0

0
0

文字

分享

0
0
0

物理也說:「沒錯,蟻人可能會回不來。」

A編編
・2015/08/01 ・2019字 ・閱讀時間約 4 分鐘 ・SR值 515 ・六年級

-----廣告,請繼續往下閱讀-----

最近有國外神人透過蟻人的動作分析,證明蟻人的動作並不符合地球上的重力加速度,來推測蟻人的動作應該要更加「奇怪」才對。朋友都說這是沒有意義的研究,畢竟這是電影,是一部科幻電影,跟它認真其中的科學成分就輸了。

不過,我還是秉持著學過物理的優良傳統(三觀盡毀與偏執),看完電影仔細思考現實中科學能解釋的部分,但還是吐槽比較多,比如當蟻人縮小的時候,腳下壓力會讓地板直接爆開才對。不過有一件事似乎沒那麼科幻……

glass-83592_640
蟻人站在地板上(預想圖)

(已下有雷,請還沒看過電影的人直接左轉。)

 

 

——————————————防雷的分隔線——————————————

-----廣告,請繼續往下閱讀-----
source:蟻人電影劇照。
source:蟻人電影劇照。

那就是皮姆博士警告史考特說:「當限制器失靈,你就會縮小到量子尺度,然後就永遠回不來了。」這句話不僅是全劇中最感人的哽,可能也是最貼近實際狀況的一句話。不過到底是為什麼?為什麼他不能再按下按鈕就變回去呢?讓我們回到兩百年前那個還沒有「量子」這個詞的美好年代開始說起。

崩壞的美夢:拉普拉斯妖

兩百年前,當時的數學家拉普拉斯根據當時的物理學,提出一種可以預測未來的假設,如果有「人」可以知道某一時刻全世界造成物體運動的力與位置,就可以運用古典物理公式推算至無窮遠的未來或是過去,而這個「人」,也就是現在所說的拉普拉斯妖。

在假設中,世界被當成一台大型機器,所有事情都按照古典物理公式運作,而人們只要熟讀物理課本,用心找尋身旁事物運動的原因,就可以成為預言家,一切盡在人的掌握之中。

但隨著工業革命的發展,到20世紀初物理學出現的兩朵烏雲,這個預言家的美夢被無情摧毀。從熱力學第二定律所描述的不可逆過程,到量子力學的不確定性原理,物理從「世界運作的真理」轉變成「最能說明世界的解釋」,一切都因為探索微觀世界後,所帶來的「統計力學」(量子力學)。

-----廣告,請繼續往下閱讀-----

這邊要鎮重澄清,現實生活中所熟知的古典物理公式還是能用,而量子力學仍然承接這些古典物理公式,只是量子力學告訴我們,「等號的另一頭」不是「唯一答案」,而是「微觀世界所有可能答案的平均」。

量子撞球檯

讓我們想像在撞球檯上有兩顆白球,對其中一顆白球推桿,你可以從運動的白球路徑推斷會不會撞到另一顆白球,撞到後會變成怎樣,而最後也能明確指出哪顆白球是你當初推桿的那顆。就算我們把球臺中間用黑布遮著,也能透過當初推桿的力道、撞擊的聲音與最後出現的位置來描述兩顆白球是怎麼運動的,下圖是實際撞球臺的簡單範例。

1
實際撞球檯

現在我們把這一切都縮小到一奈米的狀態,在量子撞球臺上重現上述的情況。基本上,你無法跟巨觀的時候一樣,預測推桿後球會怎麼跑,而球會不會撞到更是個難題,也不知道當初推桿的是哪顆白球,下圖是其中一種可能性的範例,紅色虛線是球的實際路徑(當然,黑色軌跡也是一種可能),可以看到運動的軌跡很奇怪,而最後到達的位子也不能用來解釋他們的過程。

2
量子撞球檯

當你多撞幾次後,你就會開始覺得這個世界怎麼一點規律都沒有,球怎麼跑都可以,符合巨觀物理定律的黑色軌跡當然也可以,只是它也變成這些亂七八糟走的其中一種。

-----廣告,請繼續往下閱讀-----
3
什麼都有,什麼都不奇怪

而這就是為什麼蟻人「可能」回不來的原因,就像皮姆博士的解釋:「所有空間與時間概念都會錯亂,你會迷失在其中。」在微觀的狀態下,觀察者只能接受這種毫無章法的世界,而蟻人手中能夠改變體型的精密設備,也無法像在巨觀世界時正常運作(有人正試圖控制這混亂的局面,讓我們為10奈米製程加油);你可以想一下撞球檯上的黑線,唯有母球恰巧走在黑線上的時候,那套裝甲才能正常運作。

當史考特從量子世界回來後,皮姆博士那句:「你看到了什麼?」也是我最想知道的問題。從古至今,因為觀測上的限制,使我們只能站在巨觀角度來探討微觀世界的問題。如果人真的能縮小到量子世界再回來的話,我想問他的第一句也是:「你看到了什麼?」

延伸閱讀:更多關於蟻人的 Q&A 請看這裡

參考資料:

David J. Griffiths(1995). Introduction to Quantum Mechanics(Second edition). Pearson education, Ch1.

-----廣告,請繼續往下閱讀-----
文章難易度
A編編
11 篇文章 ・ 31 位粉絲
PanSci 編輯|讀物理毀三觀的科學宅,喜歡相聲跟脫口秀,因為它們跟我一樣是個笑話。

0

2
1

文字

分享

0
2
1
量子力學可以幫你判斷物體溫度?從古典物理過渡到近代的一大推手——黑體輻射
PanSci_96
・2024/03/24 ・3634字 ・閱讀時間約 7 分鐘

-----廣告,請繼續往下閱讀-----

1894 年,美國物理學家邁克生(Albert Abraham Michelson)作為芝加哥大學物理系的創立者,在為學校的瑞爾森物理實驗室(Ryerson Physical Laboratory)落成典禮致詞時,表示:「雖然無法斷言說,未來的物理學不會比過去那些驚奇更令人驚嘆,但似乎大部分的重要基本原則都已經被穩固地建立了。」

以我們現在的後見之明,這段話聽起來固然錯得離譜,但在當時,從 17、18 到 19 世紀,在伽利略、牛頓、馬克士威等前輩的的貢獻之下,物理學已經達成了非凡的成就。

我們現在稱為古典的物理學,對於整個世界的描述幾乎是面面俱到了,事實上沒有人預料到 20 世紀將出現徹底顛覆世界物理學認知的重要理論,量子力學。

而這最一開始竟只是出自於一件不起眼的研究,關於物體發出的光。

-----廣告,請繼續往下閱讀-----

萬物皆輻射

在此我們要先理解一個觀念:所有物體無時無刻不在發出電磁波輻射,包括了你、我、你正使用的螢幕,以及我們生活中的所有物品。

至於為什麼會這樣子呢?其中一個主要原因是,物體都是由原子、分子組成,所以內部充滿了帶電粒子,例如電子。這些帶電粒子隨著溫度,時時刻刻不停地擾動著,在過程中,就會以電磁波的形式放出能量。

除了上述原因之外,物體發出的電磁波輻射,還可能有其他來源,我們就暫時省略不提。無論如何,從小到大我們都學過的,熱的傳遞方式分成傳導、對流、輻射三種,其中的輻射,就是我們現在在談的,物體以電磁波形式發出的能量。

那麼,這些輻射能量有什麼樣的特徵呢?為了搞清楚這件事,我們必須先找個適當的範本來研究。

-----廣告,請繼續往下閱讀-----

理想上最好的選擇是,這個範本必須能夠吸收所有外在環境照射在上面的光線,只會發出因自身溫度而產生的電磁輻射。這樣子的話,我們去測量它發出的電磁波,就不會受到反射的電磁波干擾,而能確保電磁波是來自它自己本身。

這樣子的理想物體,稱為黑體;畢竟,黑色物體之所以是黑的,就是因為它能夠吸收外在環境光線,且不太會反射。而在我們日常生活中,最接近理想的黑體,就是一點也不黑、還超亮的太陽!這是因為我們很大程度可以肯定,太陽發出來的光,幾乎都是源於它自身,而非反射自外在環境的光線。

或者我們把一個空腔打洞後,從洞口發出的電磁波,也會近似於黑體輻射,因為所有入射洞口的光都會進入空腔,而不被反射。煉鐵用的鼓風爐,就類似這樣子的結構。

到目前為止,一切聽起來都只是物理學上一個平凡的研究題目。奇怪的是,在對電磁學已經擁有完整瞭解的 19 世紀後半到 20 世紀初,科學家儘管已經藉由實驗得到了觀測數據,但要用以往的物理理論正確推導出黑體的電磁波輻射,卻遇到困難。正是由此開始,古典物理學出現了破口。

-----廣告,請繼續往下閱讀-----

黑體輻射

由黑體發出的輻射,以現在理論所知,長得像這個樣子。縱軸代表黑體輻射出來的能量功率,橫軸代表黑體輻射出來的電磁波波長。

在理想狀況下,黑體輻射只跟黑體的溫度有關,而跟黑體的形狀和材質無關。

以溫度分別處在絕對溫標 3000K、4000K 和 5000K 的黑體輻射為例,我們可以看到,隨著黑體的溫度越高,輻射出來的能量功率也越大;同時,輻射功率最高的波段,也朝短波長、高頻率的方向靠近。

為了解釋這個曲線,物理學家們開始運用「當時」畢生所學來找出函數方程式,分成了兩派:

-----廣告,請繼續往下閱讀-----

一派是 1896 年,由德國物理學家維因(Wilhelm Carl Werner Otto Fritz Franz Wien),由熱力學出發推導出的黑體輻射公式,另一派,在 1900 與 1905 年,英國物理學家瑞立(John William Strutt, 3rd Baron Rayleigh)和金斯(James Jeans),則是藉由電磁學概念,也推導出了他們的黑體輻射公式,稱為瑞立-金斯定律。

你看,若是同時擺上這兩個推導公式,會發現他們都各自對了一半?

維因近似 Wien approximation 只在高頻率的波段才精確。而瑞立-金斯定律只對低頻率波段比較精確,更預測輻射的強度會隨著電磁波頻率的提升而趨近無限大,等等,無限大?――這顯然不合理,因為現實中的黑體並不會放出無限大的能量。

顯然這兩個解釋都不夠精確。

-----廣告,請繼續往下閱讀-----

就這樣,在 1894 年邁克生才說,物理學可能沒有更令人驚嘆的東西了,結果沒幾年,古典物理學築起的輝煌成就,被黑體輻射遮掩了部分光芒,而且沒人知道,這是怎麼一回事。

普朗克的黑體輻射公式

就在古典物理學面臨進退維谷局面的時候,那個男人出現了——德國物理學家普朗克(Max Planck)。

1878年學生時代的普朗克。圖/wikimedia

普朗克於 1900 年就推導出了他的黑體輻射公式,比上述瑞立和金斯最終在 1905 年提出的結果要更早,史稱普朗克定律(Planck’s law)。普朗克假想,在黑體中,存在許多帶電且不斷振盪、稱為「振子」的虛擬單元,並假設它們的能量只能是某個基本單位能量的整數倍。

這個基本單位能量寫成 E=hν,和電磁輻射的頻率 ν 成正比,比例常數 h 則稱為普朗克常數。換言之,黑體輻射出來的能量,以hν為基本單位、是一個個可數的「量」加起來的,也就是能量被「量子化」了。

-----廣告,請繼續往下閱讀-----

根據以上假設,再加上不同能量的「振子」像是遵循熱力學中的粒子分佈,普朗克成功推導出吻合黑體輻射實驗觀測的公式。

普朗克的方程式,同時包含了維因近似和瑞立-金斯定律的優點,不管在低頻率還是高頻率的波段,都非常精確。如果我們比較在地球大氣層頂端觀測到的太陽輻射光譜,可以發現觀測數據和普朗克的公式吻合得非常好。

其實有趣的是普朗克根本不認為這是物理現象,他認為,他假設的能量量子化,只是數學上用來推導的手段,而沒有察覺他在物理上的深遠涵意。但無論如何,普朗克成功解決了黑體輻射的難題,並得到符合觀測的方程式。直到現在,我們依然使用著普朗克的方程式來描述黑體輻射。不只如此,在現實生活中,有許多的應用,都由此而來。

正因為不同溫度的物體,會發出不同特徵的電磁波,反過來想,藉由測量物體發出的電磁波,我們就能得知該物體的溫度。在疫情期間,我們可以看到某些場合會放置螢幕,上面呈現類似這樣子的畫面。

-----廣告,請繼續往下閱讀-----

事實上,這些儀器測量的,是特定波長的紅外線。紅外線屬於不可見光,也是室溫物體所發出的電磁輻射中,功率最大的波段。只要分析我們身體發出的紅外線,就能在一定程度上判斷我們的體溫。當然,一來我們都不是完美的黑體,二來環境因素也可能產生干擾,所以還是會有些許誤差。

藉由黑體輻射的研究,我們還可以將黑體的溫度與發出的可見光顏色標準化。

在畫面中,有彩虹背景的部分,代表可見光的範圍,當黑體的溫度越高,發出的電磁輻射,在可見光部分越偏冷色系。當我們在購買燈泡的時候,會在包裝上看到色溫標示,就是由此而來。所以,如果你想要溫暖一點的光線,就要購買色溫較低,約兩、三千 K 左右的燈泡。

結語

事實上,在黑體輻射研究最蓬勃發展的 19 世紀後半,正值第二次工業革命,當時鋼鐵的鍛冶技術出現許多重大進步。

德國鐵血宰相俾斯麥曾經說,當代的重大問題要用鐵和血來解決。

就傳統而言,煉鋼要靠工匠用肉眼,從鋼鐵的顏色來判斷溫度,但若能更精確地判斷溫度,無疑會有很大幫助。

德國作為鋼鐵業發達國家,在黑體輻射的研究上,曾做出許多貢獻,這一方面固然可能是學術的求知慾使然,但另一方面,也可以說跟社會的需求與脈動是完全吻合的。
總而言之,普朗克藉由引進能量量子化的概念,成功用數學式描述了黑體輻射;這件事成為後來量子力學發展的起點。儘管普朗克本人沒有察覺能量量子化背後的深意,但有另一位勇者在數年後繼承了普朗克的想法,並做出意味深長的詮釋,那就是下一個故事的主角――愛因斯坦的事了。

歡迎訂閱 Pansci Youtube 頻道 獲取更多深入淺出的科學知識!

討論功能關閉中。

PanSci_96
1219 篇文章 ・ 2190 位粉絲
PanSci的編輯部帳號,會發自產內容跟各種消息喔。

0

6
1

文字

分享

0
6
1
你聽過「量子意識」嗎?電子雙狹縫實驗讓人猜測意識會影響物質世界,真的假的?
PanSci_96
・2024/03/06 ・3800字 ・閱讀時間約 7 分鐘

-----廣告,請繼續往下閱讀-----

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。

-----廣告,請繼續往下閱讀-----

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。

-----廣告,請繼續往下閱讀-----

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。

-----廣告,請繼續往下閱讀-----

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。

-----廣告,請繼續往下閱讀-----

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。

-----廣告,請繼續往下閱讀-----

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!

-----廣告,請繼續往下閱讀-----

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。

-----廣告,請繼續往下閱讀-----

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。

有一些物理學家曾認真思考,是否要有「人的意識」參與其中,才能代表「觀測」。圖/envato

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。

歡迎訂閱 Pansci Youtube 頻道 獲取更多深入淺出的科學知識!

討論功能關閉中。

PanSci_96
1219 篇文章 ・ 2190 位粉絲
PanSci的編輯部帳號,會發自產內容跟各種消息喔。

0

4
0

文字

分享

0
4
0
標誌物理學新頁的會議:一場顛覆古典物理的寧靜革命——《大話題:量子理論》
大家出版_96
・2023/04/14 ・2428字 ・閱讀時間約 5 分鐘

-----廣告,請繼續往下閱讀-----

被挑戰的古典物理世界觀

古典物理學家建立了一系列的假設,將他們的思想統整起來,這使得他們很難接受新的概念。以下列出他們對物質世界有哪些確定不疑⋯⋯

  1. 宇宙就像一臺放在絕對時空框架中的巨型機器。複雜的運動可以理解為機器內部各零件的簡單運動,即使這些零件並不可見。
  2. 牛頓的理論說明一切運動都有原因。如果一個物體表現出運動,人們一定能找出運動的原因。這是單純的因果關係,沒有人質疑這一點。
  3. 如果我們知道物體在某一點(例如現在)的運動狀態,就能判斷它在未來甚至過去任何時刻的運動狀態。沒有什麼不確定,一切都是先前的一些因素造成的結果。這是決定論
  4. 馬克士威電磁波理論完全描述了光的性質,並可由湯瑪士・楊格在 1802 年簡單的雙狹縫實驗中觀察到的干涉圖樣加以證實。
  5. 運動中的能量可以用兩種物理模型來表達:一種是粒子,其表現就像無法穿透的球體,例如撞球;另一種是,其表現就像在海面上朝著岸邊打去的海浪。這兩者是互相排斥的,即能量必定只以其中一種方式表現。
  6. 一個系統的性質,如溫度或速度等,要測量得多準確都可以。只要降低觀察者的探測強度或根據理論來校正即可。原子級的系統也不例外。
古典物理學家建立了一系列的假設。 圖/《量子理論

古典物理學家認為以上這些事情都是千真萬確的。但這六個假設最終都會被證明是有疑慮的。首先體認到這一點的,是 1927 年 10 月 24 日在布魯塞爾大都會飯店會面的一群物理學家。

1927 年索爾維會議──量子理論的成形

第一次世界大戰爆發前幾年,比利時實業家歐內斯特・索爾維(1838-1922)在布魯塞爾主辦了一系列國際物理會議,延請來賓傾全力討論某項預訂的題目。只有獲得特別邀約的人才能出席,人數通常限制在30人左右。

1911 年至 1927 年舉行的前五次會議,以最令人大開眼界的方式記錄了 20 世紀物理學的發展。1927 年的會議專門討論量子理論,每場至少都有 9 位理論物理學家出席,他們對量子理論做出了根本貢獻,並且最終都因而獲得諾貝爾獎。

-----廣告,請繼續往下閱讀-----
1927 年索爾維會議的合照。影響 20 世紀物理學發展的巨擘都齊聚一堂,其中包含許多在教科書中耳熟能詳的物理學家,包括第一排的馬克斯・普朗克(左二)、瑪麗・居禮(左三)、阿爾伯特・愛因斯坦(正中)。圖/大話題:量子理論

要介紹有哪些人推動了最現代的物理理論,這張 1927 年的索爾維會議照片是很好的起點。後代將會驚歎,1927 年這些量子物理巨擘竟然在這麼短的時間、這麼小的地方齊聚一堂。

寥寥數人在這麼短的時間內就釐清了這麼多事情,在科學史上可說是空前絕後。

看看第一排坐在瑪麗・居禮(1867-1934)旁邊那位愁眉苦臉的馬克斯・普朗克(1858-1947)。普朗克拿著帽子和雪茄,看來有氣無力,好像在花了這麼多年試圖反駁自己對物質和輻射的革命性想法後,他已筋疲力盡。

馬克斯・普朗克(1858-1947,第一排左二,即對話框所指處),提出了「能量量子化」的革命性理論。圖/大話題:量子理論

幾年後,在 1905年,瑞士一位名叫阿爾伯特・愛因斯坦(1879-1955)的年輕專利事務員對普朗克的概念進行推論。

-----廣告,請繼續往下閱讀-----

前排正中間穿著禮服拘謹地坐著的就是愛因斯坦,他自從 1905 年發表早期論文之後,二十多年來一直苦思量子問題,但未得出任何真實的見解。他一直出力推動量子理論的發展,並以驚人的信心支持其他人的獨創見解。他最偉大的理論「廣義相對論」使他成為國際知名學者,那已是十年前的事了。

在布魯塞爾,愛因斯坦為了量子理論奇怪的結論,和最受敬重、最堅定的量子理論支持者尼爾斯・波耳(1885-1962)爭辯。之後波耳將比任何人都更嘔心瀝血,致力於解釋和理解量子理論。波耳在照片中間那排的最右邊,這位時年 42 歲的教授正如日中天,顯得輕鬆自信。

阿爾伯特・愛因斯坦(第一排左三)與尼爾斯・波耳(第二排右一)。圖/大話題:量子理論

愛因斯坦後方最後一排的埃爾溫・薛丁格(1887-1961)身穿獵裝,戴著領結,顯得非常隨意。他的左邊跳過一人後是「少壯派」的沃夫岡・包立(1900-58)、維爾納・海森堡(1901-76)──兩人當時才二十幾歲。第二排則有保羅・狄拉克 (1902-84)、路易・德布羅意(1892-1987)、馬克斯・波恩(1882-1970)和波耳。這些人的發現與微觀世界的基本性質息息相關,因此名留青史,像是薛丁格方程式包立不相容原理海森堡測不準原理,以及波耳原子等等。

他們都聚在這裡──從 69 歲、年紀最大的普朗克(他在 1900 年開啟了一切),到 25 歲、年紀最小的狄拉克(他在 1928 年完成了這個理論)。

-----廣告,請繼續往下閱讀-----

1927 年 10 月 30 日,拍下這張照片的隔天,與會者的腦海中還縈繞著波耳與愛因斯坦的歷史性交鋒。他們在布魯塞爾中央車站坐上了火車,各自返回柏林、巴黎、劍橋、哥廷根、哥本哈根、維也納和蘇黎世。

他們帶著科學家所創造出最離奇的一套理論離開。大多數人私底下可能同意愛因斯坦的觀點,認為這種被稱為量子理論的瘋狂想法,只是通往更完整理論的一步,以後會被更好、更符合常識的理論推翻。

——本文摘自《大話題:量子理論》,2023 年 3 月,大家出版,未經同意請勿轉載。

大家出版_96
14 篇文章 ・ 11 位粉絲
名為大家,在藝術人文中,指「大師」的作品;在生活旅遊中,指「眾人」的興趣。