0

6
9

文字

分享

0
6
9

「量子力學」如何天翻地覆的改變我們對世界的理解?

活躍星系核_96
・2018/04/12 ・8398字 ・閱讀時間約 17 分鐘 ・SR值 595 ・九年級

-----廣告,請繼續往下閱讀-----

  • 文 / Brian

對「理解世界」造成天翻地覆改變的量子物理

圖/TheDigitalArtist @Pixabay

在量子力學以後,我們對於世界的理解從原先的本體論(ontology)變成了認識論(epistemic)。

讓我們先來回顧一下歷史,這一切要從馬赫(Ernst Mach,1838/2/18-1916/2/19)講起,他認為科學的目的本來就不是探尋甚麼真理,科學只是想要找到一種「最經濟的思想」。例如當我們想要描述自由落體時,一個方法是收集大量的自由落體實驗數據,從而發現這些數據間的一致性;我們也可以採取另一個方法,找尋背後的物理定律,像是速度的變化是常數。

對於馬赫而言,第二種方法更好只是因為它更「經濟」,只需寫出一條式子就解釋了很多同類的現象,但對於「認識」這個世界如何運行而言,兩種方法是等價的。科學是用最少的腦力來解釋最多可能的事實,我們認為某條物理定律是有價值的並非因為它是「對的」、是「真理」,僅僅是因為它可以很簡潔的解釋我們觀察到的事實

馬赫的這種哲學觀念影響了 20 世紀許多科學家,包括愛因斯坦、海森堡、包立、費曼……,注意這裡沒有列出玻爾,這是因為玻爾有另一種哲學思想。愛因斯坦終其一生都不能接受量子力學的不確定或非實在性,我現在覺得有這種想法非常合理,肯定沒有人能徹底明白量子力學究竟是怎麼回事,大家都只是記下了數學怎麼操作然後就開始做研究,對於背後的規律都避而不談。

-----廣告,請繼續往下閱讀-----

玻爾曾說:「如果你沒有被量子力學所困惑,那就代表你根本沒有徹底了解它。」1

費曼也認為:「我幾乎可以說沒有人能了解量子力學。」2

我們通常都傾向於相信存在一個實質的外在世界,它本來就存在那裡,當我們說想要「描述」這個世界時,其實已經默認說有個世界等著我們去描述。這種想法並不能被證實,我們只是「相信」了這件事,愛因斯坦認為:「相信有個獨立於感知主體的外在世界是所有自然科學的基礎。」3自古以來科學家們都認為這個外在世界有一些實質的狀態等待我們去發掘,而科學的目的則是完善那些告訴我們世界如何組成和演化的知識。儘管科學的方法需要觀察和測量來達到此目的,但我們相信這些被描述的物理「實在」是獨立於操作手段而存在的。

正如愛因斯坦所說:「物理學就是在嘗試從概念上理解現實,且它獨立於被觀察的事物。」4

然而量子力學不允許有獨立於觀測存在的物理實在。

一切的「存在」與「樣貌」都取決於「可測量與否」?

1927 年第五次索爾維會議參與者,攝於國際索爾維物理研究所。 第一排:歐文·朗繆耳、馬克斯·普朗克、瑪麗·居禮、亨德里克·勞侖茲、阿爾伯特·愛因斯坦、保羅·朗之萬、查爾斯·古耶、查爾斯·威爾森、歐文·理查森 第二排:彼得·德拜、馬丁·努森、威廉·勞倫斯·布拉格、亨德里克·克雷默、保羅·狄拉克、阿瑟·康普頓、路易·德布羅意、馬克斯·玻恩、尼爾斯·波耳 第三排:奧古斯特·皮卡爾德、亨里奧特、保羅·埃倫費斯特、愛德華·赫爾岑、西奧費·頓德爾、埃爾溫·薛丁格、維夏菲爾特、沃爾夫岡·包立、維爾納·海森堡、拉爾夫·福勒、萊昂·布里淵。圖/摄影:Benjamin Couprie @wiki

愛因斯坦曾和年輕時的海森堡有過一次對談,愛因斯坦提到:「原則上由觀察到的數值來建立一個理論是不對的。實際上往往相反,反而是你用的理論決定你能觀察到甚麼。」5這個想法一直在海森堡的心中,後來更導致他提出不確定性原理。海森堡說:「在原子尺度時,物理學家只該考慮可測量量。」6他認為在量子尺度時,我們只能考慮能被測量的量。這是甚麼意思呢?

當量子還在建立階段時,古典的物理學家都質問他們:「你看你們的理論一點都不好,因為它不能回答粒子的實際位置是甚麼、或是在干涉實驗中粒子究竟穿過了哪個孔,或諸如此類的問題。」

-----廣告,請繼續往下閱讀-----

海森堡卻說:「我不需要回答這類問題,因為你無法由實驗的方法問這個問題。」7

我們不需要回答這種問題,因為每個在物理中使用的概念都需要有個可操作的定義,除非我們可以指出它要怎麼被測量,否則我們不允許談論某個概念。

玻爾的互補原理

爾後玻爾提出了互補原理,他認為不能用單獨一種概念來完備地描述整體量子現象,為了完備地描述整體量子現象,必須將分別描述波動性粒子性的概念都囊括在內。這兩種概念可以視為同一個硬幣的兩面。互補的兩件事情(例如波粒二象性或位置動量不確定性)無法被同時觀察到,不可能在某一時刻看到波動和粒子兩種性質,所以當我們想要描述量子行為時,必須同時考慮波動和粒子兩種觀點,不可能用單一種概念來描述整個量子現象。

因此在這個基礎上,他認為人們原先無法解釋電子干涉圖樣中出現既有粒子又有波的現象,只是互補的兩面,而這兩種概念都不能被捨棄,波動和粒子兩種描述都是必要的,它們適用於不同的條件,兩種概念是互補而非互斥的。

他說:「由不同實驗條件下得到的結果無法被單一圖像包含,他們必須被認為是互補的,因為只有總體的現象能夠徹底探討關於這些對象的可能信息。」8

我們必須放棄以往只用單一模型來描述物理概念的這種想法,玻爾認為海森堡發現的不確定原理是更深刻的互補原理的一種表現。玻爾甚至把互補原理和東方的「陰/陽」聯繫起來,還在自己的墓碑上刻了一個太極符號,他體悟到一項真諦:沒有一種角度可以窮盡真實,不同的觀點可能都有價值,卻是互相排斥的。

-----廣告,請繼續往下閱讀-----

玻爾的墓上甚至有一個互補的陰陽的符號。 圖 By Kim Bach [CC BY-SA 4.0 ], from Wikimedia Commonswiki
在量子力學建立後,物理學家對於世界的認識有了革命性的改變,以往視為理所當然的物理實在現在出問題了,因為從互補原理可以得知用不同的儀器觀測同一物體竟然會出現不同的現象。我們只能透過儀器來認識這個世界,而由不同的儀器所看到的世界也是不同的。

玻爾認為:「並不存在量子世界。只有一個抽象的量子物理描述。認為物理學的任務是弄清楚自然是怎麼回事是不對的。物理學只關注我們對自然的看法。」9

描述世界」這件事只是在融合我們經驗中的客觀事件,客觀的外在世界根本就不存在,一切實驗只是客觀世界在我們的主觀意識上的投影。愛因斯坦的本體論觀點認為科學的任務是要描述自然的「本質」;但玻爾的知識論觀點則認為科學的任務是描述我們「怎麼了解自然」,也就是所有可能的感知與實驗的綜合結果。這聽起來還是很抽象,我們以不確定原理為例,本體論觀點會告訴你:「一個電子不能同時『擁有』確切的位置和確切的動量。」而知識論觀點則會說:「不可能同時『知道』電子確切的位置和動量。」我不在乎有沒有,我只能說測不了,沒法設計某種實驗同時測到位置和動量。

我們能觀察到的世界是我們認知世界的「投影」?那什麼才是真實?或者根本沒有真實?圖/pixabay

玻爾和海森堡都同意物理研究的目的是促進我們對於觀察到的自然現象的了 解。那究竟甚麼是「了解」世界呢?海森堡依然受到馬赫的影響,他認為:「了解」代表找到一個數學方法,而只要按照這些方法就可以成功的預測實驗結果。但對玻爾而言,「了解」有更深刻的意義:它代表對於觀察到的現象的一種「描述」。

舉個例子,若有人問:電子是甚麼?我們應該回答電子甚麼也不是,更精確地說,除了被測量的時候,電子實際上並不存在;沒被測量時,電子只是一堆潛在可能性的疊加(我們對存在的定義就是能夠和你產生相互作用「像是暗物質是否存在」,但要想感受到作用就得做測量)。在測量前,電子有可能在甲處也有可能在乙處,而當真的進行了測量之後,電子只可能在甲處或在乙處被發現。玻爾否定本體論的闡述,在他看來,既然兩種互補的表述已經窮盡「我們能對自然的了解」,那就不需要再說更多了,現在我們不在乎本質為何,我們只在乎可不可測。

-----廣告,請繼續往下閱讀-----

以不確定原理為例,本體論的觀點是:

「在某一時刻,位置的不確定性越小,則動量的不確定性越大,反之亦然。」

而知識論的表述則更繁瑣:

「在某一時刻,如果對位置和動量『同時進行測量』,位置的不確定性越小,則動量的不確定性越大,反之亦然。」

從現在開始,我們不能再談論那些無法被測量的事情了,若想要談論某個概念,我們就必須先設計出一個實驗來測量它,否則此概念就沒有任何意義。如果有人想問某個定律背後的機制是什麼,像是原子內部是否有軌道,氫原子能級是否真的是電子在軌道間躍遷;或是電子的自旋是否真的是某種超光速的自轉所產生。我們只能回答這些問題毫無意義,如果你不能設計某種實驗來驗證這種猜測。沒有人可以給你任何更深刻的描述,我們不知道有任何更基本的機制可以拿來推導出這些結果。擔心某件在原則上不能被驗證的事情是「物理之外」(metaphysics ,中譯「形上學」)的管轄了。包立便說:

「和討論一個針尖上能坐多少個天使的遠古問題一樣,我們無需為某些我們根本無法知道的事情費腦筋。」10

一個針尖可以坐幾個天使?這真的值得好好思考…… 圖/pixabay

這世界是否可以用量子力學來描述?

玻爾回答:「當然不是!量子力學並沒有解釋自然,它描述了我們對自然的看法。」11

但海森堡則認為:「當然!量子力學告訴我們微觀世界是怎麼回事,它們原先是一些可能性,在測量後會變成實際的。」12

那究竟誰的想法更好?哥本哈根學派認為物理實在對於像「動量」或「位置」這種物理量,在測量它們之前並沒有確切的值。愛因斯坦會問在測量前的瞬間粒子是否有確切(雖然我們不知道)的位置,他甚至提出,對於這種問題我們只能回答:沒有、我們不知道、這問題沒有意義。

-----廣告,請繼續往下閱讀-----

這革命性的改變了人類對於世界的了解,曾經我們認為可以無限精確的探索世界,原子只是比較小的東西而已,遵循的物理規律跟宏觀物體一樣,但現在則發現用不同儀器所觀測到的世界也大不相同,客觀世界不再存在,主觀操作決定了我們能看到甚麼

讓物理學家困擾的塌縮不確定機率性

我們必須來談談測量和塌縮。在量子力學裏,量子態可以用波函數(wave function)來描述,概念有點像是震動的彈簧在不同的時間裡有不同的形狀;薛丁格方程式則用來計算波函數如何隨著時間而變化。波函數塌縮指的是,在量子力學體系中與外界發生某些作用(如測量或觀察)後,波函數會發生突變:由原先若干本徵態的疊加在測量後塌縮到單一本徵態。

波函數塌縮,也就是「量子態經過測量受影響其結果」這概念困擾了無數的物理學家。曾經有位史丹佛的年輕教授在量子力學課的頭兩周試圖探討測量問題,結果卻被系上資深的教授批評說:「你這麼做是有害的,學生們不需要了解量子力學的建立,這些都無用,只要讓他們會算就行了。」而朗道在他的書中試圖給測量一個數學定義(第一類測量和第二類測量),但依然避不開塌縮這個概念,雖然他整本書中都不曾出現「塌縮」這個詞,然而他指出「當量子客體和經典儀器相互作用後, 原先展開的完備集就只會剩下一項被讀出來,選中任何一項的機率是它的係數之模平方」,這其實就是在說測量後波函數會塌縮至某一本徵態。朗道已經算是比較良心了,至少願意談一下測量,更多的教科書直接把測量當作只可意會不可言談之事,而像是「退相干」(decoherence,另一個對於塌縮的解釋)這種較現代的概念更是絕口不提。

我們為何不喜歡塌縮,最直接的原因就是其中具有「機率」的概念,物理學家們一向認為我們只要掌握所有定律就能預知未來,像拉普拉斯就是一位決定論支持者,他提出:

-----廣告,請繼續往下閱讀-----

「我們可以把宇宙現在的狀態視為其過去的果以及未來的因。假若一位智者能知道在某一時刻所有促使自然運動的力和所有組構自然的物體的位置,假若他也能夠對這些數據進行分析,則在宇宙裡,從最大的物體到最小的粒子,它們的運動都包含在一條簡單公式裏。對於這位智者來說,沒有任何事物會是含糊的,並且未來只會像過去般出現在他眼前。」

愛因斯坦熟讀斯賓諾莎並深受他的哲學影響,斯賓諾莎在《倫理學》中對神的看法是,他認為神是決定論宇宙的一環,沒有任何事情是偶然發生的。愛因斯坦從斯賓諾莎思想的精神中發展出一套決定性本質的概念,認為萬物規律受到嚴格的法則所規範。

薛丁格由哈密頓建立的光學方法得到了德布羅伊物質波波函數,但薛丁格方程依然符合決定論,我們只要知道某一時刻的波函數,就可以推出未來任一時刻的波函數,如果你高興的話也可以往過去推。薛丁格一直認為這波函數是在描述物質波,但他卻無法解釋電子所分布的範圍竟會越來越大這種詭異現象。後來玻恩提出模平方是找到電子的機率。但這導致向來有明確因果關係的物理竟然跑出來不確定的機率,大部分科學家都對此無法接受,其中也包括薛丁格本人與愛因斯坦。

所以薛丁格才提出貓的思想實驗來反諷,按機率理論貓會處於既死又活的莫名狀態,而愛因斯坦也在當年十二月寫給玻恩的信中寫下著名的「上帝不擲骰子」。

把一隻貓、一個裝有氰化氫氣體的玻璃燒瓶和放射性物質放進封閉的盒子裏。當盒子內的監控器偵測到衰變粒子時,就會打破燒瓶,殺死這隻貓。根據量子力學的哥本哈根詮釋,在實驗進行一段時間後,貓會處於又活又死的疊加態。可是,假若實驗者觀察盒子內部,他會觀察到一隻活貓或一隻死貓,而不是同時處於活狀態與死狀態的貓。這事實引起一個謎題:到底量子疊加是在甚麼時候終止,並且塌縮成兩種可能狀態中的一種狀態? 圖/Dhatfield [CC BY-SA 3.0] via wikipedia

塌縮的機率性破壞了古典決定論,愛因斯坦始終認為這種不確定性只是因為量子力學不夠完備所致,還提出隱變量理論試圖解釋。

-----廣告,請繼續往下閱讀-----

「觀察者」的存在,影響了測量結果?這科學嗎?

溫伯格也質問:

「既然薛丁格方程能確定任何時刻的波函數。如果觀察者及其測量儀器本身都是由決定性的波函數所描述的,為什麼我們不能準確預測測量結果,而只能知道機率? 作為一個普遍的問題:如何建立量子與古典現實之間的對應關係?」13

還有「究竟是甚麼導致了塌縮?是人類的意識嗎?又如果我們只能透過測量來觀察這個世界?」

愛因斯坦就問:

「當我們不看月亮時,月亮是否還在那?」

當我們不看月亮時,月亮是否還在那? 如果森林中有棵樹倒了,沒有人在場聆聽,那麼會有聲響嗎? 圖/flo222 @Pixabay

舉個具體例子,如果森林中有棵樹倒了,沒有人在場聆聽,那麼會有聲響嗎?如果真實的森林中有一棵真實的樹倒下了,那麼即便沒有人在附近,聲音當然還是會出現。即使沒有人在場聽到,還是會有其他的蛛絲馬跡,聲響透過空氣會搖晃一些樹葉,我們只要夠仔細,就會發現荊棘劃過葉子而留下了割痕。若是問:是否有聲音的「感覺」呢?沒有。照理講,聲音的感覺是和認知連接在一起的, 我們不知道別的生物是否有知覺。

也有人說塌縮是經典客體(如觀察儀器、觀察者)和量子客體(被測量的量子)相互作用後的結果,此過程完全不需要一位實驗操作者存在。但如果有本質論的物理法則存在,一個經典客體哪來的魔力去塌縮波函數呢?宏觀和微觀的分割線又是甚麼?量子力學非常畸形,它在進行定義時竟然需要用到作為自身極限情形的經典儀器,頗有種剪不斷理還亂的感覺,不像相對論可以完全拋棄自身極限的牛頓體系獨立存在。

諾貝爾獎得主萊格特就說:「如果說塌縮是由有意識的觀察者所導致的會不會更好?」14其實量子力學初建立時,人們對測量理論的看法就有所分歧,玻爾認為測量是微觀系統和宏觀儀器相互作用的結果、海森堡認為測量是指留下一個永久的「紀錄」、維格納認為當一位有意識的觀察者介入後才完成了測量。

和經典的不同,量子中的「測量」此一行為是創造性的,它簡直創造了被測量的物理實在。約當(矩陣力學的三位創始人之一,因為加入納粹黨沒獲諾貝爾獎)就宣稱:

「觀測不僅會干擾被觀測量,而且產生了它!我們強迫電子出現在 特定的位置。一般來說,原先它既不在這也不在那,它尚未決定一個確切位置……每一次觀察不僅僅是一種干擾,而是一種尖銳的侵犯:『我們自己產生了測量結果。』」15

唯心主義者認為塌縮是由人類的意識所造成的,但貓狗或是昆蟲是否擁有意識,能否引發波函數的塌縮,他們卻不願意繼續探討。曾有物理學家問狄拉克塌縮是如何產生的,他回答:「自然會自己做出選擇。」那究竟大自然是怎麼做出選擇的呢?他又說:「當機率不再有干涉時。」這想法就是後來的量子退相干,退相干能夠解釋為什麼不會觀察到干涉現象,但是退相干能否解釋波函數塌縮的後果,這議題至今仍舊存在巨大爭議。退相干是一種標準量子力學效應,它不是一種量子力學詮釋,而是利用量子力學分析獲得的結果。

如霍金所說:「在魚缸裡的金魚感知到的『現實』並不真實,因為彎曲的表面會讓金魚眼中的『現實』世界變得扭曲。金魚看見的世界與我們所謂的『現實』不同,但我們怎麼能肯定它看到的就不如我們真實?就連我們自己終其一生,也在透過一塊扭曲的鏡片(望遠鏡)打量周遭的世界呢。」圖/pixabay

關於物理學,我們還不了解的是……

愛因斯坦認為有個客觀的物理實在,不同觀察者都從自己的角度看問題;而玻爾則認為對於想要研究的問題不同,觀察者會設計各種相異的實驗,而這些實驗創造了物理實在。最後貝爾不等式的實驗驗證為這場世紀辯論帶來終結,宣告玻爾是對的,測量的過程創造了一個特定的結果。粒子在對它進行測量之前沒有一個確定的位置,是測量的過程給出了一個具體數值,測量「創造」出了一個結果

這種挺像魔法的儀器「創造說」不太令人滿意,但是維格納的唯心論想法也有荒謬之處,以薛丁格的貓為例,是你「看的行為」看死了貓,而非毒藥,這變得非常荒謬,宏觀事件的線性組合會非常奇怪。現在人們普遍接受的說法是:測量的本質是某些宏觀體系受到了影響,在測量發生的時刻,宏觀體系與微觀體系相互作用,並留下一個永久記錄。宏觀體系不允許處於由不同態所構成的線性組合的態,當然宏觀和微觀之間並沒有明確的分割線,但是由退相干理論,在極短的時間內它就會回到普通的經典態。

最後以海森堡的一段話為量子力學作結:

「我們不能再獨立於觀察過程來談論粒子的行為。作為最後的結果,量子理論中的數學法則不再處理粒子本身,而是我們對於粒子的了解。也不能再客觀地詢問這些粒子是否在空間和時間上存在。科學不再是自然界的客觀觀察者,而是將自己視為人與自然之間相互作用的演員。分析、解釋、分類的科學方法已經意識到了它的局限性。方法和對象不能再分開。」16

這大概要說是哥本哈根學派的瑕疵,我們應該對測量的本質和波函數的塌縮有更深刻的理解。

註釋:

  1. If you are not confused by quantum mechanics, then you haven’t really understood it.
  2. I think I can safely say that nobody understands quantum mechanics.
  3. The belief in an external world independent of the perceiving subject is the basis of all natural science.
  4. Physics is an attempt conceptually to grasp reality as it is thought independently of its being observed.
  5. On principle it is quite wrong to try founding a theory on observable magnitudes alone. In reality the very opposite happens. It is the theory which decides what we can observe.
  6. Physicists must consider none but observable magnitudes while trying to solve the atomic puzzle.
  7. I do not need to answer such questions because you cannot ask such a question experimentally.
  8. Evidence obtained under different experimental conditions cannot be comprehended within a single picture, but must be regarded as complementary in the sense that only the totality of the phenomena exhausts the possible information about the objects.
  9. There is no quantum world. There is only an abstract quantum physical description. It is wrong to think that the task of physics is to find out how nature is. Physics concerns what we can say about nature.
  10. One should no more rack one’s brain about the problem of whether something one cannot know anything about exists all the same, than about the ancient question of how many angels are able to sit on the oint of a needle.
  11. Absolutely not! Quantum mechanics does not describe nature. It describes what we can say about nature.
  12. Yes, of course. Quantum mechanics tells us what atomic and subatomic particles are really like. They are fields of potentiality that become actual when measured.
  13. The Schrödinger wave equation determines the wave function at any later time. If observers and their measuring apparatus are themselves described by a deterministic wave function, why can we not predict precise results for measurements, but only probabilities? As a general question: How can one establish a correspondence between quantum and classical reality?
  14. Wouldn’t be better to propose that the collapse is produced by the mind/consciousness of the observer?
  15. Observations not only disturb what has to be measured, they produce it! We compel the electron to assume a definite position; previously it was, in general, neither here nor there; it had not yet made its decision for a definite position…. Every observation is not only a disturbance; it is an incisive encroachment
    into the field of observation: ‘we ourselves produce the results of measurement.’
  16. We can no longer speak of the behavior of the particle independently of the process of observation. As a final consequence, the natural laws formulated mathematically in quantum theory no longer deal with the elementary particles themselves but with our knowledge of them. Nor is it any longer possible to ask whether or not these particles exist in space and time objectively. Science no longer confronts nature as an objective observer, but sees itself as an actor in this interplay between man and nature. The scientific method of analyzing, explaining, and classifying has become conscious of its limitations. Method and object can no longer be separated.

參考資料:

  1. The Feynman Lectures on Physics Vol 3. by Richard Feynman, Robert B. Leighton, Matthew L. Sands. Addison Wesley
  2.  Nature Loves to Hide: Quantum Physics and Reality; A Western Perspective. by Shimon Malin. World Scientific Publishing Company
  3.  Is the moon there when nobody looks? Reality and the quantum theory. by ND Mermin – Physics Today. April 1985, 38 (4): 38–47. doi:10.1063/1.880968.
  4.  Epistemic and Ontic Quantum Realities. by Atmanspacher, Harald & Primas, Hans. (2005). AIP Conference Proceedings. 750. . 10.1063/1.1874557.
  5.  Quantum mechanics: non-relativistic theory. by L. D. Landau, E. M. Lifshitz. Butterworth-Heinemann
  6.  Introduction to Quantum Mechanics. by David J. Griffiths. Pearson Prentice Hall
文章難易度
活躍星系核_96
752 篇文章 ・ 121 位粉絲
活躍星系核(active galactic nucleus, AGN)是一類中央核區活動性很強的河外星系。這些星系比普通星系活躍,在從無線電波到伽瑪射線的全波段裡都發出很強的電磁輻射。 本帳號發表來自各方的投稿。附有資料出處的科學好文,都歡迎你來投稿喔。 Email: contact@pansci.asia

0

6
1

文字

分享

0
6
1
你聽過「量子意識」嗎?電子雙狹縫實驗讓人猜測意識會影響物質世界,真的假的?
PanSci_96
・2024/03/06 ・3800字 ・閱讀時間約 7 分鐘

-----廣告,請繼續往下閱讀-----

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。

-----廣告,請繼續往下閱讀-----

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。

-----廣告,請繼續往下閱讀-----

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。

-----廣告,請繼續往下閱讀-----

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。

-----廣告,請繼續往下閱讀-----

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。

-----廣告,請繼續往下閱讀-----

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!

-----廣告,請繼續往下閱讀-----

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。

-----廣告,請繼續往下閱讀-----

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。

有一些物理學家曾認真思考,是否要有「人的意識」參與其中,才能代表「觀測」。圖/envato

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。

歡迎訂閱 Pansci Youtube 頻道 獲取更多深入淺出的科學知識!

討論功能關閉中。

PanSci_96
1219 篇文章 ・ 2179 位粉絲
PanSci的編輯部帳號,會發自產內容跟各種消息喔。

1

8
3

文字

分享

1
8
3
從 J 粒子到宇宙射線——實驗物理學家丁肇中的研究之旅
研之有物│中央研究院_96
・2023/05/20 ・9459字 ・閱讀時間約 19 分鐘

-----廣告,請繼續往下閱讀-----

本文轉載自中央研究院「研之有物」,為「中研院廣告」

  • 整理撰文/郭雅欣
  • 責任編輯/簡克志
  • 美術設計/蔡宛潔

丁肇中是享譽全球的物理學家,他的研究為現代物理學奠定了基礎,也讓他獲得 1976 年的諾貝爾物理獎。丁肇中是中央研究院院士,也是現任麻省理工學院的物理學教授。

歷經數十年實驗物理的研究之路,他用一次次的實驗結果打破原本的理論認知,為物理學開創了新的道路。

丁肇中如何從 J 粒子的發現,走到最前沿研究宇宙射線,探索宇宙的起源與未知?中研院「研之有物」梳理記錄丁肇中 2022 年在院內物理研究所的演講內容,介紹他在物理學領域的傑出成就以及科學家的體悟。

-----廣告,請繼續往下閱讀-----
丁肇中院士 2022 年 12 月在中研院物理所演講,題目為「我所經歷的現代物理和我的體會」。圖/中研院物理所

實驗是自然科學的基礎,理論如果沒有實驗的證明,是沒有意義的。當實驗推翻了理論後,才可能創建新的理論;理論是不可能推翻實驗的。過去 400 年來,我們對物質基本結構的了解,大都來自於實驗物理。」

中研院物理所於 2022 年 12 月 27 日舉辦了李水清講座,邀請到著名的實驗物理學家丁肇中,他以這段話做為整場講座的開端。

從丁肇中踏上實驗物理之路開始,至今已有 60 多年,這一路走來,丁肇中累積了許多突破性的成果,這些經歷也讓他獲得了豐富的人生體會。在這場講座中,丁肇中以「我所經歷的現代物理和我的體會」為題,一一細數這些成果及體會,在言談中展露出他對物理的熱情、堅持,以及永不磨滅的興趣與好奇心。

做實驗不盲從專家:證明電子沒有體積

1965 年丁肇中前往德國的大型粒子物理學研究機構「德國電子加速器」(DESY)進行第一個實驗工作,目的是證明「電子沒有體積」。為什麼要做這個實驗呢?因為當時科學家對電子有無體積的問題出現了爭議。

根據理查.費曼(Richard Feynman) 、朱利安.施溫格(Julian Schwinger)和朝永振一郎在 1948 年提出的量子電動力學理論(Quantum Electrodynamics,簡稱 QED),電子是沒有體積的,當時所有的實驗都證明了 QED 理論的完備性,他們三人也因此獲得 1965 年的諾貝爾物理獎。

-----廣告,請繼續往下閱讀-----

可是在 1964 年時,哈佛大學和康乃爾大學的科學家和專家耗費多年心思,進行兩個不同的實驗,卻得出與 QED 相反的結論——量子電動力學是錯誤的,電子是有體積的,半徑是 10-13~10-14 公分。這個結論是兩個不同實驗團隊的成果,也因此受到物理界人士的認可和重視。

當時剛獲得博士學位的丁肇中,決定用不同方法來測量電子半徑。丁肇中回憶:「那個時候沒有人相信我能做出這個實驗,更沒有人支援我。」所以在 1965 年,丁肇中決定離開美國,到德國新建的 DESY,利用這個周長 320 公尺的加速器,產生能量 75 億電子伏特的光,打到儀器上,以測量電子的半徑。

在德國八個月後,丁肇中的實驗結果證明量子電動力學是正確的:電子真的沒有體積,它的半徑小於 10-14 公分。我們可以說:在當年實驗可及的範圍內,電子半徑為零(consistent with zero)。這推翻了當初康乃爾大學與哈佛大學備受重視的實驗結果。

丁肇中:「我的第一個體會就是:做實驗不要盲從專家的結論。」

縱軸是正負電子對產生率的實驗結果和 QED 理論預測的比值,橫軸是到電子中心的距離,代表電子半徑大小。圖/研之有物(資料來源/丁肇中)

證明宇宙新物質—— J 粒子

1965 到 1970 年間,丁肇中在 DESY 做了他的第二個實驗,這是一系列和光子、重光子相關的實驗。光子的質量為 0,當時已經知道有三種重光子,它們的質量約為 8 億~10 億電子伏特(eV/c2),其他的特徵則與光子一樣。

-----廣告,請繼續往下閱讀-----

丁肇中表示,在高能情況下,重光子與光子應該可以互相轉化,只是機率很低。要找到互相轉化的事例,實驗裝置必須能辨識出一億分之一的發生事例,後來他也成功完成了這項困難的實驗。

之後,丁肇中還想解決另一個問題:「為什麼所有的重光子質量都和質子的質量相近,都是 10 億電子伏特左右?」為了尋找更重的重光子,丁肇中決定到美國布魯克黑文國家實驗室(Brookhaven National Laboratory)的質子加速器上,做一個更加精密的探測器。

要找到高質量的重光子,必須每秒鐘輸入一萬億個高能量質子到探測器上,這會徹底破壞探測器,也會對工作人員造成危險。所以,丁肇中發展的新探測器不但必須非常精確,還必須是在非常強的放射線下,能正常工作的儀器。

因此輻射遮蔽相當重要,如下圖。藍色部分是磁鐵,黃色部分是大型探測器,為了保護探測器,在中心放射線周圍包裹了厚厚的水泥,黑色區塊部分是遮蔽材料,例如鈾、鉛和肥皂(含水可吸收中子),放在水泥周圍遮蔽輻射,位置會依實際需求做改動。此外,圖中 A0、 A、B、C、a、b、S 等黑色線段都是小型探測器。

-----廣告,請繼續往下閱讀-----

這個實驗的遮蔽材料總共用了 5 噸鈾 -238、100 噸的鉛、 5 噸的肥皂,以及 1 萬噸的水泥。整個實驗設施的最外圍,還會堆上大量的水泥塊,保障工作人員安全。

新探測器必須非常精確,還必須在非常強的放射線下遮蔽輻射,避免影響儀器。圖中藍色部分是磁鐵,黃色部分是大型探測器;黑色區塊部分是遮蔽材料,例如鈾、鉛和肥皂,放在水泥周圍遮蔽輻射,位置會依實際需求而變動。此外,圖中 A0、 A、B、C、a、b、S 等黑色線段都是小型探測器。圖/研之有物(資料來源/丁肇中)

高質量的質子碰撞,可以增加新粒子產生的機率,但其他無關事例產生的機率也同樣會提高。丁肇中形容,尋找高質量的重光子就像是:

「在臺北下雨的時候,每秒鐘會降下 100 億顆雨滴,其中有一顆的顏色不同,你必須在 100 億顆裡面把它找出來。」

可想而知,物理界都不看好這個實驗,因為理論物理學家認為,現有理論已「足夠」解釋現象,找高質量的重光子物理意義不大;實驗物理學家則認為,沒有人能做出如此困難的實驗。

-----廣告,請繼續往下閱讀-----

在排除萬難的堅持之下,1974 年丁肇中就在實驗中發現了新的粒子「J 粒子」,它的壽命比已知的粒子長一萬倍。丁肇中說:「這個發現的重要性,就等同於我們到深山裡發現了一個偏僻的村子,村民不是一百歲,而是一百萬歲,也就是這些人和普通人類是不一樣的。」

換句話說,這證明了宇宙中有新的物質存在,理論必須修正。

當時科學界流行三夸克模型,也就是用三種夸克基本粒子來解釋質子和中子的狀態,而 J 粒子的發現,證實了還有第四種夸克「魅夸克」(Charm quark)的存在。

這段歷程讓丁肇中有了第二個體會:

-----廣告,請繼續往下閱讀-----

「做基礎研究要對自己有信心,做你認為正確的事,因為自然科學的發展基本上是多數服從少數,不要因為大多數人反對而改變你的興趣。」

意外的發現——膠子

1970 年代,丁肇中的第三個實驗,是在德國正負電子對撞機(PETRA)上做的,PETRA 是當時能量最高的正負電子對撞機,可讓 300 億電子伏特的正負電子對撞。丁肇中在實驗過程意外發現膠子的存在。

膠子是人眼不可見的基本粒子,是自然界基本作用力「強作用力」的傳遞媒介(Force carrier)。根據現在的標準模型(Standard Model),我們知道原子核裡面有質子和中子,質子和中子是由數個夸克組成,而膠子可以在夸克之間傳遞強作用力,讓夸克束縛在一起。

從原子到夸克的示意圖,膠子是夸克之間的「強作用力」傳遞媒介,用彈簧形狀示意。(為求圖片精簡,仍使用三夸克模型)圖/研之有物(資料來源/丁肇中)

那麼,丁肇中是如何發現膠子的呢?

物理中用來描述強作用力的理論是量子色動力學(Quantum Chromodynamics),根據理論預測,一個正電子和負電子碰撞時會產生能量,大部分是轉變成一對夸克和反夸克(兩個噴柱)。偶爾會產生夸克、反夸克和一個膠子(三個噴柱)。

-----廣告,請繼續往下閱讀-----

在丁肇中的實驗中,透過大量的測量,發現正負電子對撞後,果真出現了許多三噴柱的事例,這三個噴柱現象的數量與分布和量子色動力學是符合的,這個實驗結果證明了膠子的存在。

「我們最初做實驗的時候,並沒有想到會發現膠子。最初做實驗目的是繼續尋找電子的半徑。」丁肇中說。因此這個實驗帶給丁肇中的第三個體會,就是:

「對於意外的現象,要有充分的準備。」

大型國際科學合作:L3 實驗

丁肇中的第四個實驗,是 1982~2003 年在歐洲核子研究中心(CERN)進行的 L3 實驗。他們以周長 27 公里的加速器,將對撞的正負電子能量增加到 1000 億電子伏特,碰撞時的溫度是太陽表面的 4000 億倍,也是宇宙誕生最初的 1000 億分之一秒時的溫度,「我們是在實驗室內製造宇宙剛開始的情況。」丁肇中說。

這個實驗的目的是尋找宇宙中最基本的粒子,解答關於宇宙中各種粒子的問題,包括宇宙中有多少種電子?電子有多大?為什麼找不到電子的體積?電子能不能分成更小的粒子?現在有人說最基本的粒子是夸克,夸克到底有幾種?夸克有多大?能不能分成更小的粒子?

這次的國際合作實驗,有美國、蘇聯 、中國、臺灣、歐洲等 19 個國家,共約 600 名科學家共同參加。實驗的規模很大,每個國家也各司其職。

實驗的最外層重達 1 萬公噸的磁鐵,以及探測器中 300 公噸的鈾,都來自蘇聯;用於探測高能粒子和高能射線的鍺酸鉍晶體(簡稱 BGO),原本全世界年產量只有 4 公斤,經由中國上海矽酸鹽研究所研發成功,生產了 12 公噸,用於這項實驗中;臺灣與義大利、瑞士的團隊共同研發矽微條軌跡探測器,測量粒子位置的解析度可達 5 微米,中央大學團隊也參與了數據分析。

L3 的實驗前後進行了 20 年,發表了 300 篇相關論文。丁肇中總結出以下結論:

  1. 宇宙中只有三種不同的電子和六種不同的夸克。
  2. 電子是沒有體積的,它的半徑小於 10 -17 公分。
  3. 夸克也是沒有體積的,它的半徑小於 10 -17 公分。
  4. 所有的實驗結果都和電弱理論符合,電弱理論是描述電磁力和弱作用力的理論。

「很不幸的,所有的結果都和電弱理論符合。」丁肇中說:「當一個實驗和理論有衝突的時候,才能學到新的東西,把理論推翻掉。假如實驗結果和理論符合,那麼學到的東西就很少。所以對我來說,L3 並不是成功的實驗。」

這個首次的大型國際合作經驗,也為丁肇中帶來了第四個體會:要領導一個國際合作,要選科學上最重要的題目,引起參加國際科學家的最大興趣。對貢獻大的國家要有優先的認可,使之得到國際上的公認,才能得到參加國政府長期的優先支援。

「要領導一個國際合作,要選科學上最重要的題目。」

國際太空站照片,阿爾法磁譜儀(AMS-02)位於國際太空站一側, 如右側紅圈處。圖/European Space Agency

史上創舉:阿爾法磁譜儀上太空

丁肇中的第五個實驗目前仍在進行中,那就是位在國際太空站上的阿爾法磁譜儀(Alpha Magnetic Spectrometer,AMS)。

AMS 目標是研究宇宙射線的特性和起源。帶電的宇宙射線有質量,會被地球表面上 100 公里厚的大氣層吸收,所以我們無法在地面上研究帶電宇宙射線的電荷、動量等性質。這就是為什麼必須把一個磁譜儀放在外太空。

磁譜儀內含有磁鐵,當宇宙射線進入磁譜儀,會因為磁鐵的影響而偏轉軌跡,不同的粒子會留下不同的軌跡,因此根據偏轉的軌跡,就可以分辨出是哪一種宇宙射線粒子。在此之前,從來沒有人會把一個超大磁鐵放到太空站上。

國際太空站照片,阿爾法磁譜儀(AMS-02)正在收集宇宙數據,於 2011 年 5 月 19 日安裝完成。圖/NASA

丁肇中說,原因非常簡單,「大家都知道指南針的原理。當指南針放在太空站上,一端向北、一端向南,很快就會讓太空站失去控制。」為此,AMS 團隊設計了一個特殊的環形磁鐵,從外觀看就像一個木桶,它的磁場不會洩露,「AMS 做過兩次飛行,第一次是用太空梭載運到軌道上運行十天,就回到地面,驗證了這個實驗的可行性。第二次才送到太空站上。」丁肇中說。

AMS 也是一個國際合作的科學計畫,參與的團隊來自世界各地,臺灣也包括在內。對於如何挑選合作夥伴,丁肇中特別提到:「這個實驗很困難,是一個沒有人做過的實驗,你一定要專心。所以參加的人通常只做這個實驗。」

NASA YouTube 頻道對 AMS 磁譜儀的簡介。圖/NASA

AMS 獲得了很多的支援,2008 年,美國參議院和眾議院甚至通過了一條法律,在當時希望盡量減少太空飛行的時空背景下,要求美國政府為 AMS 增加一次太空梭飛行任務,把磁譜儀送到國際太空站上去。

自從 2011 年 5 月升空至今,AMS 在太空中順利地運行,值得一提的是,由臺灣製造的電子系統非常成功,丁肇中說:「整個電子系統包括 650 個微處理器 、30 萬個訊號通道。最值得驕傲的是,至今已經 11 年了,沒有一個是壞的 。

AMS 的訊號經由 NASA 通訊衛星傳遞,每日 16 小時由位在 CERN 的控制中心負責監控。在歐洲的夜間時段,則轉到中山科學院的亞洲控制中心監控,實現全年無休,每日 24 小時的監控。

「一開始做實驗的時候,我並沒有想到,太空站在太空中一定要不斷運行,這樣向心力與引力才會平衡。」丁肇中說:「這就表示我們沒有週六、週日,沒有中秋節也沒有過年,每天都要嚴格地監控著。」

丁肇中院士於 2013 年 5 月講述 AMS 首次研究成果。圖/NASA

科學研究的競爭只有第一,沒有第二

這 11 年來,AMS 獲得了許多和現有理論不符合的結果,帶來了對宇宙全新的認知。AMS 第一個成果是探索宇宙中電子與正電子的來源。

目前推測電子和正電子來源有三種可能性:宇宙線(含有質子和氦)與星際物質之間的碰撞、脈衝星產生、再來是暗物質的碰撞。圖/研之有物(資料來源/丁肇中、Wiki)

根據 AMS 目前的成果,關於電子的來源,宇宙線碰撞產生的電子佔比極低,顯然不是主要來源。從數據來看,電子主要是由兩個未知來源的冪律譜數據疊加而得,目前仍缺乏理論解釋冪律譜的來源。所謂的冪律譜,就是能譜隨著能量的某次方變化。

至於正電子的來源,如下圖所示,低能量的正電子主要來自宇宙線的碰撞,高能量正電子的分布則大致與暗物質理論相符合,丁肇中表示,「到 2030 年,AMS 的數據誤差會更縮小,」屆時就能真正證明高能正電子是否來自暗物質碰撞,「這是一個非常重要的目標。」

另一方面,AMS 也從數據推論出高能量正電子的來源很可能不是脈衝星,所以更意味著暗物質才是高能量正電子的主要來源,後續期待更多數據的佐證。

除了探索電子來源之外,AMS 也檢視了正電子的來源。低能量的正電子主要來自宇宙線的碰撞,高能量正電子的分布則大致與暗物質理論相符合,有待更多數據驗證。圖/研之有物(資料來源/丁肇中)

AMS 的第二個重要成果,是探索宇宙射線的特性和起源。

宇宙射線分為一級、二級宇宙射線。一級指的是在恆星裡經過核融合產生,然後在恆星爆炸的過程中被加速到高能量的射線,包括氫、氦、碳、鐵等。二級宇宙射線是一級宇宙線和星際物質相撞產生的,包括鋰、鈹、硼、氟等。

AMS 發現,一級宇宙射線可以依據剛度(動量除以電荷)的變化分成兩種,第一種包括氦、碳、氧、鐵,第二種則包括氖、鎂、矽、硫。而二級宇宙射線也分為兩種剛度變化:鋰、鈹、硼隨著剛度的變化是一樣的,氟則是另外一種變化。

宇宙中有各式各樣的宇宙射線,可是它們隨著剛度的變化卻是有限的,「這是不可想像的現象,」丁肇中說:

「所有宇宙射線的實驗結果都與理論不符合——所有目前的理論都是錯誤的。」

AMS 將繼續工作到 2030 年,在那之前,AMS 的探測器會升級,讓接收度提升三倍。AMS 將在宇宙這個最廣袤的實驗室中,持續收集數據,尋找自然界中存在,而我們未曾想到、也不曾發現的現象,改變我們對宇宙的認知。

「我的大多數實驗都受到很多人的反對。理由是實驗沒有物理意義、實驗非常困難,不可能成功。」丁肇中說:「可是過去 45 年來,很多優秀的科學家,包括臺灣的李世昌院士和張元翰教授[註],對實驗做出很重要的貢獻。實驗結果改變了我們對宇宙的認知。每一個實驗都發展新的儀器,讓實驗成功。」

丁肇中以自身的最後一個體會,為整場講座下了一個總結:

「自然科學的研究,是具有競爭性的,只有第一名,沒有第二名。」畢竟,「沒有人知道誰是第二個發現相對論的。」

最後,「研之有物」也收錄了在該場演講的尾聲,中央研究院物理所的李世昌院士與丁肇中院士的精彩對談,他們是合作多年的朋友,在問答之間,我們也能更瞭解丁院士如何看待實驗物理,節錄摘要如下。

李世昌院士(左)與丁肇中院士(右)對談。圖/中研院物理所

Q:您到母校密西根大學的時候 ,起初是想要鑽研理論物理,但為什麼後來改朝實驗物理的方向進行?

我起初其實是學機械工程,但當時還沒有電腦,必須自己畫圖,而我一條線都畫不直,所以我的老師建議我改念數學或物理。而就像李院士說的,我一開始選擇了理論物理,但後來,發現電子自旋的喬治.烏倫貝克(George Uhlenbeck)教授給了我啟發。

烏倫貝克說:「如果重來一次,我會選擇當個實驗物理學家,而不是理論物理學家。」我問他為什麼,他說:「對物理真正有影響力的理論物理學家,一隻手的指頭就數得出來。但做實驗得到的每一個結果,都是對物理、對人類知識有貢獻的。」我和他談完之後,就在他的辦公室外走來走去,然後告訴他:「You are right, I’m leaving you.」(在場聽眾笑)

Q:剛才演講中,您強調科學需要打破現有理論才會進步。但是我跟您工作這麼多年,看到您經常徵詢有名的物理學家意見,也有邀請理論物理學家參加 AMS 實驗組的大會。因為您對理論不會完全相信,所以想請問您在什麼情況下 ,會覺得要跟這些理論物理學家談一談?

我通常在進行大型實驗之前 ,會找幾個人談一談。 一個是實驗物理學家沃爾夫岡.帕諾夫斯基(Wolfgang K. H. Panofsky),他在史丹佛大學做了一個兩公里長的直線加速器,對技術及理論都非常了解。還有一個人是理查.費曼(Richard Feynman),我和費曼相熟是因為我證明了他的理論是對的。

此外包括史蒂文.溫伯格(Steven Weinberg) 、謝爾登.格拉肖(Sheldon Glashow)等物理學家,我也會跟他們談我的實驗。通常我都是已經想好實驗以後,再聽聽他們的意見作為參考,不過我從來不照他們所說的去做。

Q:您曾經說過,如果人是依據自己有什麼能力,再來選擇研究的課題,這是最笨、最愚蠢的,應該先看一個題目有沒有重大影響力來決定。如果自己的能力不足,可以找別人合作。請問您在做完 L3 實驗之後,是如何選擇現在正在進行的 AMS 實驗?

當時我已經做了很多加速器的實驗,我想下一步,應該挑一個大家都認為不可能的實驗,所以就挑了一個到太空去做的實驗,也就是 AMS。我從來沒有做過太空實驗,我們組裡也沒有一個人有太空相關的經驗,所以過去的經驗是沒有意義的。

當我和美國政府提出 AMS 實驗時,美國能源部反對。他們認為我從來沒做過太空實驗,而且太空實驗非常非常貴。為了證明實驗的價值,我要求他們成立評審委員會,成員必須是世界第一流的科學家 、美國科學院院士以及拿過諾貝爾獎的人。

這是因為第一流科學家眼光比較遠,能夠看到將來。後來委員會成立,成員包括許多天文物理學家。經評審後,他們認為這是很重要的實驗。最後我們就在 NASA 展開了 AMS 實驗。

Q:發表的實驗結果一定要正確,這是您最重視的一件事。在發現 J 粒子的時候,從您看到訊號到最後決定發表,隔了很長的時間。有人說如果您早一點發表,Burton Richter 可能就沒有機會和您共同得到諾貝爾獎。您對於實驗的結果,是如何決定發表的時機?

我們是在 1974 年 8 月看出有 J 粒子的訊號,本來打算在 10 月時發表,但我想稍微等一等,看能不能看到更高能量的粒子,所以才等到 11 月。當時我並不知道別人可以用正負電子對撞機來做這個實驗。直到 11 月 11 日,我到史丹佛大學去,才知道伯頓·里克特(Burton Richter)帶領的 SLAC 國家加速器實驗室團隊也發現了一樣的事情。

至於 AMS 的成果,我一直提醒大家記住一件事,我們花了 20 年的時間準備這個實驗,在接下來的半個世紀,我想很可能沒有人會再像我們這麼笨,再放一個磁譜儀到太空中,所以如果發表了什麼結果,一定會影響整個物理研究的方向,所以要特別小心謹慎。

註解

  • 註:李世昌院士現為中研院物理所兼任研究員,張元翰現為中研院物理所特聘研究員。

延伸閱讀

  1. Mars, K. (2022). About AMS-02. NASA. 
  2. Spry, J. (2021). A $2 billion particle detector stars in new Disney Plus docuseries “Among the Stars”: Q&A with principal investigator. Space.com. 
  3. AMS Collaboration, Aguilar, M. A., . . . Zuccon, P. (2021). The Alpha Magnetic Spectrometer (AMS) on the international space station: Part II — Results from the first seven yearsPhysics Reports894, 1–116. 
  4. AMS Collaboration, Aguilar, M. A., . . . Zuccon, P. (2019). Towards Understanding the Origin of Cosmic-Ray PositronsPhysical Review Letters122(4). 
  5. Lindley, D. (2016). Landmarks—The Charming Debut of a New Quark. Physics. 
  6. SciShow. (2012). Strong Interaction: The Four Fundamental Forces of Physics #1a [Video]. YouTube. 
  7. Samuel C.C. Ting. MIT Physics. 
  8. Samuel C. C. Ting | The Alpha Magnetic Spectrometer Experiment. (n.d.). AMS-02.space.
  9. Samuel C.C. Ting Facts. (n.d.). NobelPrize.org. 
  10. Samuel C.C. Ting Nobel Lecture. (n.d.). NobelPrize.org. 
  11. 張忻郁(2021)。〈【丁肇中獲頒諾貝爾物理獎40週年專題】丁肇中院士介紹〉(張元翰編),《科學 Online》。
  12. 國立成功大學-數位演講網(2018)。〈20150813 丁肇中探索宇宙中的基本結構和宇宙的起源 [影片]〉,《YouTube》。
  13. 臺大科學教育發展中心 CASE(2016)。〈【大師演講】丁肇中院士獲頒諾貝爾物理學獎40週年:我所經歷的實驗物理 [影片]〉,《YouTube》。 
  14. 簡宗奇(2016)。〈談物理課中的典範敘述-丁肇中的實驗物理——《科學月刊》〉,《PanSci 泛科學》。
  15. 張瑞棋(2015)。〈發現「J 粒子」──丁肇中生日|科學史上的今天:1/27〉《PanSci 泛科學》。
  16. Musser, G.(2011)。〈反物質之眼〉(甘錫安譯),《科學人知識庫》。
  17. 郭雅欣(2011)。〈上太空找反物質〉,《科學人知識庫》。
所有討論 1
研之有物│中央研究院_96
296 篇文章 ・ 3399 位粉絲
研之有物,取諧音自「言之有物」,出處為《周易·家人》:「君子以言有物而行有恆」。探索具體研究案例、直擊研究員生活,成為串聯您與中研院的橋梁,通往博大精深的知識世界。 網頁:研之有物 臉書:研之有物@Facebook

1

12
4

文字

分享

1
12
4
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

-----廣告,請繼續往下閱讀-----

  • 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!」

-----廣告,請繼續往下閱讀-----

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。

-----廣告,請繼續往下閱讀-----

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!

-----廣告,請繼續往下閱讀-----

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。

-----廣告,請繼續往下閱讀-----

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。

-----廣告,請繼續往下閱讀-----

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。

-----廣告,請繼續往下閱讀-----

延伸閱讀

所有討論 1
賴昭正_96
42 篇文章 ・ 50 位粉絲
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。