第5章 量子力學

如果要說近百年來物理學家有什麼重大的發現，或許就是──宇宙比任何從前的科學家所想像的還要古怪！

愛因斯坦的相對論顯示：事實或真相不一定會符合我們日常生活的經驗；不同的物體所感受的時空變化有可能不同。接著物理學家又提出一個新的理論，把我們所認知的一切再度推向前所未有的世界；根據這個理論，物體可以同時出現在兩個地方，並且同時展現兩種不同的性質。

這個刷新人們想像的理論，就是本章要談的量子力學。

量子力學的用途

對許多物理學家而言，量子力學為什麼這樣運作並不重要；如何利用基本粒子的神奇性質、它們可以完成哪些事？才是最重要的。

牆裡牆外

粒子的量子本性有不確定性，這讓粒子有一種奇怪的性質，稱為量子穿隧⋯⋯那到底是什麼意思？

人物A：像山羊這麼大的東西會遵守古典物理學的原理，例如牛頓運動定律。也就是說，當一隻山羊遇到一堵牆，牠沒辦法穿過去。還是……難道牠可以？

人物B：如果換成粒子，適用的原理就不同了。當粒子遇到一堵牆，它的波函數可以延伸到牆的後面；它們的位置無法確定，也就是說，它們有可能出現在牆的另一側。

所以，如果測量一顆粒子的位置，有可能發現它「輕輕一跳」，就已經在那堵牆後方──這就是量子穿隧。

而且這種事真的會發生。

但是，牆愈厚，發生的機率就愈低。

人物C：重點來了，一隻山羊要經歷穿隧效應並不是完全不可能。不過，那需要構成這隻山羊的所有粒子（那是非常、非常多的粒子）在同一時間，用同一方式運動。

人物D：只要一件事有可能發生，物理學家就會想辦法實現。

穿隧到新世界

好吧！到目前為止，還沒有人嘗試推一隻山羊穿過一堵牆。但是人們努力想駕馭量子穿隧的神奇效應──例如發明威力強大的神奇顯微鏡。

人物B：一般的顯微鏡有其極限，如果你要觀察的物體小於可見光的波長──例如一顆原子，在一般的顯微鏡鏡頭下，根本看不到。

但是掃描穿隧顯微鏡（縮寫為STM）克服了這個問題。它有個帶電、非常小的尖端。這個尖端可以非常、非常靠近要研究的物體─例如一顆原子，中間只隔著一點氣隙。

氣隙就像一堵牆。有時候，電子會由顯微鏡的尖端「穿隧」到要觀測的物體上。

這些電子變成微小的電流，被STM偵測到。

顯微鏡的尖端與物體之間的間隙愈小，就有愈多電子穿隧，STM偵測到的電流就愈大。

STM透過電腦測量穿隧電子的運動，並建構出物體內原子的形狀，然後呈現在螢幕上。

STM可以顯示原子及原子的排列情形，真是神奇！STM還能用來協助製造電腦零件，因為有些零件只有幾顆原子的大小！

互相糾纏

微小粒子還有另一個奇怪的性質是：即使隔著真空，它們也會互相影響；而且這種性質不只在相隔短距離時發生（像磁鐵那樣），而是可以橫越好幾個星系──科學家稱它為量子纏結（或量子糾纏）。

當物理學家用「纏結」描述粒子時，他們的意思是一顆粒子的「狀態」可以立即提供你另一顆粒子「狀態」的資訊。你可以這樣想像……

人物C：你有一顆黑色彈珠和一顆白色彈珠，分別放在一個你無法看到內部的盒子裡。

這兩顆彈珠是互相纏結的狀態。意思是說，如果你打開其中一個盒子，看到白色彈珠，你會立即知道另一個盒子裡有黑色彈珠。

就算你把兩個盒子分隔好幾光年遠，這兩顆彈珠還是互相纏結──只要看到其中一顆，就能立刻知道另一顆彈珠的顏色，即使它遠到你可能永遠無法看到它。

物理學家可能會刻意讓一組粒子互相纏結，因為這樣一來，就算他們無法直接觀測某些粒子，也有辦法得知它們的狀態；但這同時也意味著，只要改變一顆粒子的狀態，其他任何跟它纏結的粒子都會跟著改變。

人物A：真酷！

人物B：酷嗎？我覺得毛骨悚然。

人物C：如果你問我，我覺得又酷又令人毛骨悚然。不過這給了我靈感……

瞬間移動到遠方？

物理學家想到，量子纏結或許有可能讓原本只出現在科幻小說裡的科技──遠距傳送在真實世界裡實現。但是，就像量子力學的大多數概念一樣，讓想像成真的方法⋯⋯有點奇怪。

人物C：這兩顆光子互相纏結。我還沒有測量它們，所以依照物理學家的說法，目前它們是「所有可能狀態的疊加」。

我把一顆光子留在這裡……

……另一顆移到那裡。

現在我要賦予這顆粒子我希望它具有的狀態。設定這個狀態的動作會「遠距傳送」相反的狀態給纏結的粒子。

遠距傳送聽起來不可思議──也確實不可思議。目前物理學家就連把一個人遠距傳送到隔壁的房間都做不到，更別提傳送到另一顆行星上；因為遺憾的是，物體愈大，它的波函數就愈小，因此愈難纏結。

人物A：要設定人體每一顆粒子的狀態，實在太複雜了。

人物B：而且遠距傳送只能把互相纏結粒子的資訊傳過去，你並不能遠距傳送你自己……

雖然構成你身體的每一顆原子的資訊可以透過量子纏結傳送到遠方，但那裡必須有一個複製的你來接收資訊。

人物A：事實上，量子遠距傳送已經有成功的例子。經由量子纏結，資訊從環繞地球的人造衛星上傳回地面──傳送距離長達1400公里！

第5章 量子力學

如果要說近百年來物理學家有什麼重大的發現，或許就是──宇宙比任何從前的科學家所想像的還要古怪！

愛因斯坦的相對論顯示：事實或真相不一定會符合我們日常生活的經驗；不同的物體所感受的時空變化有可能不同。接著物理學家又提出一個新的理論，把我們所認知的一切再度推向前所未有的世界；根據這個理論，物體可以同時出現在兩個地方，並且同時展現兩種不同的性質。

這個刷新人們想像的理論，就是本章要談的量子力學。

量子力學的用途

對許多物理學家而言，量子力學為什麼這樣運作並不重要；如何利用基本粒子的神奇...

這是一本內容豐富、概念清楚、脈絡分明且文圖整合的科普好書。不僅文字流暢、用語精準，譯者也充分掌握信達雅準則，清楚闡述從古典到近代的物理學概念。

在給中小學生的物理讀物中，本書獨樹一幟的帶領孩子認識相對論在近代科學史上精采的思考歷程；其中「時間膨脹」、「空間縮短」的概念充滿想像與創見。量子力學如何引領量子科技與量子電腦的發展，也是本書的特色內涵。此外，量子糾纏、反物質等科學新知也在書中呈現，十分難得。值得推薦給中學生和小學高年級學生閱讀！

——本書審定 簡麗賢

北一女中物理教師、《如何學好高中物理》作者

這本書不只介紹目前科學家已知的物理學發現，還有許多尚待解開的謎題、物理學家腦洞大開的假設與推論，讓人對物理學的未來發展十分嚮往！強烈推薦給所有喜愛科學和物理、有一定閱讀基礎的孩子！──Amazon網路書店五顆星★★★★★好評推薦

這本書把許多聽起來有點嚇人的理論：量子力學、相對論、黑洞、電磁學……用10歲以上的孩子都能接受的語句解釋，再搭配詼諧的對話、色彩繽紛的插圖，原本生硬的物理知識都變得生動有趣，讓人忍不住想要更深入的探究物理！──Amazon網路書店五顆星★★★★★好評推薦

我為我的12歲孩子選擇了這本書，作為他從基礎科學進階到入門物理的學習用書。因為孩子在家自學的關係，我會和孩子一起共讀，連我自己都獲益良多！──Amazon網路書店五顆星★★★★★好評推薦

這是一本內容豐富、概念清楚、脈絡分明且文圖整合的科普好書。不僅文字流暢、用語精準，譯者也充分掌握信達雅準則，清楚闡述從古典到近代的物理學概念。

在給中小學生的物理讀物中，本書獨樹一幟的帶領孩子認識相對論在近代科學史上精采的思考歷程；其中「時間膨脹」、「空間縮短」的概念充滿想像與創見。量子力學如何引領量子科技與量子電腦的發展，也是本書的特色內涵。此外，量子糾纏、反物質等科學新知也在書中呈現，十分難得。值得推薦給中學生和小學高年級學生閱讀！

——本書審定 簡麗賢

北一女中物理教師、《如何學好高中物理》...

前　言
物理是什麼？／4　提出問題／6　物理無所不在／8
物理學家都在做些什麼？／10

第 1 章：力與運動
是什麼讓物體動起來？該怎麼做才能讓運動中的物體停下來？
為什麼有的物體運動得比較快？哪些因素讓物體的運動變簡單？
你正在「動」嗎？／16　牛頓和運動定律／19　奇妙的重力／20
運動與能量／22　混沌與秩序／24　力與物質／25　摩擦力／26
速度與能量／27

第 2 章：波與波動
聲音是怎麼傳遞的？光的原理是什麼？電、磁和光之間，有什麼關係？
波是什麼？／30　怎麼描述波？／31　聲波／32　電子與電荷／34　電磁學／36
窺探太空與時間／40　波的未來應用／41

第 3 章：光的速度和宇宙的形狀
愛因斯坦提出了現代物理學最重要的兩套理論─狹義相對論探討了光速，
廣義相對論揭開了宇宙的模樣。這兩套理論到底說了什麼？
光速有可能變快嗎？／44　相對論與E＝mc 2 ／48　愛因斯坦後來怎麼想？／49
光線偏折與時間變慢／52　重力波是什麼？／54

第 4 章：核子與粒子物理學
物理學家目前發現最小的東西是什麼？他們用什麼方法嘗試找出更小的顆粒？
這些嘗試又為物理學帶來什麼新發現？
原子內部／58　闖進原子核／60　放射性物質／62
最小的終極顆粒／64　有多大、有多小？／66
次原子粒子的交互作用／68　不只是理論／70　回到大世界／72

第 5 章：量子力學
最小的粒子遵守的物理定律和我們肉眼所能見到的「大東西」截然不同！
它們遵守的物理定律是什麼？為什麼這些定律看起來似乎毫無道理？
什麼是量子力學？／76　量子的基本概念／78　不是害羞，而是測不準／82
量子宇宙／84　量子力學的用途／86

第 6 章：進入太空
地球外面是什麼樣子？太陽系、銀河系⋯⋯甚至更遙遠的宇宙中，
還有多少我們不知道的東西？物理學家怎麼探測宇宙的過去、預測未來？
宇宙是怎麼誕生的？／94　了解天空／96　太陽系／98
閃亮的恆星／100　看見黑洞／102　宇宙末日／104

第 7 章：還沒解開的謎題
物理學家努力想解釋萬事萬物，但無論在地球上或太空裡，
還有許多事物至今還沒有人弄懂它們的原理。
不過，這些尚未解開的謎團，其實非常有趣！
太空旅行／108　時間旅行／110　物質與反物質／112
宇宙由什麼構成？／114　讓一切都說得通／116
你想了解更多嗎？／118　學物理，一點都不難！／120

專有名詞／122
索引／124
和物理學有關的工作／127

前　言
物理是什麼？／4　提出問題／6　物理無所不在／8
物理學家都在做些什麼？／10

第 1 章：力與運動
是什麼讓物體動起來？該怎麼做才能讓運動中的物體停下來？
為什麼有的物體運動得比較快？哪些因素讓物體的運動變簡單？
你正在「動」嗎？／16　牛頓和運動定律／19　奇妙的重力／20
運動與能量／22　混沌與秩序／24　力與物質／25　摩擦力／26
速度與能量／27

第 2 章：波與波動
聲音是怎麼傳遞的？光的原理是什麼？電、磁和光之間，有什麼關係？
波是什麼？／30　怎麼描述波？／31　聲波／32　電子與電荷／34　電磁學...