量子力學 用三維的眼睛看高維的宇宙

  量子力學的發跡與遠景

交大物理所 高文芳

摘要

2005年已被物理界訂為國際物理年,旨在紀念愛因斯坦於1905年,寫下近代物理史上最重要的一頁。由於愛因斯坦反對以波耳 ( Bohr) 為首所主張,世稱哥本哈根學派的量子力學詮釋法則,遂引發兩造持續近30年,對量子力學哲學基礎與真正物理含意的「世紀大辯論」。而愛因斯坦在量子力學發展過程中,所扮演的吃重角色,一直以來皆因多數人對這段辯論歷史不甚了了,尤其愛因坦辭世後,當初辯論議題之一的EPR背反,有了出人意表的發展,使得整個辨證主軸受到相當程度的誤導而失焦。平心而論,如果沒有愛因斯坦,量子力學的發展,恐怕得晚個一、二十年。



編輯頁


能量的量化

19 世紀末葉、20 世紀初曉時分,物理學家發現在 10-8 公分的微觀世界裡,有著與古典物理完全不同的自然現象。當年的物理學家在一片混沌中摸索前進,看起來就像今天心急如焚、不知所措的物理學家。 
 

1900 
卜朗克發現卜朗克常數
1905 
愛因斯坦發表光量子說、特殊相對論、布朗運動
1906 
愛因斯坦發表量子假說
1910 
卜朗克接受量子假說
1911 
拉塞福散射實驗
1913 
波耳原子模型
1914 
密立根實驗證實光電效應
1925 
海森堡的矩陣力學
1924 
迪.布羅意的物質波
1926 
薛丁格的波動力學
1927 
海森堡的測不準原理

量子年表

卜朗克與卜朗克常數 


  
 

卜朗克 ( Max Planck , 1858-1947 )  1900 年發現黑體輻射其輻射能量強度 Iλ (spectral engerey intensity),於不同輻射波長λ時,實驗室所量得的曲線圖 [如左圖所示], 可假設黑體輻射造成能量輻射的振子 (oscillator),其所能攜帶的能量是不連續的, 而且為某一固定能量的整數倍,即

E= nhν。

其中 ν 為最低能量振子的振動頻率。卜朗克並從理論計算語實驗曲線的比較中定出卜朗克常數的數值為

h = 6.626 ×10-34 J˙

但是卜朗克並不是深刻了解他已發現量子世界深沉與詭異的奧秘,仍然認為他的推論只是借用特別的數學技巧,而真正的原因,仍然有待開發、理解。雖然如此,但是物理界依然認為卜朗克在 1900 年的貢獻,在量子物理發展史上的重要性非同小可,因此那一年被物理界公認為量子論產生的歷史時刻。

光電效應與愛因斯坦的量化假說

隨後愛因斯坦 (Albert Einstein, 1979-1955)  1905 年發表光電效應,提出光粒子說,並於 1906 年發表他的量子假說 (Quantum hypothesis),開宗明義地闡明:在真實、微觀的物理世界裡黑體輻射的振子,其所能攜帶的能量確確實實是必須遵守量子化規則的。根據記載,卜朗克一直到 1910 年才勉強接受愛因斯坦的這個量子假說的想法。有趣的是,卜朗克在 1914 年還寫了一篇試圖以非量化能譜方式解釋黑體輻射的論文, 顯見卜朗克還是難以接受量子革命的創見。無獨有偶,卜朗克在推薦愛因斯坦成為德國科學院士的信函中, 還不忘批判愛因斯坦的光量子說, 顯然對愛因斯坦量來量去、橫衝直撞的莽撞行為頗為保留。

 1914年,密立根 ( R. A. Millikan, 1863-1953 ) 原本設計實驗的目的,是想要來打擊光粒子說的,卻意外地證實愛因斯坦光粒子說的正確性。實驗戲劇性的發展,不但震驚物理界,並從而奠立了愛因斯坦在量子力學發展中不可替代的的地位。

康卜吞散射效應

康卜吞 (Arthur H. Compton, 1892-1962) 在 1923 年設計了一個X光撞擊石墨靶的實驗,按照古典電動力學的分析,石墨靶的電子受到電磁波的加速,會以相同的頻率隨電磁波脈動,進而由電子加速運動而產生相同波長的電磁輻射。這種電磁輻射,稱為湯普生散射 (Thompson scattering)。

康卜吞得到的實驗數據,讓他大吃一驚。原來根據實驗數據,不但在原來和入射光相同波長位置有測得和湯普生散射所預期的相同結果,而且在和入射光波長不同的位置也測得一個波長較長的電磁輻射。最後康卜吞終於發現,這個實驗結果和光子說一配合,就可以合理解釋。實驗結果意外地提供光是粒子的說法,一個強力的佐證,更強化量子世紀的動員力。

天文物理學家推論宇宙在大爆炸後約 30 萬年前後,光子波長約在紫外線範圍,已經不再和宇宙中的電子發生有效碰撞。這段期間宇宙學上稱為最後散射面 (LSS, Last Scattering Surface)。晚近,天文物理學家就是希望利用這個性質,利用觀測到的宇宙光子背景輻射的細微分布,由於康卜吞散射在最後散射面時期效應並不顯著,我們可藉由湯普生散射為主的理論推演結果,反推而得宇宙在30萬年前後的電子分佈 (即離子氣體分佈) 的大域結構。

迪.布羅意的物質波與薛丁格的波動力學

 1924 年,迪.布羅意 (Prince Louis de Broglie, 1892-1987) 完成他的博士論文,並在其中提出物質波的想法,起初不但沒有受到重視, 論文審議委員還為了是否給他過關,而相持不下、無法達成協議。直到委員之一的仁吉曼 (Paul Langevin, 1872-1946) 向迪.布羅意多要了一份論文,並直接寄給愛因斯坦,詢問愛因斯坦的見。這篇論文不但立即引起愛因斯坦的重視,而且認為這篇論文是革命性的創舉。愛因斯坦洞燭先機的評論不但促成迪.布羅意學位的順利完成, 隨後並受到薛丁格 ( Erwin Schroedinger , 1887-1961) 的注意。

1925 年冬天的聖誕假期,薛丁格在阿爾卑斯山帶點異樣色彩、充滿傳奇的、歡樂的渡假行程裡,同時巧妙地把虛數 i 帶近物理學家的真實世界,完成了現在大家所通稱的波動力學 (wave mechianics) 革命。隨後,物質波的假設由戴維生 (Clinton J. Davisson, 1881-1953)  久曼 (Lesten H. Germer, 1896-1971)  1927 年間,利用電子當波源照射鎳金屬發現繞射現象的實驗所證實。凡此種種,在在顯見愛因斯坦在這段量子物理發展史中所扮演的關鍵角色,牽動著量子物理發展的每一根重要的神經。

1925  海森堡的矩陣力學與海森堡、波恩、喬登三重奏

事實上,坊間的教科書及多數的通俗記載,對量子力學理論的論述,對於愛因斯坦所扮演的重要性角色,不但多有誤導之失。連關於真正開創新局的海森堡 ( Werner Karl Heisenberg, 1901-1976 )  1925 年的開創性發現,都因早期多數量子力學教科書先講授薛丁格的波動力學,後講授海森堡的矩陣力學,而容易讓一般初學者對海森堡發現矩陣力學的原創性與關鍵角色,有錯誤的認知。

其實由本文先前的描述也可看出,波動力學的發展歷程,和整個量子觀念的成形與成長歷程,有著承先啟後一脈相承的因果關聯,這樣的記述,自然也是說者傳神, 聽者動容,頗為生動自然。相較於海森堡的卓知洞見,更顯見海森堡的奇人異稟。

1925 年, 受乾草熱 (hay fever) 之苦的海森堡從哥廷根大學跑到北歐北海一個寸草不生的小島黑爾格蘭 (Helgoland) 養病。就在一個夕霞滿天、無限美好的傍晚,海森堡迷亂的思緒正困於「山窮水盡疑無路」之際,腦海映著無限美好的晚霞,編織著曠世的交響樂曲間,突然發現「柳暗花明又一村」:現在大家所熟悉的矩陣力學,以其尚不成熟的原形在海森堡的腦海中逐漸成形。

當夜,海森堡徹夜難眠,在興奮的情緒裡飛快地寫下他腦海中的計算,並盡速趕回哥廷根。在告知包立 (Wolfgang Pauli, 1900-1958 ) 及 波恩(Max Born, 1882-1970) 及波恩的學生喬登 (Pascual Jordan, 1902-1980) 。就在短短幾天之內,海森堡就順利完成了開創歷史先機的矩陣力學論文。海森堡、包立、柏恩及喬登一群人,便急著展開量子力學開疆闢土的先驅工作。這時波恩和喬登正式引進了矩陣來處理海森堡原先的計算。海森堡、波恩及喬登三人並合力寫了後來物理界頗為膾炙人口的三重奏論文,同時確立了海森堡擠身武林盟主的地位。

測不準原理

而膾炙人口的測不準原理,則遲至 1927 年,才由海森堡獨立完成。這期間,海森堡還為了如何解釋測不準原理,被波耳 ( Neils Bohr, 1885-1962) 罵得無法自置、終至涕泗縱橫。原來,海森堡為了向波耳描述他測不準原理的新發現,做了以下的描述: 
  
「如果你想知道一個移動中的電子其所在的位置,就必須(用顯微鏡)送一道可見光來照射電子。可是由於可見光的波長遠大於電子的波長,所以根本量不準其精確的位置。為了量更準卻,只好用波長更短的伽傌光 (γ-ray, gamma ray) 來照電子,但是伽傌光的能量太大,會改變電子的速度,反來覆去,我們總是丟這個忘那個。因此他總結,我們無法藉由量測來確定電子的行進路徑。」

這個我們平常用來教學生的圖解法,當海森堡嘗試拿去向波耳說明時,波耳竟然出人意表的指責海森堡上述的半古典解說法,不夠革命性。原來,按照現今大家所熟悉的哥本哈根學派 (Copenhagen School) 論述,在還沒有量測前,根本就無法談電子的“路徑”,量測之前是一個機率分佈,量測之後也是一團機率分佈,根本不該談“路徑”。

哥本哈根學派說法,完全否定古典物理的觀點,其大膽及革命性甚至推翻了一般人所謂「古典存在與古典真實」的常識。這種大膽的論述,不但引發了「薛丁格貓」一類的背反、兩難,也引起愛因斯坦強烈的反彈。愛因斯坦心中揮之不去、無法釋懷的憂慮。正如愛因斯坦的名言,

Does the moon exist only when you look at it?」「月亮是否只在你看著他的時候才存在?」

可以看出愛因斯坦對波耳的論點十分保留。

薛丁格貓指的是,有一個密封的箱子裡有一隻小白貓和一罐行將開啟的毒氣瓶。觀察者必須打開箱子作「測量」才會知道毒氣瓶是否被打開,小白貓是否依然活跳跳。 沒打開箱子前,根據哥本哈根學派的說法,小白貓是處於多少機率存, 多少機率歿的混合狀態, 和我們直觀的真實有著很大的差別。

愛因斯坦的看法是,古典的真實 (reality) 仍然存在,眼前霧裡看花、似不真實的結果,只是反應我們對自然界仍然缺乏更深入的了解,因此不宜就此斷言否定古典的真實的存在。

薛丁格波函數:此波非彼波

1926 年,薛丁格推廣物質波的概念,發表波動力學的論文初始,大家都以為這個波是類似水波之類的真實波動。這樣的認知強烈地困擾著支持哥本哈根學派說法的物理學家,直到柏恩、薛丁格先後指出此波非彼波,才化解了波耳的困擾。

這之前,波耳為了說服薛丁格接受他們的說法,特地設下鴻門宴,邀請薛丁格到哥本哈根來給一系列的演講,想趁機逼他就範。根據記載,波耳設法「說服」薛丁格的過程相當「暴力」:傳說波耳很強勢地嘗試說服 (逼迫) 薛丁格放棄其波函數是有形波的想法,演講期間儘管薛丁格極力辯解,波耳仍然逼入人家的休憩之所,不肯離去。薛丁格不得以,終於以身體不適,臥床逐客。不想波耳仍然不肯離去,逼得薛丁格終至泣述:

I am sorry that I ever started to work on atomic theory」「我對當初作原子理論研究的決定感到相當遺憾」

最後不得其法只好棄子投降,才送走了波耳這群不速之客。

總而言之,量子力學的兩位先驅巨擘,先後被波耳逼得涕泗縱橫,又耗費愛因斯坦近 30 年的歲月與其爭辯量子力學背後的因果與哲學,甚而搞得物理界一分為二,各擁其主,互不相讓的局面。根據記載,這期間甚至在有心人意圖調解之下,總算於普林斯頓 ( Princeton) 舉行了一個意圖調解的派對。不料派對進行始末,竟然演變成雙方人馬各據會場一方,互不相讓的場面。

愛因斯坦、波多斯基、羅森矛盾

冗長的辯論,在愛因斯坦、波多斯基 (Boris Podolsky, 1896-1966 ) 、羅森 (Nathan Rosen, 1909-1995) 等人提出 EPR 矛盾 (EPR paradox) 後,進入另一個高峰。EPR 背反談到的是非常有趣的量子聯動 (quantum coherence),這件事情的後續發展, 意外地為科幻影片中試圖將人分解再傳送他處的電子傳送 (tele-transport) 提供了一線可行性。

原來一對由真空中引生的正負電子對,彼此的電子自旋 (spin) 會產生同時性的聯動,這樣子的瞬時聯動行為,依據兩子力學的推論竟然和兩者之間的距離無關。兩者距離再遠,只要有一方被量出是自旋向上,另一方必然是自旋向下。因為信息 (information) 的最快傳輸速度是光速,瞬時傳輸信息顯然和古典因果相違。因此,愛因斯坦認為這樣的結果顯然違反因果律。

這個因果背反的爭議到了 1964 年貝爾 (John Bell, 1928-1990) 提出傳頌一時的貝爾不等式 (Bell inequality),才又峰迴路轉,有了新發展。貝爾不等式後來於 70 年代在實驗室中被用以證實,電子似乎真的有所謂量子聯動 (quantum correlation)、非侷域性 (non-local) 的現象。

雖然物理界對實驗的結論與完整性仍有爭議,但是因為愛因斯坦已經辭世多年,同時新世代的物理學家忙著用量子力學、量子場論計算、預測各種實驗結果, 看起來沒什麼人仍然在意這一場曾經驚過天、動過地的世紀大辯論,徒然留給世人的只是更多的疑問與不解。

直到 80 年代初,才有人為文大聲急呼,提醒大家問題的嚴重性與重要性。加上科幻影及利用遠距離傳輸人物引發物理界對遠距傳輸的研究, 讓大家接續愛因斯坦與波爾未完成的爭議, 重起戰火。 最後意外地發現, 測不準原理雖然無法讓我們準確分析一個物品所處的真正狀態, 但是量子聯動卻意外地補足準確分析的不足, 讓遠距傳輸有了一線生機, 而且引起物理界不少關愛的眼神。

事實上,人們對量子理論的不解與疑惑,正如費曼 (Richard Feynman, 1918-1988) 所曾下過的註腳一樣困惑人心:


"I think I can safely say that nobody understands quantum mechanics ." 「我可以很有把握的說:沒有人懂量子力學」

https://www.youtube.com/watch?v=w3ZRLllWgHI

而且費曼膾炙人口的路徑積分,就是因為他覺得別人的量子力學怎麼看怎麼不可思議,才自創一路的奇門術數<路徑積分>,卻意外地為 70 年代以降的高能物理提供一個登龍奇術。


有關量子哲學的爭辯傳說不斷,以下的傳說,更加傳神。傳說 80 年代在維也納一場紀念物理大師貝多芬的演講會上,李斯特口沫橫飛地介紹量子理論的精妙之處。講沒幾分鐘,台下的主持人柴可夫斯基忍不住和李斯特辯論起來。兩造禁不住激動的情緒,步步相逼,最後所有教授、博士後、研究生都在講台下圍著忘情激辯的兩位大師。[註一]

這方激動的說「不對不對,應該如此如此」那方激情地回應「不對不對,理當這般這般」只見圍觀學者不住的點頭,對雙方所謂的「如此如此、這般這般」都一致一樣地表示贊同。

搞了近一個鐘頭,真理是越辯越是一頭霧水。最後,柴可夫斯基惡狠狠的告訴李斯特

you should read the textbook」,而李斯特則不屑的回他一句「you should do your homework」。

多世界說法 累壞了世界大導演

談到人們對量子世界的困惑,更可由艾佛瑞茲 (Hugh Everett III, 1930-1982) 所提出的多世界說法 (many-worlds) 可見一斑。1957 年,艾佛瑞茲提出了多世界看法:每當咱們做一次測量,世界就依可能發生的狀態與機率,分裂成不同的世界 (劇情),由量子理論決定進入某一世界 (劇情)的機率,而每個世界 (劇情) 都等價地、獨立地存在。 
  
這個說法,以前說給外行人聽,多半搞得看官大眾一頭霧水、弄得大家不著邊際。但時序進入 90 年代,商場上已有標準樣品,也就是所謂的互動式CD (CDI) 在市面上發行。電影院裡的觀眾,人手一只選擇器,當藍波面對按阮死嘛性格的緊張時刻,一場生死格鬥即將上演。突然,銀幕上出現一條單選題:請問觀眾朋友希望劇情依照下列哪一種模式進行:

  1. 藍波戰勝 (2) 藍波戰敗 (3) 按阮死嘛性格戰死 (4) 藍波戰死 (5) 莎朗史東突然出現,戰事叫停。
當觀眾舉行公民投票結束後,劇情順應多數觀眾的要求而發展。 

根據類似的看法,如果時間機器存在,那你回到過去槍殺生父,就有可能,只不過你並沒有回到自己的過去,只不過是跳到另一場次的影片,槍殺的那位「 老爹」也不是你的「生父」,他不過是另一種劇情裡的一個角色而已。 只不過,主宰這個多世界的上帝如來,為了適應喜歡作測量的普羅大眾,要事先編製許許多多無奇不有的劇情片段,恐怕會忙得不得了。這個多世界的說法,會得到部份物理學家的認同,適足以說明量子世界的怪異所在。 
  
  量子力學的威力與願景

銀河飛龍-第二代 (Star Trek, the next generation) 影集中「瓶中的星艦」一集裡曾有一段,描述他們電腦遊戲裡的虛擬人物摩里亞提教授和他的女友芭莎羅蜜伯爵夫人,試圖逃出電腦程式。幾經波折,他們終於奪得逃生艇,順利逃出去。企業號艦長皮卡 (Jean Luc Picard) 百思不解之下,最後終於發現原來整個大逃亡仍然是在立體電腦遊戲間 (holodeck) 裏頭進行。皮卡艦長最後感慨萬千地說:誰知道我們「真實」 的世界,會不會只是別人電腦裡的一段劇情呢?

我們觀察到的世界,是如此曼妙多姿,賞心悅目。當你用功的去瞭解他,竟然發現這個五顏六色、充滿七情六慾的大千世界竟然可以用一條或幾條簡單的方程式來描繪,而其精確度竟然高達小數點以下 11  12 位。個人覺得,最值得探討的,倒不是如何用簡單的數學去描述這個複雜的世界,反而是:世界真的這麼完美嗎?可能嗎?還是上帝有不可告人的天機!

美國總統曾在二次大戰期即將結束之時,召集美國的物理學、科學先進提出科學發展的遠景,預期、提供美國戰後政府應該如何扶植民間企業發展的方向。相當出人意表的是,聽說厚厚一本白皮書,幾乎沒有一樣與後來科技發展的主流相符。看起來,物理學家、科學家真是百無一用。然而事實並非如此,預測未來,本來就有太多變數。3年、5年的預測勉強可信,10年、20 年的預測就有待商榷了。更何況,市場上發展的機制,受到有心人控制,致使市場主流產品並非最好的產品,而是廠商最有利基的產品。 

儘管如此,回觀戰後近 60 年的科技進展史,物理學家在半導體、計算機及能源等三大領域裡,一再扮演著開創新局的吃重角色。而量子力學在微觀系統的發威,更促成了以上三大領域驚人的成長。簡言之,日常生活之中,大大小小的電器用品,如果沒有早期量子力學的發展,根本不可能成為事實。我們甚可斷言,沒有物理學家的奉獻,人類的生活根本不可能進展到今天的局面,甚至站在今天的基礎上,大談 21 世紀的願景。

同樣的,今天我們想要預測未來,多半也都會是錯誤的。然而沒有願景就不會成長,我們仍然相信

有夢最美、希望相隨!

很多人都相信,全面的量子世代應該會在 21 世紀成形;量子電腦會帶動資訊網路的革命,更會刺激相關科技的突飛猛進。相信我們將看到的,不僅僅是量變而將是駭人聽聞的質變。而人類的價值觀也將隨之產生巨變,到其時,微觀的量子世界,將與人類甚至所有有生命與無生命的世界,相融相合、不可割捨。

相信多數物理學家會來唸物理,多少和愛因斯坦的成就有著或多或少的影響。其實愛因斯坦真正動人心弦的成就,還不是1905 年啟動量子世紀的三篇撼動人心的論述,真正的曠世巨著,還是膾炙人口的廣義相對論。廣義相對論不但把彎曲空間的美介紹給世人,讓20 世紀人類的宇宙觀,站在曠世巨人的肩膀上,更顯得視野遼闊、萬紫千紅。

正如迪拉克 (P. A. M. Dirac, 1902-1984) 對愛因斯坦的相對論所下的評語,可以看出廣義相對論的美艷之處。他說 愛因斯坦如果沒有寫下特殊相對論,再等個一、二十年就會有別人起而代之,但是若非愛因斯坦寫下廣義相對論,可能要再等一、兩百年才會有後起之秀引領我們發現真實的宇宙。

國際純粹物理與應用物理聯盟 (International Union of Pure and Applied Physics) 已將2005年訂為國際物理年,旨在紀念愛因斯坦於1905年,寫下近代物理史上最重要的一頁。世界各國的物理學會,也將於 2005 年同步紀念與慶祝這個百週年的盛事。

由於愛因斯坦反對以波耳為首所主張,世稱哥本哈根學派的量子力學詮釋法則,遂而引發兩造前後持續將近30年,針對量子力學哲學基礎與真正物理含意的「世紀大辯論」。而愛因斯坦在量子力學發展過程中,所扮演的吃重角色,一直以來皆因多數人對這段辯論歷史不甚了了,尤其愛因坦辭世後,當初辯論議題之一的EPR背反,有了出人意表的發展,使得整個辨證主軸受到相當程度的誤導而失焦。平心而論,如果沒有愛因斯坦,量子力學的發展,恐怕得晚個一、二十年。

在這個充滿紀念與感懷的日子裡,愛因斯坦的成就更需要後世人更加真切、更加貼切的緬懷。


[註一這一段的地名與人名仿效N.D. Mermin 做法,均經變裝。

2021 後記

文章初稿是1990年左右,為了說明費曼為何說「沒有人懂量子力學」,說明為何有人誤以為愛因斯坦「不瞭解量子力學」、「不支持量子力學」而寫的長篇說明,主旨是說明量子力學的發展史,愛因斯坦扮演主攻、助攻的重要角色,愛因斯坦只是說明「波爾的詮釋」是不完整的詮釋,人類還有很遠的路要走!

於2005年適逢國際物理年再加部分補充說明。

人類對微觀世界的暸解,可以用瞎子摸象來比喻,微觀世界很可能不是三維的世界,我們只看到微觀世界在三維世界的投影,物理學家近百年的努力,很可能只摸到微觀浩瀚宇宙的皮毛。

有做低溫物理、表面物理的同仁,諷刺高能物理的同仁,說做高能物理的同仁是「高能」,他們是低能、只做表面功夫。高能物理同仁只能苦笑,他們不是做低能是做低溫,我們只是研究高能物理現象,和自己是否高能無關,而且不分高能、低溫,大家都只是在做表面功夫。

數學上的表面,是指n+1維空間的n維邊際,我們的宇宙時空很可能是10維、11維或者是26維,我們「最常看到」的微觀世界,還不僅僅是「表面」,其實還「膚淺」得無法形容。

人類工業發展過程,常在無知下製造很多「垃圾」,冀望以後的科技突破可以解決以前製造的「垃圾」,事實上只是製造越來越多、越來越無法處理的垃圾,除了我們誤以為人定勝天,主因還是我們根本不暸解這個自然世界運作的法則,遠比我們想像的要複雜,或者說「我們會的數學、物理」,根本無法處理原本很簡單的自然世界。

電子才剛從真空中誕生,沒學過相對論、沒學過量子力學,多數還是會「規規矩矩」地走位,歸根究底,自然世界也許很簡單,只是我們的語言無法描述這麼完美的世界。

核能發電的最大垃圾,絕對不是我們不知道怎麼處理的核廢料,這麼高溫的反應爐,我們三維的眼睛只能看到三維的垃圾,背後隱藏的危機,我們完全無法掌握。

太陽是上帝的核融合反應爐,相對安全的原因是他離我們500光秒,地球還有薄薄的大氣層、微弱的地磁防護,太陽公公偶爾生氣時,脆弱的防護網還是無法守護我們,更不用說現在主力研究的原料氦三在地球上已經快要耗盡,已經有人想把貪婪的手伸向月球。

很多科幻片已經預見月球被人類糟蹋、甚至碎成很多塊、墜落地球、把人類打回石器時代的場景。但是人類還是很有信心的認為船到橋頭自然直。

我高中的數學老師,在高一第一次月考後,語重心長的鼓勵成績很糟糕的同學,「船到橋頭自然直」,鼓勵他們繼續努力,危機會自然解除。

高三第一堂數學課,數學老師心情沈重的告訴數學成績很糟糕的同學,「船到江心難補漏」,建議他們跳船、放棄數學。把時間用在背多分的三民主義,薄薄的一本課本,努力背就可以補足不及格的數學。

人類的未來真的會「船到橋頭自然直」嗎?讓我們繼續看下去。

參考書目:

  1. Einstein's moon, by F. D. Peat, 1990, Contemporary Books, Chicago.
  2. Is the moon there when nobody looks? Reality and the quantum theory, N.D. Mermin, Physics Today, 1985, April, 38; https://pubs.aip.org/physicstoday/article-abstract/38/4/38/434993/Is-the-Moon-There-When-Nobody-Looks-Reality-and?redirectedFrom=fulltexthttps://csiflabs.cs.ucdavis.edu/~gusfield/mermin_moon_Bell's_inequalities.pdf
  3. Einstein, A.; Podolsky, B.; and Rosen, N. "Can Quantum-Mechanical Description of Physical Reality be Considered Complete?" Phys. Rev. 41, 777, 1935.
  4. 圖片皆從網路上取得,如需轉載,請避免圖片轉載或自行取得授權。 PhysLink http://www.physlink.com ; PhysicsWeb http://physicsweb.org

1927 年索微議會 (取自 PhysLink,  PhysLink 創始者Anton Skorucak 加油添醋而成。)

由左至右:

第一排 ] (1) I. Langmuir, (2) M. Planck, (3) M. Curie, (4) H.A. Lorentz, (5) A. Einstein, (6) P. Langevin, (7) C.E. Guye, (8) C.T.R. Wilson, (9) O.W. Richardson

第二排 ] (1) P. Debye, (2) M. Knudsen, (3) W.L. Bragg, (4) H.A. Kramers, (5) P.A.M. Dirac, (6) A.H. Compton, (7) L.V. de Broglie, (8) M. Born, (9) N. Bohr

第三排 ] (1) A. Piccard, (2) E. Henriot, (3) P. Ehrenfest, (4) E. Herzen, (5) Th. de Donder, (6) E. Schroedinger, (7) E. Verschaffelt, (8) W. Pauli, (9) W. Heisenberg, (10) R.H. Fowler, (11) L. Brillouin.

用火

人類學會用火,開始改變大幅地球生態。

普羅米修斯也許只是神話,也許只是描述人類改變地球生態的傳神說法。用火,是人類覬覦能源的伊始,貪婪的新自從無法滿足,讓人類做繭自縛、走上不歸路,和普羅米修斯下場雷同,但是人類的海克力士是誰、海克力士在哪?

普羅米修斯屬於泰坦神族。與眾生一樣,他服從眾神之王宙斯的統治。在一次動物祭祀中,他用詭計欺騙了宙斯;他只把獻祭動物沒有價值的部分交給他,而為人民保留可食用的肉,因為他們是他的門徒。作為懲罰,憤怒的宙斯拒絕凡人擁有火種。普羅米修斯從眾神那裡偷來了​​火種,並將其帶給了人們。為此,他奉宙斯之命,在高加索山脈的荒原上受罰。一隻老鷹定期拜訪他並啄食他的肝臟[1] 很久以後,英雄海克力士用箭射死了老鷹,才將他從這種折磨中解救出來。[2]

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宇宙法庭

宇宙憲法法庭即將受理審理,人類被宇宙秩序維護小組指控的「毀滅地球生態罪」,危及地球絕大多數生物的生存權。宇宙秩序維護小組同時也要求在宇宙憲法法庭裁決前,同意暫時處分,將所有人類立即逮捕、暫時移置第十次元拘留所,避免地球生態持續惡化、無法回復。

由於嫌犯移置規模龐大,勢必將對地球生態產生影響:不管憲法法庭最後如何裁決,不是人類被判永久流放民至不同(異次元)蠻荒星球,部分失去演化適應能力的人類有可能無法適應原始生活而滅絕;就是(指控罪名不成立時)有可能無法再適應回歸後的地球生態競逐,代表人類權益的律師代表與宇宙秩序維護小組律師群,刻正展開激辯。

代表人類權益的律師代表,除了質疑暫時處分可能影響人類回歸後的生存權,也向憲法法庭建議,應有地球人類代表自己的權益辯護,而不是全數委由他們代為辯護。

針對地球人類代表的疑問,憲法法庭當庭裁決,原始、不文明的人類,不宜在裁決前讓他們知道 宇宙還有先進文明存在,避免裁決後影響人類自然演化的進程。而且人類野蠻的次文明文化也認為,地球其他生物不值得尊重,任何處置也不曾問過其他生物,不讓人類參與憲法法庭的辯護,符合人類文明標準,只能說「剛好而已」。

憲法法庭也特別決議,關於人類自行辯護的要求,就是不准也不得抗告。

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沒有人懂量子力學

 人們對量子理論的不解與疑惑,正如費曼 (Richard Feynman, 1918-1988) 所曾下過的註腳一樣困惑人心:

"I think I can safely say that nobody understands quantum mechanics." 「我想持平來說沒有人懂量子力學」(影片22秒前後)

而且費曼膾炙人口的路徑積分,就是因為他覺得別人的量子力學怎麼看怎麼不可思議,才自創一路的奇門術數,卻意外地為 70 年代以降的高能物理提供一個登龍奇術。

有關量子哲學的爭辯傳說不斷,以下的傳說,更加傳神。

傳說 80 年代在維也納一場紀念物理大師貝多芬的演講會上,李斯特口沫橫飛地介紹量子理論的精妙之處。講沒幾分鐘,台下的主持人柴可夫斯基忍不住和李斯特辯論起來。

兩造禁不住激動的情緒,步步相逼,最後所有教授、博士後、研究生都在講台下圍著忘情激辯的兩位大師。[註一]

這方激動的說「不對不對,應該如此如此」那方激情地回應「不對不對,理當這般這般」只見圍觀學者不住的點頭,對雙方所謂的「如此如此、這般這般」都一致表示贊同。

搞了近一個鐘頭,真理是越辯越是一頭霧水。最後,柴可夫斯基惡狠狠的告訴李斯特

you should read the textbook」,而李斯特則不屑的回他一句「you should do your homework」。

筆者在大四就修過力子力學,大學畢業被系主任「騙」去考研究所,系主任說我必修課都修過,只要翹著二郎腿就可以畢業。

沒想到研一的授課老師居然說「大學的不算」,又修了一次。到了美國,美國老師說「台灣的不算」,無奈的再修一次。短短的學生生涯三修量力、三修電力,照理說應該道行越來越高,因此自以為自己量力修為驚人。聽了兩位大師爭訟,才知道自己根本不懂,回家再練,每年都練、每天都練,誓言把馬步蹲到位。開始教書後,又教了幾年量力,只能說道行越練越有心得,馬步越蹲越穩,也越練越瞭解費曼那席話的深意。

神奇的數學

說到虛數進入微觀世界的歷史,先說一下數學和物理分家,時間點很難切,牛頓寫下微分,但是牛頓統一古典力學,功鑠古今,加上他也做很多實驗,多數人認為他是物理學家,微積分學習上的困難,讓當時不少的物理學家感到有點吃力,從那時起,數學家、物理學家開始有了初步的分野。

其實,19世紀在做電磁學的知名學者,多數是數學家,統一電與磁的 Maxwell 馬克士威,他的博士學位就是數學學位。寫下里曼幾何的大數學家里曼 Riemann ,在電磁學的研究上也是影響深遠。

19世紀電磁學可以蓬勃發展的主因,是很多數學家都插手,或許也是因為數學家插手,對一些數學基礎不太好的傳統物理學家非常吃力,因此當時幾乎喊得出名字的電磁學物理學家,幾乎都是數學家。最諷刺的是,一樣以物理直覺出名、學徒出身的法拉第,居然被說沒受過嚴格數學教育,數學不太靈光,現在回想,所謂數學不好,應該是和里曼、馬克士威這些大數學家的數學功力對比,其實他的數學說不定也是相當不錯。

數學和物理看起來分分合合,其實數學家對物理好奇,物理學家需要學習數學、對數學的依賴,應該從來沒有間斷,而且物理學和數學真正壁壘分明,大約是出現在20世紀初。

20世紀初,因為微觀世界的研究,大概是數學家比較沒有著力的空間,當時也以各種和傳統直觀相違的實驗現象太過突出,開始出現現在我們稱為近代物理學家的時代。

虛數 imaginary number 出現在物理文獻的歷史,時代久遠,在電磁學上主要是一種方便計算的巧門,薛丁格會拿來發展波動力學,應該不太唐突。

楊振寧把電磁學的對稱群推廣,發現原子核物理的奧祕和數學密不可分,之後讓很多物理學家舉一反三,發現再奇怪的數學,都可以找到對應的自然現象,數學和物理的分際也因為需要而開始模糊。

總之,海森堡意外發現量子現象和矩陣有關,隨後薛丁格利用虛數獨立發展波動力學,現在回頭看,就像里曼先寫下里曼幾何,愛因斯坦獨立發展廣義相對論,最後發現兩者不謀而合一樣,看起來非常合理。

電磁學的複數空間只是方便的工具,量子力學的複數空間看起來是真實的存在(我們可以感覺或測量的只是「真實世界」的投影),既然如此,比複數空間更廣義的數學空間,是否和真實世界有關,是否找到更完整的數學才能釋疑,才能讓我們真正暸解看似「神奇」的微觀世界,才能讓我們大嘆「原來一點也不奇怪」,問題只是數學工具有問題。

我們雖然無法確切掌握微觀世界,但是量子力學卻可以有效「短期」預測未來,就像颱風動線的預測,雖然不能盡信,但是還是很有參考價值,以量子元件為基礎的電腦、手機,還是可以有效拿來用。

偶爾當機,雖然原因複雜,即使有一部分來自累積的量子不確定性,但是對一般人而言,那不是問題,通常關機、重新啟動,又是一尾活龍,就像颱風過後滿目瘡痍,多數人都能打起精神重整家園,過幾年好像什麼都沒有發生過,只留下淡淡的記憶。

[註一這一段的地名與人名仿效N.D. Mermin 做法,均經變裝。

兒童畫冊:https://g.co/gemini/share/af573546fd8c

愛因斯坦與費曼

另一個版本

https://g.co/gemini/share/4d4143220cca





生化電池

給做生化的同仁建議,用在人體醫療的微型機器人的電池,應該是仿生電池,順便靠「吃」體內的營養成分發電。

這種仿生電池、機器人需要設計如何融入人體、避免身體免疫系統的攻擊。

給做生化的同仁建議

再生能源和綠能字面意思不太一樣,其實也和環境友善有點距離,這兩個名詞常被企業界混用、當成濫用地球能源的遮羞布,只要綠、只要再生,就可以為所欲為。

綠能已經被窄化成不排放二氧化碳的能源,這種定義不但忽視其他污染源與污染方式,其實和綠的原意也有出入,綠色植物應該是真的綠,他們一樣呼吸氧氣、排放二氧化碳。

二氧化碳也不是氣溫上升的唯一因素,個人就習慣二氧化碳濃度高一點的環境,半夜一到就精神百倍、神清氣爽、攻無不克。

再生的意思是「短時間」內可以「再生—— 回復原狀」,核分裂、核融和都是改變元素結構的變化,即使能耗用好幾倍的能量進行逆反應,多半也極不穩定。

濫用上帝努力138億年精心打造的生態平衡宇宙,根本和再生十萬八千億里。

應該只有詐騙集團會說核能是再生能源,不過最近COP有幾個科技大國試圖把核能說成「綠電」,也是故意不提各種核污染、試圖魚目混珠、矇騙三心兩意的民眾。

量子真相

真相

真相、reality 是否存在,一直是哲學家針鋒相對的爭點,因為波爾堅持的哥本哈根詮釋,被愛因斯坦洗臉,也成了物理學家的熱議焦點。

電子的真相

哥本哈根學派認為(微觀)世界是一種機率的混沌存在,只有測量時才能知道事件處於什麼狀態。例如電子在前進,每一次測量瞬間,才能確認電子的位置、動量等物理狀態,隨後電子又進入機率世界,無法掌握。

陪審團的真相與嫌疑人的行為軌跡

這其實和美國靠陪審制度來決定真相或事實(reality)的現象很類似。

陪審團「認為」事實是什麼,事實就是什麼,多數人不在乎冤獄或誤判,也認為趕快解決問題,社會才能繼續運作,至於一個犯罪嫌疑人到底做了什麼事、受了什麼冤屈,沒什麼人在乎,結果也是,美國這個社會可以繼續進行、每個人的生活可以繼續下去最重要,花太多時間糾結如何發現真實,代價太高、於事無補。

電子行進的軌跡就像犯罪嫌疑人的日誌,審判結果「確認」嫌疑人在審判當下的軌跡,一連串的「審判」結果,寫下嫌疑人不連續的軌跡,如果想知道嫌疑人在兩次審判間做了什麼事,只能再測量一次,也就是再審判一次。只是審判團可以審判「過去」的事件,物理學家目前還無法回到過去測量電子的物理狀態。

量子儀器才能做量子測量?什麼才是量子儀器?

更有人質疑,要測量「微觀」的量子世界,應該用用微觀的量子儀器,而非巨觀的「古典」儀器,至於怎麼製造量子儀器又是說不清楚的難題,這個問題恐怕才是問題的根本。

佛經和論語是誰的著述

佛經和論語類似,都是後世人「敘述」前人的論述,個人很懷疑世尊與孔子是不是真的說過那些話。

世人渾渾噩噩,很難溝通,個人設法說服其他人時,就常被迫說,這是費曼說的、這是愛因斯坦說的,這樣很多人都能接受,至於前輩是否真的說過這些話,好像也不是很重要。

金剛經和其他佛經,講的應該只是世尊的哲學觀,他認為所有人都受諸如金錢、虛名、責任、權力等世俗影響,讓人很難接近完美的存在,金錢、虛名、責任、權力等世俗影響,蒙蔽了一個人的「真我」,只讓別人看到不真實的「我」,連自己也被矇蔽。

世尊似乎認為,設法拋棄世俗影響,才能見到「真我」。真我就是 ego,哲學家和愛因斯坦想知道的也是 ego 是否存在,還是「我」只能透過別人的眼睛存在、或根本不存在、亦或是否有真我不重要

個人認為佛經的真義只有金剛經裡的一句

「凡所有相皆是虛妄,若見諸相非相,即見如來。」,

不同經典,反來覆去都在說明這句話。


量子力學量力而為


多世界說法 累壞了世界大導演

談到人們對量子世界的困惑,更可由艾佛瑞茲 (Hugh Everett III, 1930-1982) 所提出的多世界說法 (many-worlds) 可見一斑。1957 年,艾佛瑞茲提出了多世界看法:每當咱們做一次測量,世界就依可能發生的狀態與機率,分裂成不同的世界 (劇情),由量子理論決定進入某一世界 (劇情)的機率,而每個世界 (劇情) 都等價地、獨立地存在。 
  
這個說法,以前說給外行人聽,多半搞得看官大眾一頭霧水、弄得大家不著邊際。但時序進入 90 年代,商場上已有標準樣品,也就是所謂的互動式CD (CDI) 在市面上發行。電影院裡的觀眾,人手一只選擇器,當藍波面對按阮死嘛性格的緊張時刻,一場生死格鬥即將上演。突然,銀幕上出現一條單選題:請問觀眾朋友希望劇情依照下列哪一種模式進行:
  1. 藍波戰勝 (2) 藍波戰敗 (3) 按阮死嘛性格戰死 (4) 藍波戰死 (5) 莎朗史東突然出現,戰事叫停。

觀眾舉行公民投票結束後,劇情順應多數觀眾的要求而發展。

後記:有關金剛經的宇宙觀

金剛經裡,如來一而再,再而三地,告訴芸芸眾生︰

凡所有相,皆是虛妄 
若見諸相非相,即見如來 

佛學經典如同論語,是釋迦牟尼佛四處講學,而由其弟子紀錄而成的經典。坊間很多經典可能只是是後人杜攥而成,並非真典。

如來與佛兩詞或其合成語,在其經典中指的是宇宙間所有有形無形物之總成。由於釋尊認為宇宙是一個生命共同體,人生的目的即為超越肉體的侷限,達到天人合一的涅盤之境。因此,常有我即是佛,佛即是我一類意境的字眼反覆出現。

事實上佛學與佛教就如同儒學與儒教一般,原本風馬牛毫不相干,釋尊也從不提及怪力亂神,坊間諸多教派與釋尊應該沒有任何傳承。

佛經常見描述自然事件的敘述,例如:若有色、若無色、若非有色、若非無色⋯,這種描述方式,從高維空間的角度看,相當自然。

有色、無色,可以想像是一維空間的切割方式,第二或更高維度的簡化切割方式就是非有色、非無色。雖然無法得知,經典為何出現這種多元的敘述,但是可以想像賢者的思維,並非簡單的有、無可以分野。

Climate change

氣候變遷的原因,不是只有二氧化碳、石化燃料,是人類過度使用能源。

能量守恆,能量不會被「消費」掉,只是利用能量的過程,把「有用」的能量轉化成「沒用」的能量。

當宇宙充滿沒用(亦即沒有方向性、無法流動)的能量,宇宙每一個地方的能量密度都一樣時,宇宙就停止有效的能量活動,所有「生命」也不復存在,可以說是宇宙演化的終點。

前提當然是我們同意,廣義的生命是能量改變形式的過程。

後記

費曼在他的書中直接指出,沒有人知道能量為什麼守恆,只知道能量守恆在所有已知系統都成立,而且每次有人發現計算有問題,第一個被質疑不成立的就是能量守恆,但是能量守恆定律依然屹立不移。

第一次發現微中子的實驗,中子衰變成電子+質子+反微中子,當初因為看不到不帶電的微中子,當事人就宣稱發現能量不守恆的實驗證據。包利 Pauli 就直言一定是有新粒子帶走「不守恆」的能量,還命名微中子,最後也被實驗證實。

其實,沒有微中子,不但能量不守恆,角動量也不守恆,問題更大。我們知道角動量為什麼守恆,但是不知道能量為什麼守恆,如果角動量不守恆,撼動的是整個動量守恆定律,也就是牛頓第三運動定律,倡議能量不守恆的人,只能說野心大過天。

江山代有人才出

長江後浪推前浪

一代新人換舊人

我們看到的只是表象

 我們看到的通常只是表象,不是真的 ! 人際關係的互動也是如此。

圖片中 A 和 B 所在的方塊其實是一模一樣的灰色,但是故意加上去的「陰影」讓我們的大腦產生認知的差異。二十世紀物理學最大的突破,就是我們認知到怎麼去「看」這個世界,其實影響深遠。
物理學家從「高速運動」、「微觀世界」所展現的神奇現象,認知到我們怎麼「測量」或「觀察」這個「客觀」「存在」的「世界」,會影響我們所看到的現象,最後發展出「相對論」和「量子力學」這兩門高深的「內功心法」,就像「九陽神功」和「九陰神功」一樣各據一方、稱霸武林,讓我們的下巴一個一個掉下來。
費曼曾經說「雙生子謬誤」等等看似矛盾的「反背」論證,其實只是我們的腦袋轉不過來,拒絕承認眼睛所接收的「真正」訊息,企圖用自己感到最「舒適」的「理解」來取代「真相」。
比較糟糕的是,導演我們人生大戲的「大腦導演」,不但想主導我們的「人生」,還想拿自己的「錯覺」去主導別人的「人生」,「有的人就會」怎麼「看」都覺得自己比較「對」,別人比較「差」。萬一「企圖」化成「行動」,用蠻力來「主導」別人的人生,常常就會造成悲劇。
演戲真的不容易,我們就先把自己導演的戲演好就好,「有機會」和別人一起「合作演戲」時,千萬不要「強迫」別人也要演你覺得最好的「這齣戲」。
其實,要別人和你一起演戲的方法很多,最不需要的就是「那種」「古典力學」。
* 維基在「視錯覺」的兩種語言版本,提供的例子很不一樣,讓語言差異也呈現一種「視錯覺」。

綠色能源是什麼

綠色能源是什麼

陽光或高能粒子等能量照射地球時,每經過一個介面都會有部分反射、部分折射、部分被氣體或被照射物吸收,一部分折射進入大氣層的能量,照射大地也會有一部分被地表、綠色植物吸收,一部分反射回大氣,往外反射的能量,每經過一次介面,一樣會有部分反射、部分折射、部分被吸收,過程非常複雜,但是最後會達成平衡,至少太陽、大氣、地表所有成員都會試圖達成一個平衡狀態,只是改變速度如果太快,平衡狀態可能就變成一直在追逐的夢想。

輻射到地面的太陽能量功率,大約每平方公里1GW,也就是每平方公里的能量功率大約是一個新型核分裂核能機組的功率。

如果沒有人類製造機器使用這些能量,地球大氣溫度會和數千年前的生態平衡類似,動植物各取所需,達成一種平衡狀態,這種狀態應該維持好幾十億年,假設之前沒有其他像人類一樣的科技文明存在的話。

人類發明機器、燃燒樹木、使用化石燃料、甚至利用核能技術改變物質元素組成,這些過程每一步都在擷取儲存在地表下的能量,挖礦石、組裝機器,每一個步驟都是在破壞原本的平衡,也同時改變大氣分子的組成與組合,讓反射、折射、吸收的比例發生重大、快速改變。

光電、風電、自然釋放的地熱等科技的機械製作過程非常繁複,過程除了挖礦石、燒熔、組裝,本身就製造很多廢熱、廢棄物,也會和使用任何能源一樣製造廢熱,使用光電、風電、自然地熱的過程,只是比化石燃料「乾淨」一點,其實人類使用這些能源太多、太快速,整個地球的熱平衡無法快速反應,一樣不是綠色能源或再生能源,一樣會「危及」地球的生態平衡。

危及主要是指危及人類。很多移動速度緩慢的生物,看起來早就不行了。

太陽能電板擋住原本被陽光直照的大地與綠色植披、風機會影響原本地表氣體的流動(就是風),這些林林種種的影響,很難評估。人類也是發現看起來已經失控才發現問題。

不是自然釋放的地熱,而是從地表強挖釋放的地熱,和使用化石燃料沒有兩樣。

疫情期間,人類不敢活動,國際太空站拍到地球開始緩慢恢復綠意。2008金融風暴,大家擔心活不下去,減少不必要的活動,我們社區的停車場真的變成停車場,車子好幾個月都維持原狀,我第一次發現上下班尖峰時段,搭園區公車去學校的路上,幾乎都沒有車,一路順暢。

那一次,我就跟學生說,這段時間你父母沒做的事就是多餘的,和生存無關的事,不做還是活得好好的,多做的都是多餘的。

不是自然釋放的能量,只要人為介入,都是人類在製造問題,太陽就給我們每平方公里1GW的能量,這是給地球所有生態成員共同使用的能量,我們應該用多少、用多快是一門學問,我認為沒有人知道。

造物主的恩慈

使用化石燃料和核分裂是兩個完全不同等級的問題。宇宙一開始幾乎都是以光速前進的輻射能量,造物主花了不到三分鐘讓部分能量轉化成帶有質量、移動困難的化學元素(早期主要是質子和中子,和由其組成的氫、氦和微量鋰),這個動作讓宇宙開始有組成生命的最基本物質,再經由數億年的演化,第一代恆星死亡後才有太陽系這樣的恆星系統。太陽、地球,地球的生命,造物主大約花了100億年才完成。

但是人類消耗能量的速度實在太過驚人,也越來越「高明」。

放射性元素會說謊

同事說,大三時必修近代物理實驗,每個禮拜兩個下午要進會接觸放射源的實驗室探索,可能因為剛發生三厘島核災,引發全球恐慌,第一次上課時,老師說擔心輻射污染的同學,可以不用做實驗,只要聲明清楚,實驗成績就以60分計,那是人生第一次知道核污染很恐怖。 

費曼剛加入曼哈坦計劃時,發現工程人員把研發原子彈用的高輻射物質溶液,封在厚鉛桶裡,然後隨意堆放,以為這樣很安全。

Google Gemini
Google Gemini

費曼急著指揮這些輕忽事態嚴重的工程人員,根據他的計算,把鉛桶擺放方式與位置,適當調整、存放。不瞭解量子行為的人,可能覺得鉛桶外幾乎測不到輻射量,隨意擺放、讓他們當鄰居應該沒有關係。

其實多數工程師以為微觀的物理很單純,放射線多數被鉛塊擋住,其實只是「多數」被擋住,還是有微量放射性粒子穿隧突圍。

微觀世界的粒子有時很有人性,他們會說謊欺騙測量者,盯著看他會表現得像粒子,不盯著看又會變成波,讓人捉摸不定。

物理學家做實驗時,都是在很多變因被控制下進行。因為能力有限,太多變數會讓物理變得太複雜,完全無法掌握,因此教科書上寫的都是,在控制下看起來很簡單的物理現象,和真實的自然現象自然有所差距。

所幸,只要控制好變數的數量,教科書上的知識看起來非常無敵、萬能,其實物理學家和預測颱風的學者差不多,差的只是颱風的變因太多、太複雜,我們又無法像物理學家一樣,控制老天爺的變因,只能盡力而為,讓預測的颱風路徑一直變來變去,等到颱風強到一定程度,不重要的變因影響力微乎其微時,才比較有把握對颱風指東道西。

我以前以為小時候不懂的,長大自然會懂,大學學物理時,以為在台灣不懂的,到美國讀書自然會懂,以為物理學家不懂的數學,自然會有數學家懂。到了美國才恍然大悟,我不懂的,多數都沒有人懂,就因為人類都不懂,物理學家才有存在的意義。一旦有人什麼都懂,很快的很多學者也會弄懂,最後就沒有物理學家存在的必要。

只要物理系還存在,就代表我們還在摸索,物理學家只是擅長把事情講得好像他什麼都懂,其實不然。有知名物理學家曾開玩笑的說,物理就是把不對的說成對的,雖然有點難堪,但是整個物理史一再展現的就是類似的故事。

有人說不要相信原子,因為他們make up everything。一語雙關,除了所有物質都是原子組成(make up),他們也會變造(make up)故事、欺騙你的認知。真的,不要相信任何有關原子的故事,出事了,物理學家只是說出他們認為的事實,自己也沒有得到什麼好處,為什麼要負責,大話滿滿的工程師更是閃得找不到人負責。

高階輻射輻射物質鉛桶擋不住,大量低階輻射核廢料怎麼儲存,到底一個儲存場可以擺放多少桶核廢料,相信真的沒有人知道,更不用說核廢料要怎麼長久儲存。

核電廠的問題不只是核廢料,人類濫用核能是在和魔鬼豪賭,因為費曼已經點出:沒有人懂量子力學。雖然,量子力學看起來對短時間的預測很有把握,沒有人知道為何如此,和一知半解的工程師,其實是五十步笑百步的距離。

知名科學家戴森曾說過,原子彈在日本引爆成功後,曼哈頓計畫成員幾乎所有成員都處於歡樂慶祝的激情下,只有少數人為日本人的傷害感到不安。在核子毀滅的威脅與各方指責下,美國在核能技術尚未成熟時,還沒把應該在實驗室一再確認的核安問題解決,就急著推出和平用途,試圖逃避真正的核毀滅問題,也讓大家長期生活在不安與危險之中。

讀不懂科普書籍怎麼應對?  

https://quantum-universe-and-beyond.blogspot.com/2021/06/blog-post.html

原子是什麼?  

https://quantum-universe-and-beyond.blogspot.com/2021/01/blog-post.html

探索原子核的奧秘


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粒子的命名

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傳奇的說書人

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  「你管別人怎麼想」、「成功的科技需要依賴事實而非公共關係,畢竟大自然是無法愚弄的」是這本書的兩個主軸,透過一些小故事讓讀者認識費曼的生活軌跡,也建議政府要面對事故的真相,記取教訓。

  費曼是說故事的高手,更喜歡開玩笑。費曼的妹妹瓊安就說,醫生向家屬表示在彌留之際,費曼已經完全失去意識。但是醫生離開病房後,費曼居然奮力舉起雙臂、交叉摩擦,做了一個魔術師要變魔術前的手勢,然後伸出舌頭,扮了人生最後一次鬼臉。這本書記錄了很多費曼講過的故事,看似不相關的兩段大故事,講的都是他對這個世界的愛與關懷。

  費曼臨終前朋友想到他即將離開,感到無限哀傷。費曼卻說:這件事自己偶爾也會感到困擾,但是你知道嗎?我說過很多故事,離開人世之後故事還會留著,人生沒有太多遺憾。這本充滿愛的故事,在費曼過完人生第69個情人節後,畫下神奇的句點,現在輪到我們用愛寫自己的故事。
 
高文芳(交通大學物理所教授)

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勇於做對的事,不要管別人怎麼想


  路徑積分是探索大自然的鑰匙,費曼圖是看見大自然的捷徑

  有人說費曼是魔術師般的天才,也有人笑說費曼是天才俱樂部的亂流。1965年的物理諾貝爾獎頒給朝永振一郎、施溫格和費曼,獎勵他們在量子電動力學研究上的貢獻。諾貝爾獎網頁在介紹費曼的貢獻時,特別強調他發明的費曼圖,有效簡化量子電動力學的複雜計算,彰顯費曼的成就和影響遠遠超過那個時代。費曼不但以此自豪,還用費曼圖塗鴉自家的廂型車。外出用餐時,路人會問「你們的車為什麼都是費曼圖?」費曼的太太還俏皮的回應:「因為我們一家都是費曼!」

  費曼圖背後還有更完整的數學結構「路徑積分」,讓我們看見隱藏在微觀世界裡,又神奇、又多樣的面貌。1988年,因為「弱電統一場論」得到諾貝爾獎的萬伯格教授,受邀在哈佛給了一系列演講。萬伯格提到,超弦理論的計算如果沒有費曼的路徑積分,將是萬萬不能。話鋒一轉,說很多人抱怨算來算去都看不見「物理」,萬伯格的評語非常有意思:「沒錯,看不見物理的確是路徑積分的缺點,卻也是它神奇的優點!」

  科學的價值與愛的故事

  原子彈展現科學具有龐大的破壞力,而很多人也都知道,費曼加入原子彈計畫後,展現驚人的智慧,將原本繁複的理論計算,利用現在大家耳熟能詳的平行計算原理,拆成好幾部分同時進行,最後再彙整成正確的答案。這個十倍速的運算方法,就是平行計算的濫觴,原子彈也因為費曼的加入而加速完成。然而,在廣島、長崎先後引爆的核彈,「意外」造成日本民眾慘重的傷亡,這個沉重的消息傳回原子彈基地,多數人還陶醉在戰爭的勝利時,費曼卻是自責到罹患憂鬱症。

  科學可以造福人群,也可能毀滅人類努力建立的文明,矛與盾的衝突、糾葛,讓費曼永遠銘記在心,也讓費曼臨終前兩個星期還去學校上課。就像本書結語的「科學的價值」,講的就是費曼的省思,和對這個世界滿滿的愛,也像是費曼告別人生的最後提醒。

  費曼的學生馬可士,他的媽媽是個費曼迷,但是不太肯聽兒子「不太有技巧的」講「無趣」的物理。馬可士拜託費曼寫信給他媽媽,請媽媽聽他講物理。結果費曼寫下一段名言「物理不是最重要的,愛才是」。馬可士抱怨老師幫了倒忙,卻不知這句話不但是費曼的肺腑之言,而且還別有用意:「你兒子想傳達的,是他對父母的愛,不是沒有溫度的物理。」費曼以口若懸河的風采演講,想傳達的就是科學家的愛和責任。

  這本書分成兩部分:你管別人怎麼想、航太總署的傲慢和科學的價值。「你管別人怎麼想」是費曼特立獨行的行事風格,也是他和阿琳相識、相知、相戀的成長故事。這個正視自己特立獨行的家訓,不但引領費曼以特立獨行的方式笑傲江湖,開創一個屬於自己的科學年代,也讓他以幽默風趣的口才說故事,讓我們得以欣賞一代辯士的風采。
費曼的家訓:絕對不要盲目崇拜威權

  費曼不服威權的個性,來自爸爸的身教。他在「別鬧了,費曼先生」一書前文的自我介紹裡,跳過1965年獲得諾貝爾獎的一段,卻在書裡大篇幅抱怨這個獎帶給他的困擾,在BBC的專訪裡,費曼也提到諾貝爾獎就是威權的象徵,還用哽咽的聲音說「(這個獎)它傷害了我」。因為「抵抗威權」是他爸爸耳提面命的提醒,哽咽的聲音,可以聽出他對亡父的感念,也可以感受這句話對他的影響。

  如果沒有不服威權的家訓,費曼或許不可能用費曼圖,在微觀世界的陰霾中點亮一盞明燈,也不會在真相調查委員會為我們找到一點事故的蛛絲馬跡。

  航太總署、政府都不想讓你知道事情的真相

  太空任務一直是一個非常冒險的挑戰工作,從事這個行業的勇士,多少都有一去不回的心理準備。航太總署傳頌的一則太空人笑話,說火箭第一次送太空人上太空後,地面控制中心就先恭喜太空人成功發射!但是接下來就說:雖然我們還沒弄清楚該如何接你們回來,不過太空船上備有兩年的飲水和食物,兩年內我們一定會想辦法讓你們平安回家。

  更有人說一個太空任務有560萬個零件,每個太空級零件只要有百萬分之一的誤差,組合起來,災難出現的機率就會出奇的高。還有,最初的太空任務,地面控制中心的電腦功能只和現今的高階筆電相當。就因為太空任務風險非常高,太空人才會被當成英雄!傳說最早的太空人徵召規劃,是找馬戲團的空中飛人。最後才改成資深的戰鬥機飛行員。阿姆斯壯上月球前,還因為風險過高,找不到願意承保的保險公司,最後只能自己買一堆明信片,出任務前簽好名再寄給家人保存。他想,萬一變成悲劇英雄時,明信片可能還可以賣點錢,留給家人一點點保障。

  1986年1月28日,挑戰者號太空梭事故會引起全民震驚,主要原因是七名乘員之中,除了六位航太總署的專業太空人外,還有一位新罕布夏州的高中社會科老師瑪歐麗芙。傳說高中老師上太空是雷根智庫的主意,希望高中老師在執行地球軌道的飛行任務時,實況轉播他和總統、國會的對話,藉此鼓舞民眾、激勵太空研究的發展。雖然費曼在書中說找不到任何事證,證明天候不宜勉強升空是來自高層的壓力。然而老師上太空這件事,在媒體大肆宣傳下,讓實況轉播的收視率非常高,災難的後座力自然也非常驚人。瑪歐麗芙老師,因為出生在波士頓,特別受到麻州民眾的關注。因此,發射當天非常多民眾都在看實況轉播,當時在麻州讀書的我也不例外,當天也是興奮的守在電視機前面。

  然而太空梭升空才73秒,就在大家一片驚惶聲下爆炸、化成一片烏雲。不但全美民眾震驚、說不出話、失落和感傷,而且當場親眼目睹悲劇的,還有很多瑪歐麗芙教過的學生和親友。事故發生後,所有人都迫切需要心理創傷的撫慰。

  我清楚記得,那一天電視台除了一再的重播那個驚悚的畫面,還透過畫面和很多「專家」向全民「保證」,爆炸發生得太快,在太空人有知覺前,太空梭已經化為烏有。太空人不會有任何痛苦的保證,和密集重播的畫面,進行的是一場集體的心理輔導。

  沒多久,雷根總統就找了尼克森的前國務卿羅吉斯,組成災難事故真相調查委員會,其中一位委員就是我們的天才物理學家費曼。費曼當時已經經歷過幾次癌症手術,身體正在康復之中,已經很少參加公開活動。因此透過現場直播的公開聽證會看到費曼時,就有人忘情的大喊:「哇,是我們的費曼耶!」

  費曼原本覺得華府是「是非之地」,不願意去參加。為了聽到一句「用不著你親自去參加」的建議,他徵詢很多親朋好友的意見。但是,幾乎每個人都說費曼應該去。有人還說只有不按牌裡出牌的費曼,才有可能掀開見不得人的髒汙,找到一點點事情的真相。朋友希伯斯回憶,費曼在電話上徵詢他的意見時,費曼聽不到想聽的「你不用去參加」,雙方沉默許久,最後費曼居然丟下一句「去你的」,就把電話掛了。果然,費曼的華府之行,真的為我們留下一段寶貴的歷史見證,見證官方行事的顢頇,和航太總署高層的傲慢。

  根據費曼的說明,官方找來的委員有一半是技術專家和學者,包括兩位律師、一位航太週刊編輯、一位科學家、包括阿姆斯壯在內的四位太空人,還有包括費曼在內的四位物理學家。費曼的說明暗示政府找他的目的,只是想找個年邁的諾貝爾獎得主為調查報告的公信力背書。委員會主席羅吉斯,似乎急著完成報告交差,對費曼老是不聽指揮、自主調查感到非常不悅,還在背後抱怨費曼是「背脊後甩不掉的痛」。費曼被告知羅吉斯不雅的抱怨時,若無其事的說「不會啊,我覺得他挺還尊重我的嘛。」

  毫不意外,費曼說官方呼嚨他的方法千奇百怪:要一頁資料,先是推拖拉,最後給他一拖拉庫的檔案叫他自己找。要的資料文不對題、公聽會刻意打斷他的報告、要打字人員打字的筆記經常失蹤、不讓費曼的完整報告放在主報告裡,改成容易被忽視的附錄等等。比較可惜的是,除了在庫提納將軍刻意引導下釐清O型環的缺陷外,應該還有其他有待改善的地方,但是主席羅吉斯卻急著在問題沒有完全釐清前,試圖刻意誘導委員通過「鼓勵航太總署繼續發展太空任務」的決議,無心找出更完整的真相。

  比如說,費曼在第一場實況轉播的公聽會現場,取出一個放在冰水杯中的O型環,說明變形的O型環,受凍之後無法迅速回復原狀,質疑這個O型環的缺陷,很可能和太空梭出事有些關聯。羅吉斯居然輕忽費曼的質疑,若無其事的說以後會繼續討論這個問題。要不是嗅覺敏銳、早有耳聞的記者在午休時間圍著費曼追問,並在晚間新聞凸顯問題的關鍵,O型環的問題恐怕會不了了之。

  除了技術問題,還有人的問題

  費曼在附錄裡寫下一句重要的歷史見證:「成功的科技需要依賴事實而非公共關係,畢竟大自然是無法愚弄的」,提醒航太總署不能如此輕忽人命。航太總署為了配合政府的太空競爭,輕忽技術上的不確定性、疏於提醒民眾太空探險的風險,不但讓無辜的太空人冒不必要的風險,也造成民眾心理無法弭補的傷害。

  更不可原諒的是,災變後還是不肯誠實面對真相、記取教訓,後來還是一再出錯、一再製造災難。現在回頭看這本書,更能感受費曼的用心,讓大家有機會了解航太總署的傲慢與顢頇。而這份調查報告的附錄,可以說是一份彌足珍貴的歷史文件。

  傳奇的說書人

  「你管別人怎麼想」、「成功的科技需要依賴事實而非公共關係,畢竟大自然是無法愚弄的」是這本書的兩個主軸,透過一些小故事讓讀者認識費曼的生活軌跡,也建議政府要面對事故的真相,記取教訓。

  費曼是說故事的高手,更喜歡開玩笑。費曼的妹妹瓊安就說,醫生向家屬表示在彌留之際,費曼已經完全失去意識。但是醫生離開病房後,費曼居然奮力舉起雙臂、交叉摩擦,做了一個魔術師要變魔術前的手勢,然後伸出舌頭,扮了人生最後一次鬼臉。這本書記錄了很多費曼講過的故事,看似不相關的兩段大故事,講的都是他對這個世界的愛與關懷。

  費曼臨終前朋友想到他即將離開,感到無限哀傷。費曼卻說:這件事自己偶爾也會感到困擾,但是你知道嗎?我說過很多故事,離開人世之後故事還會留著,人生沒有太多遺憾。這本充滿愛的故事,在費曼過完人生第69個情人節後,畫下神奇的句點,現在輪到我們用愛寫自己的故事。
 
高文芳(交通大學物理所教授)






量子力學 用三維的眼睛看高維的宇宙

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