從飄浮青蛙到量子科學：Michael Berry能從搞笑諾貝爾獎跨足真正的諾貝爾獎
每當諾貝爾物理獎即將揭曉，科學界總會開始討論可能的得主，而英國理論物理學家 Michael Berry 往往是備受關注的候選人之一。Michael Berry 的貢獻遍及量子力學和光學領域，有趣的是，他與 Andrey Geim 因 「漂浮青蛙」 實驗獲得2000年的搞笑諾貝爾獎，然而，Michael Berry 更為人熟知的是他在量子力學中提出的「貝里相位」，這一現象不只被記載在所有量子力學的教科書中，也成為量子科技發展的基石之一。Berry 相位僅依賴於系統的路徑，與時間無關，也就是說這一個相位的累積具有天然的抗干擾能力。這些成就讓 Michael Berry 不僅在科學界聲名卓著，也讓人期待他能否成為同時獲得諾貝爾獎和搞笑諾貝爾獎的雙料得主。
撰文｜黃鼎鈞
每年諾貝爾物理獎公布前夕，許多物理愛好者便會開始猜測獲獎人是誰，而麥可貝里 （Michael Berry）常常是呼聲極高的一位候選人，有趣的是，Michael Berry早在2000年已經獲得過了「搞笑諾貝爾獎」，因此許多人就更引頸期待他是否能同時成為諾貝爾獎的得主。 Michael Berry是一位著名的理論物理學家，現為英國布里斯托大學（University of Bristol）的榮譽教授，以其在量子力學和光學方面的開創性研究而廣為人知，雖然他從事的是嚴謹的科學工作，而且是一般非物理人難以理解的量子理論，但他卻在接受搞笑諾貝爾獎獲獎的採訪中表示：「科學不必然是嚴肅的，而是可以引發人們的好奇心和笑聲。」讓我們來看看Michael Berry到底做了什麼研究，可以獲得搞笑諾貝爾獎，同時也具有獲得諾貝爾獎的潛力。
2000年搞笑諾貝爾獎—漂浮青蛙
過去的科學家認為：「磁性物質無法在磁場中穩定地懸浮」，這是因為根據厄恩肖定理（Earnshaw's Theorem）所得出的結論。厄恩肖定理指出，磁場（電場也是）無法創造出一個像平整桌面般的穩定支點，而只能形成「鞍點」，這種鞍點像是鉛筆的尖端，當鉛筆垂直立在尖端時，即使勉強保持平衡，也只是暫時的，只要稍有擾動，筆尖上的物品便會倒下，然而，Michael Berry 和 Andrey Geim 的「漂浮青蛙」研究卻「繞過」了這一定理的限制，他們利用物質的抗磁性，使物質能夠在磁場中達到懸浮，他們將水滴、堅果和青蛙放置於 16 特斯拉的磁場中進行實驗，結果觀察到了穩定懸浮現象，因為這些物質在磁場中產生微弱的抗磁性，恰好抵消了地心引力。Michael Berry 表示：「理論上，人體也可以達到磁性懸浮，因為人體主要由水組成。雖然不確定這種懸浮對人體是否有害，但我很樂意成為第一位嘗試者。」此外，他也提醒道：「人體的抗磁性並不均勻，因此在漂浮的過程中可能會感受到輕微的拉扯感，仿佛被肉體支撐、骨骼下垂。這種情況甚至可能成為一種昂貴的臉部拉提療程。」漂浮青蛙的實驗讓人耳目一新，不僅展示了一般看似無磁性的物質如何在強磁場中漂浮，還顯示出有機生命體也能穩定漂浮的效果，這項實驗也為 Michael Berry 和 Andrey Geim 贏得了 2000 年的搞笑諾貝爾獎。
量子世界的凡走過必留下痕跡: 貝里相位 (Berry phase)
然而，讓 Michael Berry 真正為人熟知的是他在量子力學中的重要發現——貝里相位（Berry Phase），這一現象成為現代量子科技和奈米科技發展的重要基礎之一。Berry 相位的產生僅與系統在參數空間中的「路徑」有關，與「時間」或「能量」無關，換句話說，只要量子系統沿著相同的路徑回到起點，累積的 Berry 相位就會保持不變，這種性質使得 Berry 相位具有獨特的幾何本質，換個方式來理解，假設我們自己是一個量子系統，想像自己在一座山頂上繞一圈，出發時面向東邊，最終回到原點，但現在面向南邊，雖然回到了相同的位置，我們的方向卻改變了，這就是這一趟路下來所累積的Berry 相位，而這個方向的改變與我們行走的速度或耗費的時間無關，也無關乎中途是不是天氣太炎熱，只要走相同的路徑，就會累積相同的相位，簡言之，Berry 相位的改變只取決於繞行的路徑形狀，與其他的物理量無關。由於 Berry 相位只依賴於路徑，當我們利用 Berry 相位來設計量子設備時，即使系統受到某些擾動或噪聲的影響，只要不改變量子系統的路徑，Berry 相位就不會改變，這代表著 Berry 相位具有天然的抗干擾能力，使量子系統在相同的路徑上能積累一致的 Berry 相位，因此，這一相位效應被廣泛應用於量子計算和自旋電子學中，使得量子系統能夠在環境的噪聲和干擾中仍保持準確的訊息傳遞，進而使量子系統在複雜的運算過程中保持高度的穩定。
不過，Berry 相位本身並不容易觀察，實驗過程需要在極其精確的條件下控制系統的演變路徑，以確保系統能夠沿著預定的閉合路徑循環變化，從而累積可觀測的 Berry 相位，否則，Berry 相位的微小變化很容易被其他動力學相位掩蓋，宛如一位小朋友在人群中被淹沒。2024年3月，《自然通訊》刊登了一篇來自普渡大學物理系的研究，研究人員將奈米鑽石置於高真空環境中，以高達每秒 20 MHz（即每分鐘 12 億次）的極高速旋，由於奈米鑽石中的氮空缺中心能捕捉電子的自旋量子態（更多介紹請參考《鑽石不只為愛而閃耀，也照亮量子革命之路》），這一個量子態在高速旋轉下累積了足夠的閉合路徑，產生了更大的 Berry 相位，也就更容易被觀察到了，因此，這項技術促進了 Berry 相位在量子計算中的應用潛力，有趣的是，因為奈米鑽石在極小尺度中旋轉發光，《Phys.org》形容這個實驗過程為「史上最微小的迪斯可派對」。
在Michael Berry 兩個著名的研究中，可以看見一個科學家的好奇心以及幽默感，到底未來Michael Berry會不會成為諾貝爾獎與搞笑諾貝爾獎的雙得主呢？讓我們拭目以待，也期待量子科技的發展，使我們可以享受更高效便利的科技系統。
參考文獻
- Berry, M. (n.d.). Ig Nobel prize. Michael Berry Physics.
- Berry, M. V., & Geim, A. K. (1997). Of flying frogs and levitrons. European Journal of Physics, 18(4), 307.
- Jin, Y., Shen, K., Ju, P., Gao, X., Zu, C., Grine, A. J., & Li, T. (2024). Quantum control and Berry phase of electron spins in rotating levitated diamonds in high vacuum. Nature Communications, 15(1), 5063.
- Phys.org. (2024, August). Physicists create the world’s smallest disco party. Phys.org.