德布羅意誕辰 │ 科學史上的今天：8/15

提出物質波的法國王族

1923 年，巴黎索邦大學的研究生路易・德布羅意親王（1892 – 1987）提出一個驚人的觀點，即粒子可能具有波的性質。愛因斯坦認為必須以二象性來理解光，這個觀點深深影響了德布羅意。

德布羅意在 1924 年的博士論文中寫道……

愛因斯坦的光粒子能引起光電效應（將電子從金屬中撞擊出來），同時能攜帶「週期性」的訊息，在不同的環境（例如雙狹縫實驗）下產生干涉效應。這令德布羅意印象深刻。

接下來就是鉅作了。德布羅意在論文的第一部分，提出了物理學中最偉大的統一原理之一……

引導粒子運動的波

德布羅意所做的事情是給定一個頻率，但不是針對粒子（例如他想像中的愛因斯坦光子）內部的週期性行為，而是一種伴隨粒子穿越時間和空間的波，讓這種波可以與「內部」的過程保持同方向。

這樣的波可以偵測得到嗎？也就是說，這些神祕的波可能和粒子實際的運動有關，並且可以測量嗎？

可以，德布羅意這樣說。這些波不僅僅是抽象的。這個新的顛覆性想法在物理上的重要結果是，與領波相關的速度有兩種。

德布羅意確認了群速度就如同一個粒子的速度，並證明增強區域展現了粒子所有的力學性質，例如能量和動量。（這類似疊加許多不同頻率的波會產生一道脈衝。）

將物質波公式帶入各類公式中！

當他寫下簡單的數學關係式來描述這些由光子類推而得的想法時，更戲劇性的結論出現了。

他從愛因斯坦著名的方程式 E＝mc2 開始，著手計算所有東西的總能量。在這種情況下，光子……

現在看看德布羅意一連串的代換……

由於mc就是質量乘以速度，也就是光子的動量 p……

運用波的關係式 c（速度）＝ f（頻率）乘以 λ（波長）

將普朗克／愛因斯坦的方程式 E = hf 與上述式子畫上等號，我們可以得到：並透過簡單的代數可以得到……

德布羅意用直接類比的方式，主張他的關係式不僅適用於光子，也適用於電和所有粒子。

λ = h/p ……

也就是（波長）＝（普朗克常數除以動量）

對電子來說，下式

動量 p = (m)(v) =（質量）（速度）

可以很輕易地以實驗驗證，因此可以從德布羅意的方程式來預測波長。

對大多數物理學家來說，這個概念看似荒謬。電子是一種粒子，自從湯姆森 1897 年發現電子以來，古典物理學家一直都這樣認為！

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

想像一個全壘打王，面對前方的來球，大棒一揮，球越過了全壘打牆，到了牆的另外一邊。

但假如，那個全壘打牆變成了兩層樓高呢？也許，他更大力地擊球（給球更多的能量），那顆球還是能夠飛越過全壘打牆，到牆的另外一邊。但如果，那全壘打牆變成了三十層樓高呢？我想會認為，除非靠機器，否則再厲害的全壘打王，不管用了多少力氣，他應該都無法讓球飛過三十層樓那麼高。

上述的例子，正顯示了我們日常生活中的物理原則：只要物體（球）的能量不足以跨越障礙物（牆），那麼它永遠不可能到達障礙物的另一側——但是，在量子的世界，卻不是這樣。

粒子是怎麼跨越各種障礙的？

量子力學裡，一個粒子具備的能量即使不足以跨越障礙，它仍然有小機率會出現在障礙的另一邊；而且，若粒子的能量跟跨越障礙所需要的能量愈接近、或是說只少一點，那麼這個粒子出現在障礙另一邊的機率就愈大。

這樣神奇的現象，彷彿就像是粒子挖了隧道穿過障礙一般（儘管並沒有真的隧道），所以稱為「量子穿隧」效應。

不過，在丟球的例子裡，我們可以想像，若是牆愈高或愈厚，那麼球就愈難飛過牆壁。同樣地，在量子力學的情形下，雖然粒子有可能在能量不足的狀況下穿過障礙，但要是障礙無限高或無限厚的話，那麼粒子就還是過不去的。

事實上，量子穿隧效應跟我們先前提到的「物質具有波的特性」非常有關係。想像水池中間有一顆大石頭，池中的水波在遇到石頭這個障礙物時，會從旁邊繞道而過；但如果是一般物質，一旦遇到障礙物就直接被擋住了，沒辦法繞道而行。

就是因為在量子世界，物質也具有波的特性，我們才會看到粒子的穿隧效應。儘管量子效應感覺很奇特，但它在很多方面都有實際的影響。

例如，我們知道太陽核心是依賴核融合反應來產生能量；在過程中，會將兩個氫原子核，融合成更重的原子核。但因為氫原子核都帶正電，要抵抗正電荷間的排斥力，將它們融合在一起，其實非常困難。也幸虧有量子穿隧效應，太陽內部的氫原子核才能克服電荷排斥力的阻礙，順利融合在一起，並製造能量。

所以，在地球的我們，能夠享受到太陽的光和熱，說起來也要感謝量子穿隧效應呢！

——本文摘自《阿宅聯盟：量子危機》，2022 年 11 月，未來出版，未經同意請勿轉載。

想像我們往水池內丟兩顆石頭，以石頭的落點為中心，會個別產生漣漪，在水面上擴散開來。

而當兩個漣漪互相接觸時，交會之處的水面其實同時反應了兩個漣漪的影響；可以說，兩個漣漪疊加在一起了。漣漪是靠水傳遞的一種波，稱為水波；而「疊加」的現象，就是屬於波的一種特性。

物質的波，也就是物質波，同樣存在疊加的特性。只不過，物質波跟水波不同的地方在於，它不需要依賴「水」這種實際的東西來傳遞，而是一種「機率波」。機率波的數學形式長得像波，而它代表的，是量子系統處於不同狀態的機率分布。

量子系統的狀態：機率波

當我們在描述量子系統的狀態時，就會用到「機率波」的概念。舉例來說，在電玩遊戲中要是打怪成功，死掉的怪物會留下寶物。怪物可能有 50% 的機率掉落寶物 A，也有 50% 的機率掉落寶物 B，但我們不會在事前就知道怪物會留下哪種寶物。

所以，怪物可以說是同時擁有「掉落寶物 A」和「掉落寶物 B」這兩種狀況，直到我們成功打完怪，才能確定牠究竟帶哪一種寶物。類似地，機率波告訴我們的，就是量子系統「有多少機率處於狀態 A、又有多少機率處於狀態 B」的資訊；如同兩個水波在水面上疊加，A 和 B 這兩個狀態同時存在這個量子系統上。所以，我們把量子系統「同時處於不同狀態疊加」的狀況，稱為「疊加態」。

另一方面，也跟打完怪物才知道掉什麼寶物類似，在我們實際觀測量子系統前，並無法知道會看到狀態 A 還是狀態 B，要觀測完才會知道。因為量子疊加的特殊性質，科學家想到，或許可以拿來做一些實際的運用。

例如，在現代的電腦運算中，「位元」是資訊的最小單位，可以用 0 或 1 這兩個數值來表示。那麼，我們也許能夠把「同時存在兩種不同狀態的量子系統」當作位元使用，讓它的兩種狀態分別代表 0 跟 1 來儲存資訊，而這就被稱為量子位元。

由於物理性質的不同，量子位元在某些狀況下，可以運算得比傳統位元更有效率；利用量子位元建構的電腦，就稱為量子電腦。雖然目前已經有少數量子電腦問世，能以最多一百多個量子位元進行運算，但要能大規模運用在日常生活中，除了要再想辦法增加量子位元之外，還有許多難題要克服，所以，現在就先讓漫畫的想像來代替很可能成真的未來吧。

——本文摘自《阿宅聯盟：量子危機》，2022 年 11 月，未來出版，未經同意請勿轉載。