《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?
Photo Credit: Shutterstock / 達志影像

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」。




線上直播論壇:以跨域創新生態系驅動循環經濟,10/14和你一同搶攻綠色商機

線上直播論壇:以跨域創新生態系驅動循環經濟,10/14和你一同搶攻綠色商機
Photo Credit:TNL Brand Studio

我們想讓你知道的是

關鍵評論網將於10月14日辦理「循環綠色經濟大商機」線上直播論壇,作為「2022年數位綠色雙轉型聯合成果展」之前導活動,本場以2位循環綠色經濟的經驗談,探索更多綠色商機應用發展的可能性。

立即報名加入跨域創新生態系— 循環綠色經濟大商機論壇,搶佔數位轉型先機,共創未來!

近幾年在科技、經濟發展以及環境的多元衝擊下,傳統商業經營模式出現了結構性變革,為了因應各產業的轉變,企業重新對焦各分眾族群需求,甚至在不同生態系之間,透過跨域合作或需求重組,滿足或建構多元市場的需求,推出創新服務價值。

尤其是在經歷新冠肺炎及氣候變遷的影響後,全球對於永續發展的議題更加重視,提倡環境友善的「循環經濟」成為綠色商機下受到高度關注的議題。經濟部中小企業處透過「推升中小企業跨域生態系價值共創計畫」輔導,協助中小企業在綠色經濟的發展有個一個良好的方向,以跨域創新及轉型的實踐,逐漸有了豐碩的成果,也為生態系的發展,增添更多的可能性。

為了讓更多人體驗到企業推動效益,經濟部將於今年10月22日至25日,攜手數位發展部,掌握時下數位與綠色關鍵議題,在松山文創園區2-3號倉庫舉辦「2022年數位綠色雙轉型聯合成果展」。活動圍繞「數位雲」、「永續雲」、「體驗雲」三大展示主題,打造數位、綠色、虛實整合的展場體驗。除此之外,現場還有綠色生活、臺灣特色店家消費體驗,以及數位轉型與綠色永續主題論壇等精彩內容,歡迎前來親自體驗!

【2022年數位綠色雙轉型聯合成果展】活動資訊

  • 日期:10月22日-10月25日
  • 地點:松山文創園區2-3號倉庫(臺北市信義區光復南路133號)
  • 報名網址:https://reurl.cc/m3KGZ9

「推升中小企業跨域生態系價值共創計畫」由掌握關鍵核心能力的中小企業為主體,找到市場發展的關鍵方向,帶動跨領域業者共同合作、集體升級,結合綠色永續的概念,將不同產業領域相互串接,打造如生物炭、生態材料與虛擬電廠等多樣化的綠色減碳生態系,為臺灣中小企業擘劃新成長路徑!

立即報名加入跨域創新生態系— 循環綠色經濟大商機論壇,搶佔數位轉型先機,共創未來!

循環綠色經濟大商機線上直播論壇,集結產業專家一次看

「跨域創新生態系-循環綠色經濟大商機」線上論壇將邀請盛發生物科技有限公司 陳偉誠創辦人暨執行長,與京冠生物科技股份有限公司 楊青山董事長,分別從「生物炭跨域應用品牌提升生態系」及「生態材料跨域鏈結生態系」的發展成果,與臺灣所有中小企業共同探討如何利用跨域生態系的發展力量,讓永續能成為每個人的日常生活。

循環經濟是由循環加上經濟,過往企業以獲利為主的商業模式,該怎麼結合生態系的每個資源及技術,達到永續及環保的目標?首場專題短講由盛發生物科技有限公司 陳偉誠創辦人暨執行長主講,從木酢產品研發為起點,並於過程中,洞見產業的需求,以生物炭生態系的核心角色推動創新商業模式,從生活用品到建材,帶動包括化工、建材、檢測、應用到場域等跨界跨域的合作夥伴,持續延伸生物炭產品的各種可能。接著將由楊青山董事長分享京冠生技是如何將其引以為傲的發酵技術,透過生態系合作,找到不同專業領域的合作夥伴,實現了「你的天然廢料,我的加值材料,消費者的健康好料」夢想藍圖,轉型成為「材料開發」企業。

2022跨域創新生態系-循環綠色經濟大商機

  • 活動時間:2022年10月14日
  • 活動形式:YouTube線上直播
  • 活動講者:陳偉誠 創辦人暨執行長(盛發生物科技有限公司)、楊青山 董事長(京冠生物科技股份有限公司)
  • 活動主持人:劉姿麟
  • 活動內容:
00