- 專欄
文章專區
2021-05-01量子世界中鬼魅般的粒子 物質波
617 期
Author 作者
施奇廷／清華大學物理系博士，任教於東海大學應用物理學系，從事計算神經科學研究；並致力於將影視動漫畫等娛樂作品與物理教育結合，希望吸引更多人進入物理學的世界。
「量子力學是什麼？可以吃嗎？」在《復仇者聯盟》（The Avengers）系列電影上映之前，除了物理系的師生以外，一般人聽到「量子力學」的反應，大概就是這樣吧。不過隨著使用了大量「量子梗」的電影系列大賣座，「量子」突然成為社會大眾耳熟能詳的名詞，然後各種神奇產品如「量子波動速讀」、「量子能量水」、「量子磁吸睫毛夾」……紛紛出籠。當然，這些東西都跟真正的「量子」無關。
物理學是我們用來認識這個宇宙由哪些物質組成，以及這些物質依循哪些交互作用行動的學問，有了物理學，我們可以理解它們過去、現在、未來的行為。19世紀末，古典力學與電磁學的理論架構發展粲然大備，而且與實驗所觀測到的各種現象都十分吻合，因此在物理界也流傳這樣的說法：「物理學已經不會有什麼新事物可供發現了，剩下的只是更多和更精確的測量。」意思是說，人類的科學已經完全掌握了宇宙運行的法則，這是何等豪氣的發言！諷刺的是，進入20世紀後，物理學界發生了一場天翻地覆的「量子力學」大革命，過去物理學家奉為金科玉律的物理「定律」，被「降級」成為我們所熟悉的巨觀尺度下的「近似」而已。
物理革命導火線 所以我說那道光是粒子還是波？
引發這場物理革命的引爆點，是一個可以追溯到牛頓（Isaac Newton）時代的老問題：「光是粒子還是波？」
粒子跟波是兩個難以相容的概念。粒子具有固定的位置（可以用一個點座標來描述）與運動軌跡（可以用一條線來描述）；而波則是一種隨著時間演進在空間中傳遞特定物理量的「擾動」，可以在整個空間中擴散。
牛頓認為光是粒子，光的直線前進符合慣性定律，碰到平面反射時可用彈性碰撞解釋，進入不同介質的折射則是因為光粒子被介質吸引，進而產生角度偏折。但是惠更斯（Christian Huygens）則主張光是波動，兩派各有其擁護者，吵了100多年。一直到1801年，楊氏（Thomas Young）做出了「光的雙狹縫干涉」這個決定性的實驗。
實驗中的干涉現象來自空間中波的疊加，在屏幕上產生亮暗交錯的干涉條紋（圖一上）；如果光是由一群粒子組成的話，只能從光源直線通過兩個狹縫打在屏幕上，會看到兩個亮區（圖一下）。但實驗結果卻顯示，光通過雙狹縫後，會在屏幕上看到干涉條紋，證明了光是一種波動！之後電磁學的發展更讓我們了解，光其實就是電磁波。
圖一／光的雙狹縫干涉實驗
如果光是波動，右方屏幕上會看到亮暗交錯的干涉條紋伸展開來（上圖）；如果光是一群粒子通過雙狹縫，屏幕上則會看到兩個亮區（下圖）。
電場與磁場在時間與空間中的週期性變化，光的所有特性包括反射、折射、干涉、繞射都有了完整的理論解釋。到此，科學界認為我們已經把光的特性弄清楚了。……【更多內容請閱讀科學月刊第617期】