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量子力學,真實存在的異世界

2017/2/6 — 13:01

很多人都幻想過置身科幻、漫畫世界中,如龍珠中悟空般隨意瞬間轉移,或置身叮噹中如果電話亭和電影《連鎖蝶變 (The Butterfly Effect) 》中的平行世界。其實各位不用幻想,因為我們的現實世界確實有如此「違反常理」的異世界存在。

淺談量子力學

相信不少人也聽說過量子力學 (Quantum Mechanics),對一般大多數人而言,量子力學是個難以理解的範疇。即使如愛因斯坦也不相信量子力學,從他的名言「上帝不會擲骰子 (God does not play dice) 」就可到見到。有點諷刺的是他得到的諾貝爾獎卻是因為光電效應 (photoelectric effect) ——一個確立波粒二象性概念 (wave particle duality) 的重要實驗,對量子力學的發現有重大影響。

量子力學難以理解,大多是因為所有我們中學或平常生活接觸到的物理、情況也是經典物理學 (Classical Physics) ,亦是確定性的 (deterministic) 。而量子力學與經典物理學最大分別就,量子力學是概率性的 (Probabilistic) ,亦即好像擲骰子一樣,同一實驗結果不是絕對而是根據機會率,但這絕不是指量子力學是隨機、不可預測的。

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「彈出彈入喎,打我吖笨」,薛定諤猫

要理解量子力學,我們首先要認識甚麼是態疊加原理 (superposition principle) 。態疊加,指的是一個系統在量子世界內可同時以幾種不同形態出現。簡單講就如波 (wave) 一樣,不同的形態是可以相加組成一個態疊加的形態。用 0 和 1 表示,即是一個系統在量子世界可以同時是 0 又是 1 ,好像這樣:

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在量子力學我們統稱這些形態做波函數 (wavefunction) 。

當然這對於身處宏觀經典物理學世界的我們是難以想像的,亦帶來邏輯詮釋上的問題。當中最經典的例子莫過於薛定諤猫 (Schrodinger’s Cat) 這個假想實驗。根據哥本哈根詮釋 (Copenhagen interpretation) ,任何隔離的系統在量子世界都是處於態疊加形態。只有當我們測量觀察這個系統的時候,相互作用才會最終於我們在宏觀世界觀察到的狀態確立,導致波函數坍縮 (wavefunction collapse) 。這個現象叫做量子退相干 (quantum decoherence) 。而之後我們無論再怎樣測量觀察系統,結果都不會改變。另外一種就是多世界詮釋 (many worlds interpretation) ,即假定我們的世界存在無數個平行世界,每次測量觀察只是將我們帶去不同平行時空而已。

好啦,薛定諤猫是指甚麼﹖薛定諤猫這個假想實驗講的就是假如有一隻猫,牠身處一間密室中,密室中有一瓶毒藥,而這瓶毒藥有一半機會放出有害氣體一半機會不會。那究竟在我們開門看之前,那隻猫是生定死呢?抑或牠是處於 superposition ,既是生同時又是死呢﹖這個「哲學」問題到現在還未有答案…

PS: 大家看完還是不明白是正常的,因為即使是費曼 (Richard Feymann) 都講過無人真的明白量子力學:

I think I can safely say that nobody understands quantum mechanics

我這個 small potato 又怎可能明白並解釋得清楚呢?(不過我都歡迎 comments 或問題)

今次量子力學講到這裡,下次有空再講多些。

原刊於作者博客

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