第5章 量子力學
如果要說近百年來物理學家有什麼重大的發現，或許就是──宇宙比任何從前的科學家所想像的還要古怪！
愛因斯坦的相對論顯示：事實或真相不一定會符合我們日常生活的經驗；不同的物體所感受的時空變化有可能不同。接著物理學家又提出一個新的理論，把我們所認知的一切再度推向前所未有的世界；根據這個理論，物體可以同時出現在兩個地方，並且同時展現兩種不同的性質。
這個刷新人們想像的理論，就是本章要談的量子力學。
量子力學的用途
對許多物理學家而言，量子力學為什麼這樣運作並不重要；如何利用基本粒子的神奇性質、它們可以完成哪些事？才是最重要的。
牆裡牆外
粒子的量子本性有不確定性，這讓粒子有一種奇怪的性質，稱為量子穿隧⋯⋯那到底是什麼意思？
人物A：像山羊這麼大的東西會遵守古典物理學的原理，例如牛頓運動定律。也就是說，當一隻山羊遇到一堵牆，牠沒辦法穿過去。還是……難道牠可以？
人物B：如果換成粒子，適用的原理就不同了。當粒子遇到一堵牆，它的波函數可以延伸到牆的後面；它們的位置無法確定，也就是說，它們有可能出現在牆的另一側。
所以，如果測量一顆粒子的位置，有可能發現它「輕輕一跳」，就已經在那堵牆後方──這就是量子穿隧。
而且這種事真的會發生。
但是，牆愈厚，發生的機率就愈低。
人物C：重點來了，一隻山羊要經歷穿隧效應並不是完全不可能。不過，那需要構成這隻山羊的所有粒子（那是非常、非常多的粒子）在同一時間，用同一方式運動。
人物D：只要一件事有可能發生，物理學家就會想辦法實現。
穿隧到新世界
好吧！到目前為止，還沒有人嘗試推一隻山羊穿過一堵牆。但是人們努力想駕馭量子穿隧的神奇效應──例如發明威力強大的神奇顯微鏡。
人物B：一般的顯微鏡有其極限，如果你要觀察的物體小於可見光的波長──例如一顆原子，在一般的顯微鏡鏡頭下，根本看不到。
但是掃描穿隧顯微鏡（縮寫為STM）克服了這個問題。它有個帶電、非常小的尖端。這個尖端可以非常、非常靠近要研究的物體─例如一顆原子，中間只隔著一點氣隙。
氣隙就像一堵牆。有時候，電子會由顯微鏡的尖端「穿隧」到要觀測的物體上。
這些電子變成微小的電流，被STM偵測到。
顯微鏡的尖端與物體之間的間隙愈小，就有愈多電子穿隧，STM偵測到的電流就愈大。
STM透過電腦測量穿隧電子的運動，並建構出物體內原子的形狀，然後呈現在螢幕上。
STM可以顯示原子及原子的排列情形，真是神奇！STM還能用來協助製造電腦零件，因為有些零件只有幾顆原子的大小！
互相糾纏
微小粒子還有另一個奇怪的性質是：即使隔著真空，它們也會互相影響；而且這種性質不只在相隔短距離時發生（像磁鐵那樣），而是可以橫越好幾個星系──科學家稱它為量子纏結（或量子糾纏）。
當物理學家用「纏結」描述粒子時，他們的意思是一顆粒子的「狀態」可以立即提供你另一顆粒子「狀態」的資訊。你可以這樣想像……
人物C：你有一顆黑色彈珠和一顆白色彈珠，分別放在一個你無法看到內部的盒子裡。
這兩顆彈珠是互相纏結的狀態。意思是說，如果你打開其中一個盒子，看到白色彈珠，你會立即知道另一個盒子裡有黑色彈珠。
就算你把兩個盒子分隔好幾光年遠，這兩顆彈珠還是互相纏結──只要看到其中一顆，就能立刻知道另一顆彈珠的顏色，即使它遠到你可能永遠無法看到它。
物理學家可能會刻意讓一組粒子互相纏結，因為這樣一來，就算他們無法直接觀測某些粒子，也有辦法得知它們的狀態；但這同時也意味著，只要改變一顆粒子的狀態，其他任何跟它纏結的粒子都會跟著改變。
人物A：真酷！
人物B：酷嗎？我覺得毛骨悚然。
人物C：如果你問我，我覺得又酷又令人毛骨悚然。不過這給了我靈感……
瞬間移動到遠方？
物理學家想到，量子纏結或許有可能讓原本只出現在科幻小說裡的科技──遠距傳送在真實世界裡實現。但是，就像量子力學的大多數概念一樣，讓想像成真的方法⋯⋯有點奇怪。
人物C：這兩顆光子互相纏結。我還沒有測量它們，所以依照物理學家的說法，目前它們是「所有可能狀態的疊加」。
我把一顆光子留在這裡……
……另一顆移到那裡。
現在我要賦予這顆粒子我希望它具有的狀態。設定這個狀態的動作會「遠距傳送」相反的狀態給纏結的粒子。
遠距傳送聽起來不可思議──也確實不可思議。目前物理學家就連把一個人遠距傳送到隔壁的房間都做不到，更別提傳送到另一顆行星上；因為遺憾的是，物體愈大，它的波函數就愈小，因此愈難纏結。
人物A：要設定人體每一顆粒子的狀態，實在太複雜了。
人物B：而且遠距傳送只能把互相纏結粒子的資訊傳過去，你並不能遠距傳送你自己……
雖然構成你身體的每一顆原子的資訊可以透過量子纏結傳送到遠方，但那裡必須有一個複製的你來接收資訊。
人物A：事實上，量子遠距傳送已經有成功的例子。經由量子纏結，資訊從環繞地球的人造衛星上傳回地面──傳送距離長達1400公里！
如果要說近百年來物理學家有什麼重大的發現，或許就是──宇宙比任何從前的科學家所想像的還要古怪！
愛因斯坦的相對論顯示：事實或真相不一定會符合我們日常生活的經驗；不同的物體所感受的時空變化有可能不同。接著物理學家又提出一個新的理論，把我們所認知的一切再度推向前所未有的世界；根據這個理論，物體可以同時出現在兩個地方，並且同時展現兩種不同的性質。
這個刷新人們想像的理論，就是本章要談的量子力學。
量子力學的用途
對許多物理學家而言，量子力學為什麼這樣運作並不重要；如何利用基本粒子的神奇性質、它們可以完成哪些事？才是最重要的。
牆裡牆外
粒子的量子本性有不確定性，這讓粒子有一種奇怪的性質，稱為量子穿隧⋯⋯那到底是什麼意思？
人物A：像山羊這麼大的東西會遵守古典物理學的原理，例如牛頓運動定律。也就是說，當一隻山羊遇到一堵牆，牠沒辦法穿過去。還是……難道牠可以？
人物B：如果換成粒子，適用的原理就不同了。當粒子遇到一堵牆，它的波函數可以延伸到牆的後面；它們的位置無法確定，也就是說，它們有可能出現在牆的另一側。
所以，如果測量一顆粒子的位置，有可能發現它「輕輕一跳」，就已經在那堵牆後方──這就是量子穿隧。
而且這種事真的會發生。
但是，牆愈厚，發生的機率就愈低。
人物C：重點來了，一隻山羊要經歷穿隧效應並不是完全不可能。不過，那需要構成這隻山羊的所有粒子（那是非常、非常多的粒子）在同一時間，用同一方式運動。
人物D：只要一件事有可能發生，物理學家就會想辦法實現。
穿隧到新世界
好吧！到目前為止，還沒有人嘗試推一隻山羊穿過一堵牆。但是人們努力想駕馭量子穿隧的神奇效應──例如發明威力強大的神奇顯微鏡。
人物B：一般的顯微鏡有其極限，如果你要觀察的物體小於可見光的波長──例如一顆原子，在一般的顯微鏡鏡頭下，根本看不到。
但是掃描穿隧顯微鏡（縮寫為STM）克服了這個問題。它有個帶電、非常小的尖端。這個尖端可以非常、非常靠近要研究的物體─例如一顆原子，中間只隔著一點氣隙。
氣隙就像一堵牆。有時候，電子會由顯微鏡的尖端「穿隧」到要觀測的物體上。
這些電子變成微小的電流，被STM偵測到。
顯微鏡的尖端與物體之間的間隙愈小，就有愈多電子穿隧，STM偵測到的電流就愈大。
STM透過電腦測量穿隧電子的運動，並建構出物體內原子的形狀，然後呈現在螢幕上。
STM可以顯示原子及原子的排列情形，真是神奇！STM還能用來協助製造電腦零件，因為有些零件只有幾顆原子的大小！
互相糾纏
微小粒子還有另一個奇怪的性質是：即使隔著真空，它們也會互相影響；而且這種性質不只在相隔短距離時發生（像磁鐵那樣），而是可以橫越好幾個星系──科學家稱它為量子纏結（或量子糾纏）。
當物理學家用「纏結」描述粒子時，他們的意思是一顆粒子的「狀態」可以立即提供你另一顆粒子「狀態」的資訊。你可以這樣想像……
人物C：你有一顆黑色彈珠和一顆白色彈珠，分別放在一個你無法看到內部的盒子裡。
這兩顆彈珠是互相纏結的狀態。意思是說，如果你打開其中一個盒子，看到白色彈珠，你會立即知道另一個盒子裡有黑色彈珠。
就算你把兩個盒子分隔好幾光年遠，這兩顆彈珠還是互相纏結──只要看到其中一顆，就能立刻知道另一顆彈珠的顏色，即使它遠到你可能永遠無法看到它。
物理學家可能會刻意讓一組粒子互相纏結，因為這樣一來，就算他們無法直接觀測某些粒子，也有辦法得知它們的狀態；但這同時也意味著，只要改變一顆粒子的狀態，其他任何跟它纏結的粒子都會跟著改變。
人物A：真酷！
人物B：酷嗎？我覺得毛骨悚然。
人物C：如果你問我，我覺得又酷又令人毛骨悚然。不過這給了我靈感……
瞬間移動到遠方？
物理學家想到，量子纏結或許有可能讓原本只出現在科幻小說裡的科技──遠距傳送在真實世界裡實現。但是，就像量子力學的大多數概念一樣，讓想像成真的方法⋯⋯有點奇怪。
人物C：這兩顆光子互相纏結。我還沒有測量它們，所以依照物理學家的說法，目前它們是「所有可能狀態的疊加」。
我把一顆光子留在這裡……
……另一顆移到那裡。
現在我要賦予這顆粒子我希望它具有的狀態。設定這個狀態的動作會「遠距傳送」相反的狀態給纏結的粒子。
遠距傳送聽起來不可思議──也確實不可思議。目前物理學家就連把一個人遠距傳送到隔壁的房間都做不到，更別提傳送到另一顆行星上；因為遺憾的是，物體愈大，它的波函數就愈小，因此愈難纏結。
人物A：要設定人體每一顆粒子的狀態，實在太複雜了。
人物B：而且遠距傳送只能把互相纏結粒子的資訊傳過去，你並不能遠距傳送你自己……
雖然構成你身體的每一顆原子的資訊可以透過量子纏結傳送到遠方，但那裡必須有一個複製的你來接收資訊。
人物A：事實上，量子遠距傳送已經有成功的例子。經由量子纏結，資訊從環繞地球的人造衛星上傳回地面──傳送距離長達1400公里！
