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「懂不懂量子力學是物理學家的事，會不會用就是咱們的事， 利用好的話，你就可能是下一個馬雲或比爾‧蓋茲。」 ——百萬YouTuber 老高與小茉 什麼是量子力學？ 就是微觀世界的物理學（國高中學的物理是宏觀世界的）， 也是一門與人類直覺相衝突的物理學。 例如，量子力學最著名的例子，是一隻名為薛丁格的又死又活的貓？ 啥？怎麼會有貓又死又活呀？ 量子力學還說，地球是個波，電腦是個波，你和我也是一個波…… 所以，你看到的我，不是真的我？（這明明是物理學，怎麼聽起來像哲學） 還有，你相信在另一個平行時空裡，也有一個一模一樣的你嗎？ （別笑，我這麼說絕非韓劇看太多， 但你如果看過電影《星際效應》，顯然你已經接受量子物理了） 這門學問聽起來荒謬，為什麼還要搞懂它？ 因為沒有量子物理，就沒有現代資訊革命。 我們天天滑的手機裡面的晶片、充電器， 治療青光眼、近視眼的雷射光，還有可以診斷出大部分腫瘤的核磁共振等， 都是量子物理的一種。（因為它們都是一種波） 在已開發國家中，超過1/3的國內生產總值都跟量子力學有關， 這是一門改變人類生活最有用的物理學。 本書作者羅金海，是擁有100萬粉絲「量子學派」部落格的創始人， 曾在中國國家技術中心設計潛艇，還在新聞行業做過評論主編。 在量子學派部落格上連載的「量子物理趣畫」， 將難懂的量子物理知識，化為簡單漫畫，網路累計閱讀超過三千萬次。 ◎量子力學的基本定律 科學家常說，萬物皆有定律，天上天下，沒有物理學解釋不了的現象， 偏偏量子力學主張：宇宙是一個充滿不確定的能量世界，直到你看見，它才存在！ （聽起來很像哲學） 所以，主張確定論的天才發明家愛因斯坦就非常嗤之以鼻，甚至帶頭反對！ 但量子力學真的不可預測嗎？其實它是有跡可循的， 作者用有趣的漫畫，解釋「不確定性原理」、「思維實驗」和「互補原理」， 告訴你量子物理的基本定律。 ◎真理與不確定性的物理大戰 量子力學的出現，竟然要感謝一群科學家的私人恩怨？ 1927年，以丹麥物理學家波耳為首的哥本哈根學派，以「不確定性原理」解釋量子力學， 而主張萬物都存在「確定性」的愛因斯坦，為了真理隻身挑戰一群物理學家。 沒想到，三回合下來，愛因斯坦三戰全輸， 並留下一句名言：「你真的相信，月亮只有在看著它時才真正存在嗎？」 所以他終其一生都無法認同量子力學。 愛因斯坦曾說：「上帝不擲骰子。」 霍金博士卻說：「上帝不但擲骰子，他還把骰子擲到我們看不見的地方去！」 這個物理學史上最大的論戰，到底誰是誰非？ 本書用最直觀的方式呈現在你眼前。 對了，想認識量子力學，千萬不要「不自量力」（不要自學量子力學！） 本書可以幫助你。
羅金海 擁有100萬粉絲「量子學派」部落格的創始人，曾在中國國家技術中心設計潛艇，還在新聞行業做過評論主編。熱愛科學，迷戀人文，左半腦和右半腦戰鬥力均等。既是「數理世界懂詩詞歌賦的工程師」，又是「人文學科裡懂量子力學的主編」。 在量子學派部落格上連載的「量子物理趣畫」以詼諧幽默、輕鬆搞笑的筆法，將難懂的量子物理知識推向閱讀量近十萬次，累計閱讀超過三千萬次。
RECOMMENDED BY
各界推薦 暢銷科普作家／林文欣 臺北市立大同高中物理科教師／劉彥廷 科普粉絲專頁／寫點科普，請給指教。
TABLE OF CONTENT
推薦序一 上帝不擲骰子！／林文欣 推薦序二 老師，應該是知識的表演者／劉彥廷 推薦序三 解鎖我們不曾真正理解過的客觀宇宙／寫點科普，請給指教。 引言 量子力學的前夜 第一章 從光的本質說起 第二章 舊量子論的奠基 第三章 量子力學的基本定律 第四章 愛因斯坦和哥本哈根學派的偉大戰爭 第五章 薛丁格的貓 第六章 貝爾不等式 第七章 量子力學的應用
PREFACE/READING GUIDANCE
推薦序 上帝不擲骰子！ 暢銷科普作家／林文欣 20世紀初，法國有一位世襲公爵且家族富有的年輕人，最初主修歷史，後來對物理學產生興趣，就改攻讀理論物理博士學位。1927年，這位年輕人發表博士論文的主要論點只有一個：「既然波可以是粒子，那麼反過來粒子也可以是波。」意思是具有粒子特性的電子、中子及質子也可以具有能量形式的波。 1927年，通過電子衍射實驗證實了電子確實具有波動性，這位名叫德布羅意（Louis de Broglie）的年輕人，獲得了1929年的諾貝爾物理學獎，是歷史上唯一用博士論文得到諾貝爾獎的人。 此時，人類終於認識到：所有的物質，不管是光還是電子、中子及質子，都有兩個身分，既是看的見的粒子，也是看不見的能量形式的波，這是人類史上第一次證實了宇宙存在兩個空間。 當哥本哈根派提出：「宇宙是一個充滿不確定的能量世界，直到觀察者觀測時才産生物質世界」的論調時，這在1920年的時空背景下，簡直不可思議，顛覆所有人的認知，讓遵循「確定論」的愛因斯坦很不舒服，立即帶頭反對，他不相信宇宙竟然存在一個無法預測與確定的現象。還對「機率解釋」說了一句著名的話：「上帝不擲骰子！」，並在一次散步時問他的學生：「你真的相信，月亮只有在看著它時才真正存在嗎？」 為此，愛因斯坦與哥本哈根派為首的波耳，從此展開了物理學界最著名的「愛波論戰」。他們兩人的爭論主要集中在量子力學的理論基礎及哲學思想方面。實際上，也正因為這兩位大師的不斷論戰，量子力學才能在辯論中快速成熟發展。 愛因斯坦胸有成竹的認為自己有朝一日會大獲全勝，因為他的理論已經證明宇宙沒有超過光速的東西，他要波耳證明宇宙有一種超光速的「幽靈般超距離作用」的存在。 直到1982年，才由法國科學家Aspect小組，證明確實有超過光速「幽靈般超距離作用」的存在，這種現象被稱為「量子糾纏」。從那時起，直到現在，世界上所有進行過的實驗數據都站在哥本哈根派這一邊，證明愛因斯坦是錯的。愛因斯坦一直認為上帝不擲骰子，但是霍金卻說上帝不但擲骰子，他還把骰子擲到我們看不到的地方去。 原來時空本來就不存在，其實是在黑洞裡的重力場中，不斷的被製造出來，並透過蟲洞的量子糾纏而被投影成物質世界。 以量子糾纏為基礎的量子電腦，已經開始應用在商業上，人類的量子時代正悄悄來臨，所以很高興能看到《上帝的骰子，量子物理大白話》一書在臺灣出版，用淺顯易懂的漫畫方式，帶領讀者輕鬆自如的進入超時空的量子奇異世界。 老師，應該是知識的表演者 大同高中物理老師／劉彥廷 最初，我以為我拿的是一本談量子力學的正經科普書；翻了幾頁後，我開始懷疑它是漫畫書；再看了幾回，我發現，我看的應該是章回小說；最後，闔上書本，我才明白，我看的是一場精采的「科學脫口秀」！ 知識工作者，可以就知識鏈的位置，概略的分成兩種類型：「知識的生產者」和「知識的傳遞者」。前者如大學教授、科學家……他們位於知識的上游，專門研究、產出知識，不斷的將人類的認知邊界，往外拓寬。後者如老師，他們位於知識的中游，負責將前人努力獲得的知識捧起，小心翼翼的傳到下游，讓所有的孩子，都能拿著知識果實，站在巨人的肩膀上，看得更遠，跳得更高。 我是一名科學教育工作者，但比起將自己定義為「知識的傳遞者」，我更喜歡將自己定義為「知識的表演者」。我認為，好的老師，應該像一名演員，盡可能的將知識「演」得有趣，將課程設計成一場場精彩的「秀」，吸引學生、引起學生的興趣。 在科學教學上，課程要「有趣」，不外乎就是三點： 第一，深具張力的演示實驗； 第二，生動有趣的比喻和例子； 第三，幽默的口條。 關於第一點，深具張力的演示實驗，在我學習、教授物理生涯中，看過最精彩、最具戲劇性的演示實驗，莫過於麻省理工學院（MIT）的華爾達．盧文（Walter Lewin）教授，有興趣的讀者可上網Google。看完後，保證讓你印象深刻，點燃你的物理之魂。 至於後面兩點，幽默的口條和生動有趣的比喻、例子，我認為本書的作者絕對是箇中翹楚，值得所有科學教育工作者取經。 幽默的口條。我很少看科學類的書會從頭笑到尾，舉個例子，作者在第一章開頭，談到如何學習量子力學時，引用了「不自量力」這個成語，但這四個字，絕對不是你知道的那個意思！他說，什麼是不自量力呢？就是「不要自學量子力學」。 再舉個例子，提到量子力學之父──普朗克時，作者說他「除了彈鋼琴之外，什麼情趣都沒有」；談到與愛因斯坦齊名的大神級科學家──波耳，作者調侃他「擁有北歐海盜血統，從小就是科學流氓」；談到包立（沒錯！就是「包立不相容原理」的那個包立），因其不畏懼權威，敢於批評老師和前輩的個性，被作者比喻為「上帝之鞭」。這些科學大神，在作者詼諧的文筆下，雖稍誇大了缺點，卻也因此有了「人性」。 科學與人文，作者用幽默，調出了黃金比例。 生動有趣的比喻和例子。作者在書中提到牛頓三大運動定律時，他是這樣講述的： 第一定律：所有的物體都很懶，都想活在舒適區！ 第二定律：想加速前進，你就得多用點力！ 第三定律：一個巴掌拍不響，兩個巴掌呱呱響！ 看到這，也許有部分物理專業的人，開始眉頭緊皺，心中暗道：「這種胡說八道的內容，可以稱的上算物理嗎？」 以前的我，也有同樣的想法，總認為真正的科學知識，是嚴謹的、不容戲謔的。但隨著教學經驗的積累，慢慢的我體會到，對於「一般」學生來說，並不是所有人將來都要投入物理領域，所以，「嚴謹、正確的知識，也許並不是首要考量」。 有效的教學，必須做到「先講學生想聽的，再講老師想講的」。 本書的作者，深諳此道。他完美的體現了什麼叫做知識的表演者，為我們演出了一場精彩的科學脫口秀。 誠心推薦《上帝的骰子，量子物理大白話》，給所有想了解量子力學卻不得其門而入，還有對量子力學有興趣的朋友，這本圖文並茂、幽默詼諧的好書，絕對不會讓你有「不自量力」的感覺！ 解鎖我們不曾真正理解過的客觀宇宙 科普粉絲專頁／「寫點科普，請給指教」 提到量子力學一詞，對於一般人來說似乎非常遙遠，只是科學家紙上談兵的理論。然而想像你一早醒來，發現自己沒有手機、電腦等所有需要用到半導體晶片的電器，沒有網路，沒有衛星導航，重病時沒有核磁共振儀器來追蹤癌細胞或腫瘤，因為沒有原子鐘，所以連現在幾點都不能確定……。 正如本書作者羅金海老師所提到的──現代工業有50%來自於量子力學研究的貢獻。量子力學對現代生活的影響遠遠超過我們的想像。 想要試圖理解量子力學，卻又覺得艱澀難懂。量子力學告訴我們──你如果不觀察粒子，它的位置分布會遵循一個波函數處於「疊加狀態」，也就是處於所有位置都有可能的狀態；但一旦人們去觀察它，就會導致疊加狀態坍塌，使得粒子出現在一個確定的位置。 就連得過諾貝爾獎、近代最偉大的理論物理學家之一的費曼，都說：「我認為沒人懂量子力學。」（I think I can safely say that nobody understands quantum mechanics.）這個說法充分解釋了量子力學是多麼違反常人的思維，甚至連愛因斯坦這樣的一代科學巨擘也無法接受。 愛因斯坦與哥本哈根學派創始人、同樣也是量子力學的奠基人波耳進行了數次思想爭辯、最後都取得了失敗的結局，終其一生也無法認同量子力學。「難道你不去觀察月亮、月亮就不在那裡嗎？」愛因斯坦如是說。 而著名的量子力學思想實驗「薛丁格的貓」，更是物理學家薛丁格為了攻擊量子力學而提出的論點，透過這個實驗將易於理解的宏觀世界，與無法直接觀測到的微觀世界聯繫在了一起──如果將一隻貓與放射性原子同時放在一個盒子裡，在沒有觀測之前，根據量子力學的理論，原子核會處於衰變和未衰變的疊加態。那麼這隻貓理所當然也隨著原子核疊加進入一種「又死又活」的狀態。 要如何解釋薛丁格的貓這種荒誕的概念呢？美國物理學家艾弗雷特在此時提出了一個拯救無數缺乏靈感的科幻小說作家的概念──平行宇宙（The Many-Worlds Interpretation）。測量帶來的不是疊加態坍塌，而是分裂的宇宙。整個宇宙就是一個總體的波，觀測者和觀測者所在的世界全都是疊加的狀態，在每一個世界裡，粒子以一種可能出現。你在這個世界打開盒子，看到了死貓，另外一個世界的你，看到的卻是一隻活蹦亂跳的貓。 是不是覺得越說越令人難以理解了？這樣的玄學竟然還能用數學來解釋？量子力學在近代工業上的應用是如此普遍，然而其基本論點至今卻仍然無法用普世常識理解，這些因素又為量子力學蒙上了一層神祕的面紗。 今天這本書作為大眾科普讀物，或許就是要打破人們對於量子力學的恐懼和誤解。綜觀物理學的發展，從牛頓與虎克間的「光究竟是粒子還是波動」的爭論開始，量子力學誕生過程可以說就是科學家互相爭執、從爭執中又不斷演進出新的理論的一段歷史。 本書沒有困難艱澀的數學公式描述，採取詼諧的口吻與生活化的插圖將科學家間的鬥智過程，包括牛頓力學、光電效應、普朗克黑體輻射定律、波粒二象性、電子雙縫干涉實驗、薛丁格的貓、不確定性原理、退相干等理論，用最直觀理解的方式呈現在讀者眼前，並進入20世紀最偉大物理學家與數學家間的暴風思想核心。 霍金博士說道：「上帝不但擲骰子，他還把骰子擲到我們看不見的地方去！」就讓我們透過《上帝的骰子，量子物理大白話》一書，利用量子力學的哲思，進一步解鎖我們自以為理解，卻從來不曾真正理解過的客觀宇宙。 引言 量子力學的前夜 在開始讀量子力學之前，我們先了解一下「不自量力」這個詞。 其實，我在這裡想說的是：不要自學量子力學。 雖然費曼先生說過：「沒有人真正了解量子力學。」 不過，可別被「不自量力」給嚇到了。 但真的勇士，敢於面對複雜的量子，敢於追趕智商的差距。 不過，為什麼要了解量子力學呢？ 有什麼用嗎？ 因為它是現代科學的基石，現代工業體系有50%與量子力學有關。 雖然沒有辦法直接體驗量子力學，但它確實是最有用的物理理論。 沒有量子力學，就不會有雷射、手機、電腦、衛星導航； 沒有量子力學，也不會有電子顯微鏡、原子鐘、核磁共振…… 沒有量子力學，更不會有量子計算、量子通信。 想了解量子力學， 得先學習一下牛頓力學。 國中時我們就學過牛頓三大運動定律。 牛頓第一定律即慣性定律：不受外力的物體，將在慣性中保持靜止或等速直線運動的狀態不變。 接著，他又給出第二定律，說明力、質量和運動之間的定量關係：物體的加速度與它所受的外力成正比，與它的質量成反比。 牛頓第三定律則指出：兩個物體間的作用力和反作用力大小相等，方向相反，作用在一條直線上。 說得通俗一點就是，牛一定律：所有的物體都很懶，都想活在舒適區！ 牛二定律說：想加速前進，你就得多用點力！ 牛三定律說：一個巴掌拍不響，兩個巴掌啪啪響。 牛一定律說明了力是改變物體運動狀態的原因；牛二定律指出了力使物體獲得加速度；牛三定律解釋了力是物體間的相互作用。 除了牛頓三定律，再加一個萬有引力定律。牛頓完成了古典力學架構，統一了萬物運行背後的道理。 這非常簡單易懂，理解起來完全無障礙。但是，在今天的人們看起來非常簡單的牛頓力學，卻是兩千多年來科學家們的智慧結晶。 在牛頓建立宏觀力學之前，人類尊崇鬼神之學。 神學家、占卜家、星相學家、巫師等都是搶手貨。 不要說目不識丁的小老百姓，就連接受過高等教育的帝王也會「不問蒼生問鬼神」。 誰最會裝神弄鬼糊弄人，誰就能成為一方教主……。 上帝實在是看不下去了：再這樣下去，我的位置都保不住了。 天不生牛頓，萬古如長夜：讓牛頓誕生吧！ 就這樣，天之驕子牛爵爺誕生，開始了他兩百餘年的科學界統治。 牛爵爺總結的定律太厲害了，使得一大批粉絲蜂擁而至！ 大家都相信牛頓定律就是宇宙的終極真理，宏觀世界很快熱鬧了起來。 科學家們苦幹實幹加巧幹，一直幹到20世紀，終於建成了一座宏觀物理學大廈。 古典力學、熱力學、光學、電磁學等在大廈裡各司其職。 1900年，物理學界的「大巫師」克耳文男爵也露出了老父親般欣慰的笑容，他躊躇滿志的宣布： 「科學大廈已經建成，往後的物理學家能做的，僅僅是一些零星的修補工作。」 這下好了，科學大廈都建好了，科學家似乎也沒什麼事好做了。叫你們沒日沒夜的追求真理，現在都要失業了吧！ 眼看科學研究經費一年比一年少，前途一片黯淡。這時，哥本哈根學派的一幫年輕科學家開始掀桌子。 這群科學家囔囔著：必須得自謀生路了，這樣下去都得去工地搬磚頭了。宏觀世界是沒什麼事能做了，但是還有微觀世界啊！ 牛頓力學只適用於宏觀世界，可是一旦深入微觀世界，比如原子級別，這套理論就完全無用武之地了。 於是，這幫年輕科學家轉戰微觀世界。終於不用擔心失業了，他們激動的歡呼：牛頓力學主宰宏觀世界，量子力學主宰微觀世界！ 這兩個世界，最後讓奧地利物理學家薛丁格的貓管理邊界，大家井水不犯河水，各自領取研究經費。 那量子力學到底是怎樣誕生的呢？ 這就說來話長了…… 人類在研究光的過程中偶然邂逅了無辜的量子。因此我們的故事得追溯到一個古老的問題──光是什麼？ 那麼，光究竟是什麼呢？ 是粒子？還是波？
CONTENT PREVIEW OF THE BOOK
愛因斯坦和哥本哈根學派的偉大戰爭 作為一群狂妄冒險家，以波耳為首的哥本哈根學派，把物理學界鬧得天翻地覆。他們叛逆又荒誕，在物理學界放了一把大火。 他們自認為帥翻天了，也贏得了草根人民的掌聲，但量子力學的旅途並非一帆風順。他們要面對一座大山，那就是神一般的愛因斯坦。當年他還是量子力學的恩人，曾經拉過舊量子論一把。 愛因斯坦認為，「量子」這孩子已經長歪了，哥本哈根學派的解釋，根本就沒有辦法說服他。這個當初提出光量子理論的男人，是因果論和客觀性的堅定擁護者，卻對量子力學（新量子論）嗤之以鼻。 他早就對波耳不滿了，對於波耳的理論更是渾身上下每個細胞都在抗拒：「笑話，難道我不看月亮的時候，月亮就不存在嗎？」 士可殺不可辱。哥本哈根學派欺負了自己的小弟薛丁格，愛因斯坦決定找個機會好好教訓一下他們。 可是哥本哈根學派的這幫年輕人，沒有一個人迷信權威，而且一個個戰鬥力強盛，都是玩命的。尤其是帶頭大哥波耳，他有北歐海盜血統，從小就是個科學流氓。就算是面對天才愛因斯坦，他們也決定幹一架。就這樣，科學史上最有名的物理約架史開始了。一邊是史詩級的大神，一邊是天才組成的黃金戰隊，毫無疑問，這註定是一場世紀大對決。 哥本哈根派與愛因斯坦總共約架三次。正是這三次約架，奠定了量子力學在物理學上的重要地位，使它成為20世紀最偉大的兩大理論之一。 1927年10月24日，第五屆索爾維會議召開。這是他們的第一次約架。 看熱鬧的不少，整個物理學界能叫得出名號的人基本都來了。愛因斯坦、波耳、薛丁格、德布羅意、玻恩、普朗克、朗之萬、狄拉克、居里夫人等29個人，其中有17個人是諾貝爾獎得主！ 這群人組成了一支「物理學全明星夢之隊」，留下了堪稱人類歷史上智商顛峰的一張合影。就算不是「絕後」，也一定是「空前」的。 這支全明星夢之隊分為三個陣營：一個是哥本哈根學派，以波耳為首。成員有海森堡、玻恩、包立、狄拉克。 狄拉克緊緊抱著自己的δ，一言不發低頭跟在大家身後。這個足以和海森堡齊名、當年發現 p×q ≠ q×p祕密的小男孩，在一群血氣方剛、躍躍欲試的年輕小夥子中顯得格外靦腆。 第二個陣營是他們的老對手，以愛因斯坦為首的反對派。麾下有抱大腿的薛丁格、小王爺德布羅意等幾員大將。 還有一個吃瓜群眾派，他們不在乎你們誰和誰打架，只關心實驗結果。最前頭站著的是布拉格（William Bragg）和康普頓，身後還站著居里夫人、德拜（Peter Debye）等一群看熱鬧的鄉民。 而經過了三次論戰，愛因斯坦都沒能贏！整個物理學江湖亂成一團──連大神愛因斯坦都無法打敗他們，這是新的大門派要誕生了啊！ 哲學觀上的最終差異，使得兩個硬脾氣，誰也沒能說服誰。而波耳和哥本哈根學派，就這樣在三次對決中，確立了自己的江湖地位。 不得不說，愛因斯坦是一個偉大的反對派。作為一代科學巨匠，他的反對成了量子力學最好的試金石，每一次他提出的問題，都推動量子力學前進了一大步。甚至有人懷疑他是量子力學派來的臥底。 在愛因斯坦的反對和哥本哈根學派的推動下，量子力學以火箭升空般的速度成長。它註定要在科學史上發光發熱，成為現實世界中最重要、最前衛、最玄妙，也最讓人琢磨不透的一門理論。 正如波耳所言──誰如果在量子力學面前不感到震驚，他就不懂現代物理學；同樣，如果誰不為此理論感到困惑，那他就沒有真正的理解它。 然而，物理學史上最偉大的戰爭遠遠沒有結束。量子力學過於深邃，它探索的是未知的微觀世界，哥本哈根學派的解釋又如此詭異。別說全世界的科學家，連說服自己的朋友都不是一件容易的事。 雖然愛因斯坦已經去世，但反對的火苗仍在熊熊燃燒。作為愛因斯坦嫡系大將，薛丁格賊心不死，他座下的神獸早已蠢蠢欲動。 這隻神獸正張開著血盆大口，想要吞噬整個量子世界。
