量子物理超夯的啦夯到有人開發了各種量子課程例如量子身心靈成長量子速讀量子算命量子寵物溝通甚至還有各類產品像是量子內褲量子能量貼片量子手勢等等這些課程跟產品有許多都主張意識具有能量能改變物質世界通过意识还能够调整心灵共振频率或是透过量子纠缠和神秘的宇宙能量连结不但可以治疗癌症发大财甚至还能避免塞车意识这个难题一直存在于科学与哲学之间但到了量子力学时代又更加争辩不休这一集我们就来看看意识到底为什么会跟量子力学扯上关系背后又是基于哪些科学研究呢坊间常会听到量子力学跟意识有关的说法或许也是因为这样量子力学被许多的身心灵成长课程甚至玄学拿来作为背书但是量子力学真的是这样子吗说到量子力学跟意识的关系我们就必须来看看量子力学最著名的实验之一現在我拿的器材上面有兩道狹縫中間間隔了非常短的距離等一下我們會讓雷射光通過這兩道狹縫看看會發生什麼事我們看到雷射光在打向雙狹縫之後於後面的牆壁中呈現有亮有暗的條紋分布這跟我們在國高中學過的波的性質有關在兩道光波的波峰相會之處會產生建設性干涉也就是亮紋的位置而暗紋的部分則是來自於来自破坏性干涉是两道光的波峰和波谷交汇之处也就是光的效应被抵消了在历史上双狭缝干涉实验占有非常重要的地位19世纪初英国科学家也是被誉为世界上最后一个什么都知道的人的汤马士扬呢利用双狭缝实验证明了光是一种波那么如果我们拿不是波的东西来进行双狭缝实验会看到什么结果呢? 让我们来模拟一下在实验桌上有一个弹珠发射器前面是用纸板做成的两道狭缝后面则是统计弹珠落点的纸板我们让这些弹珠朝狭缝的地方射过去并在弹珠最后的落点画下记号落在同样位置的记号越多就代表有越多弹珠打中了该位置在丢了100颗弹珠之后我们可以看到扣除掉一部分因为路径被挡住通不过狭缝的弹珠以外弹珠最终抵达的位置大致分别以两道狭缝的正后方为最多呈现两个区块的分布不像先前光的双狭缝干涉实验中出现明暗相间的变化所以我们得到结论若是拿具体有物理实体的东西进行双狭缝实验因為他一次只能選一篇通過所以弱點最終只會聚集在兩個狹縫後方的位置而且要是行進的路徑不對還可能會被擋住至於波的情形那就不同了只要狹縫的大小適當波可以同時通過兩個狹縫並互相干涉產生明暗相間的條紋換言之是波還是物質兩者在雙狹縫實驗的表現是截然不同的只不過以上的實驗似乎並沒有太令人感到意外的地方我們也看不出來它跟量子還有意識到底有什麼關係事實上若要真正顯示出它的獨特之處就要來看電子的雙狹縫干涉實驗我們知道電子是組成原子的基本粒子之一而原子又組成了世間萬物可以說電子是屬於物質的一種極微小粒子在電子的雙狹縫干涉實驗中科學家曹雙霞鳳每次發射一顆電子並在發射了很多顆電子之後觀察電子的最終弱點分佈會怎麼呈現既然電子是物質的微小粒子那麼在想像中應該會跟我們前面利用彈珠得到的結果差不多吧電子會分別聚集在兩道霞鳳後方的區域才對從實驗的紀錄影片中可以看到在一開始電子數量還很少的時候它的弱點比較難看得出來有明顯規律但是隨著電子的數目越來越多我們慢慢能夠看出畫面上具有明暗分布跟使用光進行雙狹縫實驗時得到的干涉條紋有著類似的結構這樣的結果著實令人困惑直覺來想既然電子是一顆一顆發射的它勢必不可能像光波一樣同時通過兩個狹縫並且兩邊互相干涉產生明暗相間的條紋但不可否認的是当我们用电子进行双峡峰实验时最后得到的结果看起来很不错就跟干涉條文沒什麼兩樣對這出人意表的觀測結果為了搞清楚發生什麼事科學家又做了更進一步的實驗在狹縫旁放置偵測器以一一確認這些電子到底是通過哪一個狹縫又如何可能在通過狹縫之後發生干涉這下子謎底就能被解開了正當大家這麼想的時候大自然彷彿就像是嘲笑人類的智慧一樣反將一軍科學家發現如果我们去观测电子的移动路径只会看到电子一颗一颗的通过两个狭缝其中之一并且最终分别聚集在两个狭缝的后面换言之干涉条纹消失了在那之后科学家做过无数类似的实验都得到一样的结果只要你测量了电子的路径或确切位置那么干涉条纹就会消失反过来说只要你不去测量电子的路径或位置那么电子的双狭缝实验就会消失就会产生干涉条文在整个过程中简直就像是电子知道有人在看一样并调整了行为表现在日常生活中如果有人要做坏事往往会挑没人看得到的地方反过来说当有其他人在看我们就会让自己的言行举止符合公共空间的规范量子系统也有点像这样观测者的存在与否会直接影响到量子系统呈现的状态只不过这就带出了一个问题到底怎麼樣才算是觀測如果我們只是在雙峽縫旁邊放個偵測器不去看它結果算嗎? 我們不放偵測器只用肉眼在旁邊看算嗎? 或是整個偵測過程沒有人在場算嗎? 這就是量子力學裡著名的觀測問題在量子力學剛開始發展的數十年有許多地方都還不是那麼清楚觀測問題就是其一在歷史上不乏有一些物理學家曾經認真思考是否要有人的意识参与其中才能够代表观测如果真是这样的话那么意识就存在非常特别的意义而且似乎暗示人的意识能够改变物质世界的运作可以想见的上述出自量子力学观测问题的猜测后来受到部分所谓灵性导师跟身心灵作家的注意于是形形色色宣扬心灵力量或是利用量子力学原理进行疗愈、冥想或身心灵成长的伪科学纷纷出笼直到近年都还非常流行另一方面可能因为量子两个字带给人一种尖端科学的想像坊间琳琅满目的商品即使跟量子力学一点关系也没有也都被冠上了量子两字除此之外商品宣传里也常出现一堆量子能量量子共振等不知所谓的概念不然就是滥用量子力学的专有名词如量子纠缠、量子穿睡等来帮自己的商品背书仿佛只要有量子两字就是品质保证让你灵性提升身体健康心想事成对此我就给三个字至上量子力学至今仍是持续演进的学问我们对量子力学的理解也随时间变得越来越丰富现在的物理学家基本上不认为我们可以用意识改变物质世界也不认为意识在观测上占据一席之地甚至可以说正好相反人的意识在观测上根本无关紧要不过我们不会那么快就进入观测问题的现代观点在之后接下来的几集我们会先从基本知识开始说起循序渐进让你掌握量子力学的部分概念而在本系列影片的最后一集我们才会重新回到观测问题并介绍量子力学领域近几十年来在此问题上获得的进展一百多年前1894年美国物理学家麦克森作为芝加哥大学物理系的创立者在为学校的瑞尔森物理实验室落成典礼致辞时表示虽然无法断言说未来的物理学不会比过去那些惊奇更令人惊叹但似乎大部分的重要原则都已经被稳固地建立了以我们现在的后见之明这段话听起来固然错得离谱但在当时从17、18、19世纪在伽利略、牛顿、马克思威等前辈的贡献之下物理学已经达成了非凡的成就我们现在称呼的古典物理学对于整个世界的描述几乎是面面俱到了事实上没有人预料到二世纪将出现彻底颠覆世界认知的重要理论量子力学而这一开始竟只是出自一件不起眼的研究关于物体发出的光在此我們要先理解一個觀念所有物體無時無刻不再發出電磁波輻射包括了你、我、正在使用的螢幕以及我們生活中的所有物品至於為什麼會這樣子呢?
其中一個主要原因是物體都是由原子分子組成的所以內部充滿了帶電粒子例如電子這些帶電粒子隨著溫度時時刻刻不停地擾動著在過程中就會以電磁波的形式放出能量除了上述原因之外物体发出的电磁波辐射还可能有其他来源我们就暂时省略不提无论如何从小到大我们都学过的热的传递方式分成了传导、对流、辐射三种其中的辐射就是我们现在在谈的物体以电磁波形式发出的能量那么这些辐射能量有什么样的特征呢为了搞清楚这件事我们必须先找个适当的范本来研究理想上最好的选择是这个范本必须能够吸收所有外在环境照射在上面的光线只会发出因自身温度而产生的电磁波射这样子的话我们去测量它发出的电磁波就不会受到反射的电磁波干扰而能确保电磁波是来自它自己本身这样子的理想物体成为黑体毕竟黑色物体之所以是黑的就是因为它能够吸收外在环境光线且不太会反射而在我们日常生活中最接近理想的黑体就是一点也不黑还超亮的太阳眼前的黑不是黑这是因为我们很大程度可以肯定太阳发出来的光几乎都是源于它自身而非反射自外在环境的光线或者我们把一个空箱打动之后从洞口发出的电磁波也会近视于黑体辐射因为所有入射洞口的光都会进入空箱而不被反射链铁用的鼓风炉就类似这样的结构到目前为止一切听起来都只是物理学上一个平凡的研究题目奇怪的是在对电磁学已经拥有完整了解的19世纪后半到20世纪初科学家尽管已经借由实验得到了观测数据但又用以往的物理理论正确推导出黑体的电磁波辐射却遇到困难正是由此开始古典物理学出现了破口由黑体发出的辐射以现在的理论所知长得像这样子纵轴正比于黑体辐射出来的能量功率横轴代表黑体辐射出来的电磁波波长在理想状况下黑体辐射只跟黑体的温度有关而跟黑体的形状还有材质无关以温度分别处在绝对温标3000K、4000K和5000K的黑体辐射为例我们可以看到随着黑体的温度越高辐射出来的能量功率也越大同时辐射功率最高的波段也朝短波长高频率的方向靠近为了解释黑体辐射的观测数据物理学家们开始运用当时毕生所学想找出正确的黑体辐射曲线1896年德国物理学家维因推导出黑体辐射公式史称维因近似另一方面在1900与1905年英国物理学家瑞利和金斯也推导出它们的黑体辐射公式称为锐利金丝定律你看若是同时摆上这两个推导公式会发现它们都各自对了一半维音近似只在高频率的波段才精确而锐利金丝定律只在低频率波段比较精确更预测辐射的强度会随着电磁波频率的提升而趋近无限大等等无限大这显然不合理啊因为现实中的黑体并不会放出无限大的能量显然这两个解释都不够精确就这样麦克森在1894年才说物理学可能沒有更令人驚嘆的東西了結果沒幾年古典物理學築起的輝煌成就被黑體不射遮掩了部分光芒而且沒人知道這是怎麼一回事就在古典物理學面臨進退圍堵局面的時候那個男人出現了伯朗克於1900年推導出了他的黑體不射公式史稱伯朗克定律伯朗克假想在黑體中存在許多代替且不斷震盪稱為正子的虛擬單元並假設它們的能量只能是某個基本單位能量的整數倍這個基本單位能量寫成E等於Hν跟電磁輻射的頻率ν成正比比例常数H曾称为普朗克常数换言之黑底辐射出来的能量以Hν为基本单位是一个一个可数的量加起来的也就是能量被量子化了根据以上假设普朗克成功推导出吻合黑底辐射实验观测的公式普朗克的方程式同时包含了维音近似和瑞利金丝定律的优点不管在低频率还是高频率的波段都非常精确如果我们比较在地球大气层顶端观测到的太阳辐射光谱可以发现观测数据和普朗克的公式吻合得非常好比较可惜的是普朗克认为他所假设的能量量子化只是数学上用来推导的手段而没有察觉它在物理上的深远含义但无论如何普朗克成功解决了黑体辐射的难题并得到符合观测的公式直到现在我们依然使用着普朗克的公式来描述黑体辐射不只如此在在现实生活中有许多的应用都是由此而来正因为不同温度的物体会发出不同特征的电磁波反过来想藉由测量物体发出的电磁波我们就能得知该物体的温度在疫情期间我们都看到很多的场合会放置萤幕上面会呈现类似这样子的画面事实上这些仪器测量的只是特定波长的红外线红外线属于不可见光也是室温物体所发出的电磁辐射中功率最大的波段只要分析我们身体发出的红外线就能够在一定程度上判断我们的体温当然一来我们都不是完美的黑体二来环境因素也可能产生干扰所以还是会有些许的误差借由黑体辐射的研究我们还可以将黑体的温度与发出的可见光颜色标准化在画面中有彩虹背景的部分代表可见光的范围当黑体的温度越高发出的电磁辐射在可见光部分越偏冷色系当我们在购买灯泡的时候会在包装上看到色温标示就是由此而来所以如果你想要温暖一点的光线就要购买色温较低约两三千K左右的灯泡事实上在黑体辐射研究最蓬勃发展的十九世纪后半正值第二次工业革命当时钢铁的锻炼技术出现许多重大进步德国铁鞋宰相比斯迈曾经说当代的重大问题要用铁和血来解决就傳統而言,煉鋼要靠工匠用肉眼從鋼鐵的顏色來判斷溫度但若能更精確地判斷溫度,無疑會有很大幫助德國作為鋼鐵業發達的國家,在黑體輻射的研究上曾做出許多貢獻这一方面固然可能是学术的求知欲使然另一方面也可以说跟社会的需求与脉动是完全吻合的总而言之普朗克借由引进能量量子化的概念成功用数学式描述了黑体辐射这件事成为后来量子力学发展的起点尽管普朗克本人没有察觉能量量子化背后的深意但有另一位勇者在数年后继承了普朗克的想法并做出意味深长的诠释那就是下一个故事的主角爱因斯坦的事了哦好晒啊前两集有些观众发现我晒黑了在台湾一向不缺阳光市面上美白防晒的广告也是随处可见不过为什么我们会被阳光晒伤却又好像没听过被日光灯晒伤的事情事实上这也跟量子力学有关而且跟我们今天的主题密切连结之前我们讨论到量子概念在历史上的起点接下来我们会进一步说明量子概念是如何被发扬光大以及那个男人的故事在量子力學發展過程中光電效應的研究是非常重要的轉捩點光電效應指的是當一定頻率以上的光或電磁波照射在特定材料上會使得材料發射出電子的現象而事實上人們經歷了數十年才完全搞清楚它是怎麼一回事在19世紀後期科學家就已經發現某個奇特的的现象当使用光尤其是紫外线照射在带负电的金属板上会使金属板的负电消失但他们却未能完全清楚背后的原理只能猜测周遭的气体可能在紫外线的照射下辅助带负垫的粒子从金属板离开对此在1899年知名的英国物理学家J.J.汤姆森他将新板放置在低压的拱器之中并照射紫外线来研究拱器如何帮助新板释放却察觉这些电荷的性质跟他在两年前从放射线研究中发现的粒子很像它们是比氢原子要氢约一千倍带负电的微小粒子也就是我们现在称呼的电子但汤姆森没想到的是这个现象其实跟周遭的气体完全无关1902年德国物理学家莱纳德发现即使是在抽真空的玻璃管内没有气体存在只要照射一定频率以上的光或是在包括紫外线隔空放置的两极之间就会立即有电流通过电流大小跟光的强度成正比而将光线移除之后电流也瞬间消失除此之外光的频率越高形成电流的带电粒子能量就越大到这边我们所熟知的光电效应概念才算是完整成型这边听起来好像没什么问题然而若不用现在的量子理论只依靠当时的物理知识很难完美解决解釋光電效應怎麼說呢根據傳統理論光的能量多寡應該跟光的強度有關而跟頻率無關如果是光線把能量傳給電子讓電子脫離金屬板那為什麼需要一定頻率以上的光線才有用呢例如說當我們拿同樣強度的紫外線跟紅外線去照射會發現只有照射紫外線的金屬板才會產生電流而且當紫外線的頻率越高電子的能量就越大所以我們要注意另一方面若我們拿很高強度的紅外線去照射金屬板會發現無論如何都不會產生電流但如果是紫外線的話就算強度很低還是會瞬間就產生電流就正是因為光電效應難以理解才使得某位剛大學畢業五年在瑞士博恩的專利局工作的年輕學者在1905年推出了他的大膽主張一舉顛覆了整個物理學界並建立了量子力學的基礎他就是愛因斯坦为了解释光电效应爱因斯坦假设电磁波吸带的能量是以一个一个能量包所谓光量子的形式辐射出去他参考了先前普朗克的研究成果认为光量子的能量1跟该电磁波的平率ν乘正比写成1等于hνh是比例常数也是我们介绍过的普朗克常数在爱因斯坦的诠释下因为频率越高的电磁波每个光子能量越大所以只要频率高到一个程度就能让电子获得足以逃脱金属板的能量形成电流反过来说如果电磁波的频率不够高电子无法获得足够能量就无法离开金属板這就像巨石槍聲他一拳PUNCH能夠把我打昏但如果有個弱雞用巨石槍聲1%的力道打我100拳就算加起來總力道一樣我是不會被打昏的大概也就綿綿揚揚的不覺得受到什麼傷害一樣此外當電磁波的強度越強代表光子的數目越多於是脫離金屬板的電子自然變多電流就越大这就如同我们挨了巨石强生很多拳受伤自然比此挨一拳要来得重虽然爱因斯坦对光电效应的解释看似完美但是光量子的观点实在太过激进了难以被当时的科学家接受就连普朗克本人对此都不太高兴爱因斯坦跟普朗克不同的地方在于对普朗克来说这些一个量一个量来数的基本单位能量Hν是虚拟的正子发出的但就爱因斯坦而言電磁波本身實際的能量就是一個個光量子或所謂現在的光子然而電磁波屬於波動直觀來說波是綿延不絕擴散到空間中怎麼會是一個個攜帶最小基本單位能量的能量包呢美國物理學家密利根就堅信愛因斯坦的理論是錯的並花費多年時間進行光電效應的實驗研究到了1914年密利根發表了世界首次的普朗克常数实验值跟现在公认的标准数值相距不远在论文中密利根更独一心瓜表示实验结果令人惊讶的与爱因斯坦那九年前早就被人抛弃的量子理论吻合得相当好这下子就算学界不愿相信爱因斯坦也不行了爱因斯坦也因为在光电效应的贡献获得了1921年在現代光電效應的用途廣泛我們日常生活中常見的太陽能發電板利用的就是光電效應的一種稱為光深輔打效應材料內部的電子在吸收了光子的能量後不是放射到周遭的空間而是在材料内部移动形成正负两极产生电流而开场提到的晒伤也跟光子的能量有关频率够高的太阳光也就是紫外线的一小部分它的光子会打到皮肤上让DNA分子里构成间接的电子陶溢损伤我们的DNA所以它们被归为游离辐射的一元顾名思义游离辐射就是指能量够高足以让原子或分子内的电子游离出来的辐射幸好这类太阳光的绝大部分都被大气层中的臭氧吸收了至于其他的紫外线虽然光子能量比游离电子所需再小一些但人高到足以提升电子能量从而引起化学反应造成皮肤损伤至於頻率更低的光線因為光子能量偏低所以就不太會造成傷害這也是為什麼我們沒聽過被日光燈曬傷這種事從17世紀後半惠更斯跟牛頓各自提出光的波動說跟微粒說開始人們就聚焦於光到底是波動還是粒子的大災問19世紀初湯瑪士楊用雙峽縫干涉實驗顯示了光的波動性而到19世紀中後期光屬於電磁波的結論終於被马克思威跟赫兹分别从理论和实验两方面来确立经过约莫200年的研究发展世人才明白光是一种波动怎么知道又过没多少年爱因斯坦飘了出来主张光的能量由一个个光量子携带还通过实验的检验光这下子又成为例子了到这边物理学家不得不承认光具有波动跟粒子两种性质而会呈现哪一种特性则依情况而定这称为光的玻璃二象性爱因斯坦他于1905年提出的光量子概念颠覆了传统认为波动跟粒子截然二分的观点将光能量量子化的诠释也被实验印证了在那之后除了光的能量之外还有其他物理量被发现是量子化的像是电荷我們現在知道電荷也有個基本單位就是單一電子攜帶的電荷大小儘管之後又發現組成原子核的夸克具有-13分之1跟-23分之2單位的基本電荷但並沒有改變電荷大小是不連續的這件事並不是要多少的電量都可以如果你覺得很奇怪不妨想想我們用肉眼看會覺得身體的每一個部位都是連續的但其實在微觀尺度身體也是由一個個很小的原子跟分子組成只是我們根本看不出來才會覺得是連續的光子的能量跟電荷的大小其實也是像這樣細分下去就會發現具有最基本的單位不是連續的事實上量子力學在誕生之後一直不斷地為人們帶來驚喜簡直是物理學界突然闖進一隻捉摸不定的貓我们下一个故事就要来聊量子力学发展过程中打破世间常识的某个破天荒假说而假说的提出者是大学原本主修历史跟法律拥有历史学士学位但后来改念物理并凭借博士论文用五年时间就拿到诺贝尔物理学奖的德布罗伊在我们量子系列的前一集我们有聊到电磁波具有的能量是由一个个光子携带的在这样的图像之下原本被认为属于波動的電磁波似乎更像是粒子而既然身為波的光具備粒子的性質那麼被認為是物質的粒子會不會也帶有波的性質呢? 今天的主角就因為在博士論文中提出了這麼前衛的觀點差一點逼不了業他就是在量子力學發展史中舉足輕重的那個男人德布羅易儘管後來在物理學上的成就非凡德布罗伊他一开始其实念的是历史拥有历史学士学位也研读了一年的法律在意识到物理学才是真爱之后他改为学习物理并拿到第二个学士学位受到了普朗克和爱因斯坦先前的研究启发在1924年德布罗伊在他的博士论文中猜想既然光这种电磁波可以被当作粒子来看那么反过来说所有的粒子也应该都有对应的波动並給出了基本的數學描述以現在的習慣寫法這個波動的波長和粒子的動量成反比比例常數則是伯朗克常數也就是λ等於h不過德布洛伊的想法實在太過先進很難讓當時的學界信服就連他的指導教授狼之萬一時之間也不知如何是好畢竟光的粒子性還有光電效應做粒子但說到物體的波動性這個我們什麼時候看到物體的波動啊? 於是在不確定論文到底歐不OK的狀況之下狼之萬就將論文借給了當時已經揚名立萬的愛因斯坦詢問他的意見儘管當時愛因斯坦跟世界上所有其他人一樣都沒能完全明瞭該論文背後隱藏的物理真實簡單來說就是我看了什麼不過愛因斯坦非常仁也他意識到論文潛在的重要性於是欣然幫德布羅伊背書有了愛因斯坦掛保證德布羅伊也才因此順利獲得物理博士學位然而相應於物質粒子的波動或說物質波到底意味著什麼如果我們沒辦法在實驗上看到相關現象那麼德布羅裔的假說就永遠只會是假說沒有任何佐證而就在德布羅裔完成入門的三年後驗證物質波假說的機會來臨兩組實驗人馬不約而同的利用電子進行了繞射實驗繞射是波在穿過障礙物的時候偏離原先傳播途徑的現象先前我們在這系列第一集提到光的雙狹縫干涉實驗就是光分别在穿过两道狭缝后发生绕射也就是传播路径的偏折才因此互相干涉产生干涉条纹又例如如果将红色的镭射光穿过圆形的小孔我们会发现镭射光在后方的隔板上呈现这样子的同心圆图案这就是绕射根据古典物理学绕射是波才会有的现象如果是物质要穿过障碍物就会像第一集弹珠穿过狭缝的动画那样要不是被障碍物擋住就是通過狹縫後出現在狹縫正後方不會像波一樣出現明暗相間的繞射圖樣1927年美國科學家戴維森跟格默將電子射向涅晶體並觀察電子打到涅晶體後的入鏡偏折他們發現電子的偏折角度和對應的樹木多寡呈現某種規律和光線的繞射非常類似另一方面英國物理學家GP湯姆森也就是我們在第二集提到的 JJ 湯姆森的兒子則將電子攝像金屬薄片同樣發現繞射現象換言之電子跟波一樣也會產生繞射有趣的是JJ 湯姆森在 1897 年發現組成陰極射線的電子是一種粒子剛好在 30 年後他的兒子 G.P.湯姆森則是發現電子是一種波若我們把電子跟 X 光的繞射圖樣拿出來一併對照會發現兩者不能說非常相似簡直是一模一樣在那之後科學家也拿了許多不同的粒子進行繞射實驗無一例外的全都發生繞射圖樣作為結論我們可以說不只光具有粒子的特性所有的微觀粒子也都帶有波的特性這就是事實上就算是我們日常生活中看到的物體也帶有波的特性喔只是因為它的效應非常微弱所以不管是用肉眼还是做实验基本上都是观测不到的至于德布罗伊因为他发现了电子的波动性质而获颁了1929年的诺贝尔物理奖距离他的博士论文完成只隔了五年不过就算知道了粒子也具有波的特性那又如何呢其实就像光的粒子性成为了现在太阳能发电的基础物质波在现实生活中也有着重要的应用其中一个就是电子显微镜在学校上生物课的时候大家有没有用过光学显微镜进行观察实验呢微小的物体通过物镜和目镜被两次放大让我们得以看清这些小东西的样貌但是既然可以用两个透镜让物体放大这么多那再加上第三、第四或更多个透镜不就可以放大更多看得更清楚吗这样的疑问你我可能都在心里问过但实际上那是不可能做到的显微镜的放大倍率受到使用光线的波长限制一般的光学显微镜利用的是可见光波长预列在数百奈米的范围这个尺寸也差不多就是我们用光学显微镜观测的最大极限如果要看更小的物体就因为可见光的绕射现象导致解析度变差而看不清楚无成一片所以一般光学显微镜顶多只能放大1000多倍不能再高了顺带一提现在有新式的光学显微镜技术能够克服传统的绕色限制看到更小的物体有机会我们再跟大家介绍不日如何传统使用可见光的显微镜放大倍率受到光学的限制如果要更进一步就必须另辟於是電子顯微鏡出現了就電子顯微鏡提供給電子的能量來說電子的物質波波長是10的-12次方公尺等級比可見光的波長要小得多所以用電子的物質波作為一種光來替代顯微鏡的可見光波可以看到更小的物體在電子顯微鏡中依據不同的設計展現出波動行為的電子可能會穿透觀察樣本或是被樣本反彈而藉由分析這些穿透或反彈回來的電子我們便能判斷樣本的形狀與樣貌就像是用肉眼看到物體也是因為光線打到物體後再反射回我們的眼睛一樣現在的電子顯微鏡因為波長之外的其他限制解析度約在 0.1 奈米左右比傳統光學顯微鏡的數百奈米好上許多甚至還能夠看到原子、分子也已經成為科學研究不可或缺的工具了長久以來人们对于粒子跟波的认知经历了许多转变从17世纪开始光到底是粒子还是波的问题就盘旋在科学家脑海里到了19世纪光属于电磁波的结论才被确立怎么知道到了20世纪初光又被发现具有粒子的特性另一方面在19世纪末被发现属于粒子的电子在20世纪前半却又被观测到具有波的特性此后还有许多不同的微观粒子都被发现具有波的特性到这边我们可以说不管是光还是物质世上都具有波和粒子的性质我们平常熟知的波和粒子的区别是基于日常生活经验而来但在其他许多不同情况下并不见得是如此要呈现波还是粒子的特性要依情况而定量子力学在发展过程中带给人们的冲击很大一部分就是认知上的震撼好了物质波的故事到此还没有结束物质具有波的特性很酷但它不只是让我们看到粒子的烙设图样那么简单还有着更深远的含义甚至使得科学家之间就宇宙运行的观点展开了激烈论战在下一集我们将会聊到这样一个精彩的故事在我们量子系列的上一集我们聊到德布罗伊提出物质波的概念像电子这样组成物质的微观粒子其实带有波的特性而且也被实验证实了但是故事并没有到此结束相关的研究越走越远物理学家也针对物质波带来的启示展开激烈辩论一些在量子力学发展初期做出卓越贡献的物理学家并不认同量子理论的主流观点甚至还假想了一只既生又死的猫薛丁格的猫爱因斯坦也一度表明上帝不会指骰子究竟发生了什么事情呢我們要知道在20世紀以前獲得莫大成功的古典物理學對世界的描述是決定論的這意思是針對一個物理系統只要我們知道某個時刻該系統中所有物體的狀態例如位置跟速度等等那麼我們就能根據物理定律得知該系統在未來會如何演變換句話說在之後某個特定時刻該系統會呈現什麼狀態都是由物理定律完全決定好的例如要是有一颗苹果从树上掉下来我们完全可以从物理法则计算出苹果会花多少时间掉到地面以及抵达地面时速率多快没有例外但是在量子力学底下事情就不是那么简单就量子力学的观点量子系统的行为并没办法在事前完全决定而只能用几率来描述这件事就要由前一集的物质波所起在德布羅伊提出物質波的概念之後物理學家們不禁思考如果粒子也具備波的特性那麼是否能找到方程式來描述這些波呢沿著這個思路1926年奧地利物理學家薛丁格發表了如今大名鼎鼎的薛丁格方程式其中滿足方程式來描述物質波的函數稱為波函數在論文裡薛丁格把氫原子的電子當成波來處理并成功地运用薛定格方程式给出氢原子的光谱能量这篇论文开启了量子力学的崭新篇章后来更被认为是20世纪最重要的论文之一薛定格方程式也成为现代学生初学量子力学时重点中的重点然而薛定格方程式尽管成功但以波的形式来描述量子系统的波函数究竟代表什么实质的物理意义一时之间大家都想不明白就在几个月之后当时还是德国籍的物理学家伯恩发表了论文用激烈观点全说是波函数的意义这个意思是说波函数其实跟量子系统呈现状态的几率有关当我们测量量子系统的时候系统可能有一定的几率呈现状态A也有一定的几率呈现状态B这个几率的大小就是由波函数来决定波恩的观点无疑对当时物理学界的世界观带来重大冲击波恩对波函数的几率诠释表明了量子系统在测量之后会呈现什么状态是无法事先完全确定的我们只能知道系统的可能状态以及出现几率分别有多少在这样的理解框架下量子系统会怎么演化就变成了几率跟运气问题不再能够精确预测这样子的观点简直就是对以往决定论事的事件运行规则的革命让建立了量子力学根基的部分物理学家大感不满就连德布罗伊本人也表示很不高兴因为德布罗伊原本设想的物质波是和粒子互相关联的实在的波没想到后来描述物质波的波函数变成像是计算量子系统所处状态几率的数学上的波而且粒子还没有特定的存在位置要由波函数来决定它出现在不同位置的几率对此德布罗伊曾经说过他们也就是指物理学家们错误地在没有粒子定位的情况之下考虑一个波的传播这跟我本来的观点完全相反至于薛丁格本人竟然也不开心尽管他提出了薛丁格方程式并获得重大成就但对后来的几率诠释他曾表示我不喜欢他并为我曾经和他有所相关感到抱歉而提出了光子观点的爱因斯坦呢他在1926年底写信给波恩表明量子力学固然是堂皇的但是我的内心中却有一道声音告诉我它还不是真理无论如何这些量子力学的前辈不满归不满量子力学的几率诠释还是获得巨大的成功也通过了无数考验后来成为物理学界的主流观点至今为止也没有其他的替代方案能够完全回避量子系统的几率性质并给我们一个决定论事的预测根据量子力学的主流说法量子系统的状态在测量之前是未确定的所有可能状态会以叠加形式同时存在而当进行测量之后量子系統才會呈現所有可能狀態的其中一種這就像是你玩手遊在抽卡前不同的卡都有一定機率會出現但等你接觸到螢幕特定的卡就會被抽出來一樣不同的是在量子系統狀態出現的機率是由波函數決定波函數則會因量子系統和外在環境而異而手遊抽卡的機率呢則是人為事先設定的除此之外在量子系統中有一些物理量还无法同时精确测量例如粒子的位置跟动量两者合在一起看一定会带有不确定性当其中一者量得越精确另一者就会变得较不精确这称为不确定性原理又叫做测不准原理对爱因斯坦等支持决定论的科学家来说无法确切预测也无法精确测量物理系统状态的量子理论无疑是不够完备的他们认为在量子力學背後應該還有一些什麼東西像是存在一些隱藏的變量導致我們無法完整預測跟測量量子系統1935年愛因斯坦在以信件跟薛定格交流的過程中為了點出量子理論所謂在測量前量子系統處於各種可能狀態的疊加態這件事的荒謬之處提出一個想法欸想像一桶品質不穩定的火藥在經過一段時間之後可能會爆炸也可能不會爆炸那麼這種火藥豈不是介於爆炸與未爆炸之間的疊加狀態嗎受到愛因斯坦的啟發薛定格在回信中進一步加強了這個荒謬的圖像把貓放進鐵製的房間裡裡面設有測量輻射的偵測器以及極少量的放射性物質原子層次的放射性物質衰變是隨機的也就是處於衰變跟未衰变的叠加态在接下来的一个小时放射性物质各有50%的几率衰变或不衰变侦测到衰变发生连接着侦测器的这个榔头会把装有氢金酸毒物的小瓶子打破研究者让这整个房间系统孤立一个小时不去动它如果放射性物质的原子没有衰变猫仍然会活着但原子如果产生衰变猫就会中毒那么整个系统的波函数就会处于猫活着和猫死亡各占一半的叠加状态這就是科學史上著名的思想實驗薛定格的貓或許因為網路跟流行文化的影響薛定格的貓一時越來越為人所知但這個實驗卻常被人誤解認為量子力學允許半生半死的貓存在實際上這當然是不可能的薛定格提出這個思想實驗就是著眼於半生半死的貓在現實中不可能存在這一點藉由把量子系統在测量前的不确定状态跟猫的死活巧妙地连接在一起来反驳量子力学的叠加态说法以及测量才确定实验结果的论点对爱因斯坦跟薛定格来说物理真实就跟柯南的真相一样只有一个没什么机率不机率叠加不叠加的也不应该在测量之后才被决定在薛定格的猫思想实验被提出后相关争议并没有因此尘埃若定反而多了更多讨论的空间例如说既然量子系统的状态要测量之后才会确定那么猫的死活是要我们打开房间观察之后才会知道吗还是说猫自己本身就可以是一个测量者呢需要有一个生命意识去测量它吗到底猫的死活是在什么时候确定的呢这又回到我们在第一集所讨论的测量问题在下一集我们将延续这个话题儘管目前學界對測量問題還不算有一致公認的答案但我們對量子力學的認知已經比薛丁格那個時候增加了許多所以愛因斯坦和薛丁格對量子力學的質疑以及薛丁格的貓引發的疑鬥我們已經有能力給出大致確定但不完全誠愛若定的答覆上帝真的不玩骰子嗎想要知道的話我們下集分曉囉量子力學難道就這樣拜給一隻貓嗎在前一集我们聊到为了反驳量子力学的机率诠释和叠加态的说法薛丁格提出著名的思想实验薛丁格的猫既然猫在现实中不可能既生又死所以量子理论一定有不够完备的地方然而真的是这样吗有没有既符合量子理论又可以解释这个实验的说法呢整个事情的疑点就在于猫到底是什么时候确定生死的面对这个疑问我们就要回到第一集聊到的测量问题让我们先复习一下量子力学的说法在量子力学中量子系统的状态在被测量前都是不确定的所有可能状态是以几率的形式全部都存在这时系统是所有状态的叠加态只有当我们进行测量时系统才会成为某个特定状态讲的虽然很玄但举实例来说就像原子里的电子并没有一个确定的位置它可能出现在任意地方就像崩溃一样散布于空间中当你去测量它它有一定的几率会出现在这里也有一定的几率出现在那里只有当你真正测量到它的位置了它的位置才是确定的对此爱因斯坦曾问过一句是不是只有当你在看它的时候月亮才在那儿呢对爱因斯坦来说月亮当然是不管有没有人在看都悬挂在天上的所以他認為量子系統應該也是這麼回事總是有個確定的狀態只是基於某些未知的因素導致我們還沒辦法搞清楚而已於是薛丁格在跟愛斯坦討論過後提出薛丁格的貓思想實驗這個我們在上集有詳細描述歡迎回去看一下利用貓不可能處在既生又死的疊加態來質疑量子理論雖然造成話題但不能算成功為什麼呢因为我们对量子力学的理解持续累积知道了很多爱因斯坦跟薛定格都不知道的事要回应他们的质疑在某种程度上已经不是问题1957年美国普林斯顿大学的博士生艾弗雷特三世在他的博士论文中提出了一个大胆想法他认为整个宇宙的一切可以由单一个宇宙波函数来描述遵循著量子力學的波動方程式當我們進行測量時例如開箱檢查薛丁格的貓實驗結果不同的子系統也就是貓毒藥品毒藥瓶跟測量者其實是在交互作用之下彼此連動所以呈現出貓死亡毒藥瓶打破測量者看到貓死亡或者貓活著毒藥瓶沒破測量者看到貓活著這兩組狀態而測量這件事會讓宇宙波函數分岔出兩個不一樣的分支或說兩個平行世界在其中一個宇宙貓會活著在另一個宇宙貓則會死亡兩個宇宙都真實存在沒有什麼貓進活又死的事情在艾佛雷特三世的詮釋中整個宇宙波函數隨著時間演化就像一棵大樹每當有測量發生就會分出不同枝幹每個枝幹就代表一個獨立的平行世界或是平行歷史這就是著名的多世界詮釋因為歷史上每次的測量或選擇都會分裂出不同的世界所以會有超級龐大數量的平行世界存在彼此之間無法溝通與交換資訊若套用柯南的名言真相只有一個來比喻物理真實在每個世界都只有一個沒錯但是世界有接近無限多個而且每個世界的物理真實都不一樣雖然在現實這個世界我們買樂透可能沒中獎但可能在另一個平行世界裡我們是中頭獎的大風也說不定你要確定啊多世界詮釋的優點是它跟量子理論沒有什麼矛盾也能够解决像薛定格的猫等棘手的悖论但问题是尽管有人曾提出过验证多世界诠释的方法但现今的科技并无法做到至于艾佛雷特三世他的博士论文没有受到学界多大的关注之后改从事跟物理研究无关的工作直到1970年代多世界诠释才开始受到其他人注意并在艾佛雷特三世于1982年去世之后变得越来越受欢迎甚至被部分科幻作品挪用雖然這個詮釋目前無法被驗證但也多虧了艾伯雷特三世我們才能看到漫威和各種科幻電影腦洞大開的多層的究竟點事實上就算不靠多世界詮釋也還有其他說法能夠解決愛因斯坦和軒尼格等人提出的問題例如我們現在要聊的量子去相干我们在第一集提到的双狭缝干涉实验中同一个波源的波分别从两个狭缝出来并产生干涉条纹这代表它们存在相干性也就是相互干涉的性质属于波的一种特性如果我们对其中一道狭缝出来的光波进行阻挡或干扰那么两边的相干性就会消失干涉条纹也不会出现这就是去相干如同我们前面几集所说的量子力學中微觀粒子具有波的特性所以也會發生跟波一樣的相互干涉性質波函數隨著外在環境會存在許多不同可能狀態彼此之間相干在電子的雙狹縫時間中電子以波的形式通過兩個狹縫接著在彼此干涉形成干涉條紋這就是相干性的體現當我們去測量電子的路徑就是對它進行干擾會讓系統不同可能状态的相干性消失这就称为量子去相干那么要如何定义干扰呢基本上只要一个量子系统没有完全孤立跟外界起了交互作用就算是干扰想象你原本在深山里一世独立的生活人生接下来会怎么发展大概就不出几种可能性而且很大程度由你个人来决定但如果有一天你出海去当海贼王探索广泛的世界广大的世界遇上数不清的人事物你的人生发展就不只是只看你自己了还要看你跟整个环境的互动遇上什么人而定换言之你的命运在跟外在环境交互作用之后跟整个世界绑在一起了无法单凭你的个人意志决定无论如何你的状态跟原本深山里生活的你已经不一样了就像上面的例子测量者跟量子系统之间的交互作用会导致量子系统和外界交换资讯无法再用原本单一的波函数来描述必须将外界考虑进去最终逐渐丧失了它的量子特性所以在电子的双峡峰干涉实验中如果我们想要知道电子在通过双峡峰时的确切位置跟路径的话势必要侦测它换句话说就是要跟它产生交互作用那么就会让电子因为量子去相干而没办法维持量子的特性导致干涉条纹消失作为结论我们可以说在量子去相干的概念下测量就是一种交互作用也势必会引起一定程度的量子去相干现象随着交互作用程度的不同量子系统会以不同的速度逐渐演化并失去量子特性在现实世界中因为所有的量子系统都不可能完全孤立不跟外界互动所以时间久了之后一定都会慢慢去相干另一方面现实生活中的所有物体尽管都是由原子这些量子系统组成的但当众多的原子组成分子在慢慢构筑成更大的结构时过程中就会因为彼此的互动跟交互作用丧失量子特性所以爱因斯坦问的是不是只有当你在看它的时候月亮才在那儿呢我们可以回答并不是这样因为月亮已经不是量子系统了至于在薛丁格的猫实验中其实并不需要我们打开房间才能够让猫从既生又死的叠加状态变成不是生就是死的二则一实际上当作为量子系统的不稳定原子核被侦测到衰变之后交互作用就完成了量子系统的状态也就确定了猫就死定了此外猫自身也因为量子去相干的关系不会是量子系统所以不可能同时处在生和死的状态事实上目前量子相关科技像是量子电脑量子通讯等它们在研发上遇到的困难也有部分是源自于量子去相干现象量子电脑使用到的量子位元必须保持在隔绝于外界不受干扰的环境中才能够维持在量子态一旦有风吹草动量子位元就很可能出错而且随着量子位元数目变多要同时维持它们全部的量子态且变得更加困难这都是此刻在技术上需要克服的而台湾的量子国家队针对量子科技的研究究竟能够走到什么地步做出怎样的突破呢就有待我们的支持与观察了在这一集我们简单说明了量子力学的多世界诠释以及量子去相干现象事实上多世界诠释也利用了量子去相干的概念来解释测量以说明宇宙波函数为什么会分支然而我们要强调多世界诠释只是众多量子力学诠释的其中之一目前也还没有任何科学证据但是量子去相干的研究却是扎扎实实的不需要依靠多世界诠释就能够回答爱因斯坦和薛定谔的问题只不过他还是无法告诉我们我们看到的唯一结果是如何在测量之后从所有可能中脱颖而出我们还是只知道各种可能结果的出现机率所以测量问题或许还不能说是已经完全解决了无论如何回到这系列第一集的提问人的意識是否真的具備什麼神奇的力量能夠改變物質世界還幫助你心想事成呢至少我們可以有信心的說不管是薛定格的貓實驗還是電子的雙峽縫干涉實驗或是針對其他量子系統的實驗人的意識都無關緊要To indirect or not to indirectThat is the question任何打著量子力學名號宣稱可以讓你藉由意識改變物質世界達到身心靈成長或是連接宇宙能量的說法以目前的科學研究來說都是不可信的好的本季的量子科學系列影片在這裡告一段落我們很高興能與量子熊合作展開這趟量子之旅非常歡迎你從第一集開始把這六集重看一遍相信每一次的觀測都會為你我帶來很好的結果要是你覺得有收穫也可以透過超級感謝或是加入會員來參與這趟旅程喔你對哪些量子現象量子科技感到好奇呢歡迎留言跟我們說希望很快就有機會再跟你一起探索量子的奧秘因為一切才剛剛開始好的以上就是本集的內容記得訂閱Pensai泛科學頻道開啟小鈴鐺加入我們的頻道會員鎖定更多精彩的科學新知科學議題我們下次再見