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SENSE隨筆150120讓人暈眩的量子力學

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SENSE隨筆150120
讓人暈眩的量子力學
執筆人:蟬

作為物理學門外漢,若非憑藉電影《星際啟示錄》介紹相對論和蟲洞理論,可能半輩子也不絲毫知道其內容。 相對論雖然是超過半世紀的科學成就,直到今天仍然是物理學的研究對象,但若要說到近代最具影響力的物理學理論,便不得不提「量子物理學Quantum Physics」了。

大家都知物理學的目的是觀察物理世界不同的現象,並嘗試找出現象之間的關係與規律。 然而量子物理學卻有點不同:它指出甚麼事不會發生,而非甚麼事必然會發生。*** 量子物理學源自一個看似簡單的問題:到底萬物是甚麼造成的?然而物理學家在追尋答案時,卻發現事情比想像中複雜得多。

生活中人們經常會問:這是甚麼物質做的?例如筷子是竹子做的,竹子是纖維做的,纖維是細胞組成的……一直追問下去,物理學家便告訴我們是分子molecule、原子atom,最後是亞原子粒子subatomic particle:“物質”就是一連串焦距以外的形態。 但在這個不斷把物質放大的過程中,科學家發現宇宙可能根本沒有最後的材料,如果硬要說的話,那就是能量energy。****

那亞原子粒子是能量做的嗎?答案卻是否定的:亞原子粒子就是能量本身。*** 量子物理學認為世界基本上只是躍動的能量,能量無處不在,以不同的形式交替展現。人們所謂的 “物質”是能量的一種形式,是能量生滅不息的一種形態。

這種禪味甚濃的說法始於物理學家尋找宇宙最小的積木開始。 他們的取徑很簡單:將物質不斷分解至最小塊為止。 舉例若要找出一個時鐘的結構,我們可以把時鐘不斷拆散,直至把每一個細小的零件也分解出來,直至不能再拆細為止。這便是粒子加速器的原理:將兩顆亞原子粒子加速互撞,撞擊所產生的碎片,便是它們的“質料”了。

這個極之合乎邏輯的實驗方法,其結果卻出乎意料,像美國物理學家David Finkelstein所笑言:粒子加速器實際就好像將兩座時鐘對撞,結果飛出來的不是齒輪和彈簧等零件,而是新的時鐘,有時還和原來的一樣大。

在撞擊的過程中,撞擊的粒子的確是碎了,但卻立即又組成了新的粒子,而這些新粒子都跟原來的一樣“基本”,質量往往又和原來一樣大。**** 物理學家發現,由於粒子在撞擊時除了質量外還有動能,粒子跑得越快,撞擊點上就有越多動能可以產生新的粒子。

那到底速度如何影響撞擊結果呢?物理學家講到粒子的質量時,一般是指靜止質量restmass,而其他質量則為相對論性質量relativistic mass。粒子的質量會隨著速度增加。
粒子在99%光速時質量比靜止時大7倍,但質量與速度的關係並非線性的,而是在99%光速以上時質量才會急速增加。

舉例一顆電子以0.99986光速運行,及以0.999999996的光速運行時,就速度增加的幅度來說其實微不足道, 差別相當於一部車以2小時跑一段路增速至1小時59分59秒跑完同一段路。但其質量變化卻不然:質量由靜止質量60倍增至1.18萬倍。所以粒子加速器應該叫做粒子增質器才對。

根據愛因斯坦的「質能二元論」E=mc2,質量是一種能量的形式,即存在的能量。運動中的粒子既有存在能量(質量),也有運動能量(動能)。兩種能量都可以在粒子碰撞時用來製造新的粒子。

對量子物理學家而言,質量其中一個最重要的應用是把粒子分成「輕子lepton」、「介子meson」和「重子baryon」。電子是眾粒子中最輕的,故亦用作粒子質量的單位。

說到這裡可能會令人有錯覺,以為量子物理學發展非常順遂,但事實並非如此。物理學家在利用粒子加速器實驗時,由於日常言語的限制,經常會說一些看似很蠢的說話。根據現時的量子物理學,物理學家相信:
1. 亞原子粒子並不是本身獨立存在的;
2. 亞原子粒子既有 “波特性wave properties”,也有 “粒子特性particle properties”,即所以「波粒二象性wave-particle duality」;
3. 亞原子粒子是 “場與場field互動”的呈現。

當中第3點來自「量子場論Quantum Field Theory」(QFT),QFT假設“物質本質上無實體”,真正真實的只有“場”,場並不是物質,物質如粒子只是場與場互動時瞬間的呈現。 場才是宇宙間唯一真正的事物,但它卻無法捉摸,並無實體。場的互動是瞬間而狹小的,互動時看起來像粒子。

量子場論雖不是完整的理論,但卻極具解釋力。 物理學家依然把粒子撞擊實驗中的粒子看成獨立的存在,仿彿粒子就像棒球在鏡頭前飛過一樣地去處理。 這種以古典物理學語言去描述量子力學的情況,只是量子物理學家面對的眾多難題之一。然而這種奇怪的研究狀況,卻在過去四十多年內成功發現了一百多種粒子。***

參考:
《像物理學家一樣思考The Dancing Wu Li Master》(1979) Gary Zukav

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What we are reading:量貝論:量子力學不容怪力亂神

1 : GS(14)@2016-11-13 11:28:42

大選前兩天,Nate Silver的538網站估計,特朗普勝出的機率為1/3。選舉只發生一次,機率有何意義?特朗普的勝算每個人心中有數,但只能透過決定反映:假如博彩公司基於1/3機率開出盤口,賭客會和自已的判斷比較,選擇押注一方。逆主流的賭客,今次贏錢,沒有下一次。數學史上,機率理論正是源自賭博。行動最實際,賭注代表賭客相信的機率。心中的機率越低,賠率就要越高才能吸引下注。如果彩池合理,沒有必勝或必輸的組合,賠率背後的機率就必然遵守機率理論。就是這樣,機率讓我們在不確定中,基於所知的一切,作出理性決定;而隨着所知不斷更新,機率亦不斷改變。可見,課堂教育以擲毫或輪盤描述的頻率派概念來理解機率,只能觸及狹義特例。現實中,不確定的事情大都不重複,機率更因人而異及不斷更新。因此,正面接受機率的主觀本質的貝氏機率論(Bayesian Probability)始祖Bruno de Finetti強調,機率並不在客觀上存在,全屬個人信念,因此貝氏機率亦稱為主觀機率。不過,實際運算上,頻率派和貝氏機率遵守相同的機率數學,差別只在於頻率派無視主觀出發點,以及難以透過機率運算更新。因此,既然研究對象是不斷重複的自然現象,物理學家就懶得深究機率的真義。對機率的理解不足,就是量子力學雖然讓人類深入微觀世界,造就現代科技的一切,卻依然神秘莫測的原因之一。反正詮釋不會影響應用,晚年才認識及接受貝氏機率論的物理學家Mermin故有「不用多講,計算吧」的名言。至近年,各種「量子怪誕」解讀──由「薛丁格的貓」在量子纏繞中既生又死,雙狹縫實驗顯現物質兼具波粒兩性,及至「令愛因斯坦毛骨悚然」的超距作用等──已深入普及文化,物理學界亦再度重視量子理論的詮釋。上世紀末,物理大儒Wheeler的門生Christopher Fuchs開始以貝氏機率演繹量子力學,重新肯定波爾的見解:「物理不應視為對先驗上存在的事物的研究,而是為組織和檢視人類的體驗而發展的方法」。Fuchs與R. Shack等人相信,貝氏思維不但正確詮釋量子力學的機率,更可安置被希臘哲學驅逐出物理世界的主體,「將科學家放回科學當中」,回到薛丁格心目中的本源:「量子力學的表述只能處理客體與主體的關係」。廿年後,Fuchs簡稱為「量貝論(QBism)」的量子貝氏論(Quantum Bayesianism),已大致上能夠透過重整個人體驗和物理世界的關係改寫「量子怪誕」的詮釋,甚至有望以機率為本建立新量子學說,不用透過波函數進入微觀世界,從源頭驅魔。文理大學校長Hans Christian von Baeyer同樣和貝氏機率相逢恨晚,退休前遇上Fuchs的新學說,扭轉了被費曼判定的「無人明白量子力學」宿命。文理大學的教職讓教授一生專注教學,von Baeyer很快看到,量貝論雖是激烈的觀念革命,但毋須改寫量子力學,不難明白。他的新作《QBism: The Future of Quantum Physics》由哈佛出版,是第一本量貝論科普著作。在教授的獲獎文筆下,Fuchs讀後自言有如重新再學一次。不管你對量子力學涉獵多深,《QBism》都是「一本到尾」的讀物,帶你繞過坊間的量子怪力亂神,直達自然主義者理想中的終極境界,在包括自我的宇宙當中認識宇宙,不假外求。
TC




來源: http://hk.apple.nextmedia.com/financeestate/art/20161113/19831599
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