量子力學就是魔法


摘錄《凝態物理:從半導體、磁浮列車到量子電腦,看穿隱藏在現代科技背後的混沌、秩序與魔法》作者在書中提及康乃爾大學凝態物理學教授大衛・梅明(David Mermin)的段落


第五章 在熟悉的原野之外p.165
關於量子力學,存在好幾種不相容的哲學詮釋:議論其數學式代表的是怎樣的究竟現實。但詮釋無法藉實驗分辨虛實。我會避開這些會把我們拽進深海裡的揣測的暗流,並且緊跟著可由實驗闡明的主題。畢竟本書並非意在解決數十年來未得解的爭議。抱持前後一貫的個人哲學是很重要沒錯,但現代大多物理學家每次援用量子力學時,已經擱置了「不知它何以有效」的問題,就好像汽車技師不會整天苦惱古希臘哲學家所提出,說運動並不存在,只是幻覺的著論。這個方針被名滿天下的康乃爾大學量子物理學教授大衛・梅明總結為「閉嘴並計算」。
這也是我們應注重量子力學的理由:它使命必達。記得護身符所說的,我們不是為了魔法而發明魔法。量子力學其實是史上最與觀測吻合的理論。例如說它計算出的「精細結構常數」與實驗量測的差距只有兆分之八一。³ 比任何我們賴以建築家屋的古典力學,或賴以設計飛機的流體力學精確得多。依靠量子力學我們才能釐清恆星內部構造、藉雷射在光纖網路中傳訊,以及在醫院非侵入性檢查人體。話說回來用 X 光繞射獲得倒易晶格的圖像也純屬量子行為。它主宰了原子的世界,更是通往再生能源如太陽能與核融合能源的鑰匙。一切智慧電子產品:手機與電腦都依量子原理運作。這全是因為凝態物理學就是應用量子力學。

p.170

我從小就懂憬量子力學的魔法,還找了每本有關的科普書來讀。初次看到符號 Ψ 我覺得美極了。那些書教我這符號會在量子力學最具代表性的方程式裡出場:薛丁格方程。但因為書上是用散文語言概略描述式子,卻沒真的把它寫出來。所以在維基百科存在前的年代,我只能想像它的符號長怎樣。

我十四歲那年到阿爾卑巴赫這個奧地利的小山村度假。我隨身帶著一本量子力學的科普書:約翰・格里賓的《尋找薛丁格的貓》(一九八四)。在村子裡的墓園漫步時(普通青少年的正常娛樂),我找到一座奇怪的墓,雖貌不出奇卻明顯比四周的墓保養良好,有花束和蠟燭。我吃驚地發現碑石上刻著數學式:我們世界的創生語。如圖 18 薛丁格墓的銘文)。

這就是薛丁格方程式,而那些科普書只敢提及其通名。我陰錯陽差地來至它的創造者:埃爾溫・薛丁格的墓前。其含義以當時我薄弱的數學知識不足以窺其一二。但我將它們深深映在腦海,猶如古代虛恩文。我知道 Ψ 就是魔法,而這一行石中符文就包含其一切奧祕,超過言語所能述說。

那麼我已展示那天我所見的符號,一如薛丁格墓上所示。我將不會解釋他們的意義,但一樣會試著用言語傳達給你一些它含有的魔法。況且本書的重點在於理解底層與突現世界的關聯,像是為何熟悉的宏觀宇宙看似欠缺那些量子魔法。再次引述著名的量子力學學者大衛・梅明:

「我總是藉書寫讓我自己更理解物理。某種意義上,方程式卸下了我思考的重擔。」

這感想格外合適,因為就連物理學家也不知道波函數 Ψ 的葫蘆裡賣什麼膏藥。我們在計算中使用 Ψ,以減輕必須一直狐疑量子領域發生了什麼的重擔。我們只知道 Ψ 經過簡單的數學操作,便能用來推導出在某位置找到粒子的機率。在機率不確定的描述間,它能召喚出確定的陳述。舉例來說,以下就是能施展波函數威力的一招實用魔術:量子穿隧。


第七章庇護咒 p.235
沒人看月亮時它還在那兒嗎?
本節標題是((槓掉)無恥盜用(槓掉))致敬大衛・梅明一篇出名的量子纏結的文章標題(註),文章開場白正合本書主旨:「量子力學就是魔法。」

先前我介紹說梅明是量子力學大師。實際上他是位有名的凝態物理學家,名氣亦源於他擅長精闢解釋量子領域最具魔力的諸面向(他的名字很像梅林純屬意外)。他寫的凝態物理教科書深受每個一九七〇年代的大學生依賴。我認為梅明以這句話開頭意義深長。當你身為量子力學的專業人士,很容易一味駁斥任何不可思議之處,就好像承認有某些事連你也不懂,辜負了人們期待一樣。明明年輕時你很醉心於量子力學,乃至選擇入行當物理學家天天與它為伍。有天你卻鬼迷心竅篤定說「這檔事沒什麼神秘的」。從此你卡在第二階段:弄懂了一些魔術的手法,開始不覺稀奇。但就像沙漠裡的魔術師教我的,要是專業魔術師仍能傾心欣賞魔術表演,為何你不能呢?梅明的字句有力傳達了這點。而他的專業權威令物理學家願意承認心中魔法的悸動。

梅明出生於一九三五年,同年愛因斯坦寫下了第一篇量子纏結的論文。在某次訪談中梅明說:

「物理吸引我的是它的魔法。魔法共有兩類:相對論還有量子力學。」

兩者都是愛因斯坦在一九〇五年建立的。我遇過梅明本人一次,可惜當場沒認出他來。當時我是大一新生,報名參加一場在德國舉辦的量子力學研討會,召集人是安東・蔡林格教授,他領導的團隊進行了世界第一個「量子遙傳」實驗。¹ 我沒有熟門熟路的旅伴,還想著是否我太資淺會被攆出會場。除了這些不安因素,我竟然決定提前一天到,想用一口破德語找間旅館住下,卻無處有空房。研討會是在德國物理學會的總部舉辦,那是棟宛如十八世紀宮殿的建築。我因內心的冒牌者症候群不敢提前報到,於是,我在附近的建築工地裡找了地方,用長袍般的外套裹好身子睡覺。不久一隻老鼠竄過我身旁,逼我重新考慮我的選項。我決定最好是溜進宮殿,躲著過一夜。我成功潛入後,找到一間圖書室,就在溫暖爐火旁的扶手椅上入睡。我還在膝上放了本書,要是員工質問,我可以假裝是讀書讀到睡。翌日早晨七點,我覺得時機恰當,就走到大廳櫃台。沒有職員,沒有人。我只好自助,拿走對應我客房的鑰匙。到房間我發現有兩張床,我有室友!被我吵起床後他解釋說他昨天一整天都在這,我們本來就該自己入住。難道我沒看通知書嗎。

接下來的研討會就順利多了。我有機會和梅明請益。在其後幾年,我除了徹底翻熟了他的教科書,當我需要參考某內容都能一次翻到,也屢次詢問關於自己物理職涯規劃的事。梅明每次都諄諄善誘,像我們第一次在一大早的客房裡碰面那樣。

正是多虧梅明的一篇文章,我才首次覺得我稍微理解了量子纏結。我會照搬他的例子,只改寫一點情境。

(註)N. D. Mermin Is the moon there when nobody looks? Reality and the quantum theory.

 *N. D. Mermin Quantum Mysteries Revisited