2011 七月號

第六十九期電子報  出刊日期:1000802   

 

 

 


 

 

 

量子力學不只與微小的粒子有關,還適用於大大小小的東西:鳥類、植物,甚至人類。

 

根據標準的物理教科書,量子力學是微觀世界的理論,用來描述粒子、原子和分子;而描述巨觀尺度的梨子、人和植物時,就得改用一般的古典物理。分子與梨子間有個邊界,在那兒量子力學的奇特行為消失,出現我們熟悉的古典物理行為。量子力學只適用於微小世界的這種印象,普遍存在於人們的科學知識裡。例如,在暢銷名著《優雅的宇宙》的第一頁,美國哥倫比亞大學的物理學家格林恩(Brian Greene)提到,量子力學「提供一個理論架構,讓我們理解最小尺度下的宇宙。」古典物理(涵蓋量子以外的所有理論,包括愛因斯坦的相對論)則負責最大尺度的世界。

 

然而,對世界做這種方便的切割,其實是種迷思。很少現代物理學家會認為古典物理和量子力學具有同等的地位,古典物理應該僅是具有量子本質的世界(不論大小)的一種有用的近似。雖然在巨觀世界可能比較難看到量子效應,但原因基本上跟大小無關,而是跟量子系統彼此作用的方式有關。一直到10幾年前,實驗學者仍未證實量子行為可以出現在大尺度系統,如今這已是家常便飯。這些效應比任何人所想的都還要普遍,甚至可能出現在我們身體的細胞裡。

 

即使是我們這些靠研究這類效應吃飯的人,也還沒完全理解它所教給我們的、關於自然運作的方式。量子行為難以視覺化,也不容易以常識理解。它迫使我們重新思考觀看這宇宙的方式,並接受一個新穎又陌生的世界圖像。

 

纏結難解的故事

對量子物理學家而言,古典物理是全彩世界的一個黑白影像,無法完整呈現這個豐富的世界。在舊教科書的觀點裡,當尺度一變大,色調就不再豐富。個別粒子具量子性質,一堆粒子則變為古典。然而,關於尺寸並非決定性因素的第一個線索,可以追溯到物理學最有名的思想實驗之一:薛丁格的貓。

 

1935年,薛丁格想出這個病態的情節來說明微觀與巨觀世界是連在一起的,我們無法畫出界線。量子力學說,放射性原子可以同時處於衰變及未衰變的狀態;若將原子與一瓶可以殺死貓的毒藥連上關係,使得原子衰變會導致貓死亡,則貓會如同原子般處於模稜兩可的量子態。怪異性質由一個感染到另一個,大小在此不重要,問題是為何貓的主人都只會看到他們的寵物非死即活?

 

以現代的觀點,世界看起來像古典的,是因為物體與環境間複雜的交互作用將量子效應掩藏了起來。例如,貓的生死資訊透過光子和熱交換,迅速滲漏到環境裡。量子現象會牽涉到不同古典狀態的組合(例如同時死與活),而這種組合很快會散逸掉。這種資訊的滲漏是「去同調」過程的基礎。

 

大的東西比小的容易去同調,這就是為什麼物理學家通常可以只把量子力學當成微觀世界的理論。但在許多例子裡,這種資訊滲漏可被減緩或停止,如此一來,量子世界就會全然顯露。纏結(entanglement)是典型的量子現象,這是薛丁格1935年在那篇將他的貓介紹給全世界的論文裡發明的名詞。纏結將幾個獨立粒子綁為不可分割的整體。一個古典系統總是可以分割的,至少原則上是如此;由個別組件集合而得的性質,在個別組件裡也會有。但是纏結的系統無法如此分割,並且會導致奇怪的結果:纏結的粒子即使互相遠離,仍會表現為單一整體,這就是愛因斯坦所稱、著名的「幽靈般的超距作用」。

 

物理學家通常講的是電子等基本粒子的纏結。這些粒子可粗略想像為旋轉的小陀螺,以順時針或反時針方向旋轉,轉軸指向任意給定的方向:水平、垂直、45度角等。測量其自旋時,必須選定一個方向,觀測粒子是否順著那個方向轉動。

 

為了方便說明,假設粒子表現的是古典行為。你可以將一個粒子沿水平軸順時針方向旋轉,另一個沿水平軸反時針方向旋轉;如此一來,兩者的總自旋為零。它們的轉動軸在空間中是固定的,測量結果會取決於你選的方向是否沿著粒子的轉動軸。如果對兩者都做水平軸的測量,則會看到兩個粒子轉動方向相反;如果都做垂直軸的測量,則完全不會偵測到這兩個粒子的轉動。

 

然而,如果是具有量子性質的電子,則情況會驚人的不同。你可以讓粒子的總自旋為零——即使你沒有給定個別粒子的轉動方向。測量其中一個粒子時,你會看到它隨機以順時針或反時針方向轉動,就好像粒子是自己決定要朝哪個方向轉。而且,不管你選擇測量哪個方向,只要對這兩個粒子測量同一方向,則測得的轉動方向永遠相反,一個順時針,一個反時針。它們怎麼知道要這樣做?這仍然是個極其神秘的性質。不僅如此,如果你對一個粒子做水平軸測量,對另一個做垂直軸測量,則個別仍可量到部份自旋;這就好像粒子沒有固定的轉動軸。因此,測量結果是古典物理無法解釋的。

 

是誰在幫助原子排列?

大部份的纏結實驗都只用到幾個粒子,因為一大群粒子不容易隔絕環境的影響,其中的粒子很容易跟無關的粒子纏結,破壞原始的內在連結。以去同調的說法,就是有太多資訊滲漏到環境裡,造成系統有古典的行為。對我們這些尋找纏結的實際用途(例如量子電腦)的研究人員來說,保持纏結是一項重要的挑戰。

 

2003年,有一個巧妙的實驗證實,如能減少滲漏或加以抵消,則大的系統也可以保持纏結。英國倫敦大學學院的伊普利(Gabriel Aeppli)等人將一塊氟化鋰鹽放在外加的磁場裡。鹽裡的原子就像旋轉的小磁棒,會盡量與外加磁場同向,這種反應表現為磁化率。原子間的作用力就像同儕壓力般,會讓它們更快排列整齊。研究人員改變磁場強度,然後測量原子排得多快。他們發現,原子的反應速度比彼此作用力的強度所能提供的還快。顯然有額外的效應幫助原子排列整齊,而研究人員認為這是纏結造成的。若真如此,則鹽塊裡1020個原子形成了巨大的纏結態。

 

 

撰文∕費德拉(Vlatko Vedral) 翻譯∕張明哲

【欲閱讀更豐富內容,請參閱科學人2011年第113期7月號】

 

 

 


 

 

 

 

 


 

 

2011物理教學及示範研討會

舉辦時間:8月19~21日

舉辦地點:國立東華大學 理學大樓 理一講堂

指導單位:國家科學委員會自然處物理研究推動中心
       教育部能源國家型科技人才培育計畫

主辦單位:國立東華大學物理學系

合辦單位:中華民國物理教育學會

協辦單位:輔仁大學物理系、國立中央大學

主辦人:國立東華大學物理學系 葉旺奇教授

 

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