為什麼量子電腦這麼難懂？大概就跟 60 年前要聽懂原子筆一樣難！——專訪旺宏電子盧志遠總經理

• 作者／賴昭正｜前清大化學系教授、系主任、所長；合創科學月刊

我不會稱量子糾纏為量子力學的「一般 (a)」特徵，而是量子力學「獨具 (the)」的特徵，它強制了完全背離經典的思想路線。

——薛定鍔（Edwin Schrödinger）1933 年諾貝爾物理獎得主

相對論雖然改寫了三百多年來物理學家對時間及空間的看法，但並未改變人類幾千年來對「客觀宇宙」——「實在」（reality）——的認知與經驗：不管我們是否去看它，或者人類是否存在，月亮永遠不停地依一定的軌道圍繞地球運轉。可是量子力學呢？它完全推翻了「客觀宇宙」存在的觀念。在它的世界裡，因果律成了或然率，物體不再同時具有一定的位置與運動速度……。

這樣違反「常識」的宇宙觀，不要說一般人難以接受，就是量子力學革命先鋒的傅朗克（Max Planck）及愛因斯坦（Albert Einstein）也難以苟同！但在經過一番企圖挽回古典力學的努力失敗後，傅朗克終於牽就了新革命的產物；但愛因斯坦則一直堅持不相信上帝在跟我們玩骰子！因此 1935 年提出了現在稱為「EPR 悖論（EPR Paradox）」的論文，為他反對聲浪中的最後一篇影響深遠的傑作。

1964 年，出生於北愛爾蘭、研究基本粒子及加速器設計的貝爾（John Bell），利用「業餘」時間來探討量子力學的基礎問題，提出題為「關於愛因斯坦（Einstein）－波多爾斯基（Podolsky）－羅森（Roson）悖論」的論文。貝爾深入地研究量子理論，確立了該理論可以告訴我們有關物理世界基本性質的地方，使直接透過實驗來探索看似哲學的問題（如現實的本質）成為可能。

2022 年的諾貝爾物理獎頒發給三位「用光子糾纏實驗，……開創量子資訊科學」的業思特（Alain Aspect）、克勞瑟（John Clauser）、蔡林格（Anton Zeilinger）的物理學家。讀者在許多報章雜誌（如 12 月號《科學月刊》）均可看到有關貝爾及他們之工作的報導，但比較深入討論貝爾實驗的文章則幾乎沒有。事實上貝爾的數學確實是很難懂的，但只要對基本物理有點興趣，我們還是可以了解他所建議之實驗及其內涵的。因此如果讀者不怕一點數學與邏輯，請繼續讀下去吧：我們將用古典力學及量子力學推導出在實驗上容易證明／反駁的兩個不同結果。

角動量與自旋角動量

在我們日常生活裡，一個物體（例如地球）可以擁有兩種不同類型的角動量。第一種類型是由於物體的質心繞著某個固定（例如太陽）的外部點旋轉而引起的，這通常稱為軌道角動量。第二種類型是由於物體的內部運動引起的，這通常稱為自旋角動量。在量子物理學裡，粒子可以由於其在空間中的運動而擁有軌道角動量，也可以由於其內部運動而擁有自旋角動量。實際上，因為基本粒子都是無結構的點粒子，用我們日常物體的比喻並不完全準確¹；因此在量子力學中，最好將自旋角動量視為是粒子所擁有的「內在性質」，並不是粒子真正在旋轉。實驗發現大部分的基本粒子都具有獨特的自旋角動量，就像擁有獨特的電荷和質量一樣：電子的自旋角動量為 ½ ²，光子的自旋角動量為 1。

量子力學裡的角動量有兩個與我們熟悉之角動量非常不同的性質：

1. 前者不能連續變化，而是像能量一樣被量化（quantized）了，例如電子的自旋量子數為 ½，所以我們在任何方向上所能量到的自旋角動量只能是 +½（順時針方向旋轉）或 -½（逆時針方向旋轉）
2. 後者的角動量可以同時在不同的方向上有確定的分量，但基本粒的（自旋）角動量卻不能。

EPR 論文

EPR 論文討論的是位置與動量的客觀實在性；貝爾將其論點擴展到自旋粒子的角動量上,討論兩個粒子相撞後分別往左、右兩個不同方向飛離後的實驗。因曾相撞作用之故，它們具有「關連」（correlated）的自旋角動量；但常識與經驗告訴我們，如果分開得夠遠的話，它們之間應不再互相作用影響，因此我們在任一體系所做的測量也應只會影響到該體系而已。這「可分離性」（separability）及「局部性」（locality）的兩個假設可以説是物理學成功的基石，因此沒有人會懷疑其正確性的。

讓我們在這裡假設粒子相撞後的總自旋角動量爲零。如果我們測得左邊粒子的 B- 方向自旋為順時（見圖一），則可以透過「關連」而預測右邊粒子的 B- 方向自旋應為逆時。因右邊粒子一直是孤立的，基於物理體系的「可分離性」與「局部性」，如果我們可以預測到其自旋的話，則其自旋應該早就存在，爲一「實在」的自然界物理量。

同樣地，如果我們突然改變主意去量得左邊粒子的 C- 方向自旋為順時，則也可以透過「關連」而預測到右邊粒子的 B- 方向自旋應為逆時。但右邊粒子一直是孤立的，因此其 C- 方向自旋也應該早就存在，亦爲一「實在」的自然界物理量。所以右邊的粒子毫無疑問地應同時具有一定的 B- 方向自旋與 C- 方向自旋。同樣的論點也告訴我們：左邊的粒子毫無疑問地也應同時具有一定的 B- 方向自旋與 C- 方向自旋。如果量子力學説粒子不能同時具有一定的 B- 方向與 C- 方向自旋，而只能告訴我們或然率，那量子力學顯然不是一個完整的理論！

貝爾的實驗

貝爾將這一個物理哲學上的爭論變成可以證明或反駁的實驗！如圖一，我們可以設計偵測器來測量相隔 120 度的 A、B、C 三個方向的自旋（順時或逆時）。依照古典力學（EPR），自旋在這三個方向上都有客觀的存在定值。假設左粒子分別為（順、順、逆）；則因總自旋須爲零，右粒子在三方向的自旋相對應爲（逆、逆、順）。在此情況下，如果我們「同時去量同一方向」之左、右粒子自旋，應可以發現（順逆）（順逆）（逆順）三種組合。可是如果我們「同時且隨機地取方向去量」左、右粒子自旋，應可以發現的組合有（順逆）（順逆）（順順）（順逆）（順逆）（順順）（逆逆）（逆逆）（逆順）九種；其中相反自旋的結果佔了 5/9。讀者應該不難推出：不管粒子在三方向的自旋定值爲何，發現相反自旋的結果不是 5/9 就是 9/9，即永遠 ≥ 5/9。

量子力學怎麼說呢? 在同一個假設的情況下, 量子力學也說如果我們「同時去量同一方向」之左、右粒子自旋, 應發現的組合也是只有（順逆）（順逆）（逆順）三種。但量子力學卻說：可是如果我們「同時且隨機地取方向去量」左、右粒子自旋，則會得到不同於上面預測之 ≥ 5/9 的結果！為什麼呢？且聽量子力學道來。

量子力學與或然率

在古典力學裡，如果在某個方向測得的自旋角動量為 +½，則其在任何方向的分量應為 +½ cosθ，如圖二所示。但在量子力學裡，因為不可能同時在其它方向精確地測得自旋角動量，因此分量只能以出現 +½ 或 -½ 之或然率來表示；這與古典力學不同，也正是問題所在。但古典力學到底還是經過幾百年之火煉的真金，因此如果我們做無窮次的測量，則其結果應該與古典力學相同：即假設測得 +½ 的或然率是 P，則

如果角度是 120º，則解得 P 等於 1/4：也就是說有 1/4 的機會量得與主測量同一方向（+½）自旋角動量，3/4 機會量得 -½ 自旋角動量。

讓我們看看這或然率用於上面所提到之貝爾實驗會得到怎麼樣的結果。依量子力學的計算，如果在左邊 A- 方向量得的是順時鐘的話，則因「關連」，右邊 A- 方向量得的便一定（100%）是逆時鐘；但因角動量不能同時在不同的方向上有確定的分量, 故在其它兩方向量得逆時鐘的或然率依照上面的計算將各爲 1/4，因此左、右同時測得相反自旋的或然率只有 ½ ［=(1+1/4+1/4)*3/9，三方向、九方向組合］而己。

實驗結果呢？1/2，小於 5/9！顯然粒子在不同方向同時具有固定自旋的假設是錯的！EPR 是錯的！古典力學是錯的！量子力學戰勝了！貝爾失望，克勞瑟賭輸了！

量子糾纏態

上面提到如果左邊 A- 方向量得的是順時鐘的話，則右邊 A- 方向量得的便一定（100%）是逆時鐘；可是左、右粒子在作用後，早已咫尺天涯，右粒子怎麼知道左粒子量得的是順時鐘呢？量子力學的另一大師薛定鍔（Edwin Schrödinger）從 EPR 論文裡悟到了「糾纏」（entanglement）的觀念。他認爲在相互作用後，兩個粒子便永遠糾纏在一起，形成了一個量子體系。因是一個體系，因此當我們去量左邊粒子之自旋時，量子體系波函數立即崩潰，使得右邊粒子具有一定且相反的自旋。可是右邊的粒子如何「立即知道」我們在量左邊的粒子 A- 方向及測得之值呢？那就只有靠愛因斯坦所謂之「鬼般的瞬間作用」（spooky action at a distance）了！此一超光速的作用轟動了科普讀者³！筆者也因之接到一些朋友的詢問，為寫這一篇文章的一大動機。

可是仔細想一想，在古典力學裡不也是這樣——如果左邊 A- 方向量得的是順時，則右邊 A- 方向量得的便一定是逆時——嗎？但卻從來沒有科學家或科普讀者認為有「鬼般的瞬間作用」或「牛頓糾纏態」去告訴右邊粒子該出現什麼。這「鬼般的瞬間作用」事實上是因為在未測量之前，量子力學認為右邊粒子自旋是存在於一種沒有定值之或然率狀態的「奇怪」解釋所造成的。例如我們擲一顆骰子，量子力學說：在沒擲出之前，出現任何數的或然率「存在」於一種「波函數」中。但一旦擲出 4 後，波函數便將立即崩潰：原來出現 4 之 1/6 或然率立即瞬間變成 100%，其它數的或然率也立即瞬間全部變成零了。但在日常生活中，我們（包括 EPR）從不認為那些或然率「波函數」為一「客觀的實體」，故也從來沒有人問：其它數怎麼瞬間立即知道擲出 4 而不能再出現呢？波函數數怎麼瞬間立即崩潰呢？

事實上從上面的分析，讀者應該可以看出：根本不需要用「右粒子『知道』左粒子量得的是順時鐘」，我們所需要知道的只是量子力學的遊戲規則：粒子的角動量不能同時在不同方向上有確定的分量；即如果 100% 知道某一方向的自旋，其它方向的自旋便只能用或然率來表示。一旦承認這個遊戲規則，那麼什麼「量子糾纏態」或「鬼般的瞬間作用」便立即瞬間消失！這些「奇怪」名詞之所以出現,正是因為我們要使用日常生活經驗語言來解釋量子系統中訊息編碼之奇怪且違反直覺的特性⁴ 所致。

結論

在想用日常生活邏輯或語言來了解自然界的運作失敗後，幾乎所有的物理學家現在都採取保利（Wolfgang Pauli）的態度：

了解「自然界是怎樣的（運作）」只不過是形上學家的夢想。我們實際上擁有的只是「我們能對大自然界說些什麼」。在量子力學層面，我們能說的就是我們能用數學來說的——結合實驗、測試、預測、觀察等。因此，幾乎所有其它事物在本質上都是類比和或想像的。事實上，類比或意象性的東西可能——而且經常——誤導我們。

換句話說，物理學的任務是透過數學計算⁵，告訴我們在什麼時刻及什麼地方可以看到月亮；至於月亮是不是一直那裡，或怎麼會到那裡……則是哲學的問題，不是物理學能回答或必須回答的。如果硬要用日常生活邏輯或語言去解釋月亮怎麼出現到哪裡,那麼我們將常被誤導。

誠如筆者在『思考的極限：宇宙創造出「空間」與「時間」？』一文裡所說的：『空間與時間都根本不存在：它們只是分別用來說明物體間之相對位置與事件間之前後秩序的「語言」而已。沒有物體就沒有空間的必要；沒有事件就沒有時間的必要』，我們在這裡也可以說；「量子糾纏態」根本不存在，它只是用來說明量子力學之奇怪宇宙觀的「語言」而已；沒有量子力學的或然率自然界，就沒有「量子糾纏態」的必要。

註解

1. 讓我們回顧一下在 1925 年最早提出電子自旋觀念的高玆密（Samuel Goudsmit）及烏倫別克（George Uhlenbeck）當時所遭遇到的困擾。如果不是因為他們那時還是個無名小卒的研究生，提出電子自旋的人大概便不是他們了！底下是烏倫別克的回憶：『然後我們再一起去請教（電磁學大師）羅倫玆（Hendrik Lorentz）。羅倫玆不只以他那人盡皆知的慈祥接待我們，並且還表現出很感興趣的樣子——雖然我覺得多少帶點悲觀。他答應將仔細想一想。一個多禮拜後，他交給我們一整潔的手稿。雖然我們無法完全了解那些長而繁的有關自旋電子的電磁性計算，但很明顯地，如果我們對電子自旋這一觀念太認真的話，則將遭遇到相當嚴重的難題！例如，依質能互換的原則，磁能便會大得使電子的質量必須大於質子；或者如果我們堅持電子的質量必須為已知的實驗數值，則電子必須比整個原子還大！高玆密及我都認為至少在目前我們最好不要發表任何東西。可是當我們將決定告訴羅倫玆教授時，他回答說：「我早已將你們的短文寄出去投稿了！你們倆還年青得可以去做一些愚蠢的事！」』。後來呢？電子自旋的概念在整個量子力學的系統裏，脫出了「點」與「非點」這類的爭論，而被物理學界普遍接受。今天當物理學家用「電子自旋」這一術語時，有他們特定的運作定義，絕不虛幻，但也絕不表示電子是一個旋轉的小球（因為那將與實驗不符）；但是有時把電子看為自轉的小球，可以幫助我們理解與教育初學者。
2. 單位為普朗克常數（Planck constant）除以 2π。
3. 玻爾（Niel Bohr）：「那些第一次接觸量子理論時不感到震驚的人不可能理解它。」
4. 這種量子效應以前一直被認為造成困擾，導緻小型設備比大型設備的可靠性更低、更容易出錯。但 1995 年後，科學家開始認識到量子效應雖然「令人討厭」，但實際上可以用來執行以前不可能處理的重要資訊任務，「量子資訊科學」於焉誕生。
5. 薛定鍔：「量子理論的數學框架已經通過了無數成功的測試，現在被普遍接受為對所有原子現象的一致和準確的描述。」

延伸閱讀

• 「愛因斯坦的最後一搏⎯EPR悖論」，《科學月刊》，2016 年 5 月號。
• 『量子糾纏態的研發:再談「愛因斯坦的最後一搏－EPR 悖論」』，《科學月刊》，2022 年 12 月號。
• 『思考的極限：宇宙創造出「空間」與「時間」？—宇宙觀的發展史（下篇）｜20 世紀後』，《泛科學》，2023 年 5 月 17 日。
• 「思考別人沒有想到的東西──誰發現量子力學？」，《泛科學》，2022 年 6 月 1 日。
• 《我愛科學》（華騰文化有限公司，2017 年 12 月出版）：收集筆者自 1970 年元月至 2017 年 8 月在《科學月刊》及少數其它雜誌所發表之文章。內含「電子自旋」、「愛因斯坦的最後一搏－EPR 悖論」。

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。

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。

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。

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。

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。

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！

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。

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。

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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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。

「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。

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。」

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。

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。

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。

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。

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：

「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。

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）。

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。」

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。

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。」

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。」

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。

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。

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。

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 years. Physics Reports, 894, 1–116. 
4. AMS Collaboration, Aguilar, M. A., . . . Zuccon, P. (2019). Towards Understanding the Origin of Cosmic-Ray Positrons. Physical Review Letters, 122(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》。