天空為什麼是藍色的？瑞利誕辰｜科學史上的今天：11/12

1894 年，美國物理學家邁克生（Albert Abraham Michelson）作為芝加哥大學物理系的創立者，在為學校的瑞爾森物理實驗室（Ryerson Physical Laboratory）落成典禮致詞時，表示：「雖然無法斷言說，未來的物理學不會比過去那些驚奇更令人驚嘆，但似乎大部分的重要基本原則都已經被穩固地建立了。」

以我們現在的後見之明，這段話聽起來固然錯得離譜，但在當時，從 17、18 到 19 世紀，在伽利略、牛頓、馬克士威等前輩的的貢獻之下，物理學已經達成了非凡的成就。

我們現在稱為古典的物理學，對於整個世界的描述幾乎是面面俱到了，事實上沒有人預料到 20 世紀將出現徹底顛覆世界物理學認知的重要理論，量子力學。

而這最一開始竟只是出自於一件不起眼的研究，關於物體發出的光。

萬物皆輻射

在此我們要先理解一個觀念：所有物體無時無刻不在發出電磁波輻射，包括了你、我、你正使用的螢幕，以及我們生活中的所有物品。

至於為什麼會這樣子呢？其中一個主要原因是，物體都是由原子、分子組成，所以內部充滿了帶電粒子，例如電子。這些帶電粒子隨著溫度，時時刻刻不停地擾動著，在過程中，就會以電磁波的形式放出能量。

除了上述原因之外，物體發出的電磁波輻射，還可能有其他來源，我們就暫時省略不提。無論如何，從小到大我們都學過的，熱的傳遞方式分成傳導、對流、輻射三種，其中的輻射，就是我們現在在談的，物體以電磁波形式發出的能量。

那麼，這些輻射能量有什麼樣的特徵呢？為了搞清楚這件事，我們必須先找個適當的範本來研究。

理想上最好的選擇是，這個範本必須能夠吸收所有外在環境照射在上面的光線，只會發出因自身溫度而產生的電磁輻射。這樣子的話，我們去測量它發出的電磁波，就不會受到反射的電磁波干擾，而能確保電磁波是來自它自己本身。

這樣子的理想物體，稱為黑體；畢竟，黑色物體之所以是黑的，就是因為它能夠吸收外在環境光線，且不太會反射。而在我們日常生活中，最接近理想的黑體，就是一點也不黑、還超亮的太陽！這是因為我們很大程度可以肯定，太陽發出來的光，幾乎都是源於它自身，而非反射自外在環境的光線。

或者我們把一個空腔打洞後，從洞口發出的電磁波，也會近似於黑體輻射，因為所有入射洞口的光都會進入空腔，而不被反射。煉鐵用的鼓風爐，就類似這樣子的結構。

到目前為止，一切聽起來都只是物理學上一個平凡的研究題目。奇怪的是，在對電磁學已經擁有完整瞭解的 19 世紀後半到 20 世紀初，科學家儘管已經藉由實驗得到了觀測數據，但要用以往的物理理論正確推導出黑體的電磁波輻射，卻遇到困難。正是由此開始，古典物理學出現了破口。

黑體輻射

由黑體發出的輻射，以現在理論所知，長得像這個樣子。縱軸代表黑體輻射出來的能量功率，橫軸代表黑體輻射出來的電磁波波長。

在理想狀況下，黑體輻射只跟黑體的溫度有關，而跟黑體的形狀和材質無關。

以溫度分別處在絕對溫標 3000K、4000K 和 5000K 的黑體輻射為例，我們可以看到，隨著黑體的溫度越高，輻射出來的能量功率也越大；同時，輻射功率最高的波段，也朝短波長、高頻率的方向靠近。

為了解釋這個曲線，物理學家們開始運用「當時」畢生所學來找出函數方程式，分成了兩派：

一派是 1896 年，由德國物理學家維因（Wilhelm Carl Werner Otto Fritz Franz Wien），由熱力學出發推導出的黑體輻射公式，另一派，在 1900 與 1905 年，英國物理學家瑞立（John William Strutt, 3rd Baron Rayleigh）和金斯（James Jeans），則是藉由電磁學概念，也推導出了他們的黑體輻射公式，稱為瑞立－金斯定律。

你看，若是同時擺上這兩個推導公式，會發現他們都各自對了一半？

維因近似 Wien approximation 只在高頻率的波段才精確。而瑞立－金斯定律只對低頻率波段比較精確，更預測輻射的強度會隨著電磁波頻率的提升而趨近無限大，等等，無限大？――這顯然不合理，因為現實中的黑體並不會放出無限大的能量。

顯然這兩個解釋都不夠精確。

就這樣，在 1894 年邁克生才說，物理學可能沒有更令人驚嘆的東西了，結果沒幾年，古典物理學築起的輝煌成就，被黑體輻射遮掩了部分光芒，而且沒人知道，這是怎麼一回事。

普朗克的黑體輻射公式

就在古典物理學面臨進退維谷局面的時候，那個男人出現了——德國物理學家普朗克（Max Planck）。

普朗克於 1900 年就推導出了他的黑體輻射公式，比上述瑞立和金斯最終在 1905 年提出的結果要更早，史稱普朗克定律（Planck’s law）。普朗克假想，在黑體中，存在許多帶電且不斷振盪、稱為「振子」的虛擬單元，並假設它們的能量只能是某個基本單位能量的整數倍。

這個基本單位能量寫成 E=hν，和電磁輻射的頻率 ν 成正比，比例常數 h 則稱為普朗克常數。換言之，黑體輻射出來的能量，以hν為基本單位、是一個個可數的「量」加起來的，也就是能量被「量子化」了。

根據以上假設，再加上不同能量的「振子」像是遵循熱力學中的粒子分佈，普朗克成功推導出吻合黑體輻射實驗觀測的公式。

普朗克的方程式，同時包含了維因近似和瑞立－金斯定律的優點，不管在低頻率還是高頻率的波段，都非常精確。如果我們比較在地球大氣層頂端觀測到的太陽輻射光譜，可以發現觀測數據和普朗克的公式吻合得非常好。

其實有趣的是普朗克根本不認為這是物理現象，他認為，他假設的能量量子化，只是數學上用來推導的手段，而沒有察覺他在物理上的深遠涵意。但無論如何，普朗克成功解決了黑體輻射的難題，並得到符合觀測的方程式。直到現在，我們依然使用著普朗克的方程式來描述黑體輻射。不只如此，在現實生活中，有許多的應用，都由此而來。

正因為不同溫度的物體，會發出不同特徵的電磁波，反過來想，藉由測量物體發出的電磁波，我們就能得知該物體的溫度。在疫情期間，我們可以看到某些場合會放置螢幕，上面呈現類似這樣子的畫面。

事實上，這些儀器測量的，是特定波長的紅外線。紅外線屬於不可見光，也是室溫物體所發出的電磁輻射中，功率最大的波段。只要分析我們身體發出的紅外線，就能在一定程度上判斷我們的體溫。當然，一來我們都不是完美的黑體，二來環境因素也可能產生干擾，所以還是會有些許誤差。

藉由黑體輻射的研究，我們還可以將黑體的溫度與發出的可見光顏色標準化。

在畫面中，有彩虹背景的部分，代表可見光的範圍，當黑體的溫度越高，發出的電磁輻射，在可見光部分越偏冷色系。當我們在購買燈泡的時候，會在包裝上看到色溫標示，就是由此而來。所以，如果你想要溫暖一點的光線，就要購買色溫較低，約兩、三千 K 左右的燈泡。

結語

事實上，在黑體輻射研究最蓬勃發展的 19 世紀後半，正值第二次工業革命，當時鋼鐵的鍛冶技術出現許多重大進步。

德國鐵血宰相俾斯麥曾經說，當代的重大問題要用鐵和血來解決。

就傳統而言，煉鋼要靠工匠用肉眼，從鋼鐵的顏色來判斷溫度，但若能更精確地判斷溫度，無疑會有很大幫助。

德國作為鋼鐵業發達國家，在黑體輻射的研究上，曾做出許多貢獻，這一方面固然可能是學術的求知慾使然，但另一方面，也可以說跟社會的需求與脈動是完全吻合的。
總而言之，普朗克藉由引進能量量子化的概念，成功用數學式描述了黑體輻射；這件事成為後來量子力學發展的起點。儘管普朗克本人沒有察覺能量量子化背後的深意，但有另一位勇者在數年後繼承了普朗克的想法，並做出意味深長的詮釋，那就是下一個故事的主角――愛因斯坦的事了。

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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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下過雨後，天空藍得透明。這個自然現象，衍生出成語雨過天青，比喻情況由壞轉好。雨過天晴也有同樣的意思，不過仍以雨過天青較為正式。閒話少說，讓我們造兩個句吧。

這事挽救及時，現已雨過天青。

雨過天青，您的事可以放心了。

這個成語還有個故事呢。有一種瓷器，稱為雨過天青，起源於五代‧後周柴世宗。某日臣子請示，皇家瓷器要燒成什麼顏色？柴世宗隨手批示：「雨過天青雲破處，這般顏色作將來。」工匠經過多次實驗，終於燒製出來，這就是有名的「柴窯」。由於沒有作品傳世，柴窯的真面目已無從查考。

談到這裡，該談談這個成語的意涵了。大雨過後，天空為什麼藍得透明？這是因為空氣中的灰塵隨著雨下降下，空氣較為潔淨的關係。喜歡打破沙鍋問到底的小朋友或許還會問：為什麼空氣潔淨、天就較藍？

這要從天空為什麼呈藍色說起。空氣的成份，主要是氮氣和氧氣。晴天的時候，射到地球上的陽光碰到空氣中的氮分子或氧分子，會引起散射作用。藍光的波長較紅光短，散射得較厲害，看在我們眼裡，天空就成為藍色的。

這個道理看起來好像很簡單，但是人類明白這個道理是 19 世紀末的事。1873 年，英國物理學家瑞利是第一位看天看出名堂的人。他的散射理論——瑞利散射，破解了天色的秘密。

在陽光的七種色光中，紅、橙、黃光的波長較長，藍、靛、紫光的波長較短。空氣中的氧分子、氮分子，大小恰好可以散射波長較短的藍光，藍光散了一天，天空當然呈藍色的。

到了傍晚，夕陽西下，陽光打斜裡射過來，較接近地面，而地面的空氣含有較多的水氣和灰塵，粒子比氧分子、氮分子大得多，較容易散射波長較長的紅光、橙光或黃光，艷麗的晚霞就是這樣散射出來的。

如果天上懸浮著小水滴，也就是雲，那又是另一種景象。小水滴比灰塵大得多，各種波長的色光都能被它散射，結果雲就成為白色的。如果雲層較厚較密，陽光穿不過去，就變成了灰色或黑色。白雲蒼狗，不過是陽光玩的把戲而已！

當雲聚成雨滴的時候，顆粒就更大了，大得具有稜鏡的作用。倘若一邊已出太陽，一邊還在下雨，陽光穿過雨滴，就會形成彩虹。噴泉和瀑布上也可以出現彩虹，原理是一樣的。