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2020-11-01沙灘上的薛丁格
611 期
Author 作者
查爾斯‧ 安托萬
量子力學與其他理論的差異為何？
與同為現代物理學支柱的廣義相對論不同，量子力學並非建立在近乎哲學的大原理上，但相對論卻是建立在同名、彷彿哲學理論的「相對性原理」上。事實上，量子力學奠定在一大串原則上。有些人認為這些只是經驗法則，其真實性直到今日仍有爭議。而這些原則借助了其他較無爭議的概念，如機率波、自旋或「量子躍 」。
總體來說，量子力學讓我們不再相信科學的確定性，並深入懷疑物理學所有的常見概念：如「局域性」、「實在論10」、測量、空間、時間、因果關係、真空……甚至連宇宙獨一無二的存在，似乎也不可信了！
量子力學的另一個獨特之處，在於該理論需要詮釋，尤其是對其獨特數學形式體系的物理詮釋。然而，雖說今日有多種詮釋互相競爭、力圖理解量子力學理論的真正含義。但目前大多數的科學家，仍一股腦兒地遵照美國物理學家戴維．梅爾曼（David Mermin, 1935~）的玩笑話：「閉嘴，快算！」埋頭於量子力學理論中，高度可預測以及高度技術性的面向。
有沒有一項原則，可以讓人了解整個量子力學理論？
若只能用一項原則讓人了解量子力學理論──那就是「波粒二象性」。
可能有人會皺眉，因為其實波粒二象性並非一項原則，也不是建立理論時使用的假設，反而比較像量子力學理論的特性，而且「二象性」一詞也經常讓人誤解和誤用。
不過，波粒二象性最終仍精確說明了量子力學的重點，那就是──萬物皆為波動和振動」。所以，光和物質同時具備兩種面貌──粒子和波動的特性。這裡的波動並非實際的波動，而是抽象的波動，存在另一個數學空間中，與我們生活的真實物理空間不同。因此，我們可以用另一個原則來替換波粒二象性原則：「萬物皆可能以量子波動呈現。」
從技術層面的角度來說，其實我們說的是「量子態」，所以正確的句子應該是：「萬物皆可能以量子態呈現。」
量子力學主要應用於哪些領域？
量子力學初創時，是用於描述組成物質的不同粒子的理想學科，這些粒子指的是原子、組成原子的粒子（電子、質子、中子），甚至是更小的粒子（微中子、夸克等）。這個應用領域與廣為人知的「粒子物理學」有關。該學科致力於理解基本粒子的性質與特性，如著名的希格斯玻色子。結合量子力學和簡化版的愛因斯坦相對論後，科學家得出了一系列的量子場論。其中，量子電動力學處理光和物質的相互作用，而「量子色動力學」則是關注原子核的組成結構。
另一個重要的應用領域則是「量子化學」，該領域力圖理解原子間結合、組成化學鍵和分子的方式，並建立模型。「固體物理學」則試圖了解物質的結構，如「為什麼某物質是固體？」「物質為何又如何傳導電力和熱能？」「有可能打造新物質嗎？」由此可見，固體物理學和微電子學、奈米科技緊密相關。
量子力學跟我們有什麼關係？
首先，量子力學早已走出實驗室、走進我們的生活了！有哪些例子呢？所有電器用品的組成元件（雷射二極體、電晶體、快閃記憶體等）都建立於一種「穿隧效應」的量子效應上；GPS系統仰賴原子鐘提供的超精準、穩定的時間；我們使用的核能和太陽能也仰賴量子力學；雷射手術和醫學影像技術也同樣需要量子力學。簡言之，從光合作用、到手掌無法直接穿越紙張或平板電腦，在我們生活周遭，幾乎所有的物理反應都與這個奇異又迷人的量子世界有關！
在另一個生活領域中，量子力學也十分常見，那就是「文字」！一如法國前總理雷蒙．普恩加萊（Raymond Poincaré, 1860~1934）熱切地將文字形容為：「靈魂的神祕過客、大魔術師、令人生畏的人類操縱師」。事實上，「量子」一詞非常流行，「量子」的各種變化充斥在不同領域的文獻中。但理論上，其實這些領域和量子力學常見的應用領域並無關聯，例如：醫學、哲學、體育、藝術和各種靈修法。
雖說人們偶爾誤用量子相關詞彙，甚至經常表達相反的意思，不過一旦翻開這本書，就代表你已經決定要理解這些詞彙的真正含義了。你給了自己一個機會，能夠分辨誤用或不實的話語，以及有趣、啟發人心，但在數學或物理上不正確的說法。
最後，雖說目前量子力學只是間接介入我們的生活，但未來肯定會大幅入侵！例如：石墨烯等奈米顆粒、新的超精細材料、確保銀行和電子投票安全的「量子密碼學」、人工智慧和未來電腦、量子生物學……。
為什麼「光」在量子力學中占有重要地位？
由於種種原因，使得「光」在過去和未來都是量子力學中的要角。首先，量子力學的起源就是二十世紀對於光的研究。事實上，光的歷史地位之所以重要，原因可不止如此：例如，光的粒子特性帶來了非常重要的量子化概念，而後世稱為光子的小型能量粒子，與物質相互作用的隨機特質（由隨機的量子躍遷產生）更說服了科學家相信可觀測世界機率性的基本特質。最後，更因為光同時具備波動性（光波）和粒子性（光子）的二重性質，讓德布羅意和薛丁格有了結合波動與粒子的想法，也就是將波粒二象性應用到原先被視為光或物質的所有現象。
研究物質時，光也很重要；透過分析原子釋放或吸收的光，無論該原子在地球上或宇宙的盡頭，我們都能判別其來歷。由於光極度純粹，且可透過雷射光或光學儀器等方式操作，從準備、控制，到精準測量所需的物理量和系統，幾乎在所有量子力學的實驗器材中，光都不可或缺。此外，光也讓創造量子的「疊加態」和糾纏變得容易許多，而這也是光在量子資訊和量子遙傳領域中，極度重要的原因。最後，因為光傳遞物質粒子間的電磁相互作用，所以在更廣義的量子電動力學的學科中，光也是基礎要素之一。目前，當人們在探討量子力學可能發展的領域，要測試最大膽的假說時，作為純粹能量粒子的光子，就是測試用的模擬系統。
書名│《沙灘上的薛丁格》
作者│查爾斯‧ 安托萬
出版社│臺灣商務印書館
出版日期│ 2020年9月