原子中的幽靈: 探索量子力學的奇異世界 (第3版) | 誠品線上

The Ghost in the Atom: A Discussion of the Mysteries of Quantum Physics

內容簡介

內容簡介 「我想我可以有把握地講，沒有人懂量子力學。」──費曼 量子力學無疑是二十世紀最重要的科學成就。量子論的出現，解釋了長久以來人們對物質的困惑，但卻同時讓薛丁格、愛因斯坦與費曼等物理大師感到不安，爭論從此不歇。 量子力學到底有多詭異、多難以理解？ 為什麼量子論中的粒子常常被描述成「幽靈」？ 量子論的詮釋與爭論至今尚未結束。英國國家廣播公司（BBC）科學節目製作人朱利安．布朗為此邀請物理學家保羅．戴維斯主持節目，一起採訪了幾位在量子力學領域最著名的物理學家。而後，他們把與其中八位物理學家的精采對談收錄成本書。 《原子中的幽靈》不只討論了薛丁格的貓、貝爾不等式、阿斯佩克特實驗、多宇宙詮釋等，主持人與物理學家針對量子研究的各種討論，更是值得讓人一探科學大師們的思考脈絡。本書出版二十年來始終歷久不衰，想要了解量子力學，這絕對是不可錯過的入門書。 ◎ 榮獲物理學會推薦最佳100本物理科普書 ◎ 李精益博士審訂 ◎ 台灣大學物理學系高涌泉教授專文導讀

作者介紹

作者介紹 保羅．戴維斯朱利安．布朗阿得雷德大學物理及數學物理系教授，曾與朱利安．布朗合作，為英國BBC製作許多膾炙人口的科學廣播節目。英國BBC科學部節目製作人。史領空一九六○年生於上海，譯著多在香港出版，如《醫護全書》、《日常保健指南》、《太空圖說》、《朗文精選經貿辭典》等。任上海科學技術出版社副總編輯、「讀者文摘」雜誌中文版特約譯者。

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最佳賣點

最佳賣點 : 量子力學到底有多詭異、多難以理解？
為什麼量子論中的粒子常常被描述成「幽靈」？

試閱文字

內文 : 前言

　　玻耳（Niels Bohr）曾經說過：不為量子論所震驚者，必然不理解量子論。顯然，在一九二○年代，當量子論的全部底蘊逐漸浮現時，玻耳的同代人一定深感驚懼與困惑。量子論不僅與十九世紀的古典物理學大相逕庭，而且徹底改變了科學家對於人與物質世界關係的觀點。因為按照玻耳對量子論的詮釋，那個「外在」世界並不是獨立存在的，而且不可避免地與我們對它的感知融合在一起。
　　有些物理學家難以接受這樣的理念並不足為奇。諷刺的是，在量子論發展的早期佔重要地位的愛因斯坦，後來卻成了抨擊它的急先鋒。直到一九五五年去世時，愛因斯坦仍確信在量子論的表述形式中缺少了一種要素；沒有他堅稱的這一要素，我們在原子尺度上對物質的描述必然帶有本質上的不確定性，因而是不完全的。在與玻耳長期的交往中，愛因斯坦曾多次試圖證明量子論的不完全性。他提出過許多充滿天才思維的論據，有些曾引起科學家的極大關注。但每一次，玻耳都馬上設法找出優雅而富說服力的辯駁。久而久之，人們漸漸覺得愛因斯坦為驅除原子中的幽靈所作的努力是徒勞的。
　　然而時至今日，有關量子論的爭論還未結束。近年來人們做了一系列檢驗性實驗，其中以阿斯佩克特（Alain Aspect）及其法國同事所做的實驗為其頂峰。這些實驗促使人們以新的眼光來看待玻耳－愛因斯坦之爭。
　　對量子論詮釋之興趣的復甦，激起了我〔布朗〕就這一主題製作一個專題廣播節目的念頭。我與保羅．戴維斯教授討論了這一想法，他同意為英國國家廣播公司第三電台提供一個專題節目。我們採訪了幾位最著名的對量子力學的概念基礎有特殊興趣的物理學家，了解他們對阿斯佩克特的實驗結果和量子論其他新近進展的看法。
　　由於專題廣播節目的播出時間十分有限，所以最後節目只採用了採訪的若干簡短片段。儘管如此，第三電台播出的「原子中的幽靈」節目仍然引起聽眾極大的興趣。因此我們覺得，將這些採訪內容出版成更完整、更永久的形式，是完全值得的。
　　除第一章外，本書內容皆以廣播節目的原始採訪錄音為基礎。雖然在編校過程中，為使對話更符合書面要求而不得不作了些修改，但我們仍力圖保持其對話的特點。因為本書是專供一般讀者閱讀的，所以我們自己撰寫了第一章，以介紹訪談中所討論的概念。讀者若已熟知其中的許多內容，可直接從第二章開始閱讀，並參照書後的索引或術語釋義。
　　最後，我們想提請注意的是，在我們委派採訪任務時，有幾位參與者（在此不列名！）認為，對量子論應作何詮釋，目前並不存在實際的疑惑。至少，我們希望在本書中顯示，這種自滿是沒有理由的。
　　我們衷心感謝所有參與此項工作的人，尤其是派爾斯（Rudolf Peierls）爵士，他認真審閱了第一章。我們也要感謝曼蒂．尤斯塔斯，她承擔了謄錄原始訪談錄音內容這一繁重的任務。

朱利安．布朗
保羅．戴維斯
一九八六年一月

第一章　奇異的量子世界

量子論是什麼？
　　「量子」（quantum）一詞，意為「一份量」（a quantity）或「一個分立量」（a discrete amount）。在日常生活的尺度上，我們已習慣於下述概念：一個物體的性質，如它的大小、重量、顏色、溫度、表面積和運動，全都可以從一物體到另一物體以連續的方式遞變。例如，就形狀、大小和顏色來說，蘋果之間並無明顯的等級。可是，在原子尺度上，情況卻完全不同。原子粒子的性質，如它們的運動、能量和自旋，並不總是表現出類似的連續變化，而是可以相差一些分立量。古典牛頓力學的一個假設是︰物質的性質是連續變化的。當物理學家發現這一觀念在原子尺度上不適用時，他們不得不設計一種全新的力學體系──量子力學，以解釋標誌物質原子特性的團粒性。所以可以說，量子論就是導出量子力學的基礎理論。
　　考慮到古典力學在描述從撞球到恆星與行星所有物體的動力學方面的成功，人們將它在原子尺度上被一種新的力學體系所取代看作是一場革命也就不足為奇了。不過，通過用量子論解釋許多經典力學無法解釋的現象，物理學家很快就發現了量子論的價值。這樣的現象是如此之多，以至今天量子論常常被譽為一種前所未有的、最成功的科學理論。

起源
　　由於德國物理學家馬克斯．蒲朗克（Max Planck）發表的一篇論文，量子論在一九○○年開始蹣跚起步了。當時，蒲朗克正在研究十九世紀物理學懸而未決的一個問題，即熱物體的輻射熱能在不同波長上的分佈問題。在某些理想條件下，此能量是按特定方式分佈的。蒲朗克證明︰只有假設物體以分立包或分立束發射電磁輻射，才能對這種方式作出解釋。他稱這種分立包或分立束為量子（quantum）。當時他並不知道物體何以會有這種不連續性，只是特設地（ad hoc）被迫接受而已。
　　一九○五年，量子假說得到了愛因斯坦（Einstein）的支持，他成功地用它解釋了人們觀察到的光能量從金屬表面置換電子的現象，即所謂的光電效應（Photoelectric effect）。為了說明這種奇特的現象，愛因斯坦不得不將光束看成是後來稱為「光子」的分立粒子流。對光的這種描述似乎與傳統觀點格格不入。按照傳統觀點，與所有電磁輻射一樣，光也由連續的波組成，它的傳播符合馬克士威（Maxwell）著名的電磁理論，而這一理論早在半個世紀前就已牢固地建立起來了。事實上，早在一八○一年，光的波動性就由湯瑪斯．楊（Thomas Young）用其著名的「雙縫」裝置從實驗加以證實了。
　　然而，波動－粒子二元性（wave-particle dichotomy）並不局限於光。當時的物理學家們也關注原子的結構，他們尤其為電子圍繞原子核運動卻又不發射輻射所困惑。因為根據馬克士威電磁理論，沿彎曲路徑運動的帶電粒子必然會輻射電磁能；如果這種輻射持續進行，原子軌道上的電子就會迅速失去能量，螺旋式地落向原子核。
　　一九一三年，尼爾斯．玻耳（Niels Bohr）提出：原子中的電子也是「量子化」的，即它們能夠處於一些固定的能階（energy level，能級）上而不損失能量。當電子在能階間躍遷時，電磁能以分立的量被釋放或吸收。實際上，這些能量包就是光子。
　　可是，原子中的電子何以會以這種不連續的方式活動，當時人們並不清楚，直到後來物質的波動性被發現後，人們才恍然大悟。克林頓．戴維森（Clinton Davisson）和其他人的實驗以及路易．德布羅意（Louis de Broglie）的理論引出了下述概念：電子和光子一樣，在不同的條件下，既可表現出粒子性，也可表現出波動性。按照波動圖像，玻耳提出的原子能階相當於圍繞原子核的駐波模式。就像一個共振空腔可以對不同的分立音調產生共鳴那樣，電子波也可以按一定的能量模式振動。僅當此模式變化時（相當於從一個能階轉變到另一個能階），才有一個電磁擾動發生，伴隨著輻射的發射或吸收。
　　不久，人們便明白了；不僅電子，而且所有次原子（subatomic）粒子都有相似的波動性。顯然，由牛頓表述的傳統力學定律以及馬克士威的電磁定律，在原子和次原子粒子的微觀世界中完全失效了。為了解釋這種波動—粒子二元性，到一九二○年代中期，厄文．薛丁格（Erwin Schrodinger）和韋納．海森堡（Werner Heisenberg）另外建立了一個新的力學體系，即量子力學。
　　新的理論獲得了極大的成功，它很快幫助科學家說明了原子結構、放射性、化學鍵以及原子光譜等的細節（包括種種電磁場效應）。這個理論經過保羅．狄拉克（Paul Dirac）、恩里科．費米（Enrico Fermi）、馬克斯．玻恩（Max Born）和其他人的進一步發展，最終導致對核結構與核反應、固體的電性質與熱力學性質、超導性、物質基本粒子的產生與湮滅、反物質存在的預言、某些坍縮恆星的穩定性及其他眾多事例作出了令人滿意的解釋。量子力學也促使包括電子顯微鏡、雷射和電晶體在內的實用硬體有了最大限度的發展。極端靈敏的原子實驗已經以令人難以置信的精確度證實了存在著微妙的量子效應。五十年來，未發現任何實驗結果否定量子力學的預言。
　　所有這些成就都表明，量子力學是一個真正值得注意的理論，一個以科學上史無前例的精度正確描述世界的理論。當今絕大多數的物理學家，如果不是幾乎不加思索，就是完全信賴地應用著量子力學。然而，這個富麗堂皇的理論大廈卻是建立在一種深奧和不穩定的詭論（paradox，佯謬）之上的，這個詭論使有些物理學家斷言：這個理論最終是無意義的。
　　這個問題早在一九二○年代末和三○年代初就為人們所知曉，它與該理論的技術層面無關，而涉及到對理論的詮釋。

是波還是粒子？
　　量子的奇異性在像光子這樣的物體上得到了充分展現，因為光子既有波動性，又有粒子性，能夠產生繞射和干涉圖案，這是光的波動性的可靠驗證。但另一方面，在光電效應中，光子卻又像以椰子為靶子的投靶遊戲那般，把電子從金屬中敲出來。在這裡，光的粒子模型似乎更合適些。
　　波動性與粒子性的並存，很快就引出了關於自然的一些令人驚訝的結論。讓我們考慮一下一個熟知的例子。假設有一束偏振光射向一片偏振材料。標準電磁理論預言：如果光的偏振面平行於材料的偏振面，光就全部透過；但是，如果兩者成直角，則無光透過；如果角度居中，則有部分光透過。例如，當成四十五度角時，透射光強度應恰好為原光的一半。實驗證實了這一點。
　　現在，如果減弱入射光束的強度，以致一次僅有一個光子通過偏振片，我們就會遇到難題，因為一個光子不可能再分割，任一給定的光子要不就是通過了，要不就是被阻擋了。當角度為四十五度時，從總體上說，必定是一半光子通過，另一半光子被阻。但哪些光子通過了，哪些光子被阻呢？由於所有具有同等能量的光子都被假定是相同的，因而它們是不可分辨的，所以我們只能得出這樣的結論，即光子通過偏振片純粹是一個隨機過程。雖然任何一個給定的光子都有五十對五十（機率為二分之一）的機會通過偏振片，但要預見哪些光子將通過卻是不可能的。人們只能猜測其機率。隨著角度的改變，此機率在零到一的範圍內隨之變化。
　　這個結論是引人入勝的，但也使人不安。在量子物理學發現之前，人們認為世界是完全可預見的，至少在理論上如此。尤其是，如果做相同的實驗，人們相信會得到相同的實驗結果。但是，在光子與偏振片的情形中，人們卻能非常明顯地發現，兩個相同的實驗產生不同的實驗結果：一個光子在某實驗中通過了偏振片，而另一個完全相同的光子在另一次實驗中卻通不過。顯然，這個世界並不是完全可預見的。一般說來，在觀察之前，我們不可能知道某個給定光子的命運。
　　上述概念暗示︰在光子、電子、原子和其他粒子的微觀世界中，存在著一種不確定因素。一九二七年，海森堡以其著名的測不準原理（uncertainty principle，不確定原理），定量描述了這種不確定性。這一原理的表述形式之一與試圖同時測量一個量子物體的位置和運動有關。具體地說，如果要非常精確地測量電子的位置，我們就不得不捨棄有關它的動量的訊息。反之，我們可以很精確地測出電子的動量，但這樣一來，它的位置就變得不確定了。因為恰恰是試圖確定電子確切位置的作用，對電子的運動產生了不可控制和無法確定的干擾，反之亦然。而且，這種無法迴避的對我們認識電子運動與位置的限制，並非只是實驗粗陋的結果；它是自然界固有的。很顯然，電子並非同時具有位置和動量。
　　由此可見，在微觀世界中存在著一種本質的模糊性，一旦我們試圖測量兩個不相容的可觀察量（如位置和動量），這種模糊性便顯現出來。這種模糊性的後果之一就是摒棄了電子（或光子或其他任何粒子）在空間上沿特定路徑或軌跡運動的直觀概念。對古典概念中遵循特定路徑運動的粒子來說，在任何時刻它都具有一個位置（路徑上的一個點）和一個速度（路徑的切向量）。而一個量子粒子則不可能同時具有這兩者。
　　在日常生活中，我們確信，嚴格的因果律使子彈打到其靶上，或使軌道上的行星在空間沿精確的路徑運行。我們不會懷疑，當子彈射到靶子時，著靶點即為一起始於槍管的連續曲線的終點。而對於電子來說，情況就不同了。我們能夠識別其出發點和終點，但並非總能推斷出一條連接它們的特定路線。
　　幾乎沒有什麼比湯瑪斯．楊著名的雙縫實驗更能顯示量子的模糊性了。在這個實驗中，一個很小光源發出的光子（或電子）束向穿有兩個窄孔的屏幕運動，在第二個屏幕上產生了雙孔的像，它由明暗不同的干涉圖樣組成，因為通過一孔的波遇到了來自另一孔的波。波同步到達的地方，波則加強；波反相到達的地方，波則相互抵消。由此，光子或電子的波動性得到了明確的證實。
　　但是，射束也可以看成是由粒子組成。再假定讓光束的強度減弱，使在某一時刻僅有一個光子或電子通過小孔。自然，每一個都到達像屏上一個確定點，它留下的一個小點可以記錄下來。其他粒子到達其他點，也留下它們的小點。初看起來，這一效應似乎是隨機的，但隨著小點的增多，一個由小點組成的圖案逐漸形成。每個粒子不是強制地而是按「平均律」落向像屏上的一個具體地點。一旦有大量粒子通過此系統，一個有規則的圖樣就產生了，這就是干涉圖案。因此，任一給定的光子或電子都不能產生一個圖案，它僅僅造就一個點。雖然每一個電子或光子顯然可以自由地到達任意點，但它們還是以機率的方式合作建立起干涉圖。
　　現在，如果兩孔之一被擋住，那麼電子或光子的平均行為就會發生戲劇性的變化，干涉圖就會消失了。這個干涉圖也不可能從疊加兩個由單縫產生的圖樣中得到。只有當雙孔同時打開時，才有干涉圖產生。因此，每個光子或電子必定是以某種方式，獨自感知到開著的是雙孔還是單孔。但如果它們是不可分割的粒子，它們是如何做到這一點的呢？從粒子來看，每個粒子僅能通過一個小孔，但它卻知道另一孔的開啟情況。這究竟是怎麼回事？
　　回答這個問題的方法之一，是回想量子粒子在空間不具有確定的運動路徑。我們可將每個粒子看成是這樣的東西，即它擁有無數條運動路徑，而每條路徑都對它的行為起作用。這些運動路徑或路線穿過屏幕上的兩個孔，並對每個窄孔進行編碼。這就是粒子所以能夠在擴展的空間區域內隨時感知情形變化的原因。粒子行為的模糊性使它能夠「感覺到」眾多不同的路徑。
　　假定有一個持懷疑態度的物理學家，在兩孔前各放一個探測器，那麼，為了預先知道某個電子向哪一孔運動，難道他就不能在不讓電子「察覺」，且不改變其運動的情況下，突然擋住另一孔嗎？如果我們考慮一下海森堡的測不準原理，我們就能看到，大自然智取了這個狡猾的物理學家。因為要使對各個電子位置的測量精確到足以識別它朝哪個孔運動，電子的運動就會受到極大的干擾，致使干涉圖硬是消失了。正是探究電子向何處去的作用使雙孔合作歸於失敗。只有當我們決定不去跟蹤電子的運動路徑時，電子對兩條路徑的「知識」才會顯現出來。
　　約翰．惠勒（John Wheeler）曾指出上述二元性的一個更引人入勝的推論，即究竟是以實驗來確定電子的路徑，還是放棄這種訊息與實驗，而代之以干涉圖，此項決定可延遲到任何給定的電子已經通過裝置後作出。在這個所謂的「延遲選擇實驗（delayed-choice experiment）」中，實驗者似乎決定在某種程度上影響先前的量子粒子將如何行動，儘管必須強調指出，所有量子過程的不可預見性都禁止這種逆時發送信息或以任何方式「改變」過去。

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