跟狗狗一起學物理

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前言　為什麼教狗狗「物理」？量子物理導論

第1章　要走哪一邊？兩邊皆可：波粒二象性
第2章　我的骨頭在哪裡？海森堡測不準原理
第3章　薛丁格的狗狗：哥本哈根詮釋
第4章　許多世界、許多點心：多重世界詮釋
第5章　「你睡著了嗎？」：量子芝諾效應
第6章　沒有必要挖地道：量子穿隧
第7章　幽靈遠吠：量子糾纏
第8章　傳送一隻兔子給我：量子遠傳
第9章　起司兔子：虛擬粒子和量子電動力學
第10章　當心邪惡的松鼠：量子物理的錯用

誌謝
延伸閱讀
重要詞彙

前言

為什麼教狗狗「物理」？量子物理介紹

　　拓洛伊巿郊外有一所摩霍克暨哈德森人道救援協會，林間設有一小條步道，想收養狗狗的人們可以牽出來走走看。我在路旁空地的長椅坐下來，看著牽出來的狗狗。

　　她緊挨著椅子坐下，用鼻子頂頂我的手，我也搔搔她的耳背做回報。太太凱特和我已經看過許多隻狗狗了，但是這回她得上班，所以派我來挑選一隻狗狗帶回家。我腳邊的這隻狗狗，看起來頗合適。

　　她是一歲大的混種德國牧羊犬，帶有牧羊犬典型的黑褐色皮毛，但是體型上比牧羊犬小，還有一副塌塌的長耳朵。籠子上掛的名牌是「公主」，不過好像不太相配。

　　我問道：「小姐，你覺得我們應該叫妳什麼呢？」

　　她答道：「叫我艾美啊！」

　　「為什麼呢？」

　　「笨蛋，因為這正是我的名字啊！」

　　被狗狗叫「笨蛋」讓我有點兒驚訝，不過她講的也有道理。「好吧！這點我無從置喙。那妳想跟我們一起住嗎？」

　　「嗯，要看情形。」她說道：「你們家附近有什麼小動物嗎？」

　　「妳的意思是…？」

　　「我喜歡追逐東西，你家有小動物可供我嬉戲玩耍嗎？」

　　「這點沒問題。我們家的院子夠大了，而且有許多小鳥和松鼠，偶然還有兔子呢！」

　　「哇哈哈哈！我喜歡兔子！」她快樂地搖著尾巴。「那會出去散步嗎？你會帶我去溜躂溜躂嗎？」

　　「當然囉！」

　　「那點心呢？我喜歡吃點心。」

　　「如果你表現良好的話，吃點心沒問題。」

　　她看起來有點生氣，說道：「我是很棒很棒的狗狗，你肯定會給我點心的。你們是幹哪行的？」

　　「拜託？現在到底誰在面試誰啊？」

　　「我得知道你配不配得上我。」看來「公主」這個名字比我想得更貼切。「你們是幹哪行的？」

　　「好吧！我太太凱特是律師，而我是斯喀奈刻特迪（Schenectady）聯合學院的物理教授，做的是原子物理和量子光學的教學與研究。」
「量子什麼東東…？」

　　「量子光學。廣義來說，是光和原子之間的量子交互作用。」

　　「聽起來很複雜耶。」

　　「對啊，不過也很引人入勝喔！量子物理具有各式各樣奇怪又奇妙的特性，例如粒子像波而波又像粒子；直到測量之前，粒子特質都不確定；真空中充滿了即縱即逝的『虛擬粒子』等等，這一切酷斃了！」

　　「呣…。」她思索著，然後說道：「最後一個測驗。」

　　「請說？」

　　「揉揉我的肚子。」她翻身躺下，我彎下腰撫摸她的肚子。過一會兒她站起來搖搖尾巴，說道：「OK，你過關了，讓我們回家吧。」

　　我們回到救援協會裡填寫收養表格，一路上她說道：「量子物理，是吧？以後我得好好學一手了。」

　　「好極了，在下樂意傾囊相授。」

　　像大多數養狗人士一樣，我花了許多時間對狗狗說話。大部分的內容都很典型－別吃那個、別爬上家具、我們去散步吧！不過，我們也談了一些量子物理。

　　為什麼要對狗狗談量子物理呢？因為，這正是我的本行：我是大學物理教授，理所當然會花許多時間想量子物理。

　　什麼是量子物理呢？量子物理屬於「近代物理」，指的是以1900年之後發展的物理法則；而在1900年之前所發現的物理法則，則被認為是「古典」物理。

　　古典物理是涉及日常事物的道理，例如網球、玩具、鍋爐、冰塊、磁鐵和電線等物理。古典的運動法則支配任何肉眼可見物體的運動；古典熱力學解釋物體加熱與冷卻的道理，例如引擎和冰箱的運作。至於古典電磁學，則解釋了燈泡、收音機和磁鐵的行為。

　　然而，近代物理學描述的是一個奇怪的世界，超越我們平日所見所聞。這個世界最早由 1800 年代後期和 1900 年代早期所做的實驗中揭露顯現，這些現象無法以古典物理法則解釋，需要發展出新的場以及不同的法則。

　　近代物理分為兩部份，皆與古典物理法則有著根本的不同。其一是相對論，涉及運動極為快速的物體，或是在有強重力作用的情況下。愛因斯坦在 1905 年提出了相對論，這本身即是很奇妙有趣的題目，但是不在本書涵蓋的範圍。

　　我和狗狗談的是近代物理的另一個部份。「量子物理」或「量子力學」是指近代物理中涉及光和微小物體（如分子、原子、次原子粒子）的部份，1900 年蒲朗克創造了「量子」之名，愛因斯坦則是因為首度提出光的量子理論而贏得諾貝爾獎。接下來三十年左右，發展出了完整的量子力學理論。

　　量子理論的創建者包括早期的開拓者蒲朗克和波耳（首先建立氫原子的量子模型），以及後來提出改良的費曼和薛文格（Julian Schwinger）（兩人分別獨立研究出現今所謂的「量子電動力學 （QED）」），都實至名歸被尊為物理界的巨擘。量子理論的一些元素甚至跳脫物理學的範疇而廣為大眾歡迎，像海森堡的測不準原理、薛丁格的貓詭論，以及從艾佛列特的多重世界詮釋所衍生的平行宇宙。

　　沒有量子力學，將不會有現代生活。若不了解電子的量子特性，便不可能製造出讓電腦運作的半導體晶片。若不了解光和原子的量子特性，將無法製造出雷射，以便讓我們用光纖電纜傳送訊息。

　　量子理論對科學界的影響超越實際層面，它強迫物理學家面對與思索哲學方面的議題。量子物理對於我們對宇宙和物體特性的訊息加以限制，量子力學甚至改變我們對何謂測量的意義，讓我們必須從最根本開始，重新徹底思考「真實」的本質。

　　量子力學描述一個極端怪異的世界，在這當中沒有東西是確定的，直到測量之前物體沒有明確的性質。在量子世界中，相距遙遠的物體以奇怪的方式產生連結，有完全不同歷史的各種宇宙存在；而在看似空無一物的空間中，會有「虛擬粒子」出現又消失。

　　量子物理可能聽起來像是虛構的小說，但它確確實實是一門科學。量子理論所描述的世界正是我們的世界，只不過它是在微觀尺度上著眼。量子理論所預測的奇怪效應是真實的，具有真實的效應和運用。量子理論的測試已經達到難以置信的精準程度，成為科學理論史上受過最精確測試的理論，即使是最奇怪的預測，也受到實驗證實了（見第7-9章)。

　　因此，量子物理可說是很正點的東西。但是它和狗狗有何關係呢？

　　其實，狗狗比大多數人類更接近量子物理。它們在探索世界時，先入為主的情況比人類更少，而且總是期待有意想不到的事物發生或出現。狗狗每天走同樣的街道可以一切如新：每塊石頭、每片草叢或是每棵樹木，它都會好好一嗅再嗅，彷彿從未見過一般。

　　如果在廚房中間憑空出現狗餅乾時，一般人大概會嚇得魂飛魄散，可是狗狗會泰然自若地盡情享用一番。沒錯，對大部分的狗狗來說，點心自動變出來是剛好而已，但是它們總是期待點心會隨時出現。

　　量子力學對人類來說，顯得高深莫測、困難重重，因為它搞亂了我們對於世界運作的正常期待。狗狗們則是更能敞開胸懷接納，它們認為平日的世界本來就是一個奇怪又令人驚異的地方，而且量子理論的預測不會比開關門把更奇怪或詭異。

　　和我的狗狗討論量子物理很有用，因為可以幫助我了解該如何和人類討論量子力學。學習量子力學時，有的部份正是要學習像狗狗一樣思考。若是看待世界的方式像狗狗一樣，永遠有源源不絕的意外和驚奇，那麼量子力學會更容易接近與理解。

　　這本書將我和狗狗談論量子物理的對話寫進來，每段對話後面再進一步討論牽涉到的物理學。主題包括許多人都已聽過的概念，如波粒二元性（第1章）和測不準原理（第2章)，以及較先進的概念如虛擬粒子和QED（第9章）等。說明中包括理論的詭異預測 （實際與哲學層面），以及已經證實這些預測的實驗。我選擇了狗狗覺得最有趣的部份，同時也著重了讓人類覺得很驚奇的部份。

　　「我不知道?。我認為，書的內容還需要更多才對。」

　　「更多什麼？」

　　「更多我啊！你都沒有談到我是一隻格外聰明的狗狗。」

　　「好啦！」

　　「而且也格外可愛。」

　　「當然，但是－」

　　「也不要忘記提到我的『好』，我比其他的狗狗好太多了。」

　　「什麼其他的狗狗？」

　　「就是其他不是我的狗狗啊！」

　　「拜託，這是一本談物理的書，不是寫你的書。」

　　「所以，我說要多寫寫我的部份嘛！」

　　「反正就不是嘛！妳只能乖乖接受了。」

　　「好吧！不過，物理的部份你需要我的幫忙。」

　　「什麼？」

　　「因為有時候你會遺漏一些東西，沒有回答我全部的問題，你不應該這樣的。」

　　「比如說呢？舉個例子吧！」

　　「呣…，我現在想不到。不過，如果你唸給我聽的話，我會挑出來，還可以幫你修改。」

　　「好，聽起來不錯。這樣吧！我們一起將內容順過一遍，如果有你覺得不妥當或我遺漏掉的地方，我們可以討論一下，我再把妳的意見加進去。」

　　「比如我們現在的對話？」

　　「沒錯，正是如此。」

　　「而且你會把談話放進書裡？」

　　「我保證。」

　　「如果是這樣的話，我們應該談談我為什麼是最棒又可愛，以及我應該得到更多的點心，還有…」

　　「好，夠了夠了。」

　　「那下回再說了。」