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「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

張瑞棋_96
・2015/06/13 ・874字 ・閱讀時間約 1 分鐘 ・SR值 538 ・八年級

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兩歲即能閱讀;六歲就把聖經從頭到尾讀完兩遍,並開始自學拉丁文;青少年時已精通十二種語言、會製作顯微鏡與望遠鏡,除了歷史、法律、音樂,還自學牛頓那艱澀的微積分與《光學原理》,以及拉瓦謝的《化學要論》。這樣的天才兒童日後出類拔萃一點兒也不奇怪吧!不過,湯瑪斯 · 楊(Thomas Young, 1773-1829)所跨的領域之廣,所作的貢獻之多,用「天才科學家」都還不足以形容。

楊原本以行醫為職志,因此從十八歲到二十八歲這十年間發表的論文都是關於視覺的研究。他研究水晶體如何調節焦距,率先提出眼睛有三種感光細胞接收不同波長的色光,而產生彩色的視覺。因此他被譽為生理光學的創始人。

1800 年,他發表科學史上首度描述波的干涉現象的論文。以此為起點,他開始研究光的性質,根據繞射、干涉等現象,主張光是一種波,而非牛頓所言之粒子。但粒子說已盛行百餘年,即使楊提出各種實驗結果作為佐證,仍難以撼動牛頓的權威,直到法國物理學家菲涅耳(Augustin Fresnel)提出更明確的實驗與理論根據後,波動說才自 1820 年代開始獲得普遍認同。

而楊於 1803 年所做的雙狹縫實驗更是影響深遠。他讓一道光同時通過兩個狹縫投射到屏幕上,結果出現明暗相間的干涉條紋;他認為這足以證明光就是波。沒想到一百多年後的物理學家改用電子、質子,甚至是由 60 個碳原子組成的巴克球重做雙狹縫實驗,竟然也都出現干涉現象!雙狹縫實驗還衍伸出更奇特的量子現象,成為哥本哈根詮釋的最佳佐證。

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1819 年,楊發揮其語言天分,率先指認出羅塞塔石碑上某一重複出現、有著外框的古埃及象形文字,係作為表音符號代表「托勒密」這個外國人名的音譯(就跟我們中文做法一樣),而成為商博良(Jean-François Champollion)破譯埃及象形文字的關鍵。

除此之外,楊還在材料力學、表面張力、血液流動、音樂的平均律等不同領域都作出重要的貢獻,只可惜這位「世界上最後一個無所不知的人」未滿 56 歲就離開人世了。

 

 

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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伺服器過熱危機!液冷與 3D VC 技術如何拯救高效運算?
鳥苷三磷酸 (PanSci Promo)_96
・2025/04/11 ・3194字 ・閱讀時間約 6 分鐘

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本文與 高柏科技 合作,泛科學企劃執行。

當我們談論能擊敗輝達(NVIDIA)、Google、微軟,甚至是 Meta 的存在,究竟是什麼?答案或許並非更強大的 AI,也不是更高速的晶片,而是你看不見、卻能瞬間讓伺服器崩潰的「熱」。

 2024 年底至 2025 年初,搭載 Blackwell 晶片的輝達伺服器接連遭遇過熱危機,傳聞 Meta、Google、微軟的訂單也因此受到影響。儘管輝達已經透過調整機櫃設計來解決問題,但這場「科技 vs. 熱」的對決,才剛剛開始。 

不僅僅是輝達,微軟甚至嘗試將伺服器完全埋入海水中,希望藉由洋流降溫;而更激進的做法,則是直接將伺服器浸泡在冷卻液中,來一場「浸沒式冷卻」的實驗。

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但這些方法真的有效嗎?安全嗎?從大型數據中心到你手上的手機,散熱已經成為科技業最棘手的難題。本文將帶各位跟著全球散熱專家 高柏科技,一同看看如何用科學破解這場高溫危機!

運算=發熱?為何電腦必然會發熱?

為什麼電腦在運算時溫度會升高呢? 圖/unsplash

這並非新問題,1961年物理學家蘭道爾在任職於IBM時,就提出了「蘭道爾原理」(Landauer Principle),他根據熱力學提出,當進行計算或訊息處理時,即便是理論上最有效率的電腦,還是會產生某些形式的能量損耗。因為在計算時只要有訊息流失,系統的熵就會上升,而隨著熵的增加,也會產生熱能。

換句話說,當計算是不可逆的時候,就像產品無法回收再利用,而是進到垃圾場燒掉一樣,會產生許多廢熱。

要解決問題,得用科學方法。在一個系統中,我們通常以「熱設計功耗」(TDP,Thermal Design Power)來衡量電子元件在正常運行條件下產生的熱量。一般來說,TDP 指的是一個處理器或晶片運作時可能會產生的最大熱量,通常以瓦特(W)為單位。也就是說,TDP 應該作為這個系統散熱的最低標準。每個廠商都會公布自家產品的 TDP,例如AMD的CPU 9950X,TDP是170W,GeForce RTX 5090則高達575W,伺服器用的晶片,則可能動輒千瓦以上。

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散熱不僅是AI伺服器的問題,電動車、儲能設備、甚至低軌衛星,都需要高效散熱技術,這正是高柏科技的專長。

「導熱介面材料(TIM)」:提升散熱效率的關鍵角色

在電腦世界裡,散熱的關鍵就是把熱量「交給」導熱效率高的材料,而這個角色通常是金屬散熱片。但散熱並不是簡單地把金屬片貼在晶片上就能搞定。

現實中,晶片表面和散熱片之間並不會完美貼合,表面多少會有細微間隙,而這些縫隙如果藏了空氣,就會變成「隔熱層」,阻礙熱傳導。

為了解決這個問題,需要一種關鍵材料,導熱介面材料(TIM,Thermal Interface Material)。它的任務就是填補這些縫隙,讓熱可以更加順暢傳遞出去。可以把TIM想像成散熱高速公路的「匝道」,即使主線有再多車道,如果匝道堵住了,車流還是無法順利進入高速公路。同樣地,如果 TIM 的導熱效果不好,熱量就會卡在晶片與散熱片之間,導致散熱效率下降。

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那麼,要怎麼提升 TIM 的效能呢?很直覺的做法是增加導熱金屬粉的比例。目前最常見且穩定的選擇是氧化鋅或氧化鋁,若要更高效的散熱材料,則有氮化鋁、六方氮化硼、立方氮化硼等更高級的選項。

典型的 TIM 是由兩個成分組成:高導熱粉末(如金屬或陶瓷粉末)與聚合物基質。大部分散熱膏的特點是流動性好,盡可能地貼合表面、填補縫隙。但也因為太「軟」了,受熱受力後容易向外「溢流」。或是造成基質和熱源過分接觸,高分子在高溫下發生熱裂解。這也是為什麼有些導熱膏使用一段時間後,會出現乾裂或表面變硬。

為了解決這個問題,高柏科技推出了凝膠狀的「導熱凝膠」,說是凝膠,但感覺起來更像黏土。保留了可塑性、但更有彈性、更像固體。因此不容易被擠壓成超薄,比較不會熱裂解、壽命也比較長。

OK,到這裡,「匝道」的問題解決了,接下來的問題是:這條散熱高速公路該怎麼設計?你會選擇氣冷、水冷,還是更先進的浸沒式散熱呢?

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液冷與 3D VC 散熱技術:未來高效散熱方案解析

除了風扇之外,目前還有哪些方法可以幫助電腦快速散熱呢?圖/unsplash

傳統的散熱方式是透過風扇帶動空氣經過散熱片來移除熱量,也就是所謂的「氣冷」。但單純的氣冷已經達到散熱效率的極限,因此現在的散熱技術有兩大發展方向。

其中一個方向是液冷,熱量在經過 TIM 後進入水冷頭,水冷頭內的不斷流動的液體能迅速帶走熱量。這種散熱方式效率好,且增加的體積不大。唯一需要注意的是,萬一元件損壞,可能會因為漏液而損害其他元件,且系統的成本較高。如果你對成本有顧慮,可以考慮另一種方案,「3D VC」。

3D VC 的原理很像是氣冷加液冷的結合。3D VC 顧名思義,就是把均溫板層層疊起來,變成3D結構。雖然均溫板長得也像是一塊金屬板,原理其實跟散熱片不太一樣。如果看英文原文的「Vapor Chamber」,直接翻譯是「蒸氣腔室」。

在均溫板中,會放入容易汽化的工作流體,當流體在熱源處吸收熱量後就會汽化,當熱量被帶走,汽化的流體會被冷卻成液體並回流。這種利用液體、氣體兩種不同狀態進行熱交換的方法,最大的特點是:導熱速度甚至比金屬的熱傳導還要更快、熱量的分配也更均勻,不會有熱都聚集在入口(熱源處)的情況,能更有效降溫。

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整個 3DVC 的設計,是包含垂直的熱導管和水平均溫板的 3D 結構。熱導管和均溫板都是採用氣、液兩向轉換的方式傳遞熱量。導熱管是電梯,能快速把散熱工作帶到每一層。均溫板再接手將所有熱量消化掉。最後當空氣通過 3DVC,就能用最高的效率帶走熱量。3DVC 跟水冷最大的差異是,工作流體移動的過程經過設計,因此不用插電,成本僅有水冷的十分之一。但相對的,因為是被動式散熱,其散熱模組的體積相對水冷會更大。

從 TIM 到 3D VC,高柏科技一直致力於不斷創新,並多次獲得國際專利。為了進一步提升 3D VC 的散熱效率並縮小模組體積,高柏科技開發了6項專利技術,涵蓋系統設計、材料改良及結構技術等方面。經過設計強化後,均溫板不僅保有高導熱性,還增強了結構強度,顯著提升均溫速度及耐用性。

隨著散熱技術不斷進步,有人提出將整個晶片組或伺服器浸泡在冷卻液中的「浸沒式冷卻」技術,將主機板和零件完全泡在不導電的特殊液體中,許多冷卻液會選擇沸點較低的物質,因此就像均溫板一樣,可以透過汽化來吸收掉大量的熱,形成泡泡向上浮,達到快速散熱的效果。

然而,因為水會導電,因此替代方案之一是氟化物。雖然效率差了一些,但至少可以用。然而氟化物的生產或廢棄時,很容易產生全氟/多氟烷基物質 PFAS,這是一種永久污染物,會對環境產生長時間影響。目前各家廠商都還在試驗新的冷卻液,例如礦物油、其他油品,又或是在既有的液體中添加奈米碳管等特殊材質。

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另外,把整個主機都泡在液體裡面的散熱邏輯也與原本的方式大相逕庭。如何重新設計液體對流的路線、如何讓氣泡可以順利上浮、甚至是研究氣泡的出現會不會影響元件壽命等等,都還需要時間來驗證。

高柏科技目前已將自家產品提供給各大廠商進行相容性驗證,相信很快就能推出更強大的散熱模組。

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鳥苷三磷酸 (PanSci Promo)_96
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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 ・3805字 ・閱讀時間約 7 分鐘

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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。

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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。

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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。

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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。

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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。

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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!

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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。

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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。

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多重宇宙與量子力學的派系之爭
linjunJR_96
・2022/05/09 ・5054字 ・閱讀時間約 10 分鐘

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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」。

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  • 「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。

上圖為可見光的單狹縫實驗結果,下圖為可見光的雙狹縫實驗結果。圖/Wikipedia

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」。

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電子經過雙狹縫後所形成的圖形,圖/Wikipedia

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。

圖/Wikipedia

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。

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當越來越多電子經過雙狹縫後(a 到 e),所形成的圖形(位置分布),就是由波函數的機率分布決定的,圖/Wikipedia

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。

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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。

隨著哥本哈根勢力的擴張,薛丁格的這隻貓也逐漸轉型成展示量子世界奇妙之處的招牌。圖/Wikipedia

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。

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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。

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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)

無窮宇宙,在宇宙中存有大量的可觀測區(有著紅色十字中心的紅圈),我們的「宇宙」不過是其中的一個可觀測區而已
多重宇宙理論認為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。圖/Wikipedia

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。

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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。

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linjunJR_96
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清大理工男。不喜歡算數學。喜歡電影、龐克、和翻譯小說。不知道該把科普當興趣還是專長,但總之先做再說。