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2021-05-01量子世界中鬼魅般的粒子 物質波 617 期

Author 作者 施奇廷/清華大學物理系博士,任教於東海大學應用物理學系,從事計算神經科學研究;並致力於將影視動漫畫等娛樂作品與物理教育結合,希望吸引更多人進入物理學的世界。
「量子力學是什麼?可以吃嗎?」在《復仇者聯盟》(The Avengers)系列電影上映之前,除了物理系的師生以外,一般人聽到「量子力學」的反應,大概就是這樣吧。不過隨著使用了大量「量子梗」的電影系列大賣座,「量子」突然成為社會大眾耳熟能詳的名詞,然後各種神奇產品如「量子波動速讀」、「量子能量水」、「量子磁吸睫毛夾」……紛紛出籠。當然,這些東西都跟真正的「量子」無關。

物理學是我們用來認識這個宇宙由哪些物質組成,以及這些物質依循哪些交互作用行動的學問,有了物理學,我們可以理解它們過去、現在、未來的行為。19世紀末,古典力學與電磁學的理論架構發展粲然大備,而且與實驗所觀測到的各種現象都十分吻合,因此在物理界也流傳這樣的說法:「物理學已經不會有什麼新事物可供發現了,剩下的只是更多和更精確的測量。」意思是說,人類的科學已經完全掌握了宇宙運行的法則,這是何等豪氣的發言!諷刺的是,進入20世紀後,物理學界發生了一場天翻地覆的「量子力學」大革命,過去物理學家奉為金科玉律的物理「定律」,被「降級」成為我們所熟悉的巨觀尺度下的「近似」而已。

 

物理革命導火線 所以我說那道光是粒子還是波?

引發這場物理革命的引爆點,是一個可以追溯到牛頓(Isaac Newton)時代的老問題:「光是粒子還是波?」

粒子跟波是兩個難以相容的概念。粒子具有固定的位置(可以用一個點座標來描述)與運動軌跡(可以用一條線來描述);而波則是一種隨著時間演進在空間中傳遞特定物理量的「擾動」,可以在整個空間中擴散。

牛頓認為光是粒子,光的直線前進符合慣性定律,碰到平面反射時可用彈性碰撞解釋,進入不同介質的折射則是因為光粒子被介質吸引,進而產生角度偏折。但是惠更斯(Christian Huygens)則主張光是波動,兩派各有其擁護者,吵了100多年。一直到1801年,楊氏(Thomas Young)做出了「光的雙狹縫干涉」這個決定性的實驗。

實驗中的干涉現象來自空間中波的疊加,在屏幕上產生亮暗交錯的干涉條紋(圖一上);如果光是由一群粒子組成的話,只能從光源直線通過兩個狹縫打在屏幕上,會看到兩個亮區(圖一下)。但實驗結果卻顯示,光通過雙狹縫後,會在屏幕上看到干涉條紋,證明了光是一種波動!之後電磁學的發展更讓我們了解,光其實就是電磁波。

圖一/光的雙狹縫干涉實驗
如果光是波動,右方屏幕上會看到亮暗交錯的干涉條紋伸展開來(上圖);如果光是一群粒子通過雙狹縫,屏幕上則會看到兩個亮區(下圖)。

 
電場與磁場在時間與空間中的週期性變化,光的所有特性包括反射、折射、干涉、繞射都有了完整的理論解釋。到此,科學界認為我們已經把光的特性弄清楚了。……【更多內容請閱讀科學月刊第617期】