「世界上最後一個無所不知的人」湯瑪斯 · 楊誕辰 │ 科學史上的今天：6/13

在市面上，我們常會看到號稱運用量子力學原理的商品或課程，像是量子內褲、量子能量貼片、量子首飾、量子寵物溝通、量子速讀、量子算命、量子身心靈成長課程等等。有人說，量子力學代表了意識具有能量，藉由調整心靈的共振頻率，就能保持身心健康，只要你利用量子力學原理進行療癒或冥想，就能提昇自己的能量，人能長高、身體變壯、每次考試都考一百分；又像是，量子力學就代表一種信息場，讓你跟別人有心電感應，只要轉念，讓宇宙能量幫助你，你就能發大財還能避免塞車。也有人說，別人吃一個下午茶，你也馬上吃一個下午茶，別人喝一杯咖啡，你也馬上喝一杯咖啡，別人跟家人吵架，你也馬上找一件事跟家人吵架，這就是量子糾纏。

然而，量子到底是什麼？跟身心靈、宗教和玄學真的扯得上關係嗎？是否真能幫助你維持健康又賺大錢呢？

在這一系列影片裡，我們就要來討論，量子力學的原理為何？背後又是基於哪些科學的研究成果。等你看完之後，相信對於量子力學跟上述五花八門商品究竟有沒有關係，心裡自然會有所答案。

量子力學和意識有關？

坊間常會聽到量子力學跟意識有關的說法；或許也是因為這樣，量子力學被許多身心靈成長課程甚至玄學拿來作為背書。但，量子力學真的是這樣子嗎？

說到量子力學跟意識的關係，我們就必須來看看，量子力學最著名的實驗之一，20 世紀的物理學大師費曼（Feynman）甚至曾經說過，這個實驗「包含了量子力學的核心思想。事實上，它包含了量子力學唯一的奧秘。」它，就是雙狹縫干涉實驗。

雙狹縫干涉實驗

現在我拿的器材，上面有兩道狹縫，中間間隔了非常短的距離。等一下，我們會讓雷射光通過這兩道狹縫，看看會發生什麼事。

我們看到，雷射光在打向雙狹縫之後，於後面的牆上呈現有亮有暗的條紋分布，這跟我們在國、高中學過的波的性質有關。

在兩道光波的波峰相會之處，會產生建設性干涉，即亮紋的位置；而暗紋的部分，則是來自破壞性干涉，是兩道光的波峰和波谷交會之處，亦即，光的效應被抵銷了。

在歷史上，雙狹縫干涉實驗占有非常重要的地位。19 世紀初，英國科學家、也是被譽為「世界上最後一個什麼都知道的人」的湯瑪士．楊（Thomas Young），利用雙狹縫實驗，證明了光是一種波。

那麼，如果我們拿不是波的東西，來進行雙狹縫實驗，會看到什麼結果呢？讓我們試驗一下。

現在我手邊有一堆的彈珠，前面是用紙板做成的兩道狹縫，後面則是統計彈珠落點的紙板。我們讓這些彈珠朝狹縫的地方滾過去，並在彈珠最後的落點劃下記號；若在同樣位置的記號越多，就代表有越多彈珠打中該位置。

在丟了一百顆彈珠之後，我們可以看到，扣除掉一部份因為路徑被擋住、通不過狹縫的彈珠之外，彈珠最終抵達的位置，大致分別以兩道狹縫的正後方為最多，呈現兩個區塊的分布，不像先前光的雙狹縫干涉實驗中，出現明暗相間的變化。

所以，我們得到結論：若是拿具有物理實體的東西進行雙狹縫實驗，因為其一次只能選一邊通過，所以落點最終只會聚集在兩個狹縫後方的位置；而且要是行進的路徑不對，還可能會被擋住。

至於波的情形，那就不同了，只要狹縫的大小適當，波可以同時通過兩個狹縫，並互相干涉，產生明暗相間的條紋。

換言之，是波，還是物質，兩者在雙狹縫實驗的表現是截然不同的。

只不過，以上的實驗似乎並沒有什麼太令人感到意外的地方，我們也看不出來，它跟量子，還有意識，到底有什麼關係？事實上，若要真正顯示出它的獨特之處，就要來看電子的雙狹縫干涉實驗。

電子的雙狹縫干涉實驗

我們知道，電子是組成原子的基本粒子之一，而原子又組成了世間萬物。可以說，電子是屬於物質的一種極微小粒子。

在電子的雙狹縫干涉實驗，科學家朝雙狹縫每次發射一顆電子，並在發射了很多顆電子之後，觀察電子的最終落點分布會怎麼呈現。

既然電子是物質的微小粒子，那麼在想像中，應該會跟我們前面使用彈珠得到的結果差不多，電子會分別聚集在兩道狹縫後方的區域。

從實驗的記錄影片中可以看到，在一開始、電子數量還很少的時候，其落點比較難看得出有明顯規律，但隨著電子的數目越來越多，我們慢慢能夠看出畫面上具有明暗分布，跟使用光進行雙狹縫實驗時得到的干涉條紋，有著類似的結構。

這樣的結果，著實令人困惑。直覺來想，既然電子是一顆一顆發射的，它勢必不可能像光波一樣，同時通過兩個狹縫，並且兩邊互相干涉，產生明暗相間的條紋。

但無可否認，當我們用電子進行雙狹縫實驗時，最後得到的結果，看起來就跟干涉條紋沒什麼兩樣。

對這出人意表的觀測結果，為了搞清楚發生什麼事，科學家又做了更進一步的實驗：

在狹縫旁放置偵測器，以一一確認這些電子到底是通過哪一個狹縫、又如何可能在通過狹縫後發生干涉。

這下子，謎底就能被解開了――正當大家這麼想的時候，大自然彷彿就像在嘲笑人類的智慧一樣，反將一軍。

科學家發現，如果我們去觀測電子的移動路徑，只會看到電子一顆一顆地通過兩個狹縫其中之一，並最終分別聚集在兩個狹縫的後面――換言之，干涉條紋消失了！

在那之後，科學家做過無數類似的實驗，都得到一樣的結果：只要你測量了電子的路徑或確切位置，那麼干涉條紋就會消失；反過來說，只要你不去測量電子的路徑或位置，那麼電子的雙狹縫實驗就會產生干涉條紋。

在整個過程中，簡直就像是電子知道有人在看一樣，並因此調整了行為表現。

在日常生活中，若有人要做壞事，往往會挑沒人看得到的地方；反過來說，當有其他人在看，我們就會讓自己的言行舉止符合公共空間的規範。

量子系統也有點像這樣，觀測者的存在與否，會直接影響到量子系統呈現的狀態。

只不過，這就帶出了一個問題：到底怎麼樣才算是觀測？如果我們在雙狹縫旁邊只放偵測器不去看結果算嗎？我們不放偵測器只用肉眼在旁邊看算嗎？或是，整個偵測過程沒有人在場算嗎？

這就是量子力學裡著名的觀測問題（measurement problem）。

結語

在量子力學剛開始發展的數十年，有許多地方都還不是那麼清楚，觀測問題就是其一。在歷史上，不乏一些物理學家，曾經認真思考，是否要有「人的意識」參與其中，才能代表「觀測」。

如果真是這樣的話，那麼「意識」就存在非常特別的意義，而且似乎暗示人的意識能夠改變物質世界的運作。

可以想見地，上述出自量子力學觀測問題的猜測，後來受到部分所謂靈性導師跟身心靈作家的注意，於是，形形色色宣揚心靈力量或利用量子力學原理進行療癒、冥想或身心靈成長的偽科學紛紛出籠，直到近年都還非常流行。

另一方面，可能因為量子兩個字帶給人一種尖端科學的想像，坊間琳瑯滿目的商品即使跟量子力學一點關係都沒有，也都被冠上量子兩字；除此之外，商品宣傳裡也常出現一堆量子能量、量子共振等不知所謂的概念，不然就是濫用量子力學的專有名詞如量子糾纏、量子穿隧等，來幫自己的商品背書。只要有量子兩字，彷彿就是品質保證，讓你靈性提升、身體健康、心想事成。

對此，我就給三個字：敢按呢（Kám án-ne）？

事實上，量子力學至今仍是持續演進的學問，我們對量子力學的理解也隨時間變得越來越豐富。現代的物理學家，基本上不認為我們可以用意識改變物質世界，也不認為「意識」在「觀測」上佔據一席之地，甚至可以說正好相反，人的意識在觀測上根本無關緊要。

不過，我們不會那麼快就直接進入觀測問題的現代觀點。在之後接下來的幾集，我們會先從基本知識開始說起，循序漸進，讓你掌握量子力學的部分概念。而在本系列影片的最後一集，我們才會重新回到觀測問題，並介紹量子力學領域近幾十年來在此問題上獲得的進展。

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• 文／林祉均

從《瑞克與莫蒂》到最近的《媽的多重宇宙》和《奇異博士2：失控多重宇宙》，多重宇宙的浪漫概念一直是各種作品愛用的元素。主角穿越到其它平行宇宙中，遇見各種不同的可能性，實現未能完成的心願。

可惜的是，現實中似乎沒有這種好事情。眼睛所看到的世界就只有一個，一切就照著原本的劇本發生，沒有穿越或是重來的機會。

不過，這些幻想作品的描述，其實並不如你所想的這麼天馬行空。創作科幻作品所需要的想像力，對於科學家來說，其實也是重要的技能。打從二十世紀中期開始，正經的量子物理討論中，便出現了「多重世界」的說法。

「多重世界」是對於量子現象許多詮釋中的其中一種。實事求是的物理學家為什麼要訴諸這麼虛幻的說法呢？說到底，他們也是情非得已。這一切要從量子物理帶給他們的難題說起。

在量子時代前，物理學家的世界

在量子時代之前，物理學家用來解釋世間萬物的方法是「古典力學」與「電磁學」。

• 「古典力學」是「牛頓運動定律」的進階版，解釋了「具有質量的粒子（物質）如何運動」
• 「電磁學」則是一切電磁波相關技術（你的手機訊號）的基礎，解釋了「不具質量的能量如何在空間中以波動傳遞」。

「古典力學」與「電磁學」把世間分成「粒子」與「波動」兩種不同的問題來解釋，彼此井水不犯洪水，分別「近乎完美地」解釋所有日常生活中常見的現象，然而，有一個現象在深入研究之後，卻出現了矛盾，這個現象就是雙狹縫實驗（Double-slit experiment）。

雙狹縫實驗的詭異之處

如果讓光束通過一條狹縫，會在後方的屏幕映照出中間較亮，兩側較暗的圖樣。奇妙的是，如果將實驗改成兩條狹縫，屏幕上的圖案並不會等於兩個單狹縫的圖案相加，而是會變成亮暗間隔的條紋。這種圖案只能由波動產生，因為波峰和波谷會互相抵銷，因此產生較暗的部分。

雙狹縫實驗成為了光是波動的證據，屬於「電磁學」解釋的範疇，後續的推導也證明了光是一種電磁波。

如果故事停在這裡倒也還好，但後來卻觀測到「用電子或中子打入雙狹縫，也會得到跟光進入雙狹縫時類似的結果」。

這問題就有點大了，因為電子或中子這些粒子的運動，在雙狹縫實驗時必須要跟光一樣，用波動才能解釋，傳統物理「粒子與波動」的二分法似乎失效了。

量子時代新概念——波函數（波包）

因應這些觀察，物理學家開始用「波動力學」來解釋雙狹縫實驗，也就是薛丁格方程式（Schrödinger equation）。

「波動力學」是將所有物體都當成是「一小段波動」，也就是波函數，並寫下它如何隨著時間演化。原本的粒子現在變成像是下圖中一塊一塊的「波包」，在空間中隨著薛丁格方程式移動。

這些「波包」成功解釋了粒子如何在穿過雙狹縫後互相干涉，形成亮暗條紋。但問題是，沒有人看得到這些波函數（波包），在觀測時，看到的只有一顆顆電子通過狹縫撞在屏幕上。

雖然薛丁格所提出的方程式與運算結果完全符合實驗結果，但為什麼這樣算是對的？波函數（波包）又代表什麼？卻沒有一個很好的解釋。

波函數不是實體，而是物體的機率分布——哥本哈根詮釋

為了解釋這個問題，首先是由海森堡一夥人提出的「哥本哈根詮釋」，他們認為：波函數代表的是物體出現位置的機率分布，而薛丁格方程式規範的是機率分布如何隨時間改變。

當我們介入觀察，波函數便會依照這個機率分布隨機地塌縮至一個特定的值，這個值就是我們所觀察到的物理量。

以雙狹縫來說，穿過狹縫後的波函數產生了波動會有的干涉現象。後方的屏幕讓波函數塌縮，因此出現了一個確切的光點。至於光點會出現在哪裡，完全是機率性的，機率多寡由波函數主掌。在波峰和波谷抵銷的地方，機率很小，幾乎不會有光點出現；反之亦然。下圖可以看到個別粒子的位置看似隨機，但隨著實驗的粒子數增加，波函數的機率分布開始浮現。

編按：哥本哈根詮釋認為，波函數涵蓋了物體落到任何地方的所有可能性，且每個可能性都有一個機率值。而薛丁格方程式算的是每一種可能性的機率變化。

在多個相同物體重複經歷相同的事件（例如電子不斷進進入雙狹縫），就會看見波函數控制物體運動過程的證據（屏幕上最後的圖形）。

至於「單個物體」為什麼會移動到某個確定的位置，以及「單個物體」實際上是怎麼移動的，基本上是不可知的，一切都是波函數的決定，因此哥本哈根詮釋就以「崩塌」，來代稱其他可能性消失的情況。

對哥本哈根詮釋的質疑

約一百年後的今天，這個詮釋已經成為主流，但當時的學界中有一部份人並不買單。

一來是因為這個說法直接擁抱了機率性，物理世界完全交由波函數塌縮的隨機過程來決定，我們能知道的只有波函數的樣貌；二來則是「塌縮」這種語焉不詳但又扮演中心角色的詞彙，讓人有一種硬湊答案的感覺。另外，人或是儀器作為觀察者的角色為何如此重要，好像也說不清楚。

為了點出荒謬之處，薛丁格搬出了他舉世聞名的貓咪。

由於原子的放射衰變也是由波函數描述，我們可以用放射性原子打造一種可以殺死貓咪的裝置，然後把貓咪跟裝置關在箱子裡。隨著時間過去，原子的狀態處於衰變和未衰變的機率分布，因此貓咪也同樣處於「死和活的機率分布」。直到觀測者將箱子打開，才能將原子和貓咪的波函數塌縮。

這個實驗和樂透開獎的情況本質上並不一樣。雖然樂透好像也是機率問題，但是每個樂透號碼球都是巨觀的、可以被古典力學描述的物體。因此，早在開獎前，每個號碼球的位置就都已經決定好了，只是沒有人能夠準確預測。

可是，原子衰變是量子的範疇。量子理論最初的發展，便是起源於光電效應和原子光譜這類小尺度世界，這些領域中的實驗觀察無法由古典力學概括，只能用波函數的機率來解釋。

而薛丁格的目標就是將微小的量子物體（原子）和巨觀的生物（貓咪）牽連在一起，試圖說明由機率分布和塌縮主宰的物理世界有多麼讓人不舒服。

在薛丁格方程式和哥本哈根學派交鋒過後的幾十年內，關於觀察和塌縮究竟是怎麼一回事，仍有許多討論。後續的許多研究，在哥本哈根的架構下，提出了修補的細節，許多人也就漸漸接受了機率性的塌縮這件事。

爾後，有另一批人馬企圖想出一種不需要機率塌縮的量子世界，其中包括不喜歡上帝丟骰子的愛因斯坦等人。他們認為粒子一直都有明確的位置與軌跡，只是其演化方式不如我們所想像，背後有不為人知的物理機制，而哥本哈根的世界觀只是統計的結果，並不是完整的圖像。

這類詮釋統稱為隱變數詮釋（hidden variable theory），歷史上有許多不同版本。不過在貝爾定理（Bell’s theorem）的相關實驗後，局域性的隱變數理論幾乎完全被排除。現今還站得住腳的隱變數理論，聲稱波函數像是電磁場一樣佈滿整個空間，能夠以特定方式引導粒子的運動軌跡。

• 延伸閱讀（貝爾定理）：照出黑洞不算什麼，科學家連量子纏結都能拍到！？

全部的可能性都持續存在——多世界詮釋

這些新理論儘管在某種程度上去掉了塌縮的成分，但聽起來依然十分玄妙。在 1950 年代，有位美國物理學家艾弗雷特（Hugh Everett III）在他的博士論文中提出了全新的方案：

「大家都不要吵了，波函數中所有可能發生的機率，確實就是發生了，只是所有可能性以互不交錯的世界線同時存在。」

以貓咪為例子，當你打開箱子時，並沒有把貓咪的波函數塌縮到單一的死或活狀態，而是將原本的世界線一分為二，當中分別有一個看到死貓的你和看到活貓的你。於是，波函數永遠不需要塌縮到我們看到的單一狀態。

換句話說，這種觀點中沒有所謂「非量子」的「觀察者」來讓波函數成為現實。世界上所有的原子、貓咪、人，都被涵蓋在整個宇宙的波函數中。艾弗雷特原本的論文標題並沒有提到多重世界，而是稱之為全體波函數理論（Theory of the Universal Wavefunction）。波函數描述的不是觀察的機率分布——波函數就是本體，根據薛丁格方程式演化出各個世界線。

或許是因為太過前衛，他的這篇論文發表時，幾乎沒有引起任何討論，甚至沒什麼人花時間質疑。艾弗雷特最終抱著遺憾離開學術界，跑去五角大廈工作。所幸他的想法在十幾年後，終於在幾位支持者的努力之下，以「多世界詮釋（the many-worlds interpretation）」的名號發揚光大。

儘管一開始聽起來很難接受，但是人們發現，這種詮釋其實並不比原本的塌縮詮釋荒唐。

它同樣能夠解釋所有的實驗現象，而且比起機率性的塌縮，總體波函數可以完全遵循方程式的預測，不需要引入量子世界外的觀察者，來讓波函數塌縮至單一狀態。許多物理學家認為這是一套更簡潔的思考方法。到今天，多世界詮釋已經累積了不少聲量和支持者。

尋找多重宇宙

那麼多重世界線真的存在嗎？要找到答案恐怕不容易。如果艾弗雷特所言不假，也就是所有人和所有儀器都是總體波函數的一部份，那麼便沒有人能立於一切之外，看見總體波函數中的所有可能，或是做實驗來驗證多重世界的存在。

不過，除了量子理論的研究者之外，還有一群人也十分認真看待多重宇宙的想法。在宇宙學中，有一理論預測我們的可觀測宇宙只是顆小泡泡，身處許多其它的泡泡宇宙之中，也就是實際意義上的多重宇宙。這些宇宙不斷地處於膨脹階段，而這個理論被稱為永恆暴脹（eternal inflation）。

相較於多世界作為量子力學的詮釋，永恆暴脹是個科學理論，需要可以被驗證。照理來說，任何來自其它宇宙泡泡的訊號都跑不贏膨脹的速度，永遠無法抵達我們的可觀測宇宙。不過在膨脹初期，泡泡之間的碰撞會在宇宙背景輻射的地景上留下溫度足跡。大約十年前，科學家就在威爾金森微波各向異性探測器（WMAP）的觀測資料中，找到了四個統計上顯著的碰撞痕跡。

那我們怎麼還不出發前往其它宇宙呢？雖然在分析方法上是個振奮人心的嘗試，但還需要補足更多觀測資料才能做更好的判斷。繼 WMAP 後，普朗克衛星（Planck）也帶回了解析度高三倍的背景輻射影像，但關於多重宇宙是否真的存在，依然沒有定論。

結語

回顧歷史，隨著量子實驗的結果浮上檯面，不同的理論模型往往需要數十年來分出高下。雙狹縫實驗在 1801 年就已經完成，但多世界詮釋的誕生是 150 年後的事。正如同二十世紀初的量子物理，膨脹理論和多重宇宙都是目前發展空間很大的領域。或許還要一段時間，我們才能見證這些科幻內容成為課本中的教材。

不論結果如何，總體波函數中無限分岔的可能性，以及膨脹中的多重泡泡宇宙，都展示了科學研究的迷人之處，那就是——科學和科幻文本都一同站在人類想像力的最前端。

「以古為鏡，可以知興替。」如果能在過去、現在兩點拉出一條直線的話，未來的趨勢也有機會在我們掌握之中；當我們遇到困難時可以透過過往的經驗，幫助我們下判斷。這就是歷史的重要性！同樣的，歷史的脈絡可以幫助我們學習科學，而且還有機會發現科學家並不是我們想像中的神聖不可侵。2015 年 12 月 22 日在胖地台北，泛科學的專欄作者張瑞棋帶著《科學史上的今天》，和我們分享科學家背後鮮為人知的小故事。

「從小到大，科學家在我們心中非常偉大，無論是哥白尼的日心說，或者證明地心引力作用一樣的伽利略。這些科學家閃耀著光芒，直到越讀越多書後才發現，光芒的背後其實存在著陰影。這些科學家們的陰影來自信仰、權威以及性別。」

信仰

普遍認為哥白尼的日心說之所以不被認可，是因為宗教的打壓。然而另一種觀點是由於哥白尼認為上帝創造的宇宙應該存在著完美對稱的幾何關係，也就是軌道應該是圓形的！但這會和他觀察到的天文現象不吻合，因此與其說日心說的發表示因為教會的壓力，其實哥白尼本身的執迷才是造成學說延宕的原因。又比如提出滅絕說的居唯葉，他認為物種會因為某些災難而滅絕，另一方面在創世後仍物種繼續被創造。由於他深信聖經的創世論，甚至抨擊達爾文的演化論，導致演化論的發展備受阻礙。

權威

除了信仰外，有時候科學家利用自身權威、堅持己見，抑制別派學說，亦會影響科學的發展。你能想像西元十六世紀，醫生們拿著的解剖經典是出自於西元二世紀的蓋倫，且內容漏洞百出嗎？蓋倫是根據其動物解剖的經驗來推斷人體的內部構造，當然和人體的構造有很大的出入。但許多人不改抵抗權威，使得錯誤流傳千年。直到維薩留斯的出現，人體的結構才終於被了解。維薩留斯憑藉著大量的人體解剖經驗，推翻了多年來的理論，加上他有美術的長才，得以將知識快速的更新、傳播。

另一個為人所知的例子是牛頓及萊布尼茲。在微積分發展上，英國推崇地位較高的牛頓提出的流數，而非萊布尼茲的微積分，這導致英國的數學研究落後其他歐陸國家。最後一個權威造成的悲劇，讓許多產婦賠上了性命。十九世紀，醫生塞默維斯發現由醫院接生的產婦死亡率遠遠高出了由助產士接生的。他推測原因是醫學系的學生在解剖完大體後沒有清潔，而將細菌帶給產婦。然而其他高傲的醫生們認為：醫生怎麼可能害人呢？而摒棄了塞默維斯的想法。

性別

女性在科學界受到的打壓也不少：在代數領域有傑出成就的埃米諾特，竟因其性別而無法擔任大學教授；華生看了羅莎琳．佛蘭克林的 DNA  X 光繞射圖片，終於發現了 DNA 的雙螺旋結構，並以此得到了諾貝爾獎。雖然華生得獎的時候佛蘭克林已過世，然而我們可以想像，在當時的社會氛圍下，即便她在世，女性科學家的得獎機率仍然很低；發現脈衝星的喬瑟琳貝爾其成就在天文界有目共睹，然而諾貝爾物理獎的獎座是被指導教授赫維許拿走；吳健雄透過實驗證實宇稱不守恆，但最後是理論學家楊振寧及李政道是拿到了諾貝爾物理獎。

有些時候科學家對抗的不是來自外界的輿論、權威，反對的力量反而是來自科學界：牛頓打壓虎克及萊布尼茲；愛迪生堅持使用直流電系統，並利用交流電椅製造世人對交流電的恐懼，藉此反對特斯拉的交流電系統；發明氫彈的泰勒對前主管歐本海默落井下石，聲稱歐本海默對美國不忠……

我想呈現的不只是科學家的榮耀，還有其與常人無異的一面

跟著《科學史上的今天》的腳步，我們可以發現科學家或許只在智力上比一般人高超，但其品性仍和常人一樣：他們也會忌妒、也會排擠別人、也會為了得到權力耍手段。如果大家能用平等的角度認識科學家，去了解理論後的時代背景，那學科學就不再只是背公式和定理，而是和一段段生命故事相遇的奇幻旅程。