量子力學究竟是什麼？

探討量的最小單位——「量子」的學問

獲得神秘小槌子的環奈、葛洛莉雅和山根，這三位女孩即將展開追尋物質真相的旅程。但在此之前，我們先對各位讀者簡單地說明一下本書主題：「量子力學」。這裡所講的，有些會與之後的文章及漫畫有所重複，但希望各位將本文當作是一篇目錄，輕鬆地瀏覽過去。

正如貫太所說，量子力學是探究極微世界（微觀世界）的學問，其開端在於分子與原子的發現。在十九世紀末之前的科學研究成果中，發餡了各種物質都具有作為最小構成單位的「零件」，用不同的方式組合這些零件就能夠形成萬物。

但，這裡出現了一個問題。

人們越深入研究原子，就發現原子並不符合它一開始的定義——「無法再分割下去的最小粒子」，其構造似乎還可以再繼續分解下去。

仔細想想的話，會得出這樣的結論也是當然的。

如果說原子是如幽靈般曖昧的東西的話，說它「再也分割不了！」那我們或許可以輕易接受。但由於它實際上是以粒子這樣的「物體」形式存在著，所以我們自然會好奇：「如果把這物體分解開來的話會如何？」在進入二十世紀後，人們才真正開始進行探索原子內部構造的研究，這就漸漸與「量子論」這個探索物質、能量，甚至時間等宇宙中「各種現象」最小單位的科學產生關聯。

粗略來說，以上就是量子力學故事的第一幕。

相對論也無法解釋量子

二十世紀的前十年，人們開始認為「原子似乎是由原子核及電子所構成的……」，這就是開啟下一個疑問的起始。這個疑問是，以當時的物理學常識看來，這樣構造的原子能夠恆久存在，實在是很奇怪的一件事。

從艾薩克．牛頓（Isaac Newton）發展起總結到十八世紀的牛頓力學，已長時間被人們相信可以完美地說明世間所有的現象。因此在十九世紀時，甚至有人說：「物理學已經沒有什麼東西可以研究了」。

但是進入二十世紀後，阿爾伯特．愛因斯坦（Albert Einstein）發表了相對論（1905年發表狹義相對論，廣義相對論則發表於1915～1916年），揭示出若要能夠更巨觀（macro）地觀察自然界，就必需要超越牛頓力學的理論。但是，即使有了這套相對論，我們還是不能說明超微觀世界的原子內部狀態。

比方說像以下的現象：

‧根據古典物理學，繞著原子核周圍轉的電子理應會急速失去能量往原子核落去，但電子似乎都不會這樣落下。
‧當被原子核所束縛的電子掉到更低的能階時，造成的能量大小變化無論怎樣都不會是連續的。
‧無法確切標定出電子的存在位置。
‧電子同時存在於好幾處。
‧理應什麼都沒有的真空中，卻突然出現電子。

對過去的物理學來說，只要能知道任何「物體」現在所在的位置以及它運動的狀態，就可以明確標定出它經過特定時間後所處的位置。因此對於運用時刻表的鐵路推理小說來說，不在場證明的鋪設及解答才會是故事的重點所在。但如果是在電子的尺度的話，像是「一小時前才坐上東海道的新幹線，現在人卻出現在沖繩」的事可說是家常便飯（當然這是十分誇張的說法啦……）。

換句話說，極微世界似乎是建立在一種人類過去從來不知道的全新物理法則上。那麼，這個法則究竟是什麼？因為這樣的疑問所以量子力學因而誕生，並從1920年代起就一口氣有了長足的進步。

這可謂是一場知識的大革命。如今諾貝爾物理獎的得獎者幾乎都是由量子力學相關領域的研究學者所囊括。順帶一提，日本歷年的物理獎得獎者：湯川秀樹、朝永振一郎、江崎玲於奈、小柴昌俊、小林誠、益川敏英，也全部都是這個領域的研究學者。

量子力學足以與相對論並稱為二十世紀的物理學代表理論，但其實愛因斯坦的相對論多被視為「古典物理學」的範疇中，今後能夠期待有重大發現的還是量子力學。而且在二十一世紀中，應該可以完成將量子力學與相對論融合起來的量子重力理論，以及能更進一步發展的超大統一理論。對於廣佈在整個宇宙中、產生如「反重力」般作用的神秘暗能量（dark energy），以及在巨觀尺度中也會產生特異現象的強烈重力場等現象，是無法僅用愛因斯坦的理論就能解釋的。因此，如果能根據量子力學的概念對相對論進行修訂的話，這必定會成為地球人所創造的偉大文化之一。

希望大家就算不懂理論也能夠樂在其中

我們就要開始進入充滿神奇魅力的量子力學世界中探險了。在其中談到原子內部構造時，會提及相當於日本高中課程「物理Ⅱ」才會教到的內容，我想大多數人都不是很清楚。因此，除了在漫畫部份會從初步的內容開始說明以外，在此先來介紹幾個對閱讀故事有幫助的基礎用語吧。目前這個階段你不需要強迫自己讀懂，但後面如果有什麼不懂的用語的話，希望你能翻回這裡來參考。

分子（molecule）

在理科的學習中，國語辭典竟能起到意想不到的助力。當碰到看不懂的用語時，與其去翻找難度太高的解說書籍，不如來查查我們身邊的辭典。

在《新明解國語辭典　第五版》（三省堂出版）中，對於分子的解釋是這樣的：

「保有某一物質的化學性質，並且能夠獨立出來的最小粒子」

正如同以上上述，例如水分子是由氫原子與氧原子所構成，但是決定水的性質（沸點、溶點、黏性等等）的是在於水分子的構造，因而水與氫、氧是完全不同的物質。而且氫與氧在地球上本來就不會以單一個原子的方式自然存在，都是二個二個組成對以形成氫分子與氧分子。

另外，如果氧以原子狀態環繞在四周的話，它的化學反應性會很高，甚至比劇毒還要危險。

元素（element）與原子（atom）

根據國語辭典，元素的意思是：

「在宇宙的空間中構成某種物質而且無法再用化學方式進行分解的東西。以自然物質存在的元素數目共有九十二種。」

而原子則是：
基本粒子／次原子粒子（subatomic particle, elementary particle）

基本粒子正如其名，是所有物質的「基本」的粒子。以前所指的即是原子，但因為發現原子是由更小的粒子所構成的，因此就不再以基本粒子來指涉之。

之後由於量子力學的進步，人們又發現了許多基本粒子的候補粒子，但也由於大家不知道到究竟其有多小，因而國語辭典對它的說明也不甚清楚：

「並非其他物體的複合體，而是構成物質、電磁場基礎的粒子。例如質子、中子、介子等等。」

質子與中子究竟是不是基本粒子，不同的學者有不同的見解，因而難以定義，故此本書盡可能不用到基本粒子這個詞。

量子（quantum）

指的是物質與能量等物理量的最小單位量。為了明確說明它究竟是什麼樣的東西而發展出的學問就稱做量子論（quantum theory）。然而現今，為了區別出它所探索的量子世界是不同於古典力學者，因而普遍將之稱為量子力學（quantum mechanics）。而本書也統一稱之為量子力學。

「在不喪失元素特性的範圍內的最小細微粒子。原子會形成分子。」

換句話說，元素是構成物質的最小單位別，而構成元素的則稱為原子。

量子力學究竟是什麼？

探討量的最小單位——「量子」的學問

獲得神秘小槌子的環奈、葛洛莉雅和山根，這三位女孩即將展開追尋物質真相的旅程。但在此之前，我們先對各位讀者簡單地說明一下本書主題：「量子力學」。這裡所講的，有些會與之後的文章及漫畫有所重複，但希望各位將本文當作是一篇目錄，輕鬆地瀏覽過去。

正如貫太所說，量子力學是探究極微世界（微觀世界）的學問，其開端在於分子與原子的發現。在十九世紀末之前的科學研究成果中，發餡了各種物質都具有作為最小構成單位的「零件」，用不同的方式組合這些零件就能夠形...

坦白說，我從唸國小一直到剛進高中時，都很想當個物理學家，而且我想鑽研、了解分子與原子的構造、探究物質與能量是怎麼形成的量子力學領域。
但是在高中時期，我毅然地放棄了這個夢想，並朝著如今的職業一路邁進。其理由有二：
積極面的理由是，我對寫文章出書的工作具有更強烈的興趣；而消極面的理由則是，我覺得在唸物理時要使用方程式來作數學運算這件事非常的麻煩。
說來，人生本來就常會碰到「想做」與「不想做」這兩個念頭的相互拉扯，因此我並不後悔做出這樣的抉擇。而且現在的這個工作很適合我，我也從未想過要轉行當科學家。但在我心中，仍有這樣的憧憬：「如果能再認真點唸量子力學就好了……」
因為這樣，這次在討論書系的新企劃時，我想也沒想的就決定「來做量子力學」。當幸運地獲得了週遭人的贊同並順利底定出版計畫時，我真有一種解決了長年煩惱的暢快感。
但是……
開始寫作之後，我馬上就後悔了。
「好、好、好難呀……」
「久違」的量子力學對我而言可說是一大難關。每想要更深入地多唸一些時，就會看到鋪天蓋地的數學式子擋在前方。看來，我的腦袋比起高中的時候並沒有進步多少呀。這下子我才發現這份工作非同小可，霎時綠了臉。
雖然如此，既然我都大聲宣告過：「我要編出連從未鑽研過物理的人也能愉快閱讀的內容！」了，所以我也就沒有退路了。我時而翻著資料呻吟（不是在朗誦喔），時而對監修的川端教授哭訴，好不容易才能一步步編寫下去。同時，有了繪圖的柊老師及負責製作、編輯的Verte 的新井先生與川崎先生等人協助，才終於完成了這部作品，真是非常感謝大家的幫忙。
當然，想只靠著本書就能理解量子力學的一切是不可能的。但是只要你繼續看下去，就可以了解到「量子力學所指涉的含義是什麼」。因此，如果讀了這些而產生興趣的人，請務必要挑戰更專門的書籍，其中所開展的知性世界必定能帶給你超乎想像的樂趣。
而且，在1910到1940年中為量子力學帶來重大進步的人物，每位的個性都非常的鮮明、強烈，其中被稱為「量子力學之父」的波耳教授更是獨樹一幟。他就是長期與頂頂大名的愛因斯坦不斷進行科學論戰，最後漂亮獲勝的強者。
波耳與寫出量子力學最重要方程式的薛丁格之間也有過激烈的論戰。起初薛丁格對於大他2歲的波耳前輩很有耐心地謹慎應對，但持續徹夜討論的結果終於使他疲勞不支而被送進了醫院。當他才想著：「總算解脫了」時，前來探望的波耳卻沒有想回家的意思，於是又開始在病床旁重啟討論會，一直辯到薛丁格昏倒沒法開口為止。
還有，以測不準原理總結量子力學最大發現：「世界不是由必然、而是由偶然所構成，因此只能用機率來表示」的海森堡，也是天天都要花上好幾個小時來討論量子力學。而且他很喜歡走路，一天可以走上30公里、完全不看四周景色的一直說話，看在旁人眼中，他這個樣子真的是非常怪異。
在那個時代，許多科學家之所以可以日夜不休地進行討論，是因為他們的居住地都集中在狹小的歐洲。為什麼會發生如此偶然的歷史現象呢？
我想，這些科學家們絕不是生來就是天才。因為在這樣特定的時期、特地的地區中，要同時誕生出這麼多優秀的人才，在機率上應該是不可能的。
在我的想像中，當時的歐洲應該是充滿著一種要探究出物質、能量源頭所在的氛圍。說白一點，就是把探究科學真理當作是樂趣的氣氛。愛因斯坦、波耳、薛丁格與海森堡，都只是「乘著時代的波浪」並樂在其中的科學家罷了。
這道波浪，至今仍一直持續著。而且如今量子力學所要解答的不只是物質與能量的問題，甚至還廣及到整個宇宙創生的原理。它不但成為一門愈來愈壯大的學問體系，同時也變得愈來愈有趣了。
我不是說要每個人都成為物理學家，我只是希望能讓更多人知道量子力學這門學科，知道在這門學科中，仍有許多科學家在不斷地進行著劃時代的研究以解開我們所生活的這個「世界」上所蘊含的謎題。
不知道這本書能不能為這個目標提供幫助，但只要能增加更多愛好與支技量子力學的人，就是我無上的榮幸了。
石川憲二

坦白說，我從唸國小一直到剛進高中時，都很想當個物理學家，而且我想鑽研、了解分子與原子的構造、探究物質與能量是怎麼形成的量子力學領域。
但是在高中時期，我毅然地放棄了這個夢想，並朝著如今的職業一路邁進。其理由有二：
積極面的理由是，我對寫文章出書的工作具有更強烈的興趣；而消極面的理由則是，我覺得在唸物理時要使用方程式來作數學運算這件事非常的麻煩。
說來，人生本來就常會碰到「想做」與「不想做」這兩個念頭的相互拉扯，因此我並不後悔做出這樣的抉擇。而且現在的這個工作很適合我，我也從未想過要轉行當科學家。...

序章 一寸法師與拇指姑娘
一寸法師的故事
拇指姑娘的故事
量子力學究竟是什麼？

第1 章 「一半的一半的一半……」是什麼？
1-1 永無止境的悖論
Column 阿基里斯與龜
1-2 分子與原子真的存在嗎？
1-3 來探索眼睛看不見的原子吧！
Column 挑戰「看見微小世界的技術」之1 顯微鏡的發展史
如果「元素」與「原子」都不存在的話？ 5
Column 古希臘以外的元素論、原子論

第2 章 當原子不再是「atom」的時候
2-1 物體是由原子組合而成
元素週期表
2-2 天才化學家拉瓦節的功績
元素週期表應用篇
回歸原點的原子之旅
Column 挑戰「看見微小世界的技術」之2能夠看到原子的顯微鏡！

第3章要怎樣探索原子內部？
3-1 電的孩子「電子」的發現過程
3-2 湯木生與長岡半太郎的原子模型
Column 日本物理學之祖長岡半太郎的偉大成就
3-3 拉塞福撞出的原子核
從電子到質子、中子與夸克的世界

第4章 如果沒有量子力學，原子就會崩壞
4-1 原子的構造與天體不同
4-2 電子不會像球一般落下
4-3 波耳的原子模型
為什麼波耳會成為「量子力學之父」呢？

第5章 物質的真面目竟然是幽靈？
5-1 德‧布羅意的奇妙想法
5-2 薛丁格大戰海森堡
複習入門薛丁格方程式所需要的高中數學
複習入門薛丁格方程式所需要的高中物理
特別講座任何人看了都（或許）會有點了解的薛丁格方程式
5-3 「電子究竟在哪裡？」就是波的真相
5-4 我們無法同時得知「位在哪裡？」「怎樣運動？」

尾聲 量子力學還觸及到了「其他的世界」
Column 超弦理論的超簡單說明
從哥本哈根詮釋到多世界詮釋
Column 量子力學與我們的生活有什麼關係？之1
沒有穿隧效應就做不出家電用品
Column 量子力學與我們的生活有什麼關係？之2
量子通訊、量子電腦、量子密碼……到處都是量子！
Column 量子力學的幕後英雄提倡電子自旋的包立
書末附錄一起來解薛丁格方程式！
量子論‧量子力學的系譜
參考文獻
索引

序章 一寸法師與拇指姑娘
一寸法師的故事
拇指姑娘的故事
量子力學究竟是什麼？

第1 章 「一半的一半的一半……」是什麼？
1-1 永無止境的悖論
Column 阿基里斯與龜
1-2 分子與原子真的存在嗎？
1-3 來探索眼睛看不見的原子吧！
Column 挑戰「看見微小世界的技術」之1 顯微鏡的發展史
如果「元素」與「原子」都不存在的話？ 5
Column 古希臘以外的元素論、原子論

第2 章 當原子不再是「atom」的時候
2-1 物體是由原子組合而成
元素週期表
2-2 天才化學家拉瓦節的功績
元素週期表應用篇
回歸原點的原子之旅
Colu...