德布羅意誕辰 │ 科學史上的今天：8/15

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光究竟是粒子還是波？這個問題自古即爭論不休，沒有定論。直到 1704 年牛頓出版《光學》一書，微粒說才因牛頓的崇高地位而壓過波動說，成為主流。不過，百年以後楊氏（Thomas Young）以雙狹縫實驗證實光具備波才有的干涉現象，後來法國物理學家菲涅耳（Augustin Fresnel）又提出更明確的實驗與理論，波動說自 1820 年代起又取代了微粒說。

沒想到 1900 年，普朗克提出量子的概念作為光的能量單位後，愛因斯坦竟又在 1905 年的論文中直接把光當成粒子，成功解釋了光電效應。然而已經普遍接受波動說的科學界大多無法認同，例如密立根就企圖以實驗駁斥光子說，只是沒想到他 1916 年得出的實驗數據反而吻合愛因斯坦的理論。即使如此，許多人仍對光子說持保留態度，最終能一錘定音，讓大家接受光也是粒子的，正是美國的物理學家康普頓（Arthur H. Compton, 1892－1962）。

康普頓於 1916 年取得博士學位後，當了一年講師，然後到西屋公司研發利用氣體放電的鈉燈。兩年後他前往劍橋大學的卡文迪許實驗室，跟G. P. 湯姆森一起研究 γ射線的散射。他對於散射後的γ射線變得比較容易被晶體吸收感到奇怪，因此 1920 年返國後，即開始用 X光作散射實驗。

透過光譜儀，康普頓發現部分散射後的 X光波長變長了，但正常而言，波反彈後不應該改變波長啊？另一方面，波長變長意味著能量變小，那麼短少的能量顯然是被晶體的電子吸收了。康普頓再從各種不同角度測量散射後的 X光，發現損失的能量與散射的角度有絕對的關係。

1923 年，康普頓發表論文提出解釋：如果將 X光散射視為光子與晶體中的電子像撞球那樣彼此相撞，那麼根據動量守恆所計算出來的結果，完全符合各種散射角度所測得的實驗數據；他並給出了「康普頓頻移公式」描述波長變化與散射角度的關係。也就是說在 X光散射中，X光表現得就像是粒子。

康普頓的實驗數據極為精確，難以挑剔，這多少歸功於他之前當研發工程師時的經驗，而能將測量儀器改造得更為靈敏。此一「康普頓效應」終於說服了原來存疑的物理學家接受愛因斯坦的光子說，光的波粒二象性從此成為共識，量子力學也因此有了牢固的基石。1927 年的諾貝爾物理獎因此頒獎給康普頓，以表揚他的重要發現。

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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• 活動記錄/簡克志

科幻電影裡的現象，常和我們日常生活所見有巨大差異，這也是科幻電影吸引人的很大一個主因。如果我們擁有高超的科技，這些情景是有可能真實發生的嗎？或它們已經違反物理定律，是無法實現的呢？

2019泛知識節邀請到香港天文物理學家余海峯，余海峯是《物理雙月刊》副總編輯及《泛科學》專欄作者，他也和朋友合著了天文學科普書籍《星海璇璣》，是難得的香港科研與科普專家。在泛知識節的演講中，他透過物理的角度，探討電影劇情真實發生的可能性，與大家分享他對科幻的看法。

主題一：「瞬間轉移」——蟲洞、量子穿隧效應與量子糾纏效應

在演講中，第一個討論的科幻主題是「瞬間轉移」。余海峯認為可以將之分為三類。

第一類是哆啦A夢的任意門類型，就是對應科學概念中的蟲洞。雖然愛因斯坦的相對論不允許超光速移動，如果能把時空中的兩點直接接通，就可以瞬時穿越非常遠的距離。

蟲洞是廣義相對論方程組的解，所以理論上宇宙中是可以存在蟲洞的。不過，物理學家還不知道在什麼情況下，蟲洞才會形成。而且，在瞬間轉移的時候，要如何保持打開的蟲洞，也是未知之數。

第二類是《星艦迷航記》(Star Trek) 裡面的傳送裝置。科幻影集裡面，傳送裝置會把人分解成基本粒子，然後傳送到目的地再設法重組。余海峯認為傳送過程中對應科學概念中的「量子穿隧效應」，把分解出的基本粒子發射出去，可以穿越非常遙遠的距離。

但是近期一份投稿《Nature》期刊的科學研究顯示，量子穿隧效應的速率依然是光速，故無法達到瞬間轉移的效果。另外，余海峯提到，就算全宇宙的原子都變成電腦，也不足以記憶人體身上所有資訊，所以再重組為人是不太可能的。

第三類是運用量子糾纏效應的傳送裝置。這種科幻裝置不需要傳送基本粒子本身，只需要傳送粒子的資訊即可，把人分解之後存取資訊，告訴目的地如何重組，直接在目的地製造新的人。因為要瞬間轉移，就必須要超越光速，所以傳送資訊的方式對應「量子糾纏效應」，兩個量子態互相糾纏的粒子，他們會互相記得對方的狀態。無論距離多遠，只要確定某一方的狀態，即可瞬間對應地確立另一方的狀態。

將這種對應關係予以精細編碼，就可以拿來傳送科幻裝置的人體資訊，然而不僅要告訴目的地如何重組，還需要告訴目的地人體有哪些基本粒子，目前在科技上仍難以實現。

第二類和第三類這兩種瞬間移動的傳送裝置，還會引發一個哲學問題：因為原本的人已經被分解了，傳送過去的人還是原來的那個人嗎？可以在科幻作品發掘科學與哲學的反思，是科幻有趣的地方。

「巨大化」與「縮小化」的可能性

接下來談論的第二個科幻主題是「巨大化」。余海峯認為可以分成兩類，其一是把身體按比例放大，原子總數量不變，原子總體積增加，身體重量增加，無視物理定律。另一類是在變大的時候，原子大小不變，透過瞬間傳送很多原子，把空缺填滿，余海峯認為此類在未來較為可能實現。

然而，巨大化之後呢？余海峯重述之前發表在的文章〈《進擊的巨人》物理學（上）：變身巨人的那一刻就註定了人類的勝利？〉的概念  ：陸上生存的動物不可以太高太重，否則就算沒被自身體重壓碎內臟，肌肉也不夠力量移動身體。這是因為站立行走受的壓力是以長度平方遞增，但體重則是以長度立方遞增，所以越巨型的動物就越需要粗壯的腳部支撐身體，體型亦越笨重。

如果像《進擊的巨人》那樣把人按比例放大，理論上是站不起來的，身體肌肉無法支撐身體的重量。所以目前全世界體型最大的動物－藍鯨，因為生活在有浮力的環境，才能稍稍解放重力帶來的限制。

第三個科幻主題的「縮小化」，例如科幻電影「蟻人」。余海峯認為一樣可以分為兩類，其一是等比例縮小構成物體的原子總體積，但是這改變了基本力的作用方式，違反物理定律。其二是保持原子原本的物理特性，透過拿走原子來達到縮小化的效果，但是生物身體一旦缺少資訊，例如大腦少了很多神經元，生物也難以維持縮小前的認知能力。

有可能有超光速飛行嗎？

第四個科幻主題是「光速或超光速飛行」，例如Star Trek裡面的Warp Drive（曲速引擎）。光速飛行本身就已經不可能，質量非零的物體不可能到達光速，因為要加速到光速需要的能量為無限大。如果要達到超光速，通常是以空間翹曲或空間折疊來達成，類似任意門的概念。

那麼，如果真的到達超光速，會發生什麼事？時間會倒流。但是，余海峯說他學生問了一個問題：到達超音速時，聲音會延遲，好像時間倒流，事實上並沒有。那麼，到達超光速時，時間會倒流會不會只是一種錯覺？目前並沒有答案。

太空中的失重並不等於無重力

第五個科幻主題是「無重力狀態」，例如《2001太空漫遊》裡面的太空殖民地，很常看到太空沒有重力的描述。余海峯認為是極大的錯誤，因為重力場是沒有邊界的，太空依然有重力，地球才能環繞太陽旋轉。

「無重力狀態」這個詞不夠精準，太空人離開地球在太空飄浮，其實是自由落體的「失重」，只是因為太空船有推進速度，才不至於掉落地表，形成圍繞地球的圓周運動。

科幻電影裡的戰爭武器

第六個科幻主題是「雷射劍和雷射槍」。但是根據波粒二象性，光具有波動特性，光劍是不可能格檔其他光劍的，劍與劍會互相穿越。雷射槍按理說是敵人見光即死，但是《星際大戰》角色卻可以用光劍格檔雷射槍攻擊，頗不合理。

第七個科幻主題是「太空戰爭」。太空戰爭其實不會像電影那樣呈現史詩級場面，因為太空是真空狀態，碎片會到處亂飛，只要有一方攻擊，大家都會被碎片砸死。最後，余海峯認為科幻帶來的科學與哲學上的思考，仍然相當有趣。

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1927 年 8 月 4 日，貝爾實驗室的戴維森（Clinton Davisson）與助手革末（L. H. Germer）發現真空裝置的玻璃又破裂時，兩人先是一愣，接著互看一眼，露出會心一笑。一切的起點就是兩年半前的真空裝置玻璃破裂，如今以同樣的方式結束實驗，似乎也是天意。他們決定就此打住，整理數據，撰寫論文。

他們原本的實驗是要用電子束轟炸鎳，然後從電子的散射角度研判鎳的原子結構。1925 年 2 月 5 日這一天，他們才要開始實驗，不料玻璃竟因不耐高熱而破裂，空氣跑進真空設備中，導致高溫鎳靶嚴重氧化。戴維森不想就這樣丟棄鎳靶，決定透過加熱還原反應予以修復。沒想到重作實驗後，電子散射的分佈曲線竟變複雜了。他們檢查鎳靶，發現應該是鎳的部分表面形成排列整齊的晶體所致。

戴維森完全沒有聯想到電子繞射，因為繞射是波才有的特性，德布羅意才剛於 1924 年底提出物質波的假說，薛丁格也還沒提出波動方程式，除了少數幾位量子力學的先驅，根本沒有人認為電子具有波的性質。

1926 年，戴維森到英國參加一個研討會，才得知德布羅意與薛丁格的理論。他向玻恩等人提到自己的實驗，玻恩他們猜測，或許這就是電子繞射的結果，鼓勵他往這方向研究。返回美國後，戴維森與革末製備了單晶體的鎳，用低速電子束從各種不同角度打向鎳晶體，記錄反射結果，最後果然發現某個角度產生了明顯的繞射現象。

1927 年 4 月，他們在《自然》期刊發表實驗結果，比獨立發現電子繞射的 G. P. 湯姆森早了兩個月。但戴維森認為實驗數據與德布羅意的理論仍有些差距，因此又從 4 月開始重做實驗，直到 8 月 4 日這一天，因為真空裝置玻璃再度破裂才結束實驗。這一次的實驗數據與德布洛伊的「物質波」公式完全吻合，證實了物質就是波，也為剛萌芽的量子力學注入強心針。

德布羅意隨即於 1929 年獲頒諾貝爾物理獎，四年後，薛丁格也獲獎；而戴維森也與 G. P. 湯姆森共同獲得 1937 年的諾貝爾物理獎。

一個搞砸的實驗，最後竟然換到一座諾貝爾獎，所謂「塞翁失馬，焉知非福」大概就是這麼回事吧！

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