快速光子控制使量子光學技術更接近現實

「曉得澳大利亞國民平均身高 1.7 米，^[註]我還是不會知道隔壁鄰居有多高。」澳洲蒙納許大學（Monash Univeristy）的博士生 Ashlea Segal，以此比喻精神科學的困境，表示研究「大多都聚焦於群體的平均值，很難瞭解個體的腦部變化」。^[1]於是，她帶領以該校特納腦部暨心理衛生機構（Turner Institute for Brain and Mental Health）為主的跨國團隊，掃描普通人和 6 種精神疾病患者的腦部，並加以比較。他們的研究結果，發表於 2023 年 8 月 14 日的《自然神經科學》（Nature Neuroscience）期刊。^[2]

腦部圖譜

研究團隊總共招募了 3,746 人，從中篩選出 18 至 64 歲，涵蓋注意力不足過動症、泛自閉症障礙、雙極性情感疾患、憂鬱症、強迫症和思覺失調症的 1,294 名精神病患；以及 1,465 名一般人當作對照組。用核磁共振掃描每一個受測者，製作腦部圖譜（brain mapping），並分析 1,032 個區域的灰質體積（gray matter volume）於個體之間的異同。^[2]

規範模型

有別於病例對照研究（case–control researches），將相同診斷的病患視為單一群體，以其平均值，與一般人組成的對照組比較；有些研究採取規範模型（normative modeling），考量年齡和性別等多種因素，定義出灰質體積等觀察重點的變異範圍，再分析個體的偏離情形。^[2]後者的作法較不會被臨床標籤所限制。^[3]過往規範模型的文獻，已經指出精神病患者的腦部與普通人極為不同；然而各個患者之間，即使診斷相同，腦部異常的地方也差別甚大。科學家無法解釋為何腦部病變的位置不一樣，結果卻殊途同歸。^[2]

不過，既然腦部是一個網絡，如果出事的點都接在同一個功能的迴路上，或許就會造成相同的問題。此前有些神經科學研究，已經證實有同樣運動、感知或認知症狀的病患，腦部病灶的位置可能互異，但都連結到共同的區塊。研究團隊受到啟發，使用規範模型，探索精神病患的腦部迴路及延伸網絡，並預期得到雷同的答案。^[2]

迴路／網絡

果不其然，在具有相同診斷的精神病患中，腦部灰質體積的明顯偏差，出現於同個位置的比例不超過7%；然而從迴路或網絡的層級來看，便可能有高達 56% 的重疊。同一診斷下，個體的額葉、頂葉、島葉和顳葉皮質等連結樞紐，在迴路層次高度相似；而各種精神疾患之間則迥異。比方說，注意力不足過動症患者的灰質體積偏差，僅限於某些範圍；而思覺失調症的病人，則是幾乎囊括全腦。這個發現挑戰了傳統上，認為單一精神診斷，只對應特定迴路障礙的想法。^[2]

此外，在網絡的層級，掌管認知控制、內感受覺察，以及內外在注意力轉換的警覺／腹側注意力網絡（salience/ventral attention network），與此處 6 種精神疾患裡的 5 種都有關聯。其病變顯然在多種精神疾患的發展中，扮演重要角色。^[2]

治療的目標

經由腦部圖譜，研究團隊得以推論治療目標：憂鬱症和雙極性情感疾患，分別為前額葉皮質的右邊與左邊；思覺失調症患者的警覺／腹側注意力網絡；以及注意力不足過動症病人的背側注意力網絡（dorsal attention network）與內側顳葉網絡（medial temporal network）。^[2]然而，Ashlea Sega l以憂鬱症患者的前額葉為例，說明目前非侵入性腦刺激術（non-invasive brain stimulation）所針對的迴路，可能「只適用於部份患者」。^[1]畢竟根據論文，單一診斷中，個體在這些目標上的重疊率，僅有一至五成不等。^[2]

因此，將來的研究或許該跳脫傳統診斷的框架，不執著於尋找一體適用的解方；而是繼續擴充數據，掌握腦部變化與精神疾患的關係，以便發展為病患量身訂做的客製化療法。^{[2, 4]}

備註

根據澳洲統計局 2017-2018 年度的資料，該國成年男性平均身高為 174.5 公分；女性則是 161.2 公分。^[5]

參考資料

1. White R. (14 AUG 2023) ‘Scientists Map How Mental Illness Changes Your Brain’. Newsweek, U.S.
2. Segal A, Parkes L, Aquino K, et al. (2023) ‘Regional, circuit and network heterogeneity of brain abnormalities in psychiatric disorders’. Nature Neuroscience.
3. Rutherford S, Kia SM, Wolfers T, et al. (2022) ‘The normative modeling framework for computational psychiatry’. Nature Protocols, 17, 1711–1734.
4. ‘Brain Network Mapping Study Challenges Basis for Psychiatric Distinctions’. (14 AUG 2023) Genetic Engineering & Biotechnology News, U.S.
5. ‘National Health Survey: First results’. (12 DEC 2018) Australian Bureau of Statistics.

被挑戰的古典物理世界觀

古典物理學家建立了一系列的假設，將他們的思想統整起來，這使得他們很難接受新的概念。以下列出他們對物質世界有哪些確定不疑⋯⋯

1. 宇宙就像一臺放在絕對時空框架中的巨型機器。複雜的運動可以理解為機器內部各零件的簡單運動，即使這些零件並不可見。
2. 牛頓的理論說明一切運動都有原因。如果一個物體表現出運動，人們一定能找出運動的原因。這是單純的因果關係，沒有人質疑這一點。
3. 如果我們知道物體在某一點（例如現在）的運動狀態，就能判斷它在未來甚至過去任何時刻的運動狀態。沒有什麼不確定，一切都是先前的一些因素造成的結果。這是決定論。
4. 馬克士威電磁波理論完全描述了光的性質，並可由湯瑪士・楊格在 1802 年簡單的雙狹縫實驗中觀察到的干涉圖樣加以證實。
5. 運動中的能量可以用兩種物理模型來表達：一種是粒子，其表現就像無法穿透的球體，例如撞球；另一種是波，其表現就像在海面上朝著岸邊打去的海浪。這兩者是互相排斥的，即能量必定只以其中一種方式表現。
6. 一個系統的性質，如溫度或速度等，要測量得多準確都可以。只要降低觀察者的探測強度或根據理論來校正即可。原子級的系統也不例外。

古典物理學家認為以上這些事情都是千真萬確的。但這六個假設最終都會被證明是有疑慮的。首先體認到這一點的，是 1927 年 10 月 24 日在布魯塞爾大都會飯店會面的一群物理學家。

1927 年索爾維會議──量子理論的成形

第一次世界大戰爆發前幾年，比利時實業家歐內斯特・索爾維（1838-1922）在布魯塞爾主辦了一系列國際物理會議，延請來賓傾全力討論某項預訂的題目。只有獲得特別邀約的人才能出席，人數通常限制在30人左右。

1911 年至 1927 年舉行的前五次會議，以最令人大開眼界的方式記錄了 20 世紀物理學的發展。1927 年的會議專門討論量子理論，每場至少都有 9 位理論物理學家出席，他們對量子理論做出了根本貢獻，並且最終都因而獲得諾貝爾獎。

要介紹有哪些人推動了最現代的物理理論，這張 1927 年的索爾維會議照片是很好的起點。後代將會驚歎，1927 年這些量子物理巨擘竟然在這麼短的時間、這麼小的地方齊聚一堂。

寥寥數人在這麼短的時間內就釐清了這麼多事情，在科學史上可說是空前絕後。

看看第一排坐在瑪麗・居禮（1867-1934）旁邊那位愁眉苦臉的馬克斯・普朗克（1858-1947）。普朗克拿著帽子和雪茄，看來有氣無力，好像在花了這麼多年試圖反駁自己對物質和輻射的革命性想法後，他已筋疲力盡。

幾年後，在 1905年，瑞士一位名叫阿爾伯特・愛因斯坦（1879-1955）的年輕專利事務員對普朗克的概念進行推論。

前排正中間穿著禮服拘謹地坐著的就是愛因斯坦，他自從 1905 年發表早期論文之後，二十多年來一直苦思量子問題，但未得出任何真實的見解。他一直出力推動量子理論的發展，並以驚人的信心支持其他人的獨創見解。他最偉大的理論「廣義相對論」使他成為國際知名學者，那已是十年前的事了。

在布魯塞爾，愛因斯坦為了量子理論奇怪的結論，和最受敬重、最堅定的量子理論支持者尼爾斯・波耳（1885-1962）爭辯。之後波耳將比任何人都更嘔心瀝血，致力於解釋和理解量子理論。波耳在照片中間那排的最右邊，這位時年 42 歲的教授正如日中天，顯得輕鬆自信。

愛因斯坦後方最後一排的埃爾溫・薛丁格（1887-1961）身穿獵裝，戴著領結，顯得非常隨意。他的左邊跳過一人後是「少壯派」的沃夫岡・包立（1900-58）、維爾納・海森堡（1901-76）──兩人當時才二十幾歲。第二排則有保羅・狄拉克 （1902-84）、路易・德布羅意（1892-1987）、馬克斯・波恩（1882-1970）和波耳。這些人的發現與微觀世界的基本性質息息相關，因此名留青史，像是薛丁格方程式、包立不相容原理、海森堡測不準原理，以及波耳原子等等。

他們都聚在這裡──從 69 歲、年紀最大的普朗克（他在 1900 年開啟了一切），到 25 歲、年紀最小的狄拉克（他在 1928 年完成了這個理論）。

1927 年 10 月 30 日，拍下這張照片的隔天，與會者的腦海中還縈繞著波耳與愛因斯坦的歷史性交鋒。他們在布魯塞爾中央車站坐上了火車，各自返回柏林、巴黎、劍橋、哥廷根、哥本哈根、維也納和蘇黎世。

他們帶著科學家所創造出最離奇的一套理論離開。大多數人私底下可能同意愛因斯坦的觀點，認為這種被稱為量子理論的瘋狂想法，只是通往更完整理論的一步，以後會被更好、更符合常識的理論推翻。

——本文摘自《大話題：量子理論》，2023 年 ３ 月，大家出版，未經同意請勿轉載。

功與工作

有些大家慣用的字彙常常會被專業學科借用，專家賦予這些字新的定義，比平常的意思更具體、也更有技術性。物理學有個例子是「功」（work）。如果向一個粒子施加定力，並推動一段距離，你所做的功就定義為施力（沿著粒子運動方向的分量）乘上粒子移動的距離。

這是個很具體的物理量，實際上也是能量的一種形式。做多少功，物體的能量就會增加多少。顯而易見的，這個定義和日常生活中我們對工作（work）的理解有點相關：世人為了完成一些目標（大多是想獲取金錢報酬），而費心費力工作。

不過，物理所講的功有明確的意義，使用的範圍也很清楚；相較之下，平常大家說的工作的意思就有些模糊，泛指很多事情。

動力與動量

動量（momentum）這個字看來不太一樣。物理學的動量是 γmv（相對論的珈瑪符號乘上物體靜止質量、再和物體速度相乘），是一種量化方式，用來描述粒子以已知速率往某個固定方向持續前進的傾向。若粒子的速率遠比光速小，γ會非常接近一， 所以能省略掉。

而更廣義的動力（momentum）用來指稱政治運動，或其他社會變動及政策背後的推力。同樣的，一件事的動力愈大，也暗示它愈難停下。不過，這些領域都沒有明確定義何謂「動力」。

物理學中的「場」

到目前為止，我試著不要太常用一些字，但在之後的章節這些字會很常出現。其中一個就是「場」（-eld）。通常場是一片平坦土地的代稱，上頭種了些植物，可能有農夫在照顧，也許還會有幾頭乳牛。

此外這個字也可以代表特定的研究領域或專業，往前翻你就會知道我已經用過這個意思了。這兩個意思其實也可以合併使用，像在解釋稻草人為什麼可以獲得終生教職的時候，就會用到。

物理學的「場」有個更技術性，但還是和前面意義相關的定義。物理學家說的場是個物理量，在空間中某個區域的每個點上都有特定的對應值。如果你待在一個房間內，就可以用各式各樣的場來描述這個環境。身為一位物理學家，你或許會這麼做：

首先你要想出一個方式來明確指出房間中的每一個點。有個好辦法是先選定房間地面的某個角落為「原點」。

然後選取交於原點的其中一個牆面，沿著地面平行於這面牆的方向走過一段距離（稱為x）；接著再順著平行另一面牆的方向走一段（稱為y），你就能碰到地上所有的點。進一步的，只要往上走段距離（叫作z），就可以抵達房間內所有的點了。你需要的只有三個數字：x、y、z。

幾種有用的場

現在可以來談談幾種有用的場了。舉例來說，溫度就是一種場，房間裡的每一點都有一個溫度值。假設平均來看，我們說房內的溫度是攝氏二十一度；如果房間中每一處的溫度都和平均值一樣，那麼你得到的就是一個常量場（constant field）：場的值和點的位置無關，也就是和x、y、z沒有關係。

然而，天花板附近的溫度很有可能比地面的高出一點，因為熱空氣的密度比冷空氣小，會升向天花板。我們可以用某個場來描述溫度與高度的關係，好比T(z)，換句話說，溫度T只和高度z有關。

T是z的函數（function。另一個生活常用字「功能」，這次是被數學家借去用了），可能像T(z) =20.5 + 0.5z，這裡的z以公尺為單位、而T以攝氏溫標（℃）為單位，舉例來說。在兩公尺高的房間內，地面的溫度是 20.5 + 0.5×0 = 20.5℃，而天花板的溫度則是 20.5 + 0.5×2 =21.5℃。

至於天花板和地板之間其他每一點的溫度，都可以用這個溫度場的函數計算出來。其他的場可以用來描述不同的事情，好比空氣密度，或甚至是噪音量。

以上所談的場在每個點都只由一個數字代表。這些場有大小，卻沒有方向。因此我們稱它為「純量場」（scalar -eld）。「純量」（scalar）代表只有大小、卻沒有方向的東西。

某些種類的場則擁有方向，我們叫這種場為「向量場」（vector field）。我之前有提到一些向量場的例子，像是大型強子對撞機的磁鐵製造的電場與磁場。這個房間也有重力場這個向量場。重力場在房內的每一點都有個值（力的大小大約是每公斤九．八牛頓），以及方向（指向地面）。

實際上，電場和磁場都是量子場，重力場可能也是，但科學家還不清楚相關理論。在日常用途中這件事常被忽略掉，但如果你在極小的尺度下觀察這些場，就會發現它其實不是個數值連續體，而是底層的量子場中一連串離散（discrete，意思是不連續，如階梯般一級一級，而不是如漸層色彩一樣柔和變化）的量子、或激發（excitation）的總和（疊加）。

這些激發有點像是波又有點像粒子。電磁學的量子理論―量子電動力學擁有兩個場，分別是光子場以及電子場。我們量測到的電磁波，或是獨立的光子及電子，都是這兩個場的激發。這裡我們又看到一個科學家借用日常名詞的例子。很明顯「激發」和平常我們的用法緊密相關，因為量子場論是個扣人心弦（exciting）的理論。

無論是不是量子理論，場的概念都是一樣的。場是個物理量，在你感興趣的空間範圍內的每一點，都擁有對應的值，可能是單純的數值或是很多個量子的總和。

——本文摘自《撞出上帝的粒子：深入史上最大實驗現場》，2022 年 12 月，貓頭鷹出版，未經同意請勿轉載。