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你也能懂量子力學

2015/6/6 — 15:45

好吧,其實我也是標題黨。關於量子力學,費曼曾經說過一句經典的描述:

I think I can safely say that nobody understands quantum mechanics.

縱使如此,我仍然嘗試簡單介紹一下量子力學吧。

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在 1905 年,愛因斯坦的奇蹟年,他寫下了一篇以後會得到諾貝爾獎的論文。這篇論文解釋的是光電效應,即是太陽能電池的原理。光電效應的解釋,說明了光除了可以被看成是一種波動外,同時也可以被看成是一種粒子,這就是所謂的光的波粒二象性 (wave-particle duality)。

這個波粒二象性就是量子力學的核心。量子力學說的是,光和物質一樣,都具有這種難以想象的波粒二象性。我們會問,我們如何知道一個粒子既是粒子、又是波動呢?

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相信大家都聽過所謂「薛丁格的貓」思想實驗。沒錯,又是這個薛丁格。除了這個不人道的思想實驗外 (放心,這只是個思想實驗,以我所知,後來沒有任何喵星人死於這實驗),他提出了一條著名的公式,能夠描述宇宙間所有粒子的運動,現在被稱為薛丁格方程 (Schrödinger equation):

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大家不要被這些數學符號嚇怕,我只是想指出這條薛丁格方程,其實就是一條波動方程(參考《光的祕密》 第 (13) 式)!但薛丁格方程的特別之處,就是符合它的方程解,其能量都是量子化 (quantized) 了的;換句話說,薛丁格方程說,宇宙間任何一個系統之中的粒子的能量,都有一個最小的單位。就好像抽卡機,最小的單位是一蚊,然後是兩蚊、三蚊…… 你永遠無法抽價值兩個半的閃卡。

可是我們會問,這樣有什麼好稀奇的?讓我用電子來做個說明(注意這個說明對其他基本粒子亦同樣適用)。

我們來想象一個電子,它像一個非常非常細小的球體。物理學家發現,這個球體的其中一個特性,是它會不停地自轉,我們稱之為自旋 (spin)。而量子力學告訴我們,電子的自旋是量子化了的,要不是向上自旋 (spin up) 就是向下自旋 (spin down),如下圖:

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這兩個狀態,在數學上符合薛丁格方程,我們叫它們做電子的兩個量子態。可是問題來了:物理學家發現,除了向上和向下外,一些與違反常識的量子態,同 樣符合薛丁格方程!例如「(向上 + 向下)除以開方 2 」和「(向上 – 向下)除以開方 2 」就是另外一組符合薛丁格方程的解!換句話說,電子能夠同時向上和向下旋轉!

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別問我這即是什麼意思,我也不知道,世界上亦沒有人知道。在量子力學所描述的微小尺度裡的行為,在我們日常生活的宏觀尺度根本找不到任何相似的現象,所以我們無法想像一個同時向上和向下旋轉的球體,也是非常合理的事。

哪為什麼物理學家一直以來都未有觀察到一個同時向上和向下旋轉的電子呢?這是因為量子力學的另一個古怪特性(是的,量子力學古怪的地方多到數不完……),就是當我們未觀察這個電子之前,它可以是向上、向下、或同時向上向下。可是,當我們進行實驗,實實在在地觀察這個電子之後, 我們要不是發現它是向上自旋、就是發現它是向下自旋的。如果我們計算向上和向下自旋的機率,會發現是 50% 向上、 50% 向下。即是如果我們觀察很多個電子,我們會發現一半的電子是向上自旋、另外一半是向下自旋,無論這個電子在被觀察之前是向上、向下、還是同時向上向下,都 一樣。

讓我們來總結一下目前的討論:

  1. 觀察之前,如果電子的自旋量子態是「向上」和「向下」的話,那麼在觀察之後,我們會發現有 50% 機會向上、 50% 向下;
  2. 觀察之前,如果電子的自旋量子態是「(向上 + 向下)除以開方 2 」和「(向上 – 向下)除以開方 2 」的話,那麼在觀察之後,我們會發現有 50% 機會向上、 50% 向下。

WTF ,這不是跟沒有說過話沒有分別嗎???我們會問,既然做這個實驗不能分辨到底是 case 1. 還是 case 2.,根據科學精神,我們應該選擇比較簡單的那個,即是 case 1. 吧!

沒錯,如果所有實驗都不能分辨 case 1. 和 case 2. 的話,我們應該說 case 1. 比較簡單,所以才是正確的。最後,就讓我介紹另一個實驗,這個實驗說明了為什麼 case 1. 和 case 2. 都是正確的。

首先想像有一道牆,牆上有兩個窄身的狹縫,但是比網球的直徑闊。如果我們用一部網球發球機,向著這面牆發射很多網球,請問在牆後面的什麼方向會發現 最多網球呢?我們會立即知道,因為每個網球每次只能穿過一個狹縫,所以在牆後面正對著這兩個狹縫的方向會發現最多網球,如下圖:

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然後我們把這道牆放入水中,把網球發球機換成一個在水面上下運動的裝置,因此就會在水面製造出波動。我們知道當波動穿過牆上的狹縫,就會一分為二變成兩個波動源。最後在牆後面放很多能夠探測波動幅度的儀器,我們就會發現如下圖的所謂干涉現象 (inferference),因為兩個波會互相疊加、也會互相抵消:

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現在我們來想像,我們今次發射的不是網球,而是電子,而牆上的窄身狹縫,大小只是能夠讓細小的基本粒子通過。在牆後面我們放了很多電子感應器。現在 我們再問同樣的問題:究竟在什麼方向的電子感應器會感應到最多的電子呢?直覺上我們會認為答案與上述的網球實驗一樣吧!但我們發現,結果卻是如下圖般的, 電子竟然會在感應器上留下只有波動才會有的干涉圖案!

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[上圖由 b > c > d > e 是向著雙狹縫發射越來越來電子的結果,可以清晰的看到干涉現象。更奇異的是,實驗中每次只發射一個電子,所以就證明了電子會同時穿過兩個狹縫,然後自己和自己進行干涉。圖片來源:en.wikipedia.org/wiki/Double-slit_experiment]

這個實驗就是著名的電子雙狹縫實驗 (double-slit experiment):這個實驗顯示了電子會像波動一樣,互相干涉、疊加 、抵消!更甚的是,就算我們每次只發射一個電子,我們也會發現相同的干涉圖案!即是說,電子竟然會同時穿過兩個狹縫,然後自己和自己進行干涉現象!!!

上述的結果是當我們不知道電子是從哪一個狹縫通過的時候,即是沒有觀察電子是從哪一個狹縫通過的時候,電子就會同時從兩個狹縫通過。可是如果我們在兩個狹縫上安裝感應器,我們就可以知道電子究竟是從哪一個狹縫通過了。如果兩個感應器同時響起,即是同時探測到同一個電子,就等於我們有方法去觀察上述的「同時存在的兩個量子態」了。

可是,大自然不允許我們這樣做。物理學家發現,如果我們在兩個狹縫上安裝感應器,每次發射一個電子的時候,永遠只有一個感應器會響起。更不可思義的 是,原本在上一個實驗裡出現的電子自己干涉自己的圖案,現在卻消失了,剩下的是好像網球實驗中的圖案!這個實驗漂亮地顯示了量子力學的核心:不同的量子態 在被觀察前是同時存在的!

我們要注意一點:並非好像擲毫那樣,在硬幣未落地之前正反兩面都是確定的,只是我們不知道哪一面最後會向上而已;如果我們知道擲毫的力度、把空氣阻 力和重力等等所有因素計算在內,理論上我們是可以預測擲毫的結果的。而量子力學的精髓就在於,我們永遠無法得知在觀察之前的電子究竟通過了哪一個狹縫、或究竟它是向上或向下自旋;其原因不是資料不足,而是電子是確確實實地同時通過兩個狹縫、確確實實地同時向上和向下自旋的!

最後,這是費曼於 1964 年在 Cornell University 的講座 “The Character of Physical Law” 中的第六講 “Probability and uncertainty – the quantum mechanical view of nature”,他漂亮地講解了這個電子雙狹縫實驗,非常值得一看:

封面圖片來源:richard-feynman.net

原刊於作者博客

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