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。




量子力學 用三維的眼睛看高維的宇宙

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...