真正的隨機：史上最速亂數產生器 - 泛科學

提供原子特定的能量，讓原子放出光子，就可以激發出雷射。

利用電子躍遷的隨機性. 但這件事情跟隨機性有什麼關係呢？電子躍遷本身就是具有隨機性的。

2153文字分享友善列印繁|简2153編輯精選萬物之理電腦資訊真正的隨機：史上最速亂數產生器linjunJR・2021/04/12・2451字・閱讀時間約5分鐘・SR值521・七年級＋追蹤相關標籤：光學光學共振器基態激發態量子力學隨機雷射電子躍遷熱門標籤：大麻量子力學CT值女科學家後遺症快篩時間圖／wikipedia。

隨機性，在許多領域都扮演了不可或缺的角色。

例如電腦信息的加密，還有模擬複雜物理系統等技術，都需要用到巨量的亂數資料。

不過，這些隨機是怎麼來的呢？當電腦計算1+1是多少時，它可以遵從既定的程序算出正確答案；但如果叫電腦隨便給你一個數字，它肯定不知道該怎麼辦。

畢竟電腦不像人，可以隨便「想到」一個數字。

電腦只能根據你的命令，算出你要的結果。

要得到「真正的隨機」並不如想像中簡單。

當我們到廟裡擲筊，或是玩桌遊時丟骰子，得到的結果看似沒有規律，但其實不然。

它們可以用簡單的電腦計算來預測，像是丟硬幣的結果，便早已被研究透徹。

只要對初始條件有足夠良好的掌握（像是丟出的速度與角度等等），這類物品的行為都能用兩百年前確立的力學定律來精準預測，因此稱不上是「真正」的隨機；另外一個缺點在於，這類方法產生隨機結果的速度實在太慢，跟不上現代社會對於隨機資料的龐大需求。

對於丟硬幣的結果，只要對初始條件有足夠良好的掌握，這類物品的行為都能用力學定律來精準預測，因此稱不上是「真正」的隨機。

圖／Giphy。

至於使用電腦計算的結果呢？常見像是串流平台的隨機播放功能，以及粉專抽獎會用的亂數產生器，它們所呈現的隨機是演算法算出來的。

隨機播放功能利用特殊的演算法，排列出一個讓你聽起來很隨興的歌單；一般的電腦亂數，只是將特定的「種子」數字丟進一個超複雜的算式，算出成串毫無規律的數字。

這些方法雖然快速又實用，但終究是可以預期的。

當亂數數量夠多時，往往可以發現某些規律；而可被預期的亂數若是用於加密或認證，便會成為駭客眼中的肥羊。

由量子世界尋求真正的隨機！既然手邊的物品和電腦都不管用，科學家於是轉向微觀的量子世界。

量子物理對世界的描述本身就是機率性的，因此物理學家可以從實際測量結果中汲取「正港的」隨機亂數。

像是物質的放射性衰變或電路中的雜訊，都是常見的選項。

這類過程雖然可以確保隨機性，但效率還是稍嫌太差，相關的實驗架設也相當費工。

不過就在今年二月，研究人員利用半導體雷射技術，打造出有史以來最快的亂數產生器：每秒250TB的隨機位元，比先前的紀錄高出一百多倍。

雷射的產生牽涉到原子內的「電子躍遷」。

在一般狀態下，大部分原子中的電子會按照高中化學課本中提到的「電子軌域」排列，這種排列方式稱為「基態」，代表原子中的所有電子，都處在最低能量狀態。

在原子接收一定的能量後，會有部分電子跳入高能量的軌域中，變成「激發態」，這時原子內的電子組態不穩定，電子會跳回低能量軌域中回到「基態」，並以光（輻射）的形式放出能量。

圖／wikipedia。

在原子接收一定的能量後，會有部分電子跳入高能量的軌域中，變成「激發態」，這時原子內的電子組態不穩定，電子會跳回低能量軌域中回到「基態」，並以光（輻射）的形式放出能量。

而這些跳回的電子，如果都從同一個激發態回到基態，就會釋放出特定「頻率」與「能量大小」的光，以愛因斯坦的說法，從相同的激發態回到基態，會得到固定的「光子」，這是舊量子論的重要發現之一。

提供原子特定的能量，讓原子放出光子，就可以激發出雷射。

利用電子躍遷的隨機性但這件事情跟隨機性有什麼關係呢？電子躍遷本身就是具有隨機性的。

要激發雷射，其實事情並沒有那麼簡單，需要克服這個機率性。

讓我們回頭看上面的敘述，「『大部分』原子中的電子會按照……」、「在原子接收一定的能量後，『有部分』電子跳入高能量的軌域中」，這些「大部分」、「有部分」，使得我們就算給原子固定能量，也未必能平穩釋放出特定光子，讓雷射光的強弱不穩定，也不會朝同方向射出。

因此雷射技術的重點之一，就是「光學共振腔」，將激發光子的物質放在共振腔中，放出的光子會在共振腔中來回游走，再次激發原子放出更多的光子，來增強雷射強度，並讓雷射光往特定方向射出。

但是，「光學共振腔」強化雷射強度以及方向，但實際上雷射光的強度，仍然是由量子力學的隨機性所決定！如果我們能用感光元件捕捉雷射光線起伏不定的強度，再轉換為數位訊號，就能獲取珍貴且無法破解的隨機亂數。

蝴蝶結狀「光學共振腔」這種想法雖有十幾年的歷史，不過由於技術上的限制，產率一直相當有限。

而且一般方形共振腔產生的雷射，容易讓光強度陷入特定的規律，產生的隨機性也較低。

為了解決這個問題，研究人員將共振腔的形狀改良為蝴蝶結狀。

如此一來，在其中反彈的雷射光便能保有其當初紊亂的特性，且往特定方向射出。

隨機的雷射光源被254像素的高速攝影機拍下，每個像素受到的光強度也被證實為相互獨立，因此成就了254條同步生產線，一同產出隨機亂數，使效率遠遠勝過以往一次只能記錄一個像素的做法，創下每秒250TB的紀錄。

現今電腦運作的時間尺度最快不超過幾GHz，因此這次的250THz創舉難以發揮全部的實力。

如果犧牲一些效率，用較簡單的偵測裝置來取代高速攝影機，可以讓整個裝置變得更加輕巧，提升實用性。

在不久的將來，史上最速的亂數產生機制，或許可以直接容納於單一晶片之上。

圖／envatoelements。

參考資料：Kim,K.,Bittner,S.,Zeng,Y.,Guazzotti,S.,Hess,O.,Wang,Q.J.,&Cao,H.(2021).Massivelyparallelultrafastrandombitgenerationwithachip-scalelaser. Science, 371(6532),948-952.https://www.nature.com/articles/d41586-021-00562-6https://cointelegraph.com/news/lack-of-randomness-why-hackers-love-it發表意見文章難易度剛好太難所有討論 2登入與大家一起討論#1ChenJoe2021/04/18回覆文獻1只是篇報導，覺得需要加上原來的文章會更好：Kim,K.etal.Science371,948–952(2021).#2陳廷宇2021/04/20回覆電腦“信息”？？？？linjunJR28篇文章・ 446位粉絲＋追蹤清大理工男。

不喜歡算數學。

喜歡電影、龐克、和翻譯小說。

不知道該把科普當興趣還是專長，但總之先做再說。

RELATED相關文章物理學家研發出反雷射裝置馮．紐曼誕辰｜科學史上的今天：12/28物理學又出現裂縫？！Muong-2實驗結果與「標準模型」的預測不符除了發現量子力學，普朗克還有第二個重大發現是什麼？TRENDING熱門討論即時熱門阿茲海默風暴：通訊作者的辯駁與責任424小時前大麻可能的新用途：治療抑鬱症？！11天前只算人頭、忽略比率，小心落入「見樹不見林」的謬誤──《因果螺旋：跨越時空的探索與思辨》11天前高死亡率必定帶來經濟高衰退率？陳建仁新書這樣解釋──《因果螺旋：跨越時空的探索與思辯》11天前野生動物們，別來可無恙？52022/07/22阿茲海默風暴：通訊作者的辯駁與責任424小時前你低頭看得到腳趾嗎？從腳趾頭看人類祖先的生存方式——《人從哪裡來：人類六百萬年的演化史》47天前未知死，焉知生？從南美館《亞洲的地獄與幽魂》爭議看信仰的存在危機32022/07/17081文字分享友善列印081是吞船大魚，還是海裡的「豬」？從古人的眼中，跨時空探索「鯨豚文化史」研之有物│中央研究院・2022/07/14・4913字・閱讀時間約10分鐘＋追蹤相關標籤：史語所擱淺文化史歷史海豚鯨豚擱淺鯨魚熱門標籤：大麻量子力學CT值女科學家後遺症快篩時間本文轉載自中央研究院研之有物，泛科學為宣傳推廣執行單位。

採訪撰文／劉韋佐、田偲妤美術設計／蔡宛潔「吞船大魚」？古人的腦洞大開！很久很久以前，在北方的大海上，出現一隻長六丈、高一丈的大魚。

據說船要是遇上這種魚，一個不小心，可能整艘船都會被吞下去啊！在沒有相機、也沒有IG、臉書打卡的時代，古人面對陌生的物種，只能以文字或繪圖記錄下來，讓中國古代的鯨豚生態披上一層神秘面紗。

中央研究院「研之有物」專訪院內歷史語言研究所邱仲麟研究員，在長期研究歷史的過程中，收集了數百則中國歷史上鯨豚現身、擱淺的文獻。

究竟古人眼中的鯨豚長什麼模樣？鯨豚擱淺的可能原因為何？又衍伸出什麼樣的民間傳說？圖／Unsplash根據邱仲麟研究員蒐集的文獻，中國史上確切的鯨豚擱淺記錄可能始於兩漢。

早在西元前16年（西漢永始元年）就出現記載：「北海出大魚，長六丈，高一丈，四枚。

」接著在西元前4年及西元173年，也都有將鯨豚形容為「大魚」的記載。

這個時期多是簡單記錄鯨豚的大小，但到了近世，描述就變得豐富許多。

例如在明嘉靖《灤志》就記載：「房魚，出海，極大，如房。

或隨潮汐陷沙上，土人割脂熬油。

」另外，明崇禎《黃縣志》則有相當生動的描述：海魚莫大於䱜，長或一、二十丈，三五成群，順流噴浪如雪，山脊翅浮紅水面，如百十赤幟。

舟遇之速避，稍遲即可吸口吞舟，故俗名「吞船䱜」。

這些出現在地方志的記載，不僅對鯨豚的大小做出如房子般巨大、且能張口吞船的誇張比喻，也描繪了牠們三五成群現蹤，從頭頂噴水、在海上翻身等生活習性，讓我們從字句間拼湊出古代的鯨豚生態、人與鯨豚的互動，以及古人如何從其文化視角看待鯨豚與其擱淺現象。

海上之「豬」？史料所描繪的鯨豚樣貌古人對於此般海中龐然大物尚未有「鯨豚」的概念，多半用生活中既有的動物來形容。

猜猜看以下描述是指海豚或鯨魚？地方志中常見「海豬」的記載。

在明嘉靖《欽州志》曾有這樣的形容：「其頭類豬」、「無鱗，大似海豬」。

清代《連江縣志》也有「海豬魚」的記載，形容其「渾身深黑，形體、腑臓與猪略同。

鼻在腦上，噴水直上。

」另有一種生物名叫「海鰌」，「鰌」在今日雖為「鰍」的異體字，但在此處應唸作「ㄧㄡˊ」。

在《水經》中曾有這樣的記載：「海鰌魚，長數千里，穴居海底，入穴則海水為潮，出穴則潮退。

」北宋《江南野史》則說：「有海鰌，形如大堤，長數十丈。

」從「長數千里」到「長數十丈」，我們可以得知，海鰌的形容是從其驚人的體長來描繪。

明崇禎《肇慶府志》更有一則特別的「海鰌」記載，說其「遍體礪房石砌，積如丘山。

」記錄者觀察得非常仔細，「礪房石砌」應該是指寄生在皮膚上的藤壺，要能如此詳實描述身上特徵，表示這隻「海鰌」可能擱淺在海灘上，才得以近距離觀察。

從海豬到海鰌，你猜到哪個是指海豚？哪個是指鯨魚？從上述文獻記載可以推測，關鍵在於海豚、鯨魚的體形差距，古人多稱海豚為「海豬」、鯨魚則為「海鰌」。

古人多稱海豚為「海豬」，認為其頭與豬相似。

「豚」字等同於「豬」，兩者也同為哺乳類動物。

圖／Unsplash古人多稱鯨魚為「海鰌」，身上常有大片藤壺寄生。

藤壺會伸出觸手捕食海中的浮游生物，以及鯨魚周遭的有機質。

圖／iStock這些突然躍出海面、或是擱淺在海灘的大魚到底是什麼？已遠遠超出古人的知識範疇，只能從其外觀特徵或動作來命名。

除了「海豬」、「海鰌」、「海鰍」等名稱，另有視其龐大的體形，稱之為「房魚」、「海象」、「鱌魚」；也有尊稱為「海龍」、「海龍翁」、「海主」，甚至有記載為「海燕」者，名稱可說是五花八門！在那個沒有相機的時代，文字的描述更為豐富，充滿古人天馬行空的想像力。

爬梳臺灣早期的鯨豚擱淺記錄清乾隆9年，閩浙總督在奏報福建省當年2月的雨水和糧食價錢時，附帶報告了在上一年的12月，臺灣北路的白沙墩（今日苗栗通霄一帶）有「巨魚二十二尾，頭大丈餘，口闊四尺，腹寬二丈，尾大七尺餘，蝦尾魚身，約長三丈有奇。

目生腹下。

其魚黑色，聲如牛鳴。

隨潮擱淺，未識其名。

」此外，《重修臺灣府志》中也提到同一年在白沙墩發現「雷擊死巨魚二十二尾於沙上」、「頭似豕」、「來時聞隱隱有雷聲，隨潮擱淺，如排列狀。

背上各有一孔，黃水流出。

」這些記載明確說出「擱淺」現象，雖然記錄者仍「未識其名」，不知道這些擱淺的生物是什麼，但將「巨魚」、「頭似豕」、「聲如牛鳴」等敘述，與前面的記載互相比對，可得知這是一起發生在臺灣的鯨豚集體擱淺現象。

清末澎湖海邊也曾發現鯨魚擱淺，人們還在其腹中發現兩隻百來斤的大魚。

在割肉取油時，魚尾突然甩動，將數千斤的巨石擲到百丈之外，成為人們口耳相傳的巨魚駭聞。

圖／點石齋畫報大可堂版第十冊鯨豚擱淺的原因至今依然眾說紛紜，可能是受暴風雨、地震、雷擊影響，或追船誤入淺灘所致，也有可能在不知不覺中受特殊地形牽引。

邱仲麟研究員在整理文獻時有一驚奇發現，鯨豚擱淺記載較多的區域，主要在舟山群島以北海岸，尤其以錢塘灣與長江口一帶最多。

清末的西洋傳教士丁韙良在其著作《中國覺醒》就指出「錢塘江是鯨魚的陷阱」，並說：「這個漏斗狀的海灣，潮位出奇地高。

當每月初一或十五，太陽和月亮的引力出於同一方向時，海水便咆哮地衝向岸邊，形成了巨大的潮汐。

錢塘江大潮不僅摧毀船隻，就連大海深處的龐然大物也無法抵禦那難以抗拒的推力。

」錢塘灣的地形是外寬內窄的「喇叭口」，使潮汐容易產生洶湧的浪濤，形成世界三大湧潮之一的「錢塘潮」。

雖然鯨豚擱淺的原因至今仍無定論，但在錢塘灣附近容易擱淺，很可能是因為當地特殊的地形使鯨豚往此聚集，當洶湧的潮汐來臨，就特別容易被潮浪捲入而擱淺。

錢塘潮。

圖／Wikimedia過去無法解釋的奇觀，「巨魚」擱淺的傳說對古人來說，這些龐然大物突然擱淺在沙灘上，想必是難以理解的奇觀，因而產生許多光怪陸離的神鬼傳說。

貶謫說：興風作浪，海神降落處罰古人觀察到，擱淺死亡的鯨豚常常沒有眼睛！彷彿遭行刑後流放邊陲。

北宋《釣磯立談》就記載：「潯陽潮退，有一大鰌，環體於洲上，時時舉首噞喁，水自腦而出，數日乃死。

瀕江之人饜食其肉。

世說以為海神鑿腦取珠，因以致斃。

」歐陽修也曾在詩作中留下「有時隨潮來，暴死疑遭謫」此一經典名句。

清代學者錢泳則在其著作《履園叢話》留下鄉野傳說：「大凡東海有巨魚流入內地者，必無目，無目，故隨潮而進也。

相傳此魚在海中作風浪翻船至傷人者，必有海神抉其目。

」另一位作家黃逢昶在臺灣寫下的《竹枝詞》也記載地方傳聞：「土人云是魚吞舟不少，龍王剜目示眾」。

從「海神鑿腦取珠」、「暴死疑遭謫」、「海神抉其目」等敘述可知，古人將當時的懲處制度用於解釋鯨豚擱淺現象，歸因於鯨豚犯錯後被海神處罰，行刑挖目後貶謫異地。

閏魚說：閏年報到！鯨豚頭形隨生肖變化？依據海邊居民的觀察，每到閏年就會有鯨豚報到，因此稱鯨豚為「閏魚」。

早從明代開始，在長江以北、黃海海濱就出現這樣的傳說。

明嘉靖《通州志》就記載：「閏魚，形甚鉅，其骨可以為橋梁。

每閏年始有，故名閏魚。

」另有《如皐縣志》記載：「閏魚，無定形，閏年秋潮，颶風推出海，其大吞舟也。

」此外，更有閏魚的頭形會與該年生肖相似之說。

例如江蘇東臺人宋武庭說：「閏魚則非閏年不可見也，且形狀不一，按其所閏之年枝生肖而變更焉。

如子年則鼠首魚尾，丑年則牛首魚尾，推而至於寅年虎首，卯年兔首，無不酷肖。

」這些記載展現古人將自然現象與民俗節氣結合的文化思維。

清末「閏魚出海」圖文記事。

老人們相傳每逢閏月，海中總有大魚被沖上岸，因為大魚平時興風作浪、打翻漁船、以人為食，如今才會擱淺，成為人們的美食。

圖／點石齋畫報大可堂版第四冊神蝦押巨魚說：鯨魚、蝦子，傻傻分不清！另一種記載也相當有趣，清代的葉良儀在其著作《餘年閒話》中提到，居民看到海外有「四大桅杆（船上懸掛帆的杆柱）悠颺而至」就知道是「閏魚」來了。

這裡提到的「四大桅杆」乃是：「兩大蝦釘其目，押之使上，桅杆即蝦鬚也」。

魚來後，則天氣漸晴，「居民掇梯魚身，先用鋤撥去砂石，然後以刀斧剜其肉，熬油為燃燈之用。

」競相割取三、四日……，接著「又忽晦冥，則蝦復來押之回矣」。

為什麼蝦子會和鯨魚扯上關係，甚至成為懲處鯨魚的獄卒？邱仲麟研究員解釋，會有「兩大蝦釘其目」、「桅杆即蝦鬚」等形容，可能是因為從陸地遠望鯨魚時，其從海中躍起的瞬間，身體兩側的鰭猶如蝦子的兩隻大螯，因此流傳鯨魚擱淺是「神蝦押巨魚」降貶上岸的緣故。

「神蝦押巨魚」傳說，可能是古人誤將鯨魚的鰭看成蝦子的大螯。

圖／研之有物（圖片來源／Unsplash、Pixabay）地毯式搜尋史料，縱觀鯨豚文化史邱仲麟研究員的辦公室充滿各式文獻史料，研究主題遍及明清時期的都市、醫療、花卉、西洋鏡、公共衛生、軍事防禦、鯨豚擱淺史等。

圖／研之有物鯨豚擱淺事件常記載於中國各地的地方志，卻缺乏有系統的文獻整理。

邱仲麟研究員地毯式搜尋中國各地的地方志、筆記、詩文、報紙等文獻，將有提到鯨豚的史料儘量收集、剪貼成冊，並從中整理出古代對鯨豚外觀的描述、統計擱淺地點與季節，並探討古人對龐然大魚突然現身所衍生的各種傳說故事。

每則鯨豚史料皆剪貼成冊，上頭仔細標註資料來源、畫出重要段落，是多年來飽覽各式文獻所累積的豐碩成果，從中可見歷史學家治學的嚴謹態度。

圖／研之有物從鯨豚史料的研究出發，我們可以得知古人看待海洋生物的態度、應用海洋資源的方式，甚至能觀察古今鯨豚生態的變化。

例如明清時期曾記載，長江流域有「中華白海豚」、「白鱀豚」出沒，如今皆因工業和漁業發展的嚴重侵害而數量銳減，瀕臨絕種。

中華白海豚，主要分布於東印度洋至西南太平洋海域，臺灣、中國、馬來西亞、泰國等地皆可見其蹤跡。

每逢農曆3月下旬，臺灣海峽風浪漸平息，早年的討海人常見到這群嬌客。

因恰逢媽祖誕辰月份，人們相信牠們是捎來媽祖訊息的「媽祖魚」。

圖／inmediahk鯨豚擱淺研究不僅豐富了中國文化史中有關海洋生物的內涵，也呈現不同時空背景下所蘊含的文化思維與古今變遷。

延伸閱讀邱仲麟老師個人網站【110年知識饗宴—胡適院長科普講座】邱仲麟研究員「鯨豚擱淺：中國歷史上的例子」發表意見文章難易度剛好太難所有討論 0登入與大家一起討論研之有物│中央研究院240篇文章・ 1893位粉絲＋追蹤研之有物，取諧音自「言之有物」，出處為《周易·家人》：「君子以言有物而行有恆」。

探索具體研究案例、直擊研究員生活，成為串聯您與中研院的橋梁，通往博大精深的知識世界。

網頁：研之有物臉書：研之有物@FacebookRELATED相關文章航行索馬利亞海域——賞鯨豚與海盜驚魂│環球科學札記(9)鯨豚的水下聊天室，與鐵達尼號最後的求救──《茶杯裡的風暴》前往南美洲考古現場：挖出千年前祕魯沙漠漁村的生活史殷墟考古大發現！走進上古商王的洗澡間，青銅熱水器、去角質小道具TRENDING熱門討論即時熱門阿茲海默風暴：通訊作者的辯駁與責任424小時前大麻可能的新用途：治療抑鬱症？！11天前只算人頭、忽略比率，小心落入「見樹不見林」的謬誤──《因果螺旋：跨越時空的探索與思辨》11天前高死亡率必定帶來經濟高衰退率？陳建仁新書這樣解釋──《因果螺旋：跨越時空的探索與思辯》11天前野生動物們，別來可無恙？52022/07/22阿茲海默風暴：通訊作者的辯駁與責任424小時前你低頭看得到腳趾嗎？從腳趾頭看人類祖先的生存方式——《人從哪裡來：人類六百萬年的演化史》47天前未知死，焉知生？從南美館《亞洲的地獄與幽魂》爭議看信仰的存在危機32022/07/17562文字分享友善列印562思考別人沒有想到的東西——誰發現量子力學？賴昭正・2022/06/01・4633字・閱讀時間約9分鐘＋追蹤相關標籤：愛因斯坦普朗克波思物理化學索爾維會議諾貝爾獎量子量子力學量子物理熱門標籤：大麻量子力學CT值女科學家後遺症快篩時間《科學生》科普素養閱讀一篇不到3元!!年訂輸入summer1000，現折1000元文／賴昭正前清大化學系教授、系主任、所長；合創科學月刊發現就是看到別人都看到的東西，但思考別人沒有想到的東西。

－AlbertSzent-Györgyi，1937年諾貝爾醫學獎在「黑體輻射光譜與量子革命」（科學月刊，2022年）一文裡，筆者提到了普朗克如何於1900年10月19日靠猜測幸運地導出了符合實驗的黑體輻射光譜分佈公式；然後花了約兩個月的時間找出了可以解釋那猜測的背後物理，於1900年12月14日的德國物理學會會議上提出了電偶極振盪子能量（ε）量化ε=hν（h為普朗克常數，ν為振動頻率）的背後物理。

因此1900年12月14日被公訂為「量子理論的誕生日」。

但如果良馬沒有遇到伯樂，它會是一匹良駒嗎？普朗克：「量子假設永遠不會從世界上消失」MaxKarlErnstLudwigPlanck，1858年4月23日－1947年10月4日。

圖／Wikipedia普朗克雖然找到了物理的答案，解決了他的「幸運猜測」；但那個物理卻是非常奇怪：輻射的能量怎麼跟頻率有關呢？在古典物理裡，輻射能量只與強度有關。

任何頻率的輻射能都應該是連續的（即任何能量值都可能），怎麼是量子化的、不連續的？普朗克長期以來一直認為這只是一種數學假設或方便而已，與實際的物理無關。

在他看來，沒有理由懷疑古典力學和電磁力學定律的崩潰。

普朗克不認為他的理論與古典物理學大相逕庭，因此他在1901年到1906年間，根本沒有發表任何關於黑體輻射或量子理論的文章。

1905年，愛因斯坦提出了支持能量量化的光量子理論（見後）；但1913年，當普朗克推荐愛因斯坦為普魯士皇家科學院士時，卻謂光量子是過分越矩的大膽假設。

1914年，普朗克本人在向柏林大學推薦愛因斯坦任教時，也做了類似的評語（儘管愛因斯坦的光量子理論構思不周，還是希望他的同事們接受愛因斯坦）。

所以普朗克真的是發現量子力學嗎？歷史學家和科學哲學家庫恩（ThomasKuhn）指出：普朗克在1900年和1901年的論文中沒有一處清楚地寫道：單個振盪器的能量只能根據ε=nhν獲得或耗散能量（n是整數）。

如果這確是他的意思，他為什麼不這麼說？如果他意識到他已經引入了能量量子化的奇怪新概念，為什麼他在四年多的時間裡一直保持著沉默？此外，在他1906年的熱輻射理論講座中，普朗克還是只闡述傳統的能量連續理論，沒有提到任何電偶極振盪子能量量化的可能性。

如果普朗克早在1900年就如他後來聲稱那樣地「看到了曙光」，是什麼讓他在六年後改變了主意？答案應該是他1900年時沒看到了曙光吧？！所以庫恩認為普朗克不值得稱為發現量子力學之先驅。

無可否認地，當然也有不同意庫恩看法的科學家。

事實上，普朗克也曾「確信」過量子理論標誌著物理學史新篇章的開始；例如他在1911年的一次演講中就自豪地宣稱「量子假設永遠不會從世界上消失」，有朝一日，這一理論注定會以新的光芒迅速地滲透到分子世界中。

但那可能只是曇花一現，在他的內心裡可能還在懷疑著能量量化的真實性，否則他怎麼不支持愛因斯坦的光量子理論呢？儘管如此，諾貝爾獎委員會還是因他「發現能量量子」，於1918年頒發了物理獎給普朗克。

愛因斯坦是真正的「能量子不連續性的發現者」AlbertEinstein，1879年3月14日－1955年4月18日。

圖／Wikipedia如果普朗克在1900年沒有提出能量量子假說，那是誰先提出的？1877年，波茲曼（LudwigBoltzmann）雖然在其統計熱力學裡使用能量量化的概念來計算物理態的分佈，但那只是為了數學處理上的方便而已。

事實上，當普朗克還一直在努力地想使他的量子解釋能容於古典力學時，愛因斯坦卻馬不停蹄地在開發量子力學，所以真正認識到量子理論本質的人應該是愛因斯坦——年輕的愛因斯坦顯然比普朗克看得更深。

1905年，愛因斯坦已認識到量子不連續性是普朗克黑體輻射理論的重要組成部分：比較維恩體系中的輻射與古典不相互作用之點粒子氣體的熵（entropy）後，愛因斯坦提出了光量子的假設，謂「就其熵的體積依賴性而言，如果單色輻射的行為與由許多獨立之hν能量子組成的介質相似，則值得研究光的產生和轉換規律是否意味著光本身就是個能量子（energyquanta）」。

基於這種「啟發式原理」，愛因斯坦提出光電效應：光量子（lightquantum）將其全部能量提供給單個電子；謂用這一原理導出的方程式可以解釋連納德（PhillipLenard,1905年諾貝爾物理獎得主）1902年的觀察結果，即被光打出來的電子能量與光的強度無關。

所以嚴格說來，愛因斯坦才是真正的「能量子不連續性的發現者」。

17年後，愛因斯坦終因「光量子」的主要貢獻，而獲得1921年諾貝爾物理獎（泛科學07/28/2021）。

在古典統計熱力學裡，有一稱為「能量均分原理（equipartitionprinciple）」謂：在達到熱平衡時，物理體系內的任何一個自由度均應具有kT/2熱能。

依照這個原理，晶體因原子在晶格的振動，其熱能應該是每個原子具有3kT（每個震動有兩個自由度、三個方向，故總共有六個自由度），所以晶體的比熱是每個原子3k（Dulong-Petit定律）。

這一古典理論所推測出來的結果在高溫時與實驗相符；但在低溫時，實驗發現晶體的比熱趨近於零。

1907年，愛因斯坦假設晶格具有單一的振動頻率v，因為量化的關係，其能量只能有nhv（n為整數）值，然後透過馬克斯威－波茲曼統計分佈求得每個振動的平均能量，對溫度微分而得到低溫時趨近於零的晶體比熱！晶體的振動實際上當然比愛因斯坦的模型複雜多了；1912年，迪拜（PeterDebye）做了改進得到符合（非金屬固體之）實驗的結果。

愛因斯坦的此一比熱理論是推動量子理論成為物理學主流的一個重要旅程碑。

 迪拜、愛因斯坦分別對於熱容與溫度之間關係的預測，在高溫時趨於3Nk（每個原子每個方向k）的實驗值。

圖／Wikipedia第一次的索爾維會議索爾維（ErnestSolvay,1838-1922）是比利時化學工程師，發明了一種製造蘇打（碳酸氫鈉）的工藝而積累了大量財富，慷慨捐贈大學，並在布魯塞爾創立了索爾維醫學和社會學研究所（SolvayInstitute）。

索爾維的課外嗜好是物理，認為自己發現了一種關於重力如何影響「物質和能量構成」的理論。

雖然這是一個瘋狂的理論，但「錢多學問大」，他不接受否定的答案。

當索爾維向柏林大學名化學家能斯特（WaltherNernst）詢問如何傳播他關於引力的想法時，能斯特看到了一個幫物理學發展的好機會。

他狡猾地向索爾維建議資助一個探討物理學最新發展的會議：索爾維可以在會議開始時向聚集在場的最優秀物理學家講授他的瘋狂理論，然後讓物理學家開始自由地進行自己的討論。

索爾維接受了能斯特的建議，於1911年10月下旬，邀請了來自歐洲各地的18位頂尖科學家，在布魯塞爾舉行了第一次會議。

這就是物理界名聞遐邇的「索爾維會議（SolvayConference）」，每隔三年舉行一次，雖然一直持續到今天，但已經不再那麼獨特和奢華了。

1911年第一次索爾維會議的照片。

圖／Wikipedia第一次索爾維會議由比利時理論物理學大師洛倫茲（HandrikLorentz）主持，被認為是物理學界的一個轉折點[註]。

那次會議的成員包括普朗克、居里夫人、盧瑟福（ErnestRutherford）、龐加萊（HenriPoincaré）、及愛因斯坦等人，主題是輻射理論和量子，探討了古典物理學和量子理論兩種方法的問題。

儘管愛因斯坦謂該次會議「沒有任何積極的結果」，但是可以看到歐洲最著名的科學家在量子革命中的不同態度。

愛因斯坦顯然最清楚當時物理學基礎已經開始動搖之危機的深刻本質，因此雖發表了題為「比熱問題的現狀」的最後演講，但卻將主題置於量子問題上，引發了一系列－特別是來自洛倫茲、普朗克、龐加萊等人－的挑戰。

愛因斯坦謂普朗克在會中「頑固地堅持一些毫無疑問是錯誤的先入之見」。

波思「發現」量子統計力學সত্যেন্দ্রনাথবসু（SatyendraNathBose），1894年1月1日－1974年2月4日。

圖／Wikipedia在「量子統計的先鋒——波思」（科學月刊，1971年4月號）一文裡，筆者提到了1924年6月4日，一位任教於東巴基斯坦的講師波思（SatyendraBose）寄了一篇被英國名物理雜誌退稿、題為「普朗克定律及光量子的假設」的1500字論文給愛因斯坦，附函謂「如果你認為它值得發表，可否請您將它譯出，投稿到ZeitschriftfürPhysik 。

」。

愛因斯坦不但親自將該篇英文論文譯成德文，於七月初以波思的名義投稿至該雜誌，並於文後註曰：「依我看來，波思推導普朗克公式的方法為一重要里程碑。

該法亦可用來推演理想氣體的量子論；不久我將發表其詳細結果。

」。

在該論文中，波思做了一個誤打誤撞、連他自己本人都不知道、在整篇論文中隻字未提的重要及創新性假設：光量子是不可分辨的！在古典力學裡，物理學家認為銅板是可以分辨的，因此兩個銅板出現「一正及一反」的或然率是2/4；但如果它們不能分辨呢？則出現「一正及一反」的或然率將變成1/3。

沒想到這一「錯誤」的假設後來竟成為打開量子統計力學的鑰匙！如果我們說普朗克「發現」量子力學，我們不是也應該說波思「發現」量子統計力學嗎？可是波思沒有普朗克幸運，未受到諾貝爾物理獎會員們的青睞！他只自嘲地說：「我已得到我所應得的名聲了。

」現在物理學家稱自旋為整數的基本粒子為波思子（boson），它們所需要服從的統計力學為「波思-愛因斯坦統計」（Bose–Einsteinstatistics）。

結論普朗克與波思的發現印證了前者的名言：「科學發現和科學知識只有在沒有任何實際目的的情況下追求它的人才能獲得」。

但兩人似乎都沒想到他們發現了新的東西，並未思考著別人沒有想到的，只是覺得那樣做可以正確地導出黑體輻射光譜分佈及普朗克定律而已。

是誰首先思考別人沒有想到的問題呢？如果說「發現就是看到別人都看到的東西，但思考別人沒有想到的東西」，那麼發現量子力學及量子統計力學的應該是愛因斯坦了－是他思考著別人沒有想到的東西，開闢了新物理領域。

讀者認為呢？註解另一影響物理學發展深遠的是1927年舉行的第五次索爾維會議。

該會議也是由比利時理論物理學大師洛倫茲主持，主題是「電子和光子」，與會的科學家熱烈地討論了新興的量子理論基礎。

出席的29位科學家中當然少不了愛因斯坦及普朗克，其中一半以上是或將要成為諾貝爾獎得主。

延伸閱讀賴昭正：《我愛科學》（華騰文化有限公司，2017年12月出版）：裡面收集了：「太陽能與光電效應」(科學月刊2011年12月號）、「量子統計的先鋒——波思」（科學月刊，1971年4月號）、「量子力學的開山祖師-普朗克」(科學月刊1982年2月號）。

發表意見文章難易度剛好太難所有討論 5登入與大家一起討論#1狐禪2022/06/01回覆量子力學該是發明而非發現的。

量子現象是物理學家發現的，因此發明了一套理論來解釋–管用但非常不直覺。

#2賴昭正2022/06/01回覆用於「實際的東西」上，發明與發現是很容易分別的；比如我們說「發現新大陸」，沒有人會說「發明新大陸」的。

用在物理學上則似乎比較模糊了；例如「萬有引力」（天體都互相吸引）到底是實際存在的東西（現象）、還是創造出來的東西？如果是前者，我們說「發現萬有引力」；如是後者，我們就說「發明萬有引力」。

依不少物理學家及哲學家的看法，時間及空間都應該是發明的。

不是嗎？我們「發明」它們來解釋日常的現象；可是小孩似乎很早就「發現」它們的存在。

#3linyy12122022/06/02回覆1. 普朗克還是被認為是量子物理的開山始祖，因為他奮鬥了八年將黑體輻射公式導出，並催生出了普朗克常數-h與量子數-n。

雖然是利用猜測與數學的技巧，然而其中所假設的“能量是非連續”之概念已經算是劃時代的典範。

2. 在當時，光電效應現象已為眾所皆知，而愛因斯坦的貢獻在於利用普朗克的“能量包裹”觀念來解釋光電效應，並詮釋了E=hv為能量的一種形式。

3. 量子力學的發展是一連串科學發現的接力賽，連續上演著「發現就是看到別人都看到的東西，但思考別人沒有想到的東西」。

4. 接續在愛因斯坦之後的接棒者還有波爾、德布洛伊、薛丁格、海森堡、波恩等物理學家。

5. 科學的發現者往往本身並不瞭解他所發現的意義，需要後繼者加以“詮釋”與“解釋＂，即便發現者並不認同這些詮釋；“學派”因此而產生。

例如愛因斯坦、薛丁格非常不同意波爾、海森堡等哥本哈根學派對於薛丁格方程式的解釋。

6. 科學被認為一種發現，然而“詮釋”與“解釋＂則似乎更像是一種“創造”或“發明＂。

#4狐禪2022/06/02回覆所說「發明了一套理論來解釋」不夠清楚。

應該說發明了一條方程式–薛丁格的波方程式。

之後推演出一整套原子軌域只是數學上的發現–必然如此，而且經實驗驗證，大自然確實如此運作。

#5linyy12122022/06/03回覆在概念上個人是以德布洛伊所“發明”的物質波為一個界線；在此之前，普朗克的黑體輻射公式、愛因斯坦的光電效應、波爾的原子模型等理論可統稱為仍具有古典色彩的“量子物理”(QuantumPhysics)；而受物質波所啟發的薛丁格波動方程、海森堡的矩陣力學等則在概念上才稱為“量子力學”(QuantumMechanics)。

對於本文所探討的誰發現量子力學？可以存在著另一個見解為薛丁格“發現”且“找到”，或“猜測”出了量子波動方程；波爾、海森堡、波恩等人“發明”了量子力學。

這段歷史大概可以做以下描述：1. 普朗克最先提出量子假設，並創造出普朗克常數與量子數，奠定量子物理基礎。

2. 愛因斯坦則以光量子，解釋光電效應。

3. 波爾藉由量子概念建構了氫原子模型，創造能階概念。

4. 普朗克、愛因斯坦、波爾所建構的量子物理僅能解釋現象，尚未有描述系統變化的能力。

5. 待薛丁格猜測出波動方程後，量子物理才進入量子力學，有了Mechanics的風貌，即有了描述與預測系統變動的能力。

6. 波爾支持海森堡不確定原理，與波恩等人，以機率“詮釋”波動方程地意義，完備了量子力學。

賴昭正31篇文章・ 30位粉絲＋追蹤成功大學化學工程系學士，芝加哥大學化學物理博士。

在芝大時與一群留學生合創「科學月刊」。

一直想回國貢獻所學，因此畢業後不久即回清大化學系任教。

自認平易近人，但教學嚴謹，因此穫有「賴大刀」之惡名！於1982年時當選爲清大化學系新一代的年青首任系主任兼所長；但壯志難酬，兩年後即辭職到美留浪。

晚期曾回台蓋工廠及創業，均應「水土不服」而鎩羽而歸。

正式退休後，除了開始又爲科學月刊寫文章外，全職帶小孫女（半歲起）；現已成七歲之小孫女的BFF(2015)。

首先接觸到泛科學是因爲科學月刊將我的一篇文章「愛因斯坦的最大的錯誤一宇宙論常數」推薦到泛科學重登。

RELATED相關文章除了發現量子力學，普朗克還有第二個重大發現是什麼？愛因斯坦的理論問世，讓牛頓學說的世界觀出現裂痕－－《科學大歷史》索爾維會議創立，與史上最強科學夢幻明星隊的合照｜科學史上的今天：10/30萬物有沒有唯一解？愛因斯坦未完成的統一場論——《愛因斯坦的宇宙》TRENDING熱門討論即時熱門阿茲海默風暴：通訊作者的辯駁與責任424小時前大麻可能的新用途：治療抑鬱症？！11天前只算人頭、忽略比率，小心落入「見樹不見林」的謬誤──《因果螺旋：跨越時空的探索與思辨》11天前高死亡率必定帶來經濟高衰退率？陳建仁新書這樣解釋──《因果螺旋：跨越時空的探索與思辯》11天前野生動物們，別來可無恙？52022/07/22阿茲海默風暴：通訊作者的辯駁與責任424小時前你低頭看得到腳趾嗎？從腳趾頭看人類祖先的生存方式——《人從哪裡來：人類六百萬年的演化史》47天前未知死，焉知生？從南美館《亞洲的地獄與幽魂》爭議看信仰的存在危機32022/07/17000文字分享友善列印000物理學家研發出反雷射裝置peregrine・2011/02/24・881字・閱讀時間約1分鐘・SR值537・八年級＋追蹤相關標籤：光學雷射熱門標籤：大麻量子力學CT值女科學家後遺症快篩時間《科學生》科普素養閱讀一篇不到3元!!年訂輸入summer1000，現折1000元顛覆物理！引人矚目，美國耶魯大學(YaleUniversityintheUS)的一群研究人員研發出一種反雷射裝置，能夠幾乎完全吸收進入之相干光束(coherentlightbeams)。

該項研發是以去年夏天發表的一項理論性研究為基礎。

在此研究中，DouglasStone及其耶魯大學的同僚們聲稱此一系統，在他們稱為相干完美吸收器(coherentperfectabsorber)的裝置中，是有可能實現的。

此設備並非使用雷射來產生相干光束，而是吸收到來的相干光，並將其轉變成熱或電。

圖片取自原文網址目前，與耶魯大學實驗物理學家們組成團隊的Stone藉由在矽晶片內部產生干擾陷阱(interferencetrap)，製作了該裝置的一種版本。

將原本從單一雷射束分開的兩個射束導引到上述晶片的兩端，且固定住它們的波長，因而建立了干擾模式。

以此方式，此些光波被無限期地困住，而在晶片內部來回彈跳，結果這兩射束有99.4%被轉變成熱。

該團隊表明，並無理論上的理由使此技術無法百分百吸收光。

研究人員也確信，當前該裝置直徑1公分的尺寸，能縮減到僅6微米(µm)。

Stone宣稱：「出乎意外地，該種倒轉雷射射出過程的可能性，先前未被認真地討論或研究過。

」專注於應用面Stone團隊認為，該反雷射裝置顯示了諸多令人振奮的應用。

此些應用可能包括頻率為太拉赫(Terahertz，相當於1012赫)之雷射型感知器所使用的濾器(filters)，可用來察覺於廣大熱干擾(thermalnoise)背景中，散射回之微弱雷射信號的生物製劑或污染物。

另一構想是在醫療應用上，利用該裝置作為一種防輻射物(shield)，來使外科醫師能更精確地將雷射束對準如腫瘤等有害的生物組織。

Stone解釋：「利用他們的技術，一組經適當操縱的入射光波能穿透深入此類居間物(medium)且僅於中心被吸收，而使能量能遞送到指定的區域。

」該團隊也推斷，藉由添加另一「控制」束，能控制該裝置觸發1%到近乎100%的吸收。

在半導體積體光學電路中，上述屬性可能使該裝置能發揮如同光學開關(opticalswitches)、調光器(modulators)及檢波器(detectors)的作用。

不過，所有此類裝置的一項限制是，此些裝置僅能在特定波長下運作，意味在光伏特電池(photovoltaiccells)或偽裝裝置(cloakingdevices)方面，該項技術不會特別具實用性。

原文網址：http://physicsworld.com/cws/article/news/45151本文轉載自PEREGRINE科學點滴翻譯：peregrine| 校對：Portnoy發表意見文章難易度剛好太難所有討論 0登入與大家一起討論peregrine38篇文章・ 0位粉絲＋追蹤RELATED相關文章真正的隨機：史上最速亂數產生器光的過去現在與未來：光學簡史脈衝光只能美容嗎？超快雷射不只是這樣用滴！水的性質國中不是學完了嗎？竟然還跟「量子效應」有關？TRENDING熱門討論即時熱門阿茲海默風暴：通訊作者的辯駁與責任424小時前大麻可能的新用途：治療抑鬱症？！11天前只算人頭、忽略比率，小心落入「見樹不見林」的謬誤──《因果螺旋：跨越時空的探索與思辨》11天前高死亡率必定帶來經濟高衰退率？陳建仁新書這樣解釋──《因果螺旋：跨越時空的探索與思辯》11天前野生動物們，別來可無恙？52022/07/22阿茲海默風暴：通訊作者的辯駁與責任424小時前你低頭看得到腳趾嗎？從腳趾頭看人類祖先的生存方式——《人從哪裡來：人類六百萬年的演化史》47天前未知死，焉知生？從南美館《亞洲的地獄與幽魂》爭議看信仰的存在危機32022/07/17繁简