【探索九】二十一世紀的量子論:參不透重重玄機、擋不住層層應用

第八講‧特稿

■ 孫中山先生曾在〈民權主義〉第二講中說:「但是天下的事情,的確是『行易知難』。」我想,量子物理,確實也是一門「知難行易」的學科。

陳義裕教授援用孫中山先生的「知難行易」當作引子,解釋我們為什麼要花時間來探索「沒有人懂的量子世界」。

撰文│郭冠廷

在量子世界中,為期八講的探索,終於邁入尾聲。陳義裕教授以「參不透」、「擋不住」來形容二十一世紀的量子論,並援用孫中山先生的「知難行易」當作引子,解釋我們為什麼要花時間來探索「沒有人懂的量子世界」。

這一路走來,我們探索過諸個概念。我們可以利用光譜線解析光的組成分;利用基本粒子的自旋,來在醫療上使用核磁共振;我們上課用的雷射筆,與光子、玻色子有密切關係;不相容原理、半導體、電子、費米子,也是密不可分;我們利用中子繞射,與原子核進行交互作用,更精細的探測物質結構;也從路徑積分,讓舊的理論和新的理論結合,原來,德布羅意對波耳模型的解釋,仍具有相當的價值。

我見故我在

讓我們閉上雙眼,聆聽森林中的晨歌。突然間,傳來樹葉枯枝沙沙的聲音,好像有一棵樹緩緩地倒了下來。睜開雙眼,思緒拉回到會場當中,投螢幕上卻是一片雪白。突然間,轟然一聲,似乎有什麼東西落了地,但是,是樹嗎?面對空白的畫面,反而沒剛才閉上眼時來得肯定。樹是倒下了,心中的疑惑卻油然而生。這就是量子世界,因為難以親眼所見,又或者是,親眼所見與既有認知相違背,讓整門知識充滿著許多令人著迷的矛盾性。

量子世界中,因為我們去「觀察」物質(那棵樹),所以它有了「實體意義」。

1935年,三位著名的物理學家,共同提出EPR悖論(EPR paradox; Albert Einstein, Boris Podolsky, and Nathan Rosen)[1]說明:量子力學預測的某些實驗現象,和EPR三人所認知的,物質應該具有的實體意義相違背。波耳在聽聞三位學者的推論後,感到一陣晴天霹靂,他立刻放下手邊的工作,著手進行思考。而在這學者之間的學術爭論中,我們見到高手過招的境界,高深的物理,充滿文字,就像是一篇精美的散文般,連數學公式都沒有,更遑論繁雜的數字運算。

糾纏不清的量子狀態

男人英俊的臉龐,與女人美麗的身姿。這兩者之間,分別乍看之下毫無關係,但是,透過一些線條的變化,又能夠牽上關係。幾條線條勾勒出的男人的臉,線條開始緩緩移動延展,轉變成一幅女性跪坐的圖畫。兩者之間糾纏不清,而線條變化的中間過程,有點像男人,又有點像女人的狀態,就是「糾纏態」。

在量子力學當中,也存在這樣的關係,我們稱之為「量子糾纏(quantum entanglement)[2]」。兩顆電子,就像受著月老紅線的牽引,縱使分隔地球與火星兩地,但是當我們影響一方的電子時,遙遠彼方的電子性質,也會連帶改變。這想法相當違反我們的直覺,使得許多著名物理學家如愛因斯坦,都不願意接受。

這種糾纏關係,更讓人困惑的是。透過人為「計畫性」的實驗,我們可以設計出一項實驗,去測試系統,進而「破壞」或「保持」糾纏態。於是,義裕老師用兩個電子的自旋以及其合成來說明「糾纏態」。

有兩顆電子,彼此「正交」。所謂的「正交」,即是代表兩個獨立的事件,兩顆獨立的電子。但是我們要進一步定義電子自旋「方向」的話,我們必須要選擇一個參考座標,我們選擇一個方向當作「z軸」。於是,經過一連串的實驗,我們得到某個結果。但是,過幾天,我們心血來潮,決定聽媽媽的意思,選另一個方向當作「z軸」。結果卻發現,只有原來一半的機會,可以獲得原本的結果。因為我們的「選擇」,造成實驗「結果」有所改變。

物極必反

電子的自旋,和電場的偏振相對應。而電場有其「方向」,有高、有低、有向下。什麼是偏振呢?義裕老師利用「偏振片」與「雷射筆」與「牛奶水」變了魔術,一項神奇的實驗。

在加入一滴牛奶,且裝滿水的玻璃瓶中。老師用雷射筆光束射向它,會出現雷射光的光束。我們準備兩罐神奇的牛奶水玻璃瓶,用雷射光束貫穿兩罐瓶子。在兩罐瓶子的中間,擺第一片偏振片,光束減弱。擺第二片偏振片,光束消失。擺第三片偏振光時,光束卻再次浮現。到底發生了什麼事情?為什麼三片偏振片擋不住的光束,可以用兩片擋住呢?

老師解釋,這是因為光波的振動有方向性,利用偏振片,我們可以過濾掉某個方向的光。因此,如果我們用兩片垂直的偏振片,可以過濾掉所有的光。但假如加入第三片偏振片,因為穿過的光,在通過此偏振片時,會有分量存在,反而使得光無法被完全過濾掉。

偏振片在網路上可以容易購得,許多的太陽眼鏡,也是利用偏振片的原理設計,來過濾掉部分的光波,達到遮陽效果。而針對電子設計的「偏振片」,就是義裕老師在先前演講有提過的「Sterm-Gerlach實驗裝置」,它可以用來分解、過濾電子的自旋方向。

針鋒相對

有一個人,每天早上起來,總是會穿錯襪子。於是,他的朋友們做了一項研究。在朋友左腳穿過辦公室的門的時候,大聲叫住他!不准他往前。我們開始研究那隻尚尷尬地擱在門後的右腳,眾人紛云:到底穿的是哪一個顏色的襪子?可是,我們不會因為研究出的結果,說他的左腳,和右腳之間存在著某種神祕的力量,畢竟他左腳應該不會告訴右腳,要以什麼顏色的襪子粉墨登場。

因此,在一連串的電子實驗中。EPR理論指出,兩顆電子,在地球上分開的那一刻起,就被客觀的決定它的性質。而波耳,哥本哈根說法,緊急反擊:「佛曰不可說」。他們堅信電子的自旋性質,是因為人類的測量觀點而決定。此外,改變心意,重新選定「z軸」的方向,代表完全不同的測量方式,因此理所當然會有不同的結果。波耳認為,這個自旋性質,是因為測量,才讓電子擁有這些特性。

瞬移(teleportation

那這種粒子與粒子之間的神祕連結,有什麼作用呢?它們似乎彼此之間有著某些「共同協議」,或者說是攜帶「攻略手冊」。應對著對方的改變,當某顆電子做了某些改變,遙遠天邊的電子,也會跟著變動。但是,它們之間的訊息是如何聯繫的呢?

瞬間移動有可能嗎?電影中的科技人,被分解成一粒粒的原子,而在遙遠的彼方,透過另一臺機器,從基本粒子重新變出一位活生生的人。老師強調:這不是傳真機。放入此臺機器的文件,重現在另一臺機器的同時,原本的文件會消失不見。

這種神奇的現象,在量子世界上演。就是量子資訊的迅移。地球上的電子失去了自己的本性,突然間,具有了外來電子的未知量子狀態。

量子電腦」正是基於此加以運用。而量子正交的兩個自旋方向,其實可以看作電腦語言的「0」、「1」。1994年發現的「Shor演算法」,幫助我們找出某個整數N的質因數。而這種演算法,在量子電腦上運用,歷經數年的努力,終於幫助我們解出21的質因數分解是3與7的相乘。義裕老師微笑地說:「這是目前量子電腦的極限。」不過真的是如此嗎?教授提出一則問題:「當你掌握一種高超的技術時,會這麼快公布於世嗎?」甚至,在加拿大有公司宣稱已經製作出「512位元」的量子電腦。也許,在不知名的地方,我們的許多高級加密的機密,「正在」被高度發展的量子電腦技術破解,我們卻渾然不覺。他們刻意隱瞞,讓我們誤以為,量子電腦的極限只在解答「21的因式分解」。

知難行易

華特迪士尼的經典劇作《歡樂滿人間》(Mary Poppins)中的仙女有一段經典唱詞:「A Spoonful of sugar helps the medicine go down.」正好可以為這系列的演講作為註解。告訴我們,量子物理真的很玄很難懂,沒有人懂,但是他的應用,卻是多得不可勝數。懂與不懂,又該如何運用,這中間與歌詞中的「sugar」、「medicine」的關係,煞是微妙。

---
歡迎各位,踴躍將心得與想法,分享給我們,例如:您持續參加這場「沒人懂」的量子之旅背後的原因是什麼。探索系列講座也推出預告。在第十期的講座當中,探索將帶領大眾,嘗試將實務的醫學與理論的數學相結合。CASE期待與您的再次相會。
本文整理自:102/06/08下午由陳義裕教授在臺大應力所國際演講廳所主講之「二十一世紀的量子論:參不透重重玄機、擋不住層層應用」的演講內容
延伸閱讀:台大科學教育發展中心探索基礎科學講座2013年06月08日第八講〈二十一世紀的量子論:參不透重重玄機、擋不住層層應用〉全程影音
責任編輯:Nita Hsu


[1] 維基百科:EPR是三位物理學家姓名的縮寫。「EPR思想實驗」,可以凸顯出局域實在論與量子力學完備性之間的矛盾。
http://en.wikipedia.org/wiki/EPR_paradox

[2] 維基百科:兩個粒子在經過短暫時間彼此耦合之後,單獨攪擾其中任意一個粒子,會不可避免地影響到另外一個粒子的性質,儘管兩個粒子之間可能相隔很長一段距離。
https://en.wikipedia.org/wiki/Quantum_entanglement

5,751 人瀏覽過

One thought on “【探索九】二十一世紀的量子論:參不透重重玄機、擋不住層層應用

  • 2017 年 11 月 27 日 at 14:19:20
    Permalink

    讀完第八堂的 Q&A 聽完,就要全部聽完了。不過有提到爲什麽圓不是看起來都圓,是大小的關係嗎?還是空心圓 vs 實心圓?還是不在是三維?老師沒講明白。所以至少要回頭看是哪裏説的。

    爲啥聽不懂還要聼?嗯,可能是救兵來以前,先要自我裝備吧。

    https://www.youtube.com/watch?v=EXGUNvIFTQw

    Reply

發佈留言

發佈留言必須填寫的電子郵件地址不會公開。 必填欄位標示為 *

為了避免你是機器人,請在留言前回答以下問題: