沙灘上的薛丁格,生活中的量子力學 - 關鍵評論網
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而「quantum」現今的意思則是「小粒子」,若沒有特別說明這種粒子的特性,通常指「能量小粒子」。
廣義來說,「量子」一詞,不論宏觀或微觀,都可用來指稱 ...
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立即支持文:查爾斯・安托萬(CharlesAntoine)【量子力學的十個大哉問】1.何時以及為何要建立量子力學理論?量子力學是現代物理學兩大基礎理論之一,另一個基礎理論是愛因斯坦的廣義相對論。
一九○○至一九三○年間,量子力學的原理主要由一群歐洲研究人員逐漸建立而成。
首先,在一九○五年,愛因斯坦提出「光是粒子」的概念。
接著,在一九二三年,德布羅意提出「物質波」。
之後,我們今日所知的理論,主要由物理學家海森堡、薛丁格、狄拉克、波耳、包立和馮.諾伊曼等人,逐一完成並建立規則。
之所以提出量子力學理論,是為了因應當時的理論無法解釋觀察與實驗結果。
當時的理論主要是力學和電磁學,也就是後世所稱的「古典物理」,與之相反的則是量子力學。
當時,這些理論無法解釋的觀察與實驗結果,都涉及了光與物質間的互動,例如,物體在恆溫時發射的輻射。
2.「量子」是什麼意思?量子力學(physiquequantique)的「量子」(quantique)來自拉丁文的「quantum」,意思是「有多少」。
而「quantum」現今的意思則是「小粒子」,若沒有特別說明這種粒子的特性,通常指「能量小粒子」。
廣義來說,「量子」一詞,不論宏觀或微觀,都可用來指稱所有與量子效應或量子力學概念有關的事物。
此外,除了量子力學,其他理論都無法預測或描述量子效應。
更精確地說,量子(單數為quantum,複數為quanta)是兩個物體相互作用時,物理量所能交換的最小單位量。
將這個物理量表達為最小量的倍數的方法,便稱作「量子化」。
所謂的「能量小粒子」指兩件事:第一,光由名為「光子」(photon)的能量小粒子組成,所以具有粒子的特性。
第二,廣義來說,存在於我們身邊的萬物,都呈現這類粒子行為。
舉例來說,我們通常將原子視作組成物質的基本單位,但其實原子也具有粒子性的能量結構。
最新的理論甚至推測,連空間和時間都可能由時空的粒子組成。
3.量子力學的發展史上,有哪些重要的實驗?量子力學的探險家不斷發現革命性的原理和概念,而為了確認這些原理和概念是否成立,則需要進行許多實驗。
毫無疑問地,其中最重要的實驗是湯瑪士.楊格(omasYoung,1773~1829)的「雙縫實驗」,我們會在第二章詳細介紹該實驗。
在這個實驗中,科學家使用兩條狹縫,來證明和粒子相關的「機率波」(ondedeprobabilité)概念。
這裡的粒子可能是物質的粒子(電子或原子),或光的粒子(光子)。
其他的重要實驗,則讓量子力學得以在初創時期就扎穩根基,尤其是證明光或電子所含能量的量子化、「自旋」存在、物質波存在的實驗。
近期的實驗中,還有證明「量子糾纏」和「非局域性」現象的實驗〔一九八一年,法國物理學家阿蘭.阿斯佩(AlainAspect,1947~)的實驗,和二○一五年荷蘭物理學家羅納德.漢森(RonaldHanson,1976~)的實驗〕,以及探索基本粒子的實驗,例如二○一二年發現「希格斯玻色子」的實驗。
自一九九○年代開始,得益於實現量子遙傳和製造同調物質波的新技術〔一九九七年,法國物理學者柯恩唐努吉(ClaudeCohen-Tannoudji,1933~)為此獲得了諾貝爾獎〕,量子力學的研究拓展了全新領域。
最後,自二○一○年起,量子資訊科學與量子生物學因世界各地的許多實驗,而獲得長足的進展。
4.量子力學理論是否經過詳盡的驗證?量子力學的理論經過高度詳盡的驗證。
該理論的增強版「量子電動力學」更納入了光與物質的相互作用,以及愛因斯坦的狹義相對論,被認為是有史以來最禁得起驗證的理論!與之角逐的是愛因斯坦的廣義相對論。
該理論預測了著名的重力波(一種在彈性介質——時空中——以光速傳播的振動),且科學家在二○一五年的探測中,證實了這項預測。
然而,量子電動力學無法應用到大量原子和物質。
在這種情況下,只能使用簡化版的量子力學——就是本書主要介紹的內容——來解釋觀察到的現象。
在此例中,預測結果和實際測量的結果仍然一致。
不過,在生物學或超導現象等領域中,仍有一些異常的量子效應,有待科學進一步探索。
5.量子力學對哪些領域有興趣?雖說量子力學主要應用的領域是極其微小的粒子,但量子效應卻存在於自然中所有大大小小的物體中;從組成原子的粒子的亞微觀,到宇宙級的巨大規模,其中也包含人類社會與工業活動。
所以說,從最小的物體到最大的物體,量子力學對所有物體都感興趣!甚至可用一句話總結:「萬物皆為量子!」事實上,即便我們無法或很難感受到生活周遭物體的量子特性,任何物體或任何一組物體都可能與量子波有關。
有另一門研究領域,專門研究量子世界與我們日常生活的世界之間的邊界。
量子世界存在於原子層級,高度受到量子效應影響;而我們的日常世界在外觀上,則看似較少受到量子效應影響。
6.量子力學與其他理論的差異為何?與同為現代物理學支柱的廣義相對論不同,量子力學並非建立在近乎哲學的大原理上,但相對論卻是建立在同名、彷彿哲學理論的「相對性原理」上。
事實上,量子力學奠定在一大串原則上。
有些人認為這些只是經驗法則,其真實性直到今日仍有爭議。
而這些原則借助了其他較無爭議的概念,如機率波、自旋或「量子躍遷」。
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