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述說深奧的量子力學的發展故事的科普書籍——曹天元《上帝擲骰子嗎:量子物理史話》


上帝擲骰子嗎:量子物理史話

在高中時修的物理科目,短短幾個學年時間要被灌輸多少知識和算式,於是課程設計為直至大學先修班(中六)才勉強涵蓋了大多數經典物理學理論(即包括牛頓力學、經典電熱學和統計學等),最後一課也只是不明就裡地學到 E=mc2 這個著名的公式,在質量和能量轉換時套用作計算而已。不知是禍還是福,畢業後若沒有再往物理學方面進修,什麼現代物理學的『兩大支柱』(即相對論和量子力學),則通通不懂。

『量子物理』(或更常被稱作『量子力學』)已是創立百年的物理學分支,可我想我還是寡聞的——直到近年來才聽聞這個名詞,也僅止於聽聞而已。

後來讀過《秘密》這本書,裡面把量子力學作為吸引力法則的一個論證,即意識可以影響世界;吸引力法則這兒暫且不談,但有了「量子力學是個很玄的東西」的概念,好奇心催使我想去了解。也曾見過相關的線上課程,但見到介紹影片的不少公式而卻步,直到某天有幸遇到《上帝擲骰子嗎:量子物理史話》這本書。我對作者曹天元並沒有認知,但在網上快速搜索後,見書評褒多於貶,於是馬上將之列入閱讀清單內,在上個月閒暇時間讀完。

科學理論不沉悶
嚴格上這不是一本理論教科書,而是量子力學的發展歷史故事(書中時間線上時常跳躍);而要述說歷史必然需要提及科學理論,重點在於這本書以極其生動的比喻,為使沒有深厚物理學知識的讀者也較容易理解,我正是衝著這點才一頁一頁地翻下去的——我的目的是要去除對量子力學的完全盲目,知曉其理論,但絕不要耗時耗力去理解複雜的公式和計算,那對我來說沒有意義。

書中對科學理論的比喻,我印象較為深刻的其中一個例子正是量子理論,亦可說是量子力學整個分支的起始:假定能量的吸收和放射並非連續性,是不能無限分割的,反之要以量子為最小單位,每個量子包含一定的能量(普朗克常數,代號 h)地轉移。正如美金現鈔最小的數額為一美分硬幣,在使用現鈔的情況下,你可以支付或接受的金額必然是一美分的倍數,而不能支付或接受 0.1 美分、 0.01 美分之類的金額。


所謂『量子』就是一份一份的能量,而非連續性地吸收或放射能量。

不解!雙縫實驗——電子的波粒二象性
在量子力學的領域裡,發展演變過程中原本不解的一個個問題——從黑體輻射到光電效應等都由偉大的科學家們提出理論完美的解釋了;可這時卻有一個很玄的實驗觀測結果,無法完美解釋,以致在探索、爭議的過程中,直接或間接地推進了對量子力學的發展。

已知電子是粒子的一種;可在雙縫實驗中,電子在探測屏上打出了波的干涉圖樣。而科學家嘗試觀測電子究竟通過哪個狹縫時,電子卻又變為只會通過某個狹縫,且干涉圖樣也消失了。簡單來說,不觀測時與觀測時所得的結果完全不一樣,前者一顆電子似乎可以同時通過兩個狹縫,並與自己交涉;後者則展示傳統的粒子性,一顆粒子只會通過一個狹縫。

這本書的後半部完全圍繞在這個不解之謎(或該說沒有一個所有人都可以滿意接受的解釋)。依次描述了幾種論點和解釋,其中較有名,常被作為電影、科幻故事的題材的兩個說法要數『哥本哈根詮釋』(量子態疊加、波函數塌縮說)和『多世界詮釋』了。前者亦延伸出著名的思想實驗——『薛定諤的貓』,我想薛定諤並非是想藉此驗證量子態疊加假說,而是想以此諷刺假說中『觀測行為可以影響量子態』這個違反人們思考邏輯和經典物理學理論的概念吧。

這後半部可說正是量子力學歷史最精彩的部分,可惜也正是我還未有認知的領域;每在談及一個新的理論或概念時,只感要多費力才能理解,這時作者對該理論的代入比喻可就助益良多了。

愛因斯坦的『落敗』
『上帝擲骰子嗎』,出自愛因斯坦表示不能接受玻爾提出的機率波理論的一句話:「我不能相信上帝是在擲骰子!」

原本要求觀測與計算準確的物理科學,卻給出了機率、隨機性的理論,以致原本開通不拘常理的愛因斯坦也不能接受並大力反對。(按:我也接受不到啊!)

據說愛因斯坦只顧想把量子力學拉會經典物理學的『正軌』,以致後來幾乎對科學界沒有什麼新的貢獻,一度被作為『天才』的代名詞的偉大科學家,就這樣結束一生,著實可惜。而他生前與其他兩位科學家波多爾斯基及羅森共同發表的『愛因斯坦-波多爾斯基-羅森佯謬』,是為批評哥本哈根詮釋而提出的,其思想實驗為推導出量子力學的不完備性;也在他去世後被驗證不成立——若說這是場戰鬥,愛因斯坦確確實實是輸了。

從此至今,量子力學也成為了眾多知識如微電子力學、宇宙學等的推手和基礎,人類在了解這個世界的道路上邁開步伐,前進;我不知道科學界裡是否接受了各種玄乎的解釋,還是仍明流暗湧,但量子力學的成就和貢獻,激動人心而無可否認。

讀後
就結論來說,即使寫法帶了些娛樂性,這仍是本科普書籍(不過重點是放在歷史方面);我想讀者還是需要擁有一定程度的物理科學、數學代數知識,閱讀時才不會陷入不知所以然的窘境。反之,如果已對相關理論和公式有所理解,閱讀時主要是關注一門科學的發展歷史,並且看作者是如何用比喻形容某個科學概念,也許會別有一番風味。

至於說激發了讀者對量子物理的興趣,這本書可能是較成功的;但對個人而言,是不打算過於執著,對這門學問深究了,最主要的原因是我對歷盡百年仍未獲得解決的問題感到困惑,甚至煩躁不安;這時能夠了解愛因斯坦的感受了,也同樣希望物理學家們能夠很快地找出一個可被驗證、非悖論的完美解釋——到時,不知是會對現有的理論的證實,還是會完全推翻百年立下來的科學根基呢?

在骨子裡耍壞,我還是期待後者的(奸笑)。


別去深究,免得自尋煩惱。
「如果一個人不對量子力學感到迷惑,那麼他不懂得量子力學。」——尼爾斯·波爾

※ 關於《上帝擲骰子嗎:量子物理史話》這本書和其作者曹天元,百度貼吧·量子力學吧上有個討論帖子整合了相關的新聞,有興趣的可以點這裡進去看。

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上帝擲骰子嗎:量子物理史話

作者:[中]曹天元
出版社:八方
出版日期:2007年7月24日
語言:繁體中文
ISBN-13:978-9-86-702421-3
其它版本:簡體中文版(中國計量出版社出版)、2013年全新版(台灣八方出版)
這裡有賣:博客來(台灣)有店(馬來西亞)


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