地的許多實驗,而獲得長足的進展。

4. 量子力學理論是否經過詳盡的驗證?

量子力學的理論經過高度詳盡的驗證。該理論的增強版「量子電動力學」更納入了光與物質的相互作用,以及愛因斯坦的狹義相對論,被認為是有史以來最禁得起驗證的理論!與之角逐的是愛因斯坦的廣義相對論。該理論預測了著名的重力波(一種在彈性介質——時空中——以光速傳播的振動),且科學家在二○一五年的探測中,證實了這項預測。

然而,量子電動力學無法應用到大量原子和物質。在這種情況下,只能使用簡化版的量子力學——就是本書主要介紹的內容——來解釋觀察到的現象。在此例中,預測結果和實際測量的結果仍然一致。不過,在生物學或超導現象等領域中,仍有一些異常的量子效應,有待科學進一步探索。

5. 量子力學對哪些領域有興趣?

雖說量子力學主要應用的領域是極其微小的粒子,但量子效應卻存在於自然中所有大大小小的物體中;從組成原子的粒子的亞微觀,到宇宙級的巨大規模,其中也包含人類社會與工業活動。

所以說,從最小的物體到最大的物體,量子力學對所有物體都感興趣!甚至可用一句話總結:「萬物皆為量子!」

事實上,即便我們無法或很難感受到生活周遭物體的量子特性,任何物體或任何一組物體都可能與量子波有關。有另一門研究領域,專門研究量子世界與我們日常生活的世界之間的邊界。量子世界存在於原子層級,高度受到量子效應影響;而我們的日常世界在外觀上,則看似較少受到量子效應影響。

6. 量子力學與其他理論的差異為何?

與同為現代物理學支柱的廣義相對論不同,量子力學並非建立在近乎哲學的大原理上,但相對論卻是建立在同名、彷彿哲學理論的「相對性原理」上。事實上,量子力學奠定在一大串原則上。有些人認為這些只是經驗法則,其真實性直到今日仍有爭議。而這些原則借助了其他較無爭議的概念,如機率波、自旋或「量子躍遷」。

總體來說,量子力學讓我們不再相信科學的確定性,並深入懷疑物理學所有的常見概念:如「局域性」、「實在論」、測量、空間、時間、因果關係、真空……甚至連宇宙獨一無二的存在,似乎也不可信了!

量子力學的另一個獨特之處,在於該理論需要詮釋,尤其是對其獨特數學形式體系的物理詮釋。然而,雖說今日有多種詮釋互相競爭、力圖理解量子力學理論的真正含義。但目前大多數的科學家,仍一股腦兒地遵照美國物理學家戴維.梅爾曼(David Mermin, 1935~)的玩笑話:「閉嘴,快算!」埋頭於量子力學理論中,高度可預測以及高度技術性的面向。

7. 有沒有一項原則,可以讓人了解整個量子力學理論?

若只能用一項原則讓人了解量子力學理論——那就是「波粒二象性」。

可能有人會皺眉,因為其實波粒二象性並非一項原則,也不是建立理論時使用的假設,反而比較像量子力學理論的特性,而且「二象性」一詞也經常讓人誤解和誤用。

不過,波粒二象性最終仍精確說明了量子力學的重點,那就是——萬物皆為波動和振動」。所以,光和物質同時具備兩種面貌——粒子和波動的特性。這裡的波動並非實際的波動,而是抽象的波動,存在另一個數學空間中,與我們生活的真實物理空間不同。因此,我們可以用另一個原則來替換波粒二象性原則:「萬物皆可能以量子波動呈現。」

從技術層面的角度來說,其實我們說的是「量子態」,所以正確的句子應該是:「萬物皆可能以量子態呈現。」

8. 量子力學主要應用於哪些領域?

量子力學初創時,是用於描述組成物質的不同粒子的理想學科,這些粒子指的是原子、組成原子的粒子(電子、質子、中子),甚至是更小的粒子(微中子、夸克等)。這個應用領域與廣為人知的「粒子物理學」有關。該學科致力於理解基本粒子的性質與特性,如著名的希格斯玻色子。

結合量子力學和簡化版的愛因斯坦相對論後,科學家得出了一系列的量子場論。其中,量子電動力學處理光和物質的相互作用,而「量子色動力學」則是關注原子核的組成結構。

另一個重要的應用領域則是「量子化學」,該領域力圖理解原子間結合、組成化學鍵和分子的方式,並建立模型。「固體物理學」則試圖了解物質的結構,如「為什麼某物質是固體?」「物質為何又如何傳導電力和熱能?」「有可能打造新物質嗎?」由此可見,固體物理學和微電子學、奈米科技緊密相關。

9. 量子力學跟我們有什麼關係?

首先,量子力學早已走出實驗室、走進我們的生活了!

有哪些例子呢?所有電器用品的組成元件(雷射二極體、電晶體、快閃記憶體等)都建立於一種「穿隧效應」的量子效應上;GPS系統仰賴原子鐘提供的超精準、穩定的時間;我們使用的核能和太陽能也仰賴量子力學;雷射手術和醫學影像技術也同樣需要量子力學。簡言之,從光合作用、到手掌無法直接穿越紙張或平板電腦,在我們生活周遭,幾乎所有的物理反應都與這個奇異又迷人的量子世界有關!

在另一個生活領域中,量子力學也十分常見,那就是「文字」!一如法國前總理雷蒙.普恩加萊(Raymond Poincaré, 1860~1934)熱切地將文字形容為:「靈魂的神祕過客、大魔術師、令人生畏的人類操縱師」。事實上,「量子」一詞非常流行,「量子」的各種變化充斥在不同領域的文獻中。但理論上,其實這些領域和量子力學常見的應用領域並無關聯,例如:醫學、哲學、體育、藝術和各種靈修法。

雖說人們偶爾誤用量子相關詞彙,甚至經常表達相反的意思,不過一旦翻開這本書,就代表你已經決定要理解這些詞彙的真正含義了。你給了自己一個機會,能夠分辨誤用或不實的話語,以及有趣、啟發人心,但在數學或物理上不正確的說法。

最後,雖說目前量子力學只是間接介入我們的生活,但未來肯定會大幅入侵!例如:石墨烯等奈米顆粒、新的超精細材料、確保銀行和電子投票安全的「量子密碼學」、人工智慧和未來電腦、量子生物學……

10. 為什麼「光」在量子力學中占有重要地位?

由於種種原因,使得「光」在過去和未來都是量子力學中的要角。首先,量子力學的起源就是二十世紀對於光的研究。事實上,光的歷史地位之所以重要,原因可不止如此:例如,光的粒子特性帶來了非常重要的量子化概念,而後世稱為光子的小型能量粒子,與物質相互作用的隨機特質(由隨機的量子躍遷產生)更說服了科學家相信可觀測世界機率性的基本特質。

最後,更因為光同時具備波動性(光波)和粒子性(光子)的二重性質,讓德布羅意和薛丁格有了結合波動與粒子的想法,也就是將波粒二象性應用到原先被視為光或物質的所有現象。

研究物質時,光也很重要;透過分析原子釋放或吸收的光,無論該原子在地球上或宇宙的盡頭,我們都能判別其來歷。由於光極度純粹,且可透過雷射光或光學儀器等方式操作,從準備、控制,到精準測量所需的物理量和系統,幾乎在所有量子力學的實驗器材中,光都不可或缺。此外,光也讓創造量子的「疊加態」和糾纏變得容易許多,而這也是光在量子資訊和量子遙傳領域中,極度重要的原因。

最後,因為光傳遞物質粒子間的電磁相互作用,所以在更廣義的量子電動力學的學科中,光也是基礎要素之一。目前,當人們在探討量子力學可能發展的領域,要測試最大膽的假說時,作為純粹能量粒子的光子,就是測試用的模擬系統。

書籍介紹

本文摘錄自《沙灘上的薛丁格,生活中的量子力學》,臺灣商務出版

作者:查爾斯・安托萬(Charles Antoine)
譯者:林承賢

法國物理教授講解量子力學
法文直譯台灣繁體中文版本

讓文科生也能看懂微觀世界中的物理學
16張插圖幫助理解抽象的量子力學

還以為量子科技離我們很遠嗎?
量子力學已發展出影響日常生活的半導體、網路科技和通訊工具:
GPS、核能、太陽能、磁浮列車、雷射手術、醫學影像等。
微軟、G20、Google、IBM、Intel更競相發展量子電腦,
世界正為未來的量子資訊科學做準備。

在量子的世界裡,萬物只是機率和波動、振動和能量的結合;
貓可以維持半死半活的狀態、物體可以同時存在兩個位置、
輪子能同時順時針與逆時針轉、還能從A點瞬間移動到B點。
量子的不確定性與隨機性,在測量的當下便創造了無數個平行宇宙!

量子力學不僅更新理論與科技,
還有更多未知的領域與應用等著被啟動。

量子力學如何改變我們的世界觀?量子力學誕生於二十世紀初,透過埃爾溫・薛丁格(Erwin Schrödinger, 1887-1961)的不死貓思想實驗(薛丁格的貓)而開始普及。薛丁格幾乎參與了所有量子力學發展的關鍵階段。他的方程式描述了物理系統的量子型態,如何隨時間而演化。起初,此方程式遭到愛因斯坦「上帝不擲骰子」的批評,最終卻演變量子力學的基石之一。

量子力學探究無限微觀的奇怪世界,它對我們的影響至今仍遭誤解。從字面上重新創造了現實,打破了我們所有的確定性。量子力學是如此令人驚訝,在量子的世界裡,一切僅是概率和虛波、量子躍遷和短暫振動……如今,量子力學無處不在我們的日常生活中;從智慧型手機、GPS、雷射手術到醫學影像等。未來,量子力學將為我們提供如量子電腦、量子遙傳等新工具。

現在,讓我們舒服地坐在沙灘椅上,一起聆聽法國物理教授查爾斯・安托萬為我們娓娓道來這奇妙的量子世界。不過,在開始這段量子旅程前,如果你看過漫威電影的《蟻人》縮小後進入微觀世界,這裡得先提醒你,恐怕不能毫髮無傷地出來……

沙灘上的薛丁格-立體書封
Photo Credit: 臺灣商務出版

責任編輯:翁世航
核稿編輯:朱家儀