物理學家打造出第一個單光子路由器

功與工作

有些大家慣用的字彙常常會被專業學科借用，專家賦予這些字新的定義，比平常的意思更具體、也更有技術性。物理學有個例子是「功」（work）。如果向一個粒子施加定力，並推動一段距離，你所做的功就定義為施力（沿著粒子運動方向的分量）乘上粒子移動的距離。

這是個很具體的物理量，實際上也是能量的一種形式。做多少功，物體的能量就會增加多少。顯而易見的，這個定義和日常生活中我們對工作（work）的理解有點相關：世人為了完成一些目標（大多是想獲取金錢報酬），而費心費力工作。

不過，物理所講的功有明確的意義，使用的範圍也很清楚；相較之下，平常大家說的工作的意思就有些模糊，泛指很多事情。

動力與動量

動量（momentum）這個字看來不太一樣。物理學的動量是 γmv（相對論的珈瑪符號乘上物體靜止質量、再和物體速度相乘），是一種量化方式，用來描述粒子以已知速率往某個固定方向持續前進的傾向。若粒子的速率遠比光速小，γ會非常接近一， 所以能省略掉。

而更廣義的動力（momentum）用來指稱政治運動，或其他社會變動及政策背後的推力。同樣的，一件事的動力愈大，也暗示它愈難停下。不過，這些領域都沒有明確定義何謂「動力」。

物理學中的「場」

到目前為止，我試著不要太常用一些字，但在之後的章節這些字會很常出現。其中一個就是「場」（-eld）。通常場是一片平坦土地的代稱，上頭種了些植物，可能有農夫在照顧，也許還會有幾頭乳牛。

此外這個字也可以代表特定的研究領域或專業，往前翻你就會知道我已經用過這個意思了。這兩個意思其實也可以合併使用，像在解釋稻草人為什麼可以獲得終生教職的時候，就會用到。

物理學的「場」有個更技術性，但還是和前面意義相關的定義。物理學家說的場是個物理量，在空間中某個區域的每個點上都有特定的對應值。如果你待在一個房間內，就可以用各式各樣的場來描述這個環境。身為一位物理學家，你或許會這麼做：

首先你要想出一個方式來明確指出房間中的每一個點。有個好辦法是先選定房間地面的某個角落為「原點」。

然後選取交於原點的其中一個牆面，沿著地面平行於這面牆的方向走過一段距離（稱為x）；接著再順著平行另一面牆的方向走一段（稱為y），你就能碰到地上所有的點。進一步的，只要往上走段距離（叫作z），就可以抵達房間內所有的點了。你需要的只有三個數字：x、y、z。

幾種有用的場

現在可以來談談幾種有用的場了。舉例來說，溫度就是一種場，房間裡的每一點都有一個溫度值。假設平均來看，我們說房內的溫度是攝氏二十一度；如果房間中每一處的溫度都和平均值一樣，那麼你得到的就是一個常量場（constant field）：場的值和點的位置無關，也就是和x、y、z沒有關係。

然而，天花板附近的溫度很有可能比地面的高出一點，因為熱空氣的密度比冷空氣小，會升向天花板。我們可以用某個場來描述溫度與高度的關係，好比T(z)，換句話說，溫度T只和高度z有關。

T是z的函數（function。另一個生活常用字「功能」，這次是被數學家借去用了），可能像T(z) =20.5 + 0.5z，這裡的z以公尺為單位、而T以攝氏溫標（℃）為單位，舉例來說。在兩公尺高的房間內，地面的溫度是 20.5 + 0.5×0 = 20.5℃，而天花板的溫度則是 20.5 + 0.5×2 =21.5℃。

至於天花板和地板之間其他每一點的溫度，都可以用這個溫度場的函數計算出來。其他的場可以用來描述不同的事情，好比空氣密度，或甚至是噪音量。

以上所談的場在每個點都只由一個數字代表。這些場有大小，卻沒有方向。因此我們稱它為「純量場」（scalar -eld）。「純量」（scalar）代表只有大小、卻沒有方向的東西。

某些種類的場則擁有方向，我們叫這種場為「向量場」（vector field）。我之前有提到一些向量場的例子，像是大型強子對撞機的磁鐵製造的電場與磁場。這個房間也有重力場這個向量場。重力場在房內的每一點都有個值（力的大小大約是每公斤九．八牛頓），以及方向（指向地面）。

實際上，電場和磁場都是量子場，重力場可能也是，但科學家還不清楚相關理論。在日常用途中這件事常被忽略掉，但如果你在極小的尺度下觀察這些場，就會發現它其實不是個數值連續體，而是底層的量子場中一連串離散（discrete，意思是不連續，如階梯般一級一級，而不是如漸層色彩一樣柔和變化）的量子、或激發（excitation）的總和（疊加）。

這些激發有點像是波又有點像粒子。電磁學的量子理論―量子電動力學擁有兩個場，分別是光子場以及電子場。我們量測到的電磁波，或是獨立的光子及電子，都是這兩個場的激發。這裡我們又看到一個科學家借用日常名詞的例子。很明顯「激發」和平常我們的用法緊密相關，因為量子場論是個扣人心弦（exciting）的理論。

無論是不是量子理論，場的概念都是一樣的。場是個物理量，在你感興趣的空間範圍內的每一點，都擁有對應的值，可能是單純的數值或是很多個量子的總和。

——本文摘自《撞出上帝的粒子：深入史上最大實驗現場》，2022 年 12 月，貓頭鷹出版，未經同意請勿轉載。

• 作者／傑容‧藍尼爾（Jaron Lanier）；譯者／洪慧芳

我們周遭充斥的可笑錯誤？！

有一件事，我一直拖著不談：為什麼你在科幻電影、概念影片、電視節目中看到的多數 VR 是不可能實現的？原因說起來實在令人感傷。

我們一再看到他們讓虛擬的影像浮在半空中。《星際大戰》裡的莉亞公主（Princess Leia）就是那樣，這幾乎已經成了普遍的作法。

我不介意科幻片出現這種場景，但國防承包商及宣傳 VR 產品的公司也在影片中搞這種騙人的演示。還有人在「群眾外包」網站（Crowdsourcing）上用這種方式來欺騙大家投資。

更糟的是，這一切往往是以一種自欺欺人的方式發生！我常遇到軍方或科技業的高層人士深受那些影片中的浮動全像圖所吸引（而且那些影片還是他們自己委託製作的），並投入大量的資金去做那種實際上不存在的技術，至少到了現在都還不存在。

這個問題代價不斐！多年來，由於大家認為虛擬的東西可以隨意投射在現實世界的半空中，而不是投射在特殊的光學表面上，或不需要配戴頭戴裝置或藉由其他的干預來實現，我們因此浪費了大量的資金。我隨便數幾筆，那些金額就高達數十億美元。

那是不可能的！好吧，我也知道科幻大師亞瑟．克拉克（Arthur C. Clarke）的名言：當專家說某件事不可能時，最後幾乎都可以證明他是錯的。也許有一天我們可以操縱一個異常強大的人造重力場，讓它和光子互動，在房間裡把它們精確地折射，而且又不會撕裂旁觀者的肉體。或許不是絕對不可能，但是在現今可選擇的世界裡，是完全無法想像的。

原因在於：物理學家現在已經非常瞭解光子了。描述光子的量子場論在預測每個實驗的光子行為時，幾乎已經達到百分之百的完美預測。

我們確切知道的一點是：光子內部沒有任何記憶暫存器，無法記住未來的軌跡變化指令。它們一旦朝著某個方向行進，只會一直前進，直到遇到折射它們的物體。

這意味你不能把一個光子發送到一個房間裡，並要求它照著預先設定的那樣右轉，轉到你看得見的地方。你必須看著或看穿一個實體的東西，那是光子進入你的視網膜之前所碰到的最後一個東西。

這個最後一個光學物件，可能是最初產生光子的螢幕中某個像素（一般電視機或電腦螢幕就是如此）；也可能是鏡面反射的光子波陣面（你看自己刷牙時就是如此）；或是一些光子用力穿透玻璃鏡片，最終朝著修正的方向前進（一般的眼鏡就是如此，我們稱之為折射）；或是光柵或全像圖中的微觀結構可能為光子指引方向（我們稱之為繞射）。

但是，在瘋狂科學家的目鏡或特務的槍管前，不會有虛擬的物體浮在空間中，像肉眼看到那樣。我知道揭露這樣的真相令人失望。¹

第三十二個 VR 定義：一種常被誤解的科技，大家以為能利用它把全像圖投射在半空中，但實際上做不到。

你可以感受到我的無奈。為什麼投資人和軍事規畫者那樣的聰明人竟然難以理解這個道理呢？那感覺好像在說服大家別買昂貴的假藥。人類喜歡相信不可能的事情。

幸好，我們有很多方法可以為 VR 設計可行的顯示器。每當我覺得所有可能的 VR 策略都已經發明出來了，就會有人提出奇怪的新點子。只要你願意嘗試，你會發現那些可能的作法比不可能的作法還要有趣，也更好玩。

各種形式的視覺 VR 儀器

底下那張圖是根據 VR 裝置為了創造虛擬幻象而介入的位置，整理了多種 VR 可行的光學演示方式（亦即相對於不可能的懸浮式全像圖）。我們剛創立 VPL 時，我畫了一張類似這樣的簡圖，以決定我們該製造頭戴裝置或其他種視覺裝置。

這張圖中列了九種 VR 顯示器，共有十七種方式可以顯示 VR 的影像，但這還不是完整的清單！我知道這張圖可能會嚇到沒有技術背景的人，但其實裡面只有幾個重點需要瞭解。

我最喜歡使用「近眼顯示器」（我們熟悉的 VR 頭戴裝置，例如舊式的眼機或現在的 HoloLens），所以我把那些選項框起來，但我幾乎用過這張圖中顯示的每種裝置。這個清單之所以不完整，有個原因在於我和同事都希望能再增添新的項目，故我現在還不打算透露這些資訊。

為什麼這張圖要畫得這麼複雜呢？為什麼要列那麼多項？原因在於，任一形式的視覺 VR 儀器都不是終極的完美設計，每個 VR 顯示器各有其優缺點。我期待各種 VR 裝置都可以在世界上找到合適的定位。

VR 終究是跟人及大腦有關，所以我是以大腦為中心來整理各種 VR 的使用方式。

從 VR 科學家的角度來看，觀感是根據距離和位置的區域來區分，每個區域強調不同類型的注意力和觀感。例如，你觀看「可用手操控的現實」和觀看「遙不可及的東西」時，兩種觀看方式是不同的。例如，在兩者的分界上，在靠近你的那一邊，立體視覺最重要。

我們也會進一步區分「你聚焦的東西」（在你眼前）和「你周遭的東西」（外圍視覺），兩者需要的敏銳感不同。你對周圍的某些運動、地平線，甚至稍微不同的顏色會更加敏感，尤其是在黑暗中。設計良好的 VR 頭戴裝置會把這些細節都納入考量。

圖中有一條很長的水平線。線的下方是只能看到虛擬東西的 VR 裝置；線的上方則是混合實境，又稱為擴增實境，你會看到虛擬與現實交織在一起。

註解：

1. 有幾種方法可以稍微偽造出不可能的狀況。你可以用強大的雷射加熱空氣，直到它離子化，藉此在半空中創造出發亮的藍色小星星。少量的那種閃光可以充分地協調及回補，以形成初步的 3D 浮動幻象。（這是一般人預期充滿活力的日本 VR 研究圈可能做出來的極端 VR 實驗。）參見連結。
   空氣不是虛無的，它會稍微彎曲光線。協調密集的聲波時，有可能創造出密集的氣囊，把光線彎得更大，但還不足以把光子從房間的中央硬是轉向眼睛。但也許有辦法至少做出很炫的演示。據我所知，還沒有人初步利用這種方法來演示不可能的景象，但遲早可能會有人這樣做，那實在是非常不切實際的作法。
   目前為止，最接近讓全像圖浮在半空中的方法，可能是我那位充滿創意的朋友肯．珀林（Ken Perlin）創造出來的原型。肯的裝備使用不可見光雷射，掃描一個懸空小空間的灰塵，接著馬上以較強的可見光雷射來照亮那些灰塵粒子以製造效果。雖然讓灰塵亮起來的方法有點效果，但最後的結果難免是模糊、昏暗、斑點狀的。另外還有一些類似的方法：一台明亮的投影機可以把圖像投射到房間裡的任何實體物件上。微軟研究院的一些同事，尤其是安迪．威爾森（Andy Wilson），已經探索過讓投影的圖像配合房間裡已有的實體物件可以創造出什麼。那樣做可以營造出房間正在跳動的幻覺，以及其他有趣的效果。
   如果實驗者戴著 3D 眼鏡，就可以把 3D 圖像注入房間的體驗中，但那樣做就偏離了「無眼鏡」的幻想。如果你剛好特別喜歡光滑、但非亮面的純白室內裝潢，你可以把整個房間當成一般的投影表面。這種效果在舞台製作以及一些精心策畫的互動式藝術場景中很實用。藝術家麥克．奈馬克（Michael Naimark）是使用這種方法的先驅。這種方法有時稱為「投影擴增實境」（projected augmented reality），這方面有很多相關的文獻。

——本文摘自《VR萬物論：一窺圍繞虛擬實境之父的誘惑、謊言與真相》，2019 年 11 月，網路與書出版

• 文／Sadri Hassani｜Professor Emeritus, Illinois State University
• 譯／林中一｜國立中興大學物理系教授

「山寨科學」在過去的幾十年內正快速的蔓延。營養補充品與「順勢醫療法」在江湖術士運用媒體的鼓吹之下已成了億元級的企業。網路上充斥的自命專家已經蠱惑了大批無知的群眾，準備簽下了請願書以強加他們反科學的需求於食品及農業企業。

主流的大學如哈佛、耶魯、史丹佛都已經有了國家衛生院所出資成立的所謂「整合健康中心」。這些所謂的「中心」提供各種包括針灸、「靈氣」、氣功與「吠陀醫學」等等課程。老牌的愛思唯爾出版社（Elsevier）現在也出了一份期刊 《探索》（Explore）為所謂「另類醫學」與「整合醫學」等山寨科學提供了傳播的平台。

2014 年該期刊刊登了一篇〈後物質主義者宣言〉，將所謂「超心理學」與「瀕臨死亡經驗」提升到量子力學的層次 [1]。具有影響力的美國《赫芬頓郵報》（Huffington Post）甚至將該「宣言」的作者與思想先行者如哥白尼、刻卜勒與愛因斯坦並列[2]。

在造成山寨科學大行其道的諸多因素裡，各種對近代物理——特別是量子力學的歪曲誤解顯得特別顯著。這些誤解肇因於上個世紀中有一些著名物理學家的一些近乎神秘主義與反科學的哲學觀點，被錯誤的與近代物理聯想在一起。普羅大眾對科學原理貧乏的瞭解，搭配上看到了由智慧型手機、全球定位系統、西格斯粒子以及重力波的確認等令人眼花撩亂的科學進展，那些被歪曲的哲學觀點轉化成了那些莫名其妙山寨科學的強大推力；那些胡說八道包括了所謂「量子療癒」、「量子接觸療法」以及其他在資訊市場上販賣的五花八門的「量子」產品。

這裡作者提供了兩個重要的被歪曲的近代物理例子：雙狹縫干涉實驗與 E = mc²

光子有意識？

整個非相對論量子力學奠基於薛丁格方程式解（φ）的兩個假設。第一個假設是：φ 的絕對值平方表現系統狀態的機率。第二個假設是疊加原理：如果系統有若干容許的路徑，那麼總體的 φ 等於各路徑對應的 φ ，在考慮適當權重後的和。

這兩個假設自量子力學被建構之始，就成了許多量子觀念的混淆與濫用的根源。有點糗大的是，這些誤謬引申的始作俑者卻是部分量子理論的建構者！（參見 1998 年 9 月號 PHYSICS TODAY 第 29 頁 Mara Beller 文章）。這些老兄們的凸槌誘發了後繼者在 1960、70 年代繼續搧風點火。翻開任何一本意圖建立東方神秘主義與近代物理相通的書籍─例如：卡普拉（Fritjof Capra）寫的《物理之「道」：近代物理與東方神秘主義相通的探討》（2010年 Shambhala 出版），或是祖卡夫（Gary Zukav）所著的《跳舞的物理大師：新物理概述》，不難看到引述自像是海森堡、波爾或歐本海默的認同。

一個神秘主義追隨者的最愛之一就是大家熟知的光學雙狹縫實驗 [3]。在《跳舞的物理大師》中，祖卡夫想像了兩次的實驗，第一次實驗關閉了雙狹縫其中一個狹縫，第二次實驗讓兩個狹縫都打開。

他思索著，「第一次實驗中的光子如何能知道第二個狹縫是關閉的？……當射出的光子通過第一個狹縫，光子如何「知道」如果另一個狹縫是開著的話，它會跑到暗線的部分？」……這些問題並沒有確定的答案。有些物理學家……懷疑光子可能有「意識」！（第62頁）」。

祖卡夫重複的使用「知道」這個詞，就已經在暗示光子是有智慧的！

然而儘管祖卡夫如此宣稱，但是對於他的問題，事實上卻是有個確定的答案。那兩種雙狹縫的情境之所以不同，並不是因為光子有了什麼神秘的資訊，而是因為 φ 是各個可能路徑 φ 的組合——如果只有一個狹縫是開的，那就只有一條路徑，兩個狹縫都打開則有兩條路徑。

只有一條路徑時 |φ|² 所對應的機率分佈是不同於兩條路徑的 |φ|² 所造成的結果；後者會在屏幕上產生亮紋與暗紋。任何解釋光子或其他量子物體的行為（它們都服贋基本機率規則）的意圖，都將引致如祖卡夫所問的荒謬問題；就如同下面的那個更熟悉的例子：

如果你扔 10 個銅板，那麼得到 6 個人頭（總數的 60%）的機率大約是 0.205。如果你扔 10,000 個銅板，那麼得到 60% 人頭的機率將降至 0.00…..29（89 個 0）！

現在，若將 10,000 個銅板視為 1,000 組的相互獨立的 10 個銅板系統，那麼每一組的 10 個銅板都有 25.5% 的機率扔出 60% 的人頭。然而，若考慮到其他組的結果一併考慮，那麼要得到 60% 人頭就變得實際上不可能了！

這種狀況，若照祖卡夫的說法，各組的 10 個銅板怎麼會「知道」其他組的出現呢？也許，也許銅板還真的是有意識的！

靈魂 = mc²

在諸多被「神鬼界」所濫用的字眼中，「能量」榮獲金牌！正負／陰陽、療癒、因果、氣……都屬飄盪在神秘主義大海上的「能量」。這背後可能是有個好理由：能量是非物質，但是物理裡最閃亮的神主牌「E = mc²」就將「非物質」的能量等同了「物質」的質量！依此類推，神秘主義的核心：「非物質」的靈魂／精神與物質的對等，就只剩一步之遙！

但是！能量真的是非物質？能量是物質所具有的一種性質。舉個例子，動能就是聯繫於物體速度的能量。去問動能是否屬物質，和問速度是否屬物質一樣荒謬。速度是運動中物質的一種性質。一顆「紅蘋果」是物質，那麼去說「紅色」是非物質有意義嗎？把物質與其性質——能量搞混，這是甚至受過訓練的物理學家常常落入的陷阱 [4]，也是一種山寨科學家推銷其假貨有效且危險的工具。

最令人目眩的例子就是當 E = mc² 被用在物質－反物質的消滅現象；在這個過程中物質完全轉換為「純能量」。然而，等式左邊的 E 表某種質點的性質，這個質點可以是物質，但也可以是像是光子的無質量質點。一個光子撞上一個電子後改變了電子的狀態，這個碰撞的過程裡，光子的行為和一顆入射的電子一樣，都是很「物質」的。的確的，維格納（Eugene Wigner）證明過，一個物質質點是由其質量與自旋來描述，然這兩者都可能為零 [5]。這個事實是基於一個與特殊相對論一樣堅實的基礎。

E = mc² 裡的 E 永遠是兩個或兩個以上質點的能量，這個能量可以結合這些質點以產生等式右邊的質量，或者由質量虧損以產生。自然界中從來沒有質量能在沒有其他物質質點伴隨的情況之下轉換為能量，反之亦然。神秘主義的「靈魂－質量」對等性與近代物理的質能互換毫無關連。

對科學知能的意涵

山寨科學是一種社會性的精神疾病，而且是強力到無法在公共場域與之抗衡。

做為公眾主要資訊來源的媒體只對事物是否流行而非正確有興趣。還好，在相對具有保護性的學校圍牆內，我們還是有機會接觸到未來的主人翁們，而且希望我們的子孫以及他們的孩子們不要再屈服於折磨我們這一代的非理性。

在高中或是大學的物理或化學入門課程中，每週一次對一個 30 到 50 分鐘的閱讀作業的額外 5 分鐘小考，就可以逐漸的讓學生警覺到山寨科學的誤謬以及它對社會的危害。我建議用百科全書級的資源 RationalWiki 做為一個開端。這一層的訓練也許不像許多教師都已經重視的全球氣候變遷那般迫切，但是山寨科學的威脅絕不可輕忽，而且課堂是僅存能夠有效的挑戰山寨科學的地方。

參考資料：

1. M. Beauregard et al., Explore 10, 272 (2014); E. Mielczarek, B. Engler, SkepticalInquirer 37(3), 32 (2013).
2. D. Pruett,“Toward a post-materialistic science,”The Blog, Religion, HuffingtonPost (1 October 2014); S. Hassani, Skeptical Inquirer 39(5), 38 (2015).
3. S. Hassani, From Atoms to Galaxies: A Conceptual Physics Approach to ScientificAwareness, CRC Press/Taylor & Francis (2010), p. 328.
4. A. Hobson, Am. J. Phys. 81, 211 (2013).
5. E. Wigner, Ann. Math. 40, 149 (1939).

原始出處：

The dangerous growth of pseudophysics, Physics Today

本文摘自《物理雙月刊》38 卷 12 月號 ，更多文章請見物理雙月刊網站。