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量子照相機-量子物理開啟了影像記錄的新世代

吳京
・2014/10/20 ・1724字 ・閱讀時間約 3 分鐘 ・SR值 548 ・八年級

我們常用「伸手不見五指」去形容多啦A夢的手,不過這個句話也可以說明一個地方沒有光就看不到東西。這個論述有三個關鍵字:「光」、「看」和「東西」。所謂的「看」或認何一種影像記錄,其實就是以感測器(眼睛、底片或CCD等)去補捉經過「東西」折射或反射後的「光」子。這種「看」的概念,理應牢不可破,但現在面臨到挑戰,一群在維也納從事量子光學研究的科學家利用量子物理的特性設計出一個實驗,讓他們可以透過一道未經過物體的光,拍攝到該物體的影像。為了向量子力學的鼻祖致敬,他們拍攝的物體之一,是一隻的輪廓。

量子照相機的第一張公開照片。Copyright: Patricia Enigl, IQOQI
量子照相機的第一張公開照片。Copyright: Patricia Enigl, IQOQI

這個實驗巧妙地改良了馬克詹達干涉儀(Mach-Zehnder interferometer,將處於「量子糾纏態」(quantum entanglement的光子對運用其中來完成物體的成像。嗯,不是很懂。沒關係,讓我們先從古典物理的講起,下圖為馬克詹達干涉儀的示意圖,左下角的分光鏡將光源一分為二,產生了兩道同相位的光,其中一道有經過物體、另一道則無,之後二道光會在右上角的分光鏡中會合,因為光波具有疊加特性,而其中一道光經過物體時會產生些微的相位差,因此成像時有干涉條紋的效果。

Mach-Zehnder interferometer 圖片來源:wikipedia
Mach-Zehnder interferometer
圖片來源:wikipedia

再來談談愛因斯坦眼中如鬼魅般(spooky)的「量子糾纏態」,wiki百科給的解釋為「兩個粒子在經過短暫時間彼此耦合之後,單獨攪擾其中任意一個粒子,會不可避免地影響到另外一個粒子的性質,儘管兩個粒子之間可能相隔很長一段距離」。以糾纏在一起的光子對而言,他們的波涵數不僅會線性疊加,還有非線性的乘積,因此你中有我、我中有你,當其中一道光被干擾時,另一道光的波涵數也會對應改變。這種糾纏的光子對可以利用雷射光與非線性晶體(non-linear crystal)相互作用而產生。

實驗架構 Copyright: Lois Lammerhuber
實驗架構
Copyright: Lois Lammerhuber

來看看這個實驗架構吧(如上圖示)!右下角的綠光為雷射光源(Laser),被分光鏡一分為二,會分別經過非線性晶體(NL1 NL2)而產生二雙糾纏態的光子對,即圖中的紅光及黃光。其中NL1產生的紅光會穿過欲拍攝之物體(Object)再進入NL2,二道黃光則會於另一個分光鏡交會重疊後指向感測器(Camera)。在這個實驗中,因為第一道紅光進入NL2而第二道紅光產自NL2,又二道黃光於觀測前先在分光鏡會合,所以最終的觀測者並不能區分紅光及黃光是由NL1或是NL2所產生,因此保有量子干涉效應(這個概念有一點像費曼的想像實驗);另一方面,透過量子糾繞態的關連,通過物體的紅光所承載之影像資訊亦會影響黃光的波涵數,因此接收黃光的感測器(Camera)可補捉到物體的影像。

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還是看不懂?哈哈,其實筆者自已也是一知半解。還是直接說明這實驗最大的賣點:看東西的紅光並沒有被感測,而成像用的黃光則完全沒有經過物體!這打破了一般認知中「看」的概念。為了強調這點,本實驗中被拍攝的物體,其材質對黃光而言其實是透明的,就像X-ray看不到肌肉一般。故研究團隊認為這項發明有發展成醫療用途的潛力,對瞭解開天眼的靈異現象及量子糾纏的物理現象也很有幫助,研究成果已被發表於知名的期刊《Nature上。

參考資料

  1. Picturing Schrodinger’s cat: Quantum physics enables revolutionary imaging method. Phys.org [28/08/2014]
  2. Quantum physics enables revolutionary imaging method. Universitat wien [28/08/2014]
  3. Gabriela Barreto Lemos,Victoria Borish,Garrett D. Cole,Sven Ramelow,Radek Lapkiewicz &  Anton Zeilinger, “Quantum imaging with undetected photons”, Nature 512, 409–412,2014.
  4. Mach-Zehnder interferometer. Wikipedia [12/09/2014]
  5. 量子糾纏態。維基百科 [12/09/2014]

本文轉載自作者部落格吳京的量子咖啡館

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吳京
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正職是二個娃兒的奶爸,副業為部落格《吳京的量子咖啡館》之館主。為人雜學而無術、滑稽而多辯,喜讀科學文章,再用自認有趣的方式轉述,企圖塑造博學又詼諧的假象。被吐嘈時會辯稱:「不是我冷,是你們不懂我的幽默。」

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專利戰逆襲!ASML 靠不存在的相機守住市占霸主地位
天下雜誌出版_96
・2025/09/08 ・2253字 ・閱讀時間約 4 分鐘

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在荷蘭,一個強大的企業正在崛起。多年來,這家公司在一項看似不可能的技術上投入了大量資金,後來終於開花結果。2017 年,ASML 宣布新型的EUV機台為公司帶來逾十億歐元的營收。與此同時,ASML在傳統曝光機系統的市占率已攀升至九成。

有另一家公司正咬牙切齒地看著這一切:日本的尼康(Nikon)。1990 年代以前,這家日本科技集團一直是曝光機的市場龍頭,直到 ASML 橫空出世,一舉顛覆市場,奪下霸主的寶座。不過,當你被趕下寶座時,還有一條翻身之路:告上法庭。

2017 年 4 月,尼康第二次對 ASML 提起專利訴訟,連德國光學大廠蔡司的半導體部門也意外捲入其中。日方指控他們在荷蘭侵犯了十一項專利,同時也在德國和日本提出訴訟。一旦法院做出對尼康有利的判決,ASML 將被迫停止在維荷芬的機台生產。儘管已是市場龍頭,生產禁令的威脅仍再次讓 ASML 陷入存亡危機。不過這一次,ASML 早有準備。

ASML 對 2001 年尼康第一次提出的專利控訴記憶猶新。當年那場突如其來的訴訟,最終在 2004 年以交互授權協議落幕。交互授權協議到期前,ASML 曾多次主動接觸尼康商延展事宜,但日方始終不發一語。

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相對的,ASML 對任何與日本競爭對手有關的事物都很排斥。你絕對不會看到 ASML 的資深員工使用佳能或尼康的相機。他們寧可選擇奧林巴斯(Olympus)或索尼——畢竟,日本確實生產全球最好的相機。

ASML 相機專利訴訟

這讓 ASML 當時的執行長麥瑞斯(Eric Meurice)想到一個主意,他自認是超棒的點子。2011 年,就在這位法籍執行長卸任的前兩年,他找 ASML 技術長布令克(Martin van den Brink)提出計畫:一旦日方對曝光機提出任何控訴,ASML 就用相機專利反擊,直攻尼康的痛處。麥瑞斯語重心長地警告布令克:「你遲早會遇上麻煩,必須在他們的主場給予反擊,務必要拿到那些專利。」布令克把這個警告牢記在心。他們需要收購專利,而且最好做得神不知鬼不覺。

company.info 的資料庫顯示,2011 年 10 月,一家名為 Tarsium 有限公司的公司成立。這是 ASML 為了躲避尼康律師的法眼而設立的空殼公司。2012 年至 2014 年間,Tarsium 斥資近一千萬歐元,從惠普、全錄、聯發科、美國專利聚合公司高智發明(Intellectual Ventures)等公司收購數位攝影專利。

2014 年交互授權協議到期後,ASML 聘請了智財權領域專家威廉・霍英(Willem Hoyng)。霍英組了一個二十人的律師團隊。2015 年與 2016 年,調解再度失敗,無可避免的法律戰終於爆發。新一輪專利戰就此開打,尼康於 2017 年 4 月 24 日發起首波攻勢後,ASML 馬上祭出祕密武器。4 月 28 日,Tarsium 把所有專利轉讓給 ASML 與蔡司。同一天,這兩家公司就對尼康提出訴訟。

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外界得知反訴竟然是針對相機時,都大感意外,這不是有關微影技術的訴訟嗎?幾乎每週五,律師團隊都按要求來到 ASML 腦力激盪。他們認為尼康並不是真的想讓 ASML 停產:他們想要錢,而且是很多錢。但布令克並不打算讓競爭對手予取予求。

法官要求尼康與 ASML 展開協商,但尼康毫無談判意願:他們想先贏一個案件,再拿這個勝訴當籌碼逼 ASML 支付更多的錢。在荷蘭的前四個案件都判 ASML 和蔡司勝訴,但這還不是慶祝的時候,每個案子都攸關公司的存亡。如今與 ASML 已密不可分的蔡司,更是憂心忡忡。

一年半後,轉機終於出現了。2018 年 8 月,美國國際貿易委員會(ITC)裁定,尼康侵犯了 ASML 與蔡司擁有的相機專利。突然間,尼康的相機部門面臨美國的進口禁令,日方開始緊張了。

蔡司 ZX1 相機跳票內幕

身為 ITC 的申訴方,ASML 與蔡司必須證明他們確實蒙受經濟損失,這表示他們需要在美國市場上銷售一款使用到這些專利技術的相機。2018 年秋天,蔡司宣布推出 ZX1 相機。這是一款搭載定焦鏡頭和大型觸控螢幕的數位相機:全黑機身、稜角分明,內建相片編輯軟體和網路連線功能。還配上一個朗朗上口的標語:「拍攝、編修、分享,一氣呵成」。

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這個消息讓業界媒體困惑不解。蔡司上次製造相機,還是底片時代。自從 iPhone 問世後,數位相機的銷量就一路下滑,多數人都用手機拍照。蔡司這時居然要進軍這個式微的市場,這是認真的嗎?

蔡司承諾 ZX1 將於 2019 年初上市,但拒絕透露售價。美國分公司的團隊打造了幾台原型機,蔡司也在科隆的世界影像博覽會(Photokina)上發表了這款相機。發表會場面盛大,員工以熱烈掌聲迎接到場的媒體,彷彿整個潮流完全翻轉。

最終,日方讓步。2019 年 1 月 20 日,尼康、ASML 和蔡司共同宣布達成協議:德荷雙方支付尼康 1.5 億歐元(ASML 占 1.31 億),換取其專利使用權至 2029 年,並同意 ASML 未來每台浸潤式設備支付 0.8% 權利金,遠低於尼康原本的要求。

2019 年 10 月,空殼公司 Tarsium 悄然消失。至於那款 ZX1 相機呢?只有少數評測人員拿到了原型機。一些影片和部落格讚賞它的金屬鏡頭蓋和無聲快門,還附背帶。但這台相機究竟什麼時候才能買到?

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ZX1 始終沒有真正開賣,更遑論出貨。每次有攝影師詢問,蔡司的官方回應都是:「我們對相機的每個細節都力求完美。」故事就這樣結束了。到了 2020 年,蔡司改口說 ZX1 只是一台「概念相機」。

不過,ZX1 也不是完全沒留下蹤跡。布令克在他的辦公室裡翻找出一個白色盒子。盒子正面印著「Zeiss ZX1」——包裝依然完整。他把相機舉到眼前,露出笑容。「全新的,不知道能不能用,我從來沒用它拍過照。」

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天下雜誌出版_96
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天下雜誌出版持續製作與出版國內外好書,引進新趨勢、新做法,期盼能透過閱讀與活動實做,分享創新觀點、開拓視野、促進管理、領導、職場能力、教養教育、同時促進身心靈的美好生活。

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愛因斯坦也困惑!量子糾纏如何顛覆距離的限制?
PanSci_96
・2024/11/05 ・1765字 ・閱讀時間約 3 分鐘

量子糾纏的生活比喻:情感的同步

想像一下,你有一位從小就非常要好的朋友,無論他做什麼,你都感同身受。他吃下午茶,你也立刻想來一份;他開心,你也情不自禁地微笑;他難過,你也跟著心情低落。你們之間的情緒達到了百分之百的同步。雖然你們身處不同的地方,但似乎有一條無形的線將你們連接在一起。

這種神奇的連結,正是量子力學中的量子糾纏(Quantum Entanglement)。在微觀的量子世界裡,兩個曾經互相影響的粒子,即使相隔萬里,依然可以保持同步的狀態。一旦其中一個粒子的狀態被測量,另一個粒子的狀態也會立即確定,這種現象挑戰了我們對於時空和因果關係的理解。

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角動量守恆與粒子自旋

要理解量子糾纏,我們首先需要了解角動量守恆和粒子的自旋。想像一顆靜止的砲彈,突然爆炸成兩個旋轉的碎片。根據角動量守恆定律,兩個碎片的旋轉方向必須相反,才能使總角動量保持為零。

在量子力學中,粒子的自旋類似於這種旋轉,但並非真正的物體旋轉,而是粒子固有的一種量子性質。一個自旋為零的粒子衰變成兩個帶有自旋的粒子時,兩者的自旋方向必須相反,以維持角動量的守恆。

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然而,與宏觀世界不同的是,量子粒子的自旋狀態在被測量之前,處於一種「疊加態」,也就是說,它們同時具有多種可能的狀態,直到測量發生,狀態才被「塌縮」為確定的值。

EPR悖論:量子力學的挑戰

1935 年,愛因斯坦、波多爾斯基和羅森提出了著名的 EPR 悖論。他們認為,量子力學對於自然的描述並不完備,因為它無法預測單個粒子的確切狀態。他們設想,如果兩個粒子處於糾纏狀態,測量其中一個粒子的自旋方向,另一個粒子的自旋方向就立即確定,無論兩者距離多遠。

這似乎暗示著訊息以超光速傳遞,違反了相對論。然而,他們認為,應該存在一些「隱變量」來決定粒子的狀態,而不是量子力學的機率性描述。

貝爾不等式與實驗驗證

為了檢驗 EPR 悖論,物理學家貝爾在 1964 年提出了貝爾不等式。該不等式提供了一種方法,可以通過實驗來區分量子力學的預測和隱變量理論。

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1972 年,約翰·克勞澤和他的同事首次進行了實驗驗證,結果支持量子力學的預測,違背了貝爾不等式。這意味著,量子糾纏的現象是真實存在的,粒子之間的連結不需要透過任何已知的訊息傳遞。

之後,阿蘭·阿斯佩等科學家進一步完善了實驗,消除了可能的漏洞,堅定了量子力學的立場。2022 年,克勞澤、阿斯佩和安東·塞林格因在量子糾纏領域的貢獻,共同獲得諾貝爾物理學獎。

阿蘭·阿斯佩(Alain Aspect )的實驗堅定了量子力學的發展。圖/wikimedia

「鬼魅般的超距作用」的理解

量子糾纏挑戰了傳統物理學對於因果和現實的理解。愛因斯坦稱之為「鬼魅般的超距作用」,因為它似乎違反了光速的限制。然而,現代物理學家認為,量子糾纏並不傳遞任何可用於通信的訊息,因此不違反相對論。

糾纏粒子之間的連結被視為量子系統的整體性質,而非個別粒子的屬性。當我們測量其中一個粒子時,整個系統的波函數發生了變化,導致另一個粒子的狀態也被確定。

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量子糾纏的應用與未來

量子糾纏不僅僅是理論上的奇觀,它在實際應用中也展現了巨大的潛力。安東·塞林格成功地利用量子糾纏實現了量子隱形傳態,將一個粒子的量子態傳輸到遠方的另一個粒子上。

此外,量子糾纏在量子計算和量子通信中扮演關鍵角色。量子計算機利用糾纏態進行超高速的計算,而量子通信則提供了無法被破解的加密方式,保障訊息的安全。

結語:量子世界的奇妙之旅

量子糾纏揭示了自然界深層次的連結,挑戰了我們對於現實的直覺認知。儘管我們無法在宏觀世界中直接感受到這種現象,但它真實地存在於微觀的量子世界中,影響著未來科技的發展。

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量子糾纏態的物理
賴昭正_96
・2024/04/24 ・5889字 ・閱讀時間約 12 分鐘

  • 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。

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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。

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EPR 與貝爾實驗裝置。 圖/作者提供   

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

自動角動量。圖/作者提供

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

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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。

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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。

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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。」

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賴昭正_96
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成功大學化學工程系學士,芝加哥大學化學物理博士。在芝大時與一群留學生合創「科學月刊」。一直想回國貢獻所學,因此畢業後不久即回清大化學系任教。自認平易近人,但教學嚴謹,因此獲有「賴大刀」之惡名!於1982年時當選爲 清大化學系新一代的年青首任系主任兼所長;但壯志難酬,兩年後即辭職到美留浪,IBM顧問研究化學家退休 。晚期曾回台蓋工廠及創業,均應「水土不服」而鎩羽而歸。正式退休後,除了開始又爲科學月刊寫文章外,全職帶小孫女(半歲起);現已成七歲之小孫女的BFF(2015)。首先接觸到泛科學是因爲它轉載我的科學月刊上的一篇文章「愛因斯坦的最大的錯誤一宇宙論常數」。