【新靜心雜誌創刊號】《量子啟蒙時代》 從了解這個世界,到創造自己理想的世界

  孫子兵法裡面說:「知己知彼,百戰百勝。」看在現代科學眼裡,古人的話更是正確。現代科學,以古典力學為基礎,搭配近100年以來對於量子力學的研究跟發展,到這十年熱門的量子生物學,我們越來越了解這個世界到底是怎樣組成以及運作的,進而讓我們有機會過著我們想要的生活,不單單在物質層面,更包括了我們身心靈的層面。這不單純是科學家、或數理資優生的權利,只要了解簡單的現代科學,並加以靈活運用,我們人人是都可以利用現代科學創造出自己理想的世界的。

基礎現代科學

    目前科學家大致上都同意,我們現在活在地球上的這個世界,古典力學似乎暫時可以很好很完整的對這個世界做一個解釋。     古典力學一般會定義為從伽利略的日心論和慣性原理、到牛頓的三大定律、到法拉第和馬

  克士威的電磁學、電磁波學,這些理論跟定律,不管我們還給了老師多少,還是從來沒學過、從來沒搞懂過,都跟我們日常生活息息相關。但是,一直以來,科學家都希望能夠找到物質最小的單位、以及組成結構、如何運作,而在尋找的過程中,科學家進入了量子力學的領域,並完全顛覆了我們建構在古典力學上面、對這個世界的了解。

  在找尋物質最小的單位的過程中,原子一般是被認為為元素能保持其化學性質的最小單位,但是,科學家後來發現,在這個最小單位的原子裡面,大部分都是空的!(假如大部分都是空的,原子是如何保持它的化學性質的?!)同時,科學家發現,假如更微觀的去看原子,許多比原子更小單位(簡稱為粒子)的現象,是完全無法用古典力學來解釋的!

  量子力學就是在為了解釋這些無法解釋的現象之下,研究出來的科學。

基礎量子力學

   量子力學最開始是在20世紀初由普朗克及波耳兩位科學家開始的開創性的研究,並在1924年由玻恩創造了「量子力學」這個名詞,描述微觀物質(原子、粒子)行為的物理學理論。

  量子力學解釋了古典力學無法解釋的實驗現象。玻恩的一句名言巧妙的形容了古典力學與量子力學的關係:「量子理論,將牛頓定律世界的〝完全可確定性〞全然拋棄,取而代之的是一個〝機率遊戲〞的世界。」這個〝機率遊戲〞的學說甚至讓愛因斯坦都很難以接受量子理論,甚至寫信給玻恩,寫道:「上帝不擲骰子」,以表否定量子力學!

  然而,經由一再的實驗證明,量子理論的確是世界運作的真正方式,玻恩也因而於1954年因他對量子理論的貢獻獲得諾貝爾獎。現在的科學以及我們的日常生活中,也處處可見量子力學的應用,例如醫療上使用的X-光機、核磁共振 MRI機,核能發電,雷射,以及電腦、手機裡必備的電晶體、微晶片等。我們就以兩個最出名的量子理論實驗,「雙縫實驗」以及「量子穿隧效應」,來了解玻恩跟愛因斯坦所謂的「上帝擲骰子」以及「上帝不擲骰子」量子理論。

雙縫實驗

  「雙縫實驗」最一開始是一個古典力學的實驗,用來證明光是以光波的方式存在及移動。雙縫實驗的基本儀器設置很簡單,如圖(一)所示,將光源照射於一塊刻有兩條狹縫的不透明板,通過狹縫的光束,會抵達右邊的探測板,以利分析光的物理性質。

(圖一)

  如上圖所示,當兩個狹縫都打開時,光的波動性使得通過兩條狹縫的光束相互干涉,在探測板上形成了明亮條紋和暗淡條紋相間的圖樣。而當一個狹縫被關閉時,則只有通過未被關閉的狹縫的光,形成一條明亮的條紋,可以在探測板被觀察到,如下圖(二)所示。

(圖二)

  科學家進而實驗將光波調整到一顆粒子、一顆粒子的通過狹縫,並將兩個狹縫都打開,如下圖(三)所示。因為粒子並不是以波的方式行進,而是一顆一顆的通過狹縫,科學家原先認為在探測板上被觀察到的,會是由一顆顆通過狹縫的粒子形成的兩條明亮條紋。換句話說,就是當一顆粒子通過上面的狹縫,就會在右邊的探測板的上面形成一個亮點,通過下面的狹縫,就會在右邊的探測板的下 面形成一個亮點,當通過的粒子達到一定的數量時,就會在右邊的探測板形成兩條明亮條紋。

(圖三)

  但是,當兩條狹縫都不關閉時,結果並不是如科學家預測的那樣。如下圖(四)所示,一顆顆粒子通過狹縫的結果,竟然在探測板呈現的跟圖一光束通過狹縫的結果是一樣的!也就是某些區域會比較明亮,某些區域會比較暗淡,好似即使一次只有一顆粒子通過狹縫,粒子還是會被不知名的干擾了,形成了明亮條紋和暗淡條紋相間的圖樣!

(圖四)

  因為這樣意外的結果,科學家決定在其中一個狹縫裝設一個電眼,如下圖(五)所示,以便觀察到底一顆一顆粒子,是如何通過狹縫,並如何抵達右邊的探測板的。結果更讓科學家驚訝的結果出現了!當狹縫旁裝設了電眼,一顆顆的粒子突然如科學家一開始預期的一般,在右邊的探測板上形成了兩條明亮條紋,如下圖所示!

(圖五)

  科學家進一步的保留了電眼,但是將電源關閉,如下圖(六)所示,結果一顆顆的粒子似乎知道沒了電的電眼是無法觀察它們的,結果抵達右邊的探測板上的一顆顆的粒子又恢復成了明亮條紋和暗淡條紋相間的圖樣!

圖六

  「為什麼一顆顆粒子會行徑如同光波?」「為什麼有無電眼觀察粒子的行徑,會造成不同的行徑結果?」這些,科學家都還沒有肯定的答案。科學家目前只知道這樣的實驗,在量子力學的世界裡,是可以一再重複被證明的,而在牛頓的理論世界裡,則不會發生。

(圖七)

   目前量子科學家推論,微觀物體(原子、粒子)可以同時通過兩條路徑或通過其中任意一條路徑(如下圖一位量子滑雪人,可以同時從樹的左邊以及右邊滑過!),而這兩條路徑的路程差,促使了微觀物體物理行為的量子態發生相移,因此產生干涉現象,最終造成了觀察到的光譜般的結果。但是「為什麼有沒有電眼觀察粒子的行徑會造成不同的行徑結果?」,科學家們還沒有找到答案。

(圖八)

量子穿隧效應

  「量子穿隧效應」是量子理論裡面另一個出名的實驗。如圖(九)所示,左邊的方框中顯示的是一個量子的波狀,處於散開分布的型態,它可以是像電子一樣的粒子,而不是一個像我們在牛頓世界裡的物體(像是從牆面彈開的小球)。

(圖九)

  在量子世界裡,這個波紋是可能能夠穿過一面實牆,像一個幽靈一樣地躍過了實牆、到達牆的另一邊,這可以從右邊的方框中有一些微弱的光痕看出來。

  「量子穿隧效應」說明粒子在撞到不可穿透的障礙物時,可以不明原因的、像施了魔法般,從一端消失並重新出現在另一端。這個現象用牛頓世界的例子來解釋的話,就如同我們想把球扔到牆的另一邊去,我們必須給球足夠的力量,讓球可以跳過牆頭,但是在量子世界裡,我們就沒必要非把球扔過牆頭,你可以把球朝牆壁扔過去,然後就會有一定的非零的機率,球會消失在我們這邊,在牆的另外一邊出現!

  「量子穿隧效應」不是推測,而是每天都在我們身邊、我們身上發生的事情。舉例來說,「量子穿隧效應」是我們能看到陽光普照的原因。另一個例子是酵素酶,化學反應的催化劑:在身體裡,酶加速了活細胞中的化學反應,而酶就是通過「量子穿隧效應」,將分子的一個部位,轉移到另一個部位。現在科學研究甚至認為,基因突變都有可能也是因為「量子穿隧效應」的結果。

 所以,這意味著甚麼?

  就像玻恩的名言所說,這兩個量子實驗,告訴了我們世界運作的方式,是像個我們知道發生的機率不是零的機率遊戲一樣,而且是用顛覆我們現在熟悉的方式在運行著(例如在沒有觀察者的情況之下,結果的可能性就大不相同、可以同時通過兩條路徑或通過其中任意一條路徑進行、可以穿透不可穿透的障礙物等等)。

  可以預期的,科學家會繼續研究並運用量子力學到我們生活的每個角落、並讓我們更理解這個世界是怎麼形成、怎麼運作的。而我們也可以透過對量子力學的這些很基礎的了解,打破我們思考以及生活上的框架,因為我們的身體、我們的世界,正告訴著我們,什麼都是可能的。願我們一起以這個甚麼都可能的機率,一起創造出自己理想的世界。▓

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