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霍金對蟻人:量子西洋棋之戰

余海峯 David
・2016/04/03 ・2778字 ・閱讀時間約 5 分鐘 ・SR值 587 ・九年級

  • 文/余海峯|天體物理學家、科學普及工作者。興趣是讀和寫科普、足球、攀石、結他,一個人散步。在等一個人回來,那個無可取代的她。

理查.費曼 (Richard Feynman) 說過:

我想我能保證沒人理解量子力學。

I think I can safely say that nobody understands quantum mechanics.

The Character of Physical Law (1965)

自上世紀初以來,量子力學一直是科幻小說和電影的熱門題材。近期一部 Marvel 英雄電影《蟻人》(Ant-Man)之中就提到過量子力學。電影中提到次原子尺度的世界是由量子力學操縱,既沒有時間箭頭的概念、亦不存在我們熟悉的因果關係。我們將永遠失去所愛的人。

《蟻人》電影中,主角在危急時決定變得比原子更小,進入了量子世界。由於主角威能,最後他平安無事地從量子世界回到日常尺度的世界。所以,他是唯一一個經歷過量子力學規則的人類。

某一天,來自 2716 年名為奇洛李維斯(Keanu Reeves)的人向飾演蟻人的保羅.路德 (Paul Rudd)發送了一封電郵,邀請他與理論物理學家史提芬.霍金(Stephen Hawking)進行一場融合量子力學與西洋棋規則的量子西洋棋比賽。

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在我們人類的巨觀尺度看,日常生活很多過程都是不可逆的。熱力學定律告訴我們,任何循環的過程都不可能達到 100% 效率。換句話說,任何巨觀過程都必定伴隨能量流失。即使在一個封閉系統之中,雖然總能量守恆,但能量會隨時間從系統中比較熱的地方流向比較冷的地方,最後必然達到熱平衡狀態。

這其實並非高深莫測的原理,可以用簡單統計學解釋。簡單來說,在一個巨觀系統之中,由於粒子數非常多,系統處於熱平衡狀態的機率比其他所有狀態的機率高非常非常非常非常多。此情況下,可以想像量子力學效應被這種巨觀統計平均掉。相反地,微觀尺度之下,巨觀統計並不適用,我們必須考慮量子力學效應。

棋子同時存在也不存在

quantum
量子態重疊的特性使得畫面中的皇后棋可能移到 B3 的位置,但也可能沒有。圖/擷取自影片

量子力學的一個奇異特性,是量子態會重疊於一起(quantum superposition),直到外界的觀察者進行觀測才能確定究竟會看到哪一個態。換句話說,量子態在外界觀測之前是不確定的。再簡單一點說,在觀察一個量子系統之前,它處於多於一個量子態的機率都不是零。這並非理論不完美或者實驗誤差的結果,而是精確的數學結論。所以,如果量子系統有意識的話,就連它本身(在其觀察本身之前!)也不能確定自己究竟屬於哪一態。

讓我們試用較為不技術的話去理解吧。在影片之中,量子西洋棋的棋子仍依照西洋棋規則走。有別於一般西洋棋,棋子走了就是走了,下不回手;量子西洋棋的棋子走了以後,它們的位置仍是不確定的。在其他棋子觀察、即作出對該棋子某些影響後,它的位置才會被確定下來。因此,量子西洋棋的棋子能夠同時存在於不同位置;它們處於不同位置的量子態是重疊的。

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力學與電動力學的矛盾對決

影片中,路德眼見自己就要落敗的時候,他利用了量子力學的另一個奇怪的特性,最後使他反敗為勝。這就是量子糾纏(quantum entanglement)。量子糾纏被認為是比量子態重疊更不可思義的現象:愛因斯坦與許多科學家都認為它與相對論抵觸,因此是不可能的。

為什麼量子糾纏會與相對論扯上關係呢?這就要由上世紀初的一場物理革命說起了。在1905 年愛因斯坦發表相對論(relativity)之前,力學(mechanics)與電動力學(electrodynamics)是物理學的兩大支柱,分別解釋自古以來人類觀察到的所有包括地上的與天上物件的運動規律、以及當時剛剛被統一起來的電學(electricity)、磁學(magnetism)與光學(optics)的現象。可是,在當時這令人振奮的物理學快速發展的時代,烏雲一直籠罩在物理學的大殿之上:力學與電動力學的結論是互相矛盾的!

問題出在哪裡呢?

原來,電動力學公式告訴我們宇宙中存在著一種由電場和磁場構成的波動,叫做光。根據電動力學公式推導可知光速為常數。換句話說,光速恆古不變、萬世不易,是數學定量的結論,無可挑剔。

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可是,有著三百多年歷史、解釋過無數天文觀測和作為工業革命一切科技基礎的力學卻告訴我們,任何東西的速度取決於觀測者的運動狀態。一列行駛中的列車很快,因為我們站在地面月台上觀察。如果我們安坐列車之中,我們就會覺得列車是靜止的。同理,如果我們在列車之中向前走,地面上的人就會看見我們的速度等於列車速度加上我們的走路速度;如果我們在列車之中向後走,地面上的人就會看見我們的速度等於列車速度減去我們的走路速度。

不過,電動力學公式說光速是常數。無論我們在列車之中用電筒向前或向後照,地面上的人都會看見光速等於光速,與列車、我們的走路速度無關。

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圖/Kaique Rocha@PEXELS

這個力學與電動力學的矛盾,最後由愛因斯坦的相對論完美地解決了。在相對論之中,光速是恆常不變的物理量,是超越一切規則而存在的物理定律。愛因斯坦發現,因為光速不變,我們才能有日常熟悉的因果定律:萬事皆有因。因果律成立,因為宇宙中有一個傳送資訊的極限速度,任何資訊都不可能以比這個極限速度更快速地傳播。這個極限,就是光速。

不可思議的量子糾纏 如何讓路德反敗為勝?

愛因斯坦的相對論解決了力學與電動力學的矛盾,彷彿為物理殿堂撥開雲霧。然而青天卻仍未可見,因為量子糾纏允許粒子以超越光速即時傳遞資訊!

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故名思義,量子糾纏即是兩個遵循量子力學規則的系統,它們的量子態互相糾纏在一起。例如兩個電子,如果它們的自旋量子態糾纏在一起的話,當我們未觀察時,它們各自的自旋方向都是未知的,這是因為量子態重疊。而當兩個電子的其中一個被觀察為自旋向上時,另一個電子的自旋就必然為向下。這是因為量子糾纏。

乍看之下,我們可能會覺得沒有問題,只是一般的角動量守恆律吧?雖然這也是角動量守恆律的結果,但在量子力學版本裡,由於量子態重疊,當我們觀察其中一個電子的自旋之前,兩個電子的自旋都是未知的。但當其中一個電子被觀察後,它們兩個的自旋量子態就立刻被決定了,不管它們相隔有多遠!

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圖/British Council Russia@flickr

愛因斯坦及其他很多物理學家都認為量子糾纏違反相對論光速極速假設,因此認為量子糾纏不可能發生,也所以量子力學是錯誤的。直到 1955 年愛因斯坦去世,他都認為量子力學是個不完整的理論。今天,量子糾纏已經在實驗被觀察到。而光速是資訊傳播極限的問題,有人認為在這情況下傳送出去的只有兩個量子態的資料,如果不可能經這方法傳送其他資訊(例如這一期樂透的號碼),就與光速極速假設沒有抵觸。不過這就是題外話了。

至於影片中的路德,意識到量子西洋棋採取了上述量子力學奇異特性的概念,成功利用量子糾纏避開了霍金的將軍,反而將死霍金。無論各位在讀完此文章後有否對量子力學或西洋棋感興趣,相信也非常享受這段由霍金和蟻人的小戰事,以及奇洛李維斯的配音吧。

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作者臉書粉絲專頁:余海峯 David . 物理喵 phycat

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余海峯 David
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天體物理學家。工作包括科研、教學和科學普及。德國馬克斯・普朗克地外物理研究所博士畢業。現任香港大學理學院助理講師。現為《立場科哲》科學顧問、《物理雙月刊》副總編輯及專欄作者、《泛科學》專欄作者。合著有《星海璇璣》。

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ECU: 汽車大腦的演化與挑戰
鳥苷三磷酸 (PanSci Promo)_96
・2025/07/02 ・3793字 ・閱讀時間約 7 分鐘

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本文與 威力暘電子 合作,泛科學企劃執行。

想像一下,當你每天啟動汽車時,啟動的不再只是一台車,而是一百台電腦同步運作。但如果這些「電腦」突然集體當機,後果會有多嚴重?方向盤可能瞬間失靈,安全氣囊無法啟動,整台車就像失控的高科技廢鐵。這樣的「系統崩潰」風險並非誇張劇情,而是真實存在於你我日常的駕駛過程中。

今天,我們將深入探討汽車電子系統「逆天改運」的科學奧秘。究竟,汽車的「大腦」—電子控制單元(ECU),是如何從單一功能,暴增至上百個獨立系統?而全球頂尖的工程師們,又為何正傾盡全力,試圖將這些複雜的系統「砍掉重練」、整合優化?

第一顆「汽車大腦」的誕生

時間回到 1980 年代,當時的汽車工程師們面臨一項重要任務:如何把汽油引擎的每一滴燃油都壓榨出最大動力?「省油即省錢」是放諸四海皆準的道理。他們發現,關鍵其實潛藏在一個微小到幾乎難以察覺的瞬間:火星塞的點火時機,也就是「點火正時」。

如果能把點火的精準度控制在「兩毫秒」以內,這大約是你眨眼時間的百分之一到千分之一!引擎效率就能提升整整一成!這不僅意味著車子開起來更順暢,還能直接省下一成的油耗。那麼,要如何跨過這道門檻?答案就是:「電腦」的加入!

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工程師們引入了「微控制器」(Microcontroller),你可以把它想像成一顆專注於特定任務的迷你電腦晶片。它能即時讀取引擎轉速、進氣壓力、油門深度、甚至異常爆震等各種感測器的訊號。透過內建的演算法,在千分之一秒、甚至微秒等級的時間內,精準計算出最佳的點火角度,並立刻執行。

從此,引擎的性能表現大躍進,油耗也更漂亮。這正是汽車電子控制單元(ECU)的始祖—專門負責點火的「引擎控制單元」(Engine Control Unit)。

汽車電子控制單元的始祖—專門負責點火的「引擎控制單元」(Engine Control Unit)/ 圖片來源:shutterstock

ECU 的失控暴增與甜蜜的負荷

第一顆 ECU 的成功,在 1980 年代後期點燃了工程師們的想像:「這 ECU 這麼好用,其他地方是不是也能用?」於是,ECU 的應用範圍不再僅限於點火,燃油噴射量、怠速穩定性、變速箱換檔平順度、ABS 防鎖死煞車,甚至安全氣囊的引爆時機……各種功能都交給專屬的 ECU 負責 。

然而,問題來了:這麼多「小電腦」,它們之間該如何有效溝通?

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為了解決這個問題,1986 年,德國的博世(Bosch)公司推出了一項劃時代的發明:控制器區域網路(CAN Bus)。你可以將它想像成一條專為 ECU 打造的「神經網路」。各個 ECU 只需連接到這條共用的線路上,就能將訊息「廣播」給其他單元。

更重要的是,CAN Bus 還具備「優先通行」機制。例如,煞車指令或安全氣囊引爆訊號這類攸關人命的重要訊息,絕對能搶先通過,避免因資訊堵塞而延誤。儘管 CAN Bus 解決了 ECU 之間的溝通問題,但每顆 ECU 依然需要獨立的電源線、接地線,並連接各種感測器和致動器。結果就是,一輛汽車的電線總長度可能達到 2 到 4 公里,總重量更高達 50 到 60 公斤,等同於憑空多載了一位乘客的重量。

另一方面,大量的 ECU 與錯綜複雜的線路,也讓「電子故障」開始頻繁登上汽車召回原因的榜首。更別提這些密密麻麻的線束,簡直是設計師和維修技師的惡夢。要檢修這些電子故障,無疑讓人一個頭兩個大。

大量的 ECU 與錯綜複雜的線路,也讓「電子故障」開始頻繁登上汽車召回原因的榜首。/圖片來源:shutterstock

汽車電子革命:從「百腦亂舞」到集中治理

到了2010年代,汽車電子架構迎來一場大改革,「分區架構(Zonal Architecture)」搭配「中央高效能運算(HPC)」逐漸成為主流。簡單來說,這就像在車內建立「地方政府+中央政府」的管理系統。

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可以想像,整輛車被劃分為幾個大型區域,像是車頭、車尾、車身兩側與駕駛艙,就像數個「大都會」。每個區域控制單元(ZCU)就像「市政府」,負責收集該區所有的感測器訊號、初步處理與整合,並直接驅動該區的馬達、燈光等致動器。區域先自理,就不必大小事都等中央拍板。

而「中央政府」則由車用高效能運算平台(HPC)擔任,統籌負責更複雜的運算任務,例如先進駕駛輔助系統(ADAS)所需的環境感知、物體辨識,或是車載娛樂系統、導航功能,甚至是未來自動駕駛的決策,通通交由車輛正中央的這顆「超級大腦」執行。

乘著這波汽車電子架構的轉型浪潮中, 2008 年成立的台灣本土企業威力暘電子,便精準地切入了這個趨勢,致力於開發整合 ECU 與區域控制器(Domain Controller)功能的模組化平台。他們專精於開發電子排檔、多功能方向盤等各式汽車電子控制模組。為了確保各部件之間的溝通順暢,威力暘提供的解決方案,就像是將好幾個「分區管理員」的職責,甚至一部分「超級大腦」的功能,都整合到一個更強大的硬體平台上。

這些模組不僅擁有強大的晶片運算能力,可同時支援 ADAS 與車載娛樂,還能兼容多種通訊協定,大幅簡化車內網路架構。如此一來,車廠在追求輕量化和高效率的同時,也能顧及穩定性與安全性。

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2008 年威力暘電子致力於開發整合 ECU 與區域控制器(Domain Controller)功能的模組化平台 /圖片來源:shutterstock

萬無一失的「汽車大腦」:威力暘的四大策略

然而,「做出來」與「做好」之間,還是有差別。要如何確保這顆集結所有功能的「汽車大腦」不出錯?具體來說,威力暘電子憑藉以下四大策略,築起其產品的可靠性與安全性:

  1. AUTOSAR : 導入開放且標準化的汽車軟體架構 AUTOSAR。分為應用層、運行環境層(RTE)和基礎軟體層(BSW)。就像在玩「樂高積木」,ECU 開發者能靈活組合模組,專注在核心功能開發,從根本上提升軟體的穩定性和可靠性。
  2. V-Model 開發流程:這是一種強調嚴謹、能在早期發現錯誤的軟體開發流程。就像打勾 V 字形般,左側從上而下逐步執行,右側則由下而上層層檢驗,確保每個階段的安全要求都確實落實。
  3. 基於模型的設計 MBD(Model-Based Design) 威力暘的工程師們會利用 MatLab®/Simulink® 等工具,把整個 ECU 要控制的系統(如煞車),用數學模型搭建起來,然後在虛擬環境中進行大量的模擬和測試。這等於在實體 ECU 誕生前,就能在「數位雙生」世界中反覆演練、預先排除設計缺陷,,並驗證安全機制是否有效。
  4. Automotive SPICE (ASPICE) : ASPICE 是國際公認的汽車軟體「品質管理系統」,它不直接評估最終 ECU 產品本身的安全性,而是深入檢視團隊在軟體開發的「整個過程」,也就是「方法論」和「管理紀律」是否夠成熟、夠系統化,並只根據數據來評估品質。

既然 ECU 掌管了整輛車的運作,其能否正常運作,自然被視為最優先項目。為此,威力暘嚴格遵循汽車業中一本堪稱「安全聖經」的國際標準:ISO 26262。這套國際標準可視為一本針對汽車電子電氣系統(特別是 ECU)的「超嚴格品管手冊」和「開發流程指南」,從概念、設計、測試到生產和報廢,都詳細規範了每個安全要求和驗證方法,唯一目標就是把任何潛在風險降到最低

有了上述這四項策略,威力暘確保其產品從設計、生產到交付都符合嚴苛的安全標準,才能通過 ISO 26262 的嚴格檢驗。

然而,ECU 的演進並未就此停下腳步。當ECU 的數量開始精簡,「大腦」變得更集中、更強大後,汽車產業又迎來了新一波革命:「軟體定義汽車」(Software-Defined Vehicle, SDV)。

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軟體定義汽車 SDV:你的愛車也能「升級」!

未來的汽車,會越來越像你手中的智慧型手機。過去,車輛功能在出廠時幾乎就「定終身」,想升級?多半只能換車。但在軟體定義汽車(SDV)時代,汽車將搖身一變成為具備強大運算能力與高速網路連線的「行動伺服器」,能夠「二次覺醒」、不斷升級。透過 OTA(Over-the-Air)技術,車廠能像推送 App 更新一樣,遠端傳送新功能、性能優化或安全修補包到你的車上。

不過,這種美好願景也將帶來全新的挑戰:資安風險。當汽車連上網路,就等於向駭客敞開潛在的攻擊入口。如果車上的 ECU 或雲端伺服器被駭,輕則個資外洩,重則車輛被遠端鎖定或惡意操控。為了打造安全的 SDV,業界必須遵循像 ISO 21434 這樣的車用資安標準。

威力暘電子運用前面提到的四大核心策略,確保自家產品能符合從 ISO 26262 到 ISO 21434 的國際認證。從品質管理、軟體開發流程,到安全認證,這些努力,讓威力暘的模組擁有最高的網路與功能安全。他們的產品不僅展現「台灣智造」的彈性與創新,也擁有與國際大廠比肩的「車規級可靠度」。憑藉這些實力,威力暘已成功打進日本 YAMAHA、Toyota,以及歐美 ZF、Autoliv 等全球一線供應鏈,更成為 DENSO 在台灣少數核准的控制模組夥伴,以商用車熱系統專案成功打入日系核心供應鏈,並自 2025 年起與 DENSO 共同展開平台化量產,驗證其流程與品質。

毫無疑問,未來車輛將有更多運作交由電腦與 AI 判斷,交由電腦判斷,比交由人類駕駛還要安全的那一天,離我們不遠了。而人類的角色,將從操作者轉為監督者,負責在故障或斷網時擔任最後的保險。透過科技讓車子更聰明、更安全,人類甘願當一個「最弱兵器」,其實也不錯!

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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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從太陽發光到生命突變,一切都歸功於量子穿隧效應?
PanSci_96
・2024/10/19 ・1962字 ・閱讀時間約 4 分鐘

在這個充滿光與生命的宇宙中,我們的存在其實與一種看不見的力量密切相關,那就是量子力學。沒有量子力學,太陽將不會發光,地球上的生命將無法誕生,甚至整個宇宙的運行規則都會截然不同。這些微觀層次的奧秘深深影響了我們日常生活的方方面面。

其中,量子穿隧效應是一個看似違背直覺但至關重要的現象,從太陽的核融合反應到基因的突變,這種效應無處不在,甚至還牽動著當今的高科技產業。

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什麼是量子穿隧效應?

我們可以將量子穿隧效應比作一個奇妙的穿牆術。想像一下,你身處一個被高牆包圍的城市,牆外是未知的世界。通常,如果你要越過這道牆,需要極大的力量來翻越它,或者用工具打破它。然而,在量子的世界裡,情況並不如此。

在微觀的量子力學世界中,粒子同時具有波的特性,這意味著它們並不完全受限於傳統物理的規則。當一個微觀粒子遇到能量障礙時,即使它沒有足夠的能量直接穿過障礙,卻仍有一定機率能出現在障礙的另一邊,這就是「量子穿隧效應」。粒子彷彿直接在牆上挖了一條隧道,然後穿越過去。

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這聽起來像魔法,但它背後有深刻的物理學道理。這個現象的發生取決於量子粒子的波動性質以及能量障礙的高度和寬度。如果障礙較矮且較窄,粒子穿隧的機率就較高;反之,障礙越高或越寬,穿隧的機率則會降低。

太陽發光:核融合與量子穿隧效應的結合

量子穿隧效應的存在,讓我們能夠理解恆星如何持續發光。以太陽為例,太陽內部的高溫環境為核融合反應提供了所需的能量。在這個過程中,氫原子核(質子)需要克服極大的電磁排斥力,才能彼此靠近,進而融合成為氦原子核。

然而,單靠溫度提供的能量並不足以讓所有質子進行核融合。根據科學家的計算,只有約10的 434 次方個質子中,才有一對具備足夠的能量進行核融合。這是一個極小的機率。如果沒有量子穿隧效應,這種反應幾乎不可能發生。

幸好,量子穿隧效應在這裡發揮了關鍵作用。由於量子粒子具有波動性,即便質子沒有足夠的能量直接跨越能量障礙,它們仍然能透過穿隧效應,以一定機率克服電磁排斥力,完成核融合反應。這就是為什麼太陽內部的核融合能夠源源不斷地發生,並且持續產生光與熱,讓地球成為適合生命生存的家園。

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量子穿隧效應與生命的演化

除了恆星的發光之外,量子穿隧效應還對生命的誕生和演化起到了關鍵作用。地球上物種的多樣性,很大一部分源於基因突變,而量子穿隧效應則幫助了這一過程。

DNA 分子是攜帶遺傳訊息的載體,但它的結構並不穩定,容易在外界因素影響下發生變異。然而,即使沒有外界因素的干擾,科學家發現 DNA 仍會自發性地發生「點突變」,這是一種單一核苷酸替換另一種核苷酸的突變形式。

量子穿隧效應讓氫原子隨時可能在 DNA 結構中進行位置轉換,從而導致鹼基對的錯位,這在 DNA 複製過程中,可能會引發突變。這些突變若保留下來,就會傳遞給下一代,最終豐富了基因與物種的多樣性。

量子穿隧幫助促進 DNA 突變,協助生命的演化與物種多樣性。圖/envato

半導體技術中的量子穿隧效應

除了在宇宙和生命中發揮作用,量子穿隧效應還影響著我們的日常生活,尤其在現代科技中。隨著半導體技術的發展,電子設備的體積不斷縮小,這也讓電子元件的性能面臨更大的挑戰。

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在微小的電子元件中,量子穿隧效應會導致電子穿過元件中的障礙,產生不必要的漏電流。這種現象對電晶體的性能帶來了負面影響,因此設計師們需要找到方法來減少穿隧效應的發生,以確保元件的穩定性。

雖然這是我們不希望見到的量子效應,但它再次證明了量子力學在我們生活中的深遠影響。設計更有效的半導體元件,必須考慮到量子穿隧效應,這讓科學家與工程師們需要不斷創新。

量子力學是我們宇宙的隱藏力量

量子穿隧效應看似深奧難懂,但它對宇宙的運作和生命的誕生至關重要。從太陽的核融合反應到基因突變,甚至現代科技中的半導體設計,量子力學影響著我們生活的方方面面。

在這個充滿未知的微觀世界裡,量子現象帶來的影響是我們難以想像的。正是這些看似不可思議的現象,塑造了我們的宇宙,讓生命得以誕生,科技得以發展。當我們仰望星空時,別忘了,那閃耀的光芒,背後藏著的是量子力學的奇妙力量。

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PanSci_96
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