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如不確定性原理一般的人生:海森堡誕辰|科學史上的今天:12/5

張瑞棋_96
・2015/12/05 ・1380字 ・閱讀時間約 2 分鐘 ・SR值 543 ・八年級

1941年9月,德軍佔領丹麥已近一年半,德國物理學家海森堡特地前來哥本哈根大學拜訪波耳(Niels Bohr)。他走進熟悉的校園,心中感慨萬千,更為曾經亦師亦友的波耳將會如何待他而忐忑不安。等到會晤結束後,海森堡沮喪地向波耳道別,他心裡明白恩師與他真的從此恩斷義絕了……。

維爾納‧海森堡。圖片來源:wikimedia

他初識波耳已是十九年前,那時他還在攻讀博士學位,隨著老師前往哥廷根聆聽波耳的講學,得以結識這位物理巨擘。想必他留給波耳極佳的印象,兩年後特地通知他有筆獎學金可以讓他前往哥本哈根接受波耳一年的指導。因此已取得博士學位,正跟著玻恩(Max Born)作研究的海森堡在獲得玻恩首肯後,欣然前往。

這短短的一學年影響深遠。他深入探討波耳的氫原子模型,發現它假設電子分佈在不同能階,就像行星一樣在特定軌道繞行。但其實我們根本無從得知這些軌道的距離遠近,甚至是不是真的有所謂的軌道;我們唯一能觀測到的只有電子躍遷前後的能量差異,以及所產生或吸收之電磁波的頻率。因此,海森堡主張無需行星軌道這種古典模型的假設,而應該用觀測到的能量與頻率來描述粒子的行為。回到德國後,在玻恩與同僚約爾丹(P. Jordan)的協助之下(幫他用數學本來就有的矩陣解決複雜的運算),海森堡於1925年發表矩陣力學,開創了量子力學的理論基礎。

第二年,在波耳的力邀之下,海森堡來到哥本哈根大學講課同時擔任波耳的助理。1927年,他發表了更令古典物理搖搖欲墜的「海森堡測不準原理」──不可能同時確定粒子的位置與動量。他曾用淺顯易懂的方式說明:想知道粒子愈精確的位置就得用波長更短的光來「照射」,而波長越短能量就越強,也就更會改變粒子的動量,所以永遠都會顧此失彼。但波耳卻給他當頭棒喝:這樣的解釋等於承認粒子有客觀的位置和動量,只是我們無法精確測出來;這還是未脫古典物理的觀念。事實上,原本就沒有精確的位置與速度,所以粒子才有波粒二象性。

海森堡大澈大悟:不確定性並非測量的誤差,而是萬物的本質。問客觀事實是什麼是沒有意義的,只有觀測者所量得的結果才有意義。因此我們應該改稱為「不確定性原理」了;它為日後的哥本哈根詮釋奠下根基,海森堡與波耳並列哥本哈根學派的創立者。海森堡成為物理界耀眼的新星,1932年還獲頒諾貝爾物理獎,未來一片光明,直到納粹崛起……。

當他的科學家朋友們或為顧全性命,或不願為納粹效命而紛紛逃離德國時,海森堡卻基於愛國情操留了下來,甚至後來還接受徵召擔任原子彈計畫的主持人。很多科學家因為他為虎作倀而對他唾棄,其中也包括波耳。海森堡即是為此前來丹麥試圖向波耳解釋。

我們已經知道波耳並不接受,從此未再與海森堡見面。關於此次晤談的內容,兩人都未透露太多,因此海森堡究竟是為了克服原子彈的研發瓶頸,才來尋求波耳的協助?或只是來告訴波耳他決不會讓原子彈研發成功,尋求波耳對他為納粹服務一事諒解?至今科學家與史學家們仍各有主張,其真相究竟如何,恐怕就像海森堡的不確定性原理,永遠無法得知了。

延伸閱讀:10月7日──波耳誕辰

本文同時收錄於《科學史上的今天:歷史的瞬間,改變世界的起點》,由究竟出版社出版。

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張瑞棋_96
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1987年清華大學工業工程系畢業,1992年取得美國西北大學工業工程碩士。浮沉科技業近二十載後,退休賦閒在家,當了中年大叔才開始寫作,成為泛科學專欄作者。著有《科學史上的今天》一書;個人臉書粉絲頁《科學棋談》。

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七十多年前轟炸日本的原子彈,直到現在都還影響著臺灣的我們
科學大抖宅_96
・2022/12/15 ・6053字 ・閱讀時間約 12 分鐘

1945年,美國分別在日本的廣島和長崎投下原子彈,造成約二十萬人死亡,也終結了第二次世界大戰。當時的臺灣,尚在日本統治之下,自然地,原子彈爆炸(原爆)的犧牲者中,也有在日本本土生活的臺灣人。然而,原子彈對臺灣的影響,並不僅止於此,也不只是促成臺灣統治權的更替而已。在那之後,原子彈的巨大威力,和對人類文明的衝擊,以多樣的形式留存於臺灣社會;直到現在,我們還是可以看見其痕跡。

其一:跨越七十多年的遺物

國立臺灣歷史博物館的收藏品,就記述著因原爆喪生的臺灣人歷史。

1921年生的新竹人蘇百齡,從新竹州立新竹中學校(今國立新竹高級中學)畢業後,前往日本就讀長崎醫科大學附屬藥學專門部,並於1942年繼續就讀長崎醫科大學。

蘇百齡就讀長崎醫科大學附屬藥學專門部時照片(照片來源:國家文化記憶庫
蘇百齡長崎醫科大學入學許可通知(照片來源:國家文化記憶庫

1945年,原本打算隔年學成回臺的蘇百齡,卻在即將畢業前夕,因為長崎原爆而身亡;一位原本大有可為的醫生,生命就這麼永遠停留於24歲。

當然,蘇百齡不是唯一因原爆犧牲的臺灣人,但要感謝其家族後人細心保存遺物,並將之捐贈,我們才得以一窺當時罹難者的部分生活面貌。

長崎警察署發放之蘇百齡死亡證明書(照片來源:國家文化記憶庫

而在喪失性命的人之外,也有一些臺灣人不但親身經歷原爆,還能對後世講述親眼所見,如出生於高雄美濃的陳新賜醫師(1914~2016),和出身嘉義的王文其醫師(1918~2015)。當時二人均在距離原爆中心僅700公尺的長崎醫科大學附屬醫院服務,雖然也在爆炸中受傷,但奇蹟似地存活下來。這段故事,由李展平撰寫成《長崎原爆:台灣醫生陳新賜.王文其歷險記》,於2012年出版。

原爆後的長崎醫科大學附屬醫院(相片來源:長崎原爆資料館

曾經參選1996年中華民國總統選舉的彭明敏(1923~2022),在長崎原爆當下也正於長崎的長兄家療養:其不久前才因為搭乘的船隻受美軍轟炸,被送往長崎醫科大學附屬醫院治療,並接受截肢手術;陳新賜醫師即為手術醫師之一。

在彭明敏所著《自由的滋味》裡,是這麼描述長崎原爆:

我在室內看報紙,聽到頭頂飛機嗡嗡之聲。突然間,有炫目的亮光,好像房裡按下巨大的鎂光燈。差不多同時,有金屬性的巨響,彷彿整個地球被一把巨大的鎚子擊中了。房子劇烈地搖動。……有些水泥建築物仍屹立著,但是,裡面所有木料和其他易燃物都在頃刻間化為烏有。

據說在學校教室內,從整齊排列的白灰燼所在可以看出在死亡瞬間正坐在書桌旁的每一個學生。熱度竟有那樣強烈。大部分的醫科學生都罹難,其中包括四位曾經慷慨輸血給我的台灣留學生。他們有用的生命被消滅,我卻仍活著,這真是悲劇的命運。

……不久這座死亡的城市散發出令人不能忍受的臭氣。善後工作,對於當事人是一種異常的考驗。……幾天之內,又有新的恐怖發生。許多生存者忽然開始由口鼻出血,毛髮脫落,不久便死亡了。

無論如何,雖然原爆說不上是臺灣人的集體經歷,但確實為日治時期的部分臺灣家族或個人,帶來難以抹滅的深刻記憶。

臺灣客籍女詩人杜潘芳格(1927~2016)為長崎原爆犧牲者著作哀悼之詩(圖片來源:文化部典藏網

其二:臺灣的原子彈部署

臺灣這塊土地跟原子彈的連結並未因第二次世界大戰的結束而終止。戰後,臺灣統治權被移交給中華民國政府,其於1949年又因為內戰失利撤退到臺灣。自此,中華民國政權和中華人民共和國政權分別位於臺灣海峽兩岸,處於敵對緊張關係。

1958年8月23日,中國人民解放軍開始隔海砲擊金門,引發第二次臺灣海峽危機,史稱八二三砲戰。在短短約一個半月的時間內,金門遭受了數十萬發的砲彈打擊。而中華人民共和國對金門的砲擊行動,斷斷續續了21年,直到1979年中華人民共和國和美國建交為止。

在這樣嚴峻的大環境下,當時仍協防臺灣的美國軍方,從1958年到1962年,於臺南機場部署了配備核彈頭的屠牛士(Matador)地對地巡弋飛彈。此外,從1960年1月到1974年7月,亦於臺南機場布置了可搭載在戰鬥機上的戰術型核彈。

根據美國於2008年解密的文件,當金門砲戰最慘烈的時候,美國軍方曾考慮在廈門投擲原子彈,以阻止中國人民解放軍的攻勢。雖然這件事沒有成真,但無論如何,在臺灣的核彈部署,讓臺灣和關島、南韓、日本沖繩並列,成為當時西太平洋的核武基地。

1959年,美國空軍第868戰術導彈中隊於臺南空軍基地試射可搭載核彈頭的屠牛士TM-61C飛彈(相片來源:wiki

其三:中華民國的原子彈研發計畫

鑑於原子彈的超凡威力,不少國家均力圖發展相關技術。暨美國之後,蘇聯於1949年首度成功試爆原子彈,英國和法國也相繼研發成功。中華人民共和國同樣是野心勃勃,並於1964年在新疆測試了第一顆原子彈。毛澤東曾表示:「不但要有更多的飛機和大炮,而且還要有原子彈。在今天的世界上,我們要不受人家欺負,就不能沒有這個東西。」

至於臺灣的中華民國政府, 自然也明白核武的重要性。1963年,當時的蔣介石總統,和以色列核武計畫之父伯格曼(Ernst David Bergmann)私下會面,表達研發核武的決心。在伯格曼的支持與建議下,1968年「新竹計畫」啟動,以清華大學為中心,重點工作項目在培養人才,並建立研發原子彈所需的相關硬體設施。只不過,包括當時國家科學委員會主委吳大猷,以及曾參與美國曼哈頓計畫的女性核物理學家吳健雄,都對臺灣發展核武表達反對意見。在各方壓力之下,蔣介石最後不得不將新竹計畫束之高閣。

1950年代末期至1960年代初期,蔣介石以茶會款待海外回國學人,右四即為吳健雄(照片來源:國家文化記憶庫

然而,臺灣的核武研發並未因此中止。蔣介石政府在吸取新竹計畫的教訓之後,規劃了以和平研究用途做包裝的「桃園計畫」。1969年,中山科學研究院正式成立,原子能委員會則與加拿大簽約,在桃園龍潭的中科院核能研究所興建重水式核子反應爐,稱為台灣研究用反應器(Taiwan Research Reactor,簡稱TRR)。

在鈾元素中,約有99.264%都是屬於鈾-238,而核能發電常用到的鈾-235只佔了0.72%。提煉出來的鈾元素,必須先經過處理,將鈾-235的濃度提升到3%~5%,才能在商業核能發電使用。如果要製造原子彈,則必須將鈾-235的濃度提高到90%以上。因為事涉敏感,鈾濃縮相關技術與活動都受到監管,非核武國家若要靠自行研發,獲得武器級的高濃縮鈾相當不容易。

基於上述原因,製造核武的替代方案,是利用以低濃縮鈾當燃料的重水反應爐;在其中,鈾-238會吸收鈾-235分裂後產出的中子,成為鈾-239,然後再衰變成鈽-239,而鈽-239也能拿來製作原子彈。這樣的方式,在技術門檻和成本上,比製造高濃縮鈾要低得多。

原子彈「胖子」在長崎市上空503公尺爆炸後所造成的蘑菇雲。該原子彈即為使用鈽-239製作。(照片來源:wiki

在1975年蔣介石去世後,桃園計畫雖仍持續進行,但此時美國抱持聯中制俄戰略,已與中華人民共和國洽談建交多年,以中華民國制衡中華人民共和國的想法也慢慢轉變,反對臺灣發展核武的態度益發明顯。在美國壓力下,臺灣的原子彈研發計畫在繼任的蔣經國總統支持下,轉以更機密的方式運作。

1973年中央社報導。已經可見美國和中華人民共和國的關係正常化正進行中。(圖片來源:國史館檔案史料文物查詢系統

到了1988年,臺灣的核武計畫已經接近成功邊緣,預估再要不了多久即可製造出原子彈。只不過,時任中科院核能研究所副所長的張憲義早已被中情局吸收,臺灣的核武發展進度一切都在美國掌握之中。1月9日,張憲義使用假護照投奔美國,對整個計畫帶來毀滅性打擊,而生命已到末期的蔣經國,也在數天後去世。沒過幾天,美國和國際原子能總署的官員,直接帶領水泥攪拌車進入中科院,將重水式核子反應爐封存,再用水泥灌入重要設施和實驗室,以確保臺灣再也無法重啟爐灶。另一方面,新上任的李登輝總統也不支持相關研究。臺灣的核武研發,戛然而止。

至於張憲義,儘管一度被通緝,但至2000年已期滿撤銷。他的行為,究竟是讓臺灣少了重要的戰略武器,還是避免了潛在的核戰呢?是功是過,只能留給後人評價。

其四:桃園的輻射外洩事件

在台灣的核武研究中斷後,核能研究所內放置的核燃料棒也被要求運回美國。然而,燃料棒護套因年久劣化,導致水氣進入並與燃料棒作用,產生氫氣。於是,從 1988 年到 1991 年間,當所內人員嘗試把燃料棒從乾式貯存槽取出時,曾多次引起氫氣爆炸,最後一次更發生火災。

遺憾的是,事件發生當下,並沒有什麼人多加留意輻射外洩的可能。要等到 1992 年,核研所從事例行偵測時,才發現事態嚴重,不但核研所排水口附近的泥土,放射性強度大幅超標,下游的土地也受到污染。這起事件是在 6 月 25 日提報原能會,所以被定名為「核研所六二五輻射汙染事件」。

因為氫氣爆炸而污染了乾式貯存場的放射性物質,據推測,很可能就是在工作人員沖水清理以及滅火的過程中,隨著水流進入集水池,再經由排水口被釋放到環境之中,也就是鄰近的大漢溪和下游的國有地。

事後,國有財產局將2.3公頃的污染區用圍籬圍住,依原能會規定將土地挖除2公尺,再覆蓋新土。在1997年清理完畢後,當地輻射已恢復到正常範圍。而挖除的一萬四千立方公尺污染土壤,則跟一萬多桶低階核廢料,和破損的數十支高階核廢料等等,一同放置於核研所。

這起臺灣有史以來最嚴重的輻射外洩事件,至今已30年,造成了多大影響難以切實評估,卻是臺灣與原子彈的連結中,無法迴避的一段過往,也是對妥善管理核廢料的安全性提醒。

其五:原子與我們同在

原子彈不只威力驚人,其對社會文化的衝擊亦不在話下。因為原子彈在第二次世界大戰中的運用,許多人才首度聽到「原子」這個詞彙。一時之間,原子一詞蔚為風尚,成了時髦的代表、新科技的代稱;許多新發明、新事物,便這麼被冠上「原子」二字,類似現代一堆有著「量子」稱號,但其實跟量子力學沾不上邊的商品。

出生於台北艋舺的著名女畫家謝招治(1929~2014),創作過一幅名為《原子燙》的畫作。她曾表示:

「以前婦女燙頭髮是用電來燙,後來臺灣光復後才用化學藥劑來燙頭髮,大家也不知道該叫什麼燙,就叫它原子燙吧!『原子』這兩個字是由日本廣島遭美國的原子彈轟炸後第一次聽到的新名詞,在當時是很時髦的形容詞,還有現在的絲襪以前也叫原子襪呢。」

謝招治《原子燙》,直幅、水彩畫,繪於1997年10月29日。(圖片來源:國家文化記憶庫

而謝招治對自己的另一幅作品《補襪》,是這麼解說的:

「玻璃絲襪在光復後才出現,是大家之前都沒見過的新玩意兒,當時常常把沒看過的東西全都加一個「原子」來叫它,所以就叫它『原子絲襪』了。這一種襪子是由船員走私進口,或有親友從國外偷偷帶回來才有的。

我的姑姑出國二十幾年,第一次由日本回臺探親的時候,雙腳套了十幾雙玻璃絲襪,回來送給親友的,我看她一雙雙的脫下來送給我們的時候,覺得很感動,又好笑。在市面上原子襪有人賣,但是價錢很貴,它是新的產品,品質很差,大家穿破了捨不得丟,就拿去給補絲襪的補一補再拿來穿的。」

謝招治《補襪》,直幅、水彩畫,繪於2005年7月(圖片來源:國家文化記憶庫

除了原子燙、原子襪這兩個現在已不怎麼使用的名詞之外,我們常會用到的「原子筆」,其名稱來由的說法之一,就是廠商把原子筆引進香港時,因為尚無中文名稱,故使用「原子」這樣有高科技意象的名詞稱之。雖然原子筆跟原子彈並沒有任何關係,但無論如何,「原子筆」從此成為臺灣人廣泛運用的詞彙,流傳至今。

總結

自1945年原子彈出現在戰場之後,其巨大的威力撼動了全世界,也震懾了人心。從此,原子彈就跟全球政經局勢和個別國家的發展野心脫離不了關係。儘管當年轟炸日本的原子彈和台灣這塊土地並沒有直接關連,但其影響力仍以各樣的方式,留存在臺灣、或臺灣人的歷史和文化裡。不論我們如何看待它,正面或負面,這些連結與時代的記憶都將不會消逝。

參考資料:

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科學大抖宅_96
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在此先聲明,這是本名。小時動漫宅,長大科學宅,故稱大抖宅。物理系博士後研究員,大學兼任助理教授。人文社會議題鍵盤鄉民。人生格言:「我要成為阿宅王!」科普工作相關邀約請至 https://otakuphysics.blogspot.com/

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探討量子力學,該是「發明」還是「發現」?
賴昭正_96
・2022/12/14 ・4432字 ・閱讀時間約 9 分鐘

  • 文/賴昭正|前清大化學系教授、系主任、所長;合創科學月刊

西方科學的發展基於兩大成就:希臘哲學家發明了形式邏輯系統(歐幾里得幾何),以及發現了通過系統實驗找出因果關係的可能性(文藝復興時期)。 在我看來,中國的先賢們沒有邁出這一步,也就不足為奇;令人驚訝的是這些發現出現了!——愛因斯坦,1921 年諾貝爾物理獎

在「思考別人沒有想到的東西—誰發現量子力學?」一文之意見裡,有些讀者認為應該用「發明」,而不是「發現」:

  • 量子力學該是發明而非發現的。量子現象是物理學家發現的,因此發明了一套理論來解釋——管用但非常不直覺。
  • 科學被認為一種發現,然而「詮釋」與「解釋」則似乎更像是一種「創造」或「發明」。
  • 所說「發明了一套理論來解釋」不夠清楚。應該說發明了一條方程式——薛丁格的波方程式。之後推演出一整套原子軌域只是數學上的發現必然如此,而且經實驗驗證,大自然確實如此運作。
  • 在概念上個人是以德布洛伊所「發明」的物質波為一個界線…… 對於本文所探討的誰發現量子力學?可以存在著另一個見解為薛丁格「發現」且「找到」或「猜測」出了量子波動方程;波爾、海森堡、波恩等人「發明」了量子力學。

筆者不甚苟同,因此想在這裡拋磚引玉,談一談筆者的看法。

在中文或英文裡,發現(discovery)與發明(invention)均顯然有非常不同的意義。

我們說哥倫布發現新大陸;因為新大陸早就存在自然界,所以我們不會說哥倫布發明新大陸。造紙術、指南針、火藥、及印刷術並不存在於自然界中,所以我們說這是中國古代的四大發明,而不是四大發現。從這裡我們可以看出在日常用語中,發現與發明的分別主要在於該「東西」是不是已經存在於自然界中。

月亮總是存在的,所以只能被發現,而非被發明。圖/Pexels

「存在」的物理意義

可是什麼是「存在」於自然界中的呢?相信大部分的人都持與馬赫(Enerst Mach, 1838-1916,奧地利物理學家、哲學家)一樣的看法:只五官的感覺是真實的、是「存在」的。馬赫的一句名言是:「我不相信原子的存在!」

因此儘管道爾頓(John Dalton)在 19 世紀初就提出原子論,19 世紀中期後化學家成功地將它應用於解釋化合物的組成及化學反應現象,但大部分的物理學家到 20 世紀初還是不相信原子的存在!

1905 年,當愛因斯坦還是瑞士專利局的一位小職員時,發表一篇論文謂液體中看不到的原子會轟擊懸浮粒子,導致可以在顯微鏡下直接觀察到布朗運動(Brownian Motion)。1908 年 5 月,愛因斯坦發表了第二篇關於布朗運動的論文,提供了細節,及可透過實驗檢驗他的理論的方法。

同年,法國物理學家佩蘭(Jean Perrin)進行了一系列實驗後,寫道:「(我的結果)毫無疑問嚴格且準確地證實了愛因斯坦的(預測)公式」。佩蘭的實驗不但說服了許多物理學家相信原子的存在,他也因之獲得了 1926 年諾貝爾物理獎。

法國物理學家,尚.巴蒂斯特.佩蘭(法語:Jean Baptiste Perrin) 圖/wikimedia

可是有人「看」過原子嗎?1955 年,美國賓夕法尼亞州立大學的穆勒(Erwin Muller)和巴哈杜爾(Kanwar Bahadur)終於透過場離子顯微鏡(field ion microscope)在尖銳的鎢樣品尖端觀察到單個鎢原子,可是這並不是肉眼直接看到的,而是透過理論「解釋」所觀察到的。像前面提到之一些讀者的意見一樣,馬赫認為科學理論是用來描述與歸納觀感,它存在於感觀之外,與現實無關;但大部分的物理學家都認為這是哲學的問題,他們是「看到」了原子!物理理論是存在於宇宙中的,等待我們去發現。

在「微中子的故事」一文裡,筆者提到了 1930 年包立(Wolfgan Pauli)為了解救能量不滅定律免於破壞,在「非常絕望下」下提出了一個後來被稱為「微中子」(neutrino)的觀念。當時「微中子」根本不存在宇宙中,我們不知道包立是否認為這是一種發明;但1995年諾貝爾物理獎發給「……通過實驗證明……微中子的存在」之物理學家來內士(Frederick Reines)。

老實說,筆者想破大腦都不知道這一個在基本粒子標準模型裡不帶電、沒有質量、不是電磁波、沒有人直接觀感過、只有能量的「東西」會是什麼「東西」?更令筆者難以相信及理解的是:它竟然還有兩位兄弟姐妹!

發現」還是「發明」?

我們現在就用上面那些觀點來探討,到底牛頓是發現還是發明萬有引力?萬有引力是抽象的、不是「東西」,牛頓當然不可能用眼睛發現;牛頓發現的只是蘋果往地上掉及宇宙中星球之有規律的運動(現象),從中推論出萬有引力(解釋)。因此對牛頓而言,他或許認為萬有引力不存在於自然界中,是他的創造出來的,所以要說是一種發明,好像也沒什麼反對的理由。

牛頓到底是發現還是發明萬有引力?圖/Envato Elements

可是萬有引力真的不存在於宇宙中嗎?1798 年,英國科學家卡文迪許(Henry Cavendish)在實驗室中不但測出兩個物體間的引力,也準確地量得萬有引力常數!所以眼睛看不到的「東西」並不代表不存在於宇宙中——牛頓顯然是發現、而不是發明萬有引力定律!

同樣的道理,普朗克根本沒發現什麼量子「現象」,他只是看到了黑體輻射的光譜分佈,便提出能量量化的觀念,在當時顯然是一種發明,但後來的發展(如原子的光譜)不是證明了「能量量化」存在於宇宙中嗎?量子力學成功地解釋和預測了這些現象,因此也被認為是存在於宇宙中的。

當然,我們知道物理理論或定律是可能被推翻或修正的,但這只代表我們的發現錯了。哥倫布不是以為他到了印度群島嗎?

德布洛伊(Louis de Broglie)「發明」物質波嗎?1927 年貝爾實驗室的戴維森(Clinton Davisson)和格默(Lester Germer)在實驗室中,發現被鎳金屬晶體表面散射的電子顯示出干擾圖案後,大部分的科學家都相信物質波的存在,因此諾貝爾獎委員「敢」將 1929 年物理獎頒發給德布洛伊,1937 年物理獎頒發給戴維森和格默了。

格默(右)和戴維森(左)共同合作,證明了物質的波粒二象性。圖/wikimedia

「是不是已經存在於自然界中」事實上也正是中外專利局判斷是否頒發「發明專利」的基礎;台灣專利法謂:「發明專利是指利用自然界法則之技術思想的創作,對於欲解決之問題,使用適宜的技術手段,產生其功效,達成所預期的發明目的。

發明專利必須具有技術性,不具技術性之發明,例如單純的發現、科學原理、單純之美術創作等,都不符合發明的定義。」在這一法規下,萬有引力、相對論、量子力學…… 等等科學原理都是發現,不能申請發明專利。

量化量子化

既然在這裡談到科學用詞,我們不妨也來談談「能量量化」的意義。

在「天才愛因斯坦曾和諾貝爾獎擦身而過? 相對論也不曾得過諾貝爾獎」的泛科學影片裡,有聽眾建議將「普朗克提出能量量化的觀念」中之「能量量化(quantization)」改為「能量量子(quanta)化」。

筆者認為「能量量子化」中的「子」字有「微粒子」的意義在內;但普朗克在他那篇「開創量子力學」的文章中,只認為空心黑色球體內任一頻率(n)輻射能量均不是連續的,而是由 hn 單位組成的,輻射的發射和吸收必須以hn進行,從沒提過「能量量化」的觀點,更甭說具有「微粒子」之意的「能量量子化」了。因此我們只能從以後的發展來判斷。

在古典力學裡,氫原子中的電子可能具有的能量應該是連續的;但後來發現只能存在某些能階上才可以解釋光譜——這應該說是一種「能量量化」的現象,而不是「能量量子化」的現象!讓我們在這裡用一個日常生活的例子或許更能說明其間的差異:實數是連續的(質),但我們用它來數人頭時,卻發現它只能存在於整數的「數階」上(量)。讀者覺得用實數被「量化」了、或是被「量子化」了比較適合?

結論

愛因斯坦謂「西方科學的發展基於兩大成就:希臘哲學家發明了形式邏輯系統,以及發現了通過系統實驗找出因果關係的可能性」。

從這名言裡,我們可以看出愛因斯坦顯然認為因果是存在於宇宙中的,將它們連在一起的形式邏輯系統(formal logical system)才是一種發明;所以我們可以說薛丁格發明了「波動量子力學」;海森堡(Werner Heisenberg)、伯恩(Max Born)和喬丹(Pascual Jordan)發明了「矩陣量子力學」;狄拉克(Paul Dirac)發明了希爾伯特(Hilbert)空間上的「算子(operator)量子力學」——他們以不同的數學形式表達了物理學家所發現的量子物理(理論)。

在「不用數學就可以解釋—相對論的著名想像實驗「雙胞胎悖論一文裡,筆者提到了時間及空間是人類製造出來便利溝通的語言。為了解釋觀察到的現像,不同運動者對時間便必須有不同的認知,否則就會發生像「雙胞胎悖論」(twin paradox)一樣的矛盾。

「雙胞胎悖論」提及:當太空旅行者回到地球後,發現自己比留在地球的雙胞胎手足更年輕。圖/Pexels

同樣地,作家在寫一篇文章時,也必須假設讀者對主題具有某些程度的了解與認知。如果假設不對,那便像內人讀筆者的文章一樣,不管筆者是用發明或發現,對她來說都是「不知所云」!而如果能在讀者心中起了共鳴呢?則不管筆者是用發明或發現,相信讀者都能心領筆者事實上是在有意或無意中表達了對某一物理觀念的看法。

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賴昭正_96
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成功大學化學工程系學士,芝加哥大學化學物理博士。在芝大時與一群留學生合創「科學月刊」。一直想回國貢獻所學,因此畢業後不久即回清大化學系任教。自認平易近人,但教學嚴謹,因此穫有「賴大刀」之惡名!於1982年時當選爲 清大化學系新一代的年青首任系主任兼所長;但壯志難酬,兩年後即辭職到美留浪。晚期曾回台蓋工廠及創業,均應「水土不服」而鎩羽而歸。正式退休後,除了開始又爲科學月刊寫文章外,全職帶小孫女(半歲起);現已成七歲之小孫女的BFF(2015)。首先接觸到泛科學是因爲科學月刊將我的一篇文章「愛因斯坦的最大的錯誤一宇宙論常數」推薦到泛科學重登。

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量子糾纏?量子穿隧?盤點那些在電影裡的量子概念——《我們的生活比你想的還物理》
商周出版_96
・2022/12/07 ・2541字 ・閱讀時間約 5 分鐘

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時事話題

NEWS|近年來,「量子」成為科技領域最新的關鍵詞或流行語,量子科幻電影也不遑多讓,例如《蟻人與黃蜂女》、《復仇者聯盟 4》描述的世界和科技想像,皆連結量子的概念。

雖然科幻片吸引人的主因可能不在科學本身,或其採用的科學理論並不見得完全依循嚴謹的科學研究,例如時間旅行、超能力等。但不可否認那些關於科技的想像,已讓觀眾深深著迷,並啟發無限的想像力,而且說不定多年後,可能實現電影的情節。

熱門的量子科幻電影

經典量子科幻片《星艦爭霸戰》。圖/IMDb

經典的量子科幻片多,而且無法用古典物理學解釋裡面的部分元素,例如 1966 年《星艦爭霸戰》(Star Trek),描述艦長寇克與艦員,在 23 世紀的星際冒險故事,其後又衍生動畫影集和電影。

《星際爭霸戰》中,最引人注目的創意之一是傳送器,這是電影裡一種常見的近距離旅行的方式,能將人體或物質分解為量子,並將量子傳送到終點後重新組合。雖然只有在科幻片或魔術表演中可以看到傳送器現象,但傳送的概念與現在的量子遠端傳輸,其實有些異曲同工,只是量子傳輸只能傳送與複製訊息,而非物體本身。其他如 1985 年的《回到未來》系列影片也可說是跨時空傳送的想像。

2020 年上映, 英國與美國合拍的科幻動作片《天能》(Tenet),則是一部融入幾個科學幻想元素的電影。這部電影是大導演諾蘭(Christopher Nolan)的創新燒腦名作,如果沒有一點科學知識,很難一回就看懂整部電影的故事情節。

這部影片不僅在網路聲量高,引發熱烈討論,其中隱含的各種劇情,除了科幻片中常見的祖父悖論外,天能不斷地在多重宇宙間往復穿梭,此想法是基於多個量子位元的高維次,在空間中不斷往復式的操作。劇情複雜的程度,甚至連劇中演員也常不知到底在拍什麼,一直到電影剪接完畢才初步了解。

《天能》中不斷在多重宇宙間往返,此想法就是基於量子位元。圖/IMDb

量子力學另一個重要的概念是量子糾纏。1990 年的《第六感生死戀》(Ghost)敘述一位被殺的男子,死後心有不甘而化為鬼魂, 與女友心電感應,並將謀殺他的幕後兇手繩之於法;2014 年上映、曾經在臺灣取景的法國科幻動作片《露西》(Lucy),主角露西是一個 25 歲的美國女子,居住於臺北市,她意外吸取抑制藥品後,大腦功能快速進化,可以產生心電感應及念力,甚至具有讀心術,可讀取他人記憶。

其他科幻片中也常用心電感應,例如《星際爭霸戰》中瓦肯人特有的心電感應能力,能透過觸摸他人臉部達成心靈相通,分享對方的意識、經驗、記憶及知識。心電感應是指不借助任何已知工具,而能將訊息傳遞給遠方另一個人的現象或能力,常被稱為第六感,至今尚無法以科學證實這種超級本能。

有些人喜歡把量子糾纏與心電感應連結在一起,主要是量子糾纏有遠距離的影響,而且一旦量子測量後,就出現相互影響,這些與心電感應的一些基本要素有些相似。然而,量子糾纏是嚴謹的科學,是可以控制而且可以重現的科學現象,這又與心電感應截然不同。

不過科幻影片喜歡呈現這種特殊能力,對這類科幻情節的喜好,也反映人類期待的未來世界的輪廓。近期臺灣的導演也有拍攝量子科幻影劇的計畫,例如周美玲導演的《Q18》作品,就將量子疊加、量子糾纏、量子量測,甚至量子不可複製性都融入劇情中。

量子穿隧效應

另一部很有意思的電影,是2018 年上映的《蟻人與黃蜂女》。劇情中,主角「鬼女」愛娃在一場意外後,身體出現量子的變化狀態,竟然可以穿過各種物體! 

編劇以身體已成量子狀態,合理化愛娃可穿過任何物體,這是發揮科幻的想像力。但依據量子物理的「波粒二象性」,這其實不可能發生,因為以人類的尺寸的物質波,是無法在巨觀體系中被觀測到。為何這樣說?主要是物質波不是電磁波,也不是光速傳遞, 物質波是一種機率分布的概念。

《蟻人與黃蜂女》中的愛娃(Ava)可以直接穿過各種物體。圖/GIPHY

若以一顆棒球而言,棒球快速飛行時,對量子世界而言,其質量太大,造成物質波的波長極短,一般的世界無法察覺波的特性,人的身體也是如此。然而,如果能把一個人分成無數個微粒原子,然後再讓這些原子同時發生量子穿隧效應,當原子穿牆過後,再重新把這些原子組合成人,用這種方式或許可以完成人體穿牆術。只是這些論述已經超越現在科學知識的理解。但在科幻片中,穿牆術的想像仍是觀眾的最愛。

如前面章節所說,量子是一種近代物理的概念,不是像棒球、乒乓球或電子、質子的粒子,它是用來描述電子或光子的能量特性。一個物理量如果存在最小且不可分割的基本單位,則這個物理量具有最小單元的整數倍關係,稱為量子化,並把最小單位稱為量子。

電子等微觀物質,有時會穿透原本理應無法穿透的障礙物。把障礙物想像成一道牆壁的話,電子應該像棒球一樣被牆壁反彈,可是在微觀世界,電子具有「波」的特性,可穿越牆壁這個障礙物, 以電子波的形式通過牆壁,這就是量子穿隧效應,而且不是只有電子才有這種鬼魅幽靈的穿隧能力。但質量愈大的物體,愈不容易發生穿隧效應,所以人類的身體或一顆籃球,雖然穿透牆壁的機率不是零,但與零相去不遠。至於質量極小的基本粒子,穿透牆壁的量子穿隧效應就大得驚人。

量子穿隧效應以電子波的形式通過牆壁。圖/《我們的生活比你想的還物理

——本文摘自《我們的生活比你想的還物理》,2022 年 11 月,商周出版,未經同意請勿轉載。

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