NASA計畫打造宇宙中最冷的地方—低溫原子實驗室

• 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。

「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！」

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。

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。

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。

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！

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。

「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。

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。

量化或量子化

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。

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。

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。

延伸閱讀

• 「微中子的故事」（科學月刊2016年11月號）或《我愛科學》（華騰文化有限公司，2017年12月出版）。
• 「思考別人沒有想到的東西—誰發現量子力學？」（泛科學，2022/06/01）。
• 「不用數學就可以解釋—相對論的著名想像實驗雙胞胎悖論」（泛科學，2022/08/26）。
• 「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」（泛科學YouTube影片，2022/10/01）。
• 基本粒子的標準模型 （泛科學，2018/10/09）。

時事話題

NEWS｜近年來，「量子」成為科技領域最新的關鍵詞或流行語，量子科幻電影也不遑多讓，例如《蟻人與黃蜂女》、《復仇者聯盟 4》描述的世界和科技想像，皆連結量子的概念。

雖然科幻片吸引人的主因可能不在科學本身，或其採用的科學理論並不見得完全依循嚴謹的科學研究，例如時間旅行、超能力等。但不可否認那些關於科技的想像，已讓觀眾深深著迷，並啟發無限的想像力，而且說不定多年後，可能實現電影的情節。

熱門的量子科幻電影

經典的量子科幻片多，而且無法用古典物理學解釋裡面的部分元素，例如 1966 年《星艦爭霸戰》（Star Trek），描述艦長寇克與艦員，在 23 世紀的星際冒險故事，其後又衍生動畫影集和電影。

《星際爭霸戰》中，最引人注目的創意之一是傳送器，這是電影裡一種常見的近距離旅行的方式，能將人體或物質分解為量子，並將量子傳送到終點後重新組合。雖然只有在科幻片或魔術表演中可以看到傳送器現象，但傳送的概念與現在的量子遠端傳輸，其實有些異曲同工，只是量子傳輸只能傳送與複製訊息，而非物體本身。其他如 1985 年的《回到未來》系列影片也可說是跨時空傳送的想像。

2020 年上映， 英國與美國合拍的科幻動作片《天能》（Tenet），則是一部融入幾個科學幻想元素的電影。這部電影是大導演諾蘭（Christopher Nolan）的創新燒腦名作，如果沒有一點科學知識，很難一回就看懂整部電影的故事情節。

這部影片不僅在網路聲量高，引發熱烈討論，其中隱含的各種劇情，除了科幻片中常見的祖父悖論外，天能不斷地在多重宇宙間往復穿梭，此想法是基於多個量子位元的高維次，在空間中不斷往復式的操作。劇情複雜的程度，甚至連劇中演員也常不知到底在拍什麼，一直到電影剪接完畢才初步了解。

量子力學另一個重要的概念是量子糾纏。1990 年的《第六感生死戀》（Ghost）敘述一位被殺的男子，死後心有不甘而化為鬼魂， 與女友心電感應，並將謀殺他的幕後兇手繩之於法；2014 年上映、曾經在臺灣取景的法國科幻動作片《露西》（Lucy），主角露西是一個 25 歲的美國女子，居住於臺北市，她意外吸取抑制藥品後，大腦功能快速進化，可以產生心電感應及念力，甚至具有讀心術，可讀取他人記憶。

其他科幻片中也常用心電感應，例如《星際爭霸戰》中瓦肯人特有的心電感應能力，能透過觸摸他人臉部達成心靈相通，分享對方的意識、經驗、記憶及知識。心電感應是指不借助任何已知工具，而能將訊息傳遞給遠方另一個人的現象或能力，常被稱為第六感，至今尚無法以科學證實這種超級本能。

有些人喜歡把量子糾纏與心電感應連結在一起，主要是量子糾纏有遠距離的影響，而且一旦量子測量後，就出現相互影響，這些與心電感應的一些基本要素有些相似。然而，量子糾纏是嚴謹的科學，是可以控制而且可以重現的科學現象，這又與心電感應截然不同。

不過科幻影片喜歡呈現這種特殊能力，對這類科幻情節的喜好，也反映人類期待的未來世界的輪廓。近期臺灣的導演也有拍攝量子科幻影劇的計畫，例如周美玲導演的《Q18》作品，就將量子疊加、量子糾纏、量子量測，甚至量子不可複製性都融入劇情中。

量子穿隧效應

另一部很有意思的電影，是2018 年上映的《蟻人與黃蜂女》。劇情中，主角「鬼女」愛娃在一場意外後，身體出現量子的變化狀態，竟然可以穿過各種物體！ 

編劇以身體已成量子狀態，合理化愛娃可穿過任何物體，這是發揮科幻的想像力。但依據量子物理的「波粒二象性」，這其實不可能發生，因為以人類的尺寸的物質波，是無法在巨觀體系中被觀測到。為何這樣說？主要是物質波不是電磁波，也不是光速傳遞， 物質波是一種機率分布的概念。

若以一顆棒球而言，棒球快速飛行時，對量子世界而言，其質量太大，造成物質波的波長極短，一般的世界無法察覺波的特性，人的身體也是如此。然而，如果能把一個人分成無數個微粒原子，然後再讓這些原子同時發生量子穿隧效應，當原子穿牆過後，再重新把這些原子組合成人，用這種方式或許可以完成人體穿牆術。只是這些論述已經超越現在科學知識的理解。但在科幻片中，穿牆術的想像仍是觀眾的最愛。

如前面章節所說，量子是一種近代物理的概念，不是像棒球、乒乓球或電子、質子的粒子，它是用來描述電子或光子的能量特性。一個物理量如果存在最小且不可分割的基本單位，則這個物理量具有最小單元的整數倍關係，稱為量子化，並把最小單位稱為量子。

電子等微觀物質，有時會穿透原本理應無法穿透的障礙物。把障礙物想像成一道牆壁的話，電子應該像棒球一樣被牆壁反彈，可是在微觀世界，電子具有「波」的特性，可穿越牆壁這個障礙物， 以電子波的形式通過牆壁，這就是量子穿隧效應，而且不是只有電子才有這種鬼魅幽靈的穿隧能力。但質量愈大的物體，愈不容易發生穿隧效應，所以人類的身體或一顆籃球，雖然穿透牆壁的機率不是零，但與零相去不遠。至於質量極小的基本粒子，穿透牆壁的量子穿隧效應就大得驚人。

——本文摘自《我們的生活比你想的還物理》，2022 年 11 月，商周出版，未經同意請勿轉載。

奧地利的物理學家薛丁格最初閱讀愛因斯坦和德布羅意的論文後，也注意到物質波的概念，並進而闡釋發展成波動力學，促成量子力學誕生。薛丁格的波動力學是後來量子力學的具體論述之一， 薛丁格波動方程式更是量子力學最重要的方程式之一，也是現代人研究發展量子電腦的重要思維。

繼續討論薛丁格的想法前，容我「插播」兩種說法，一種是「哥本哈根詮釋」，一種是「愛因斯坦悖論」。

萬物受機率支配？愛因斯坦可不這麼認為

前面提到電子的雙狹縫干涉實驗，說明在微觀世界的電子具有波動性。在電子的雙狹縫干涉實驗中，為何被觀測到的電子只有在屏幕的一點留下痕跡呢？照理說，在屏幕的任意地方都能發現電子的蹤跡。然而，當我們「觀測」到屏幕的一「質點」的電子的瞬間，電子的波函數立即「塌縮」。

物理學家解釋這是因為電子的波函數與發現機率有關，亦即觀測電子時，電子波會縮小分布範圍， 呈現電子的粒子形式。活躍於哥本哈根的波耳等人認同這種融合「波函數塌縮」和「機率詮釋」的想法，因此成為「哥本哈根詮釋」。至於「電子波為何會塌縮？」是一個未解之謎。

自然界真的受到機率的支配嗎？真的大哉問啊！

愛因斯坦儘管預言光子存在，提出光量子論，但他強烈反駁「機率論」的觀點。對於哥本哈根學派的「機率詮釋」和「波的塌縮」，愛因斯坦以「上帝不玩擲骰子的遊戲」批判哥本哈根詮釋， 完全不能接受哥本哈根學派主張「決定一切事物的上帝竟然會依照擲出骰子出現的點數決定電子的位置」。

愛因斯坦也指摘「幽靈般的超距作用」。他認為未來已經確定，反駁「自然界曖昧不明」的不確定性，進一步指出「自然界並非曖昧不明，而是量子論還不完備，無法正確闡述自然界的緣故」。以上所提，是量子力學發展歷程的觀點論戰的故事，包含 1935 年，愛因斯坦和共同研究者波多斯基（Boris Podolsky）、羅森（Nathan Rosen）聯合發表觸及量子論矛盾的「EPR 悖論」（Einstein-Podolsky-Rosen paradox）。

迄今，我們已經知道微觀世界，電子等粒子會自己旋轉，具有「自旋」的物理量，或直接用專業術語「自旋角動量」，自旋的方向依據量子論會以多個狀態同時存在，並存或疊合。

愛因斯坦等人認為，對於相距非常遙遠的電子，不可能無時間限制，瞬時互相影響；根據狹義相對論的說法，沒有任何物體的飛行速度比光速還快。觀測相距遙遠的兩粒子之一，竟然會在瞬間同時決定兩者的狀態，這樣特殊奇妙的現象，愛因斯坦稱之為「幽靈鬼魅般的超距作用」。

沒錯！又要提那隻貓了

薛丁格曾以「量子糾纏」解釋愛因斯坦論文中的悖論現象，指出互相遠離的粒子的性質，並非各自獨立，而是成組決定，無法個別決定，這個現象是 2022 年諾貝爾物理學獎得獎主題的「量子糾纏」。如果能這樣思考，那麼就不會認為粒子是瞬間傳送並影響到遠方粒子，有如「幽靈般的超距作用」。

談到量子力學，「薛丁格的貓」此知名想像實驗必定會浮現在讀者的腦海中吧？此實驗探討一隻貓的狀態究竟是活或死的，而實驗結果是：貓同時是活和死的「疊加」。如果以古典物理學來思考，會顯得極其荒謬；但若以微觀世界視之，這項理論其實符合電子波粒二象性的機率概念。

根據 1927 年量子力學學派的詮釋，觀察一個量子物體時，會干擾其狀態，造成其立即從量子本質轉變成傳統物理現實。原子及次原子粒子的性質，在量測之前並非固定不變，而是許多互斥性質的「疊加」。此觀念的知名例子就是「薛丁格的貓」實驗。

在這個想像的實驗中，一隻貓被鎖在一個箱子中，並有一個毒氣瓶，在量子粒子處於某狀態下毒氣瓶會破裂，但若該粒子處於另一狀態，則毒氣瓶會完好無損。如果將箱子封閉，此粒子的量子狀態是兩種狀態「共存」的情況，也就是說，毒氣既是已從瓶中放出，又被封存在瓶中，也因此，箱中的貓同時既是活的也是死的。當箱子打開時，由於此量子疊加狀態瓦解了，因此在那瞬間，這隻貓或許被毒死，或許得以保命。

物理小教室

• 索爾維會議

量子力學是近代物理學的重要基石，與相對論被認為是近代物理學的兩大基本支柱，許多物理學理論和科學，如原子物理學、固態物理學、核物理學和粒子物理學，都以其為基礎。物理學界往往會在物理重要會議激盪出重要的論述，例如 1927 年第 5 次索爾維會議，此次會議主題為「電子和光子」，當時世上最重要的物理學家，都聚集在一起討論新的量子理論。

——本文摘自《我們的生活比你想的還物理》，2022 年 11 月，商周出版，未經同意請勿轉載。