【引言】
最近從克卜勒的天文學,到霍金的宇宙論,一直會聽到《量子力學》《愛因斯坦相對論》與《牛頓古典重力學》,這三個迭代的科學理論,讓我們讚嘆西方的科學革命,是基於千人清楚的定義,以及一群人公開的討論與實證研究得到一個較合理的推論結果。這個過程就是科學。為了認識量子力學,我參考Wikipedia與許多文章影片,試圖拼湊出一個全貌。
首先,量子(quantum)是指能量包的概念,也就是攜帶能量的粒子。量子具有「波動」與「粒子」的雙重特性,這叫做「波粒二象性」,這是量子力學發展100多年後所得出的結果。
在量子力學之前,1865年maxwell 發現電磁波,速度等於光速。電磁波,並不是光。光是人可以看到的頻率,但電磁波是人看不到的。1887年赫茲發現紫外線照到金屬表面可以產生電流。「紅外光」則無法產生電流,因此能夠產生光電效應的關鍵是光的頻率(較紅光的高頻率/低波長)。
最早是1900年普朗克所提出來的觀念,他認為能量並不是連續性的,而是離散的(discrete)的存在,就像粒子。到了1905年愛因斯坦的「光電效應」研究發現,提出「光量子」的理論。「紫外光」照射到電子,可以驅動電子產生電流。
最早拉塞夫模型描述原子模型,電子像行星一樣繞著原子核旋轉,靠的是庫倫力與離心力。1913年波耳模型引入電子是在對應某個能階軌道上運轉。1913年布拉格發現電子也有繞射現象,帶有波的特質。1924年得布羅伊發表粒子具有波動性,因此推出「物質波」的觀念。1926年薛丁格發表量子的波動方程式。
1925年代海森堡給出量子力學的矩陣形式,1927年提出不確定性原理(以前稱為測不準原理),而是發現原本電子具有波的特性,但刻意測量時因為測量所產生的光將會影響電子,而無法觀察到電子的波動特性。1927年10月物理學家在布魯塞爾舉行第五次索爾維會議。此次會議主題為「電子和光子」,世界上最主要的物理學家聚在一起討論新近表述的量子理論。會議上最出眾的角色是愛因斯坦和尼爾斯·波耳。前者以「上帝不會擲骰子」的觀點反對海森堡的不確定性原理,而波耳反駁道「愛因斯坦,不要告訴上帝怎麼做」——這一爭論被稱為波耳-愛因斯坦論戰。
哥本哈根學派主張「量子疊加」的概念,也就是說電子在原子核附近出現是機率的疊加,也就是說,量子的狀態因為相互干擾(相干),結果是不同可能的機率的疊加。至於觀察的結果,就叫做「坍塌」,因為為了觀察,觀察所發出的新干擾,就會使得疊加狀態坍塌了。薛丁格用「薛丁格的貓」的故事來反諷,認為觀察的結果只有一種,不會是疊加的。薛丁格的解釋,非常清楚,反而幫助哥本哈根學派更容易解釋。疊加的可能性,例如A,B兩種可能性,發生機率不同。但這兩個平行發展的可能性,是糾纏的,因為機率的關係兩個像是映像(叫做「量子糾纏」),但兩個平行宇宙的發展,兩個宇宙不會互通也不會干擾(叫做「去相干」),有部電影《coherence》就運用這個平行宇宙的觀念去發展。
到了1935年愛因斯坦很不滿意哥本哈根學派的論述。他認為量子力學不具有完備性,他提出一系列反駁論述,其中最著名的就是EPR論文(愛因斯坦-波多爾斯基-羅森佯謬/愛波羅弔詭)。1964年,約翰·貝爾提出論文表明,對於EPR思想實驗,量子力學的預測顯著較支持哥本哈根學派。(維基百科)
1957年美國量子物理學家休·艾弗雷特三世發表多世界詮釋,旨在解釋測量問題,從而解決某些量子理論中的悖論,如EPR悖論和薛丁格貓悖論。到了1991年,大衛·梅爾銘在一場講座裏直截了當的表示,「EPR論文有誤。」在稍後討論時,EPR作者之一,羅森很有禮貌的承認,「該論文無誤,它做了一些假設,然後給出邏輯的總結;該假設有誤。」(維基百科)
【一字】
量,稱輕重《說文》,例如測量。
量,度多少《廣韻》,例如度量衡。
量子,能量的粒子。
【一圖】
這張圖採用蠱卦,將量子力學根據發展的歷史分為六個階段,以支持愛因斯坦的角度為陽,因為愛因斯坦認為「上帝不會擲骰子」,而與愛因斯坦角度不同的為陰,尤其是哥本哈根的詮釋,因為他們的觀點是疊加態或是平行宇宙。
1900年普朗克提出量子的離散概念,這是愛因斯坦光量子理論的參考基礎。
1905年愛因斯坦提出光電效應,提出光量子理論。
1925年海森堡的矩陣量子力學模型。
1926年薛丁格的波動力學模型。
1927年海森堡在發表不確定性原理。
1935年愛因斯坦發表EPR論文/愛波羅弔詭。
【參考】
維基百科(量子力學) https://zh.wikipedia.org/zh-tw/量子力学
維基百科(EPR論文) https://zh.wikipedia.org/wiki/爱因斯坦-波多尔斯基-罗森佯谬
維基百科(多世界詮釋/平行宇宙)https://zh.wikipedia.org/wiki/多世界诠释
青蛙刀聖(2023),史上最入門的方式講解 https://youtu.be/LS72MctJoJQ?si=2gySms3qJuYM9hdh
美國獨立電影《彗星來的那一夜 Coherence》https://vocus.cc/article/5ea69036fd897800013a56ff