物理

活生生的量子世界

量子力學不只與微小的粒子有關,還適用於大大小小的東西:鳥類、植物,甚至人類。

撰文/費德拉(Vlatko Vedral)
翻譯/張明哲

物理

活生生的量子世界

量子力學不只與微小的粒子有關,還適用於大大小小的東西:鳥類、植物,甚至人類。

撰文/費德拉(Vlatko Vedral)
翻譯/張明哲

重點提要
■量子力學通常被認為是描述微觀之物(分子、原子、次原子粒子)的理論。
■不過,幾乎所有的物理學家都認為它適用於各種大小的東西。它的特徵無法彰顯,不只是因為物體的大小。
■過去幾年來,實驗學者從越來越多的巨觀系統看到量子效應。
■纏結這種典型的量子效應可以發生於大的、常溫的系統裡,包含生物體在內,即便分子的振動可能會破壞其纏結。

根據標準的物理教科書,量子力學是微觀世界的理論,用來描述粒子、原子和分子;而描述巨觀尺度的梨子、人和植物時,就得改用一般的古典物理。分子與梨子間有個邊界,在那兒量子力學的奇特行為消失,出現我們熟悉的古典物理行為。量子力學只適用於微小世界的這種印象,普遍存在於人們的科學知識裡。例如,在暢銷名著《優雅的宇宙》的第一頁,美國哥倫比亞大學的物理學家格林恩(Brian Greene)提到,量子力學「提供一個理論架構,讓我們理解最小尺度下的宇宙。」古典物理(涵蓋量子以外的所有理論,包括愛因斯坦的相對論)則負責最大尺度的世界。


然而,對世界做這種方便的切割,其實是種迷思。很少現代物理學家會認為古典物理和量子力學具有同等的地位,古典物理應該僅是具有量子本質的世界(不論大小)的一種有用的近似。雖然在巨觀世界可能比較難看到量子效應,但原因基本上跟大小無關,而是跟量子系統彼此作用的方式有關。一直到10幾年前,實驗學者仍未證實量子行為可以出現在大尺度系統,如今這已是家常便飯。這些效應比任何人所想的都還要普遍,甚至可能出現在我們身體的細胞裡。


即使是我們這些靠研究這類效應吃飯的人,也還沒完全理解它所教給我們的、關於自然運作的方式。量子行為難以視覺化,也不容易以常識理解。它迫使我們重新思考觀看這宇宙的方式,並接受一個新穎又陌生的世界圖像。


纏結難解的故事

對量子物理學家而言,古典物理是全彩世界的一個黑白影像,無法完整呈現這個豐富的世界。在舊教科書的觀點裡,當尺度一變大,色調就不再豐富。個別粒子具量子性質,一堆粒子則變為古典。然而,關於尺寸並非決定性因素的第一個線索,可以追溯到物理學最有名的思想實驗之一:薛丁格的貓。


1935年,薛丁格想出這個病態的情節來說明微觀與巨觀世界是連在一起的,我們無法畫出界線。量子力學說,放射性原子可以同時處於衰變及未衰變的狀態;若將原子與一瓶可以殺死貓的毒藥連上關係,使得原子衰變會導致貓死亡,則貓會如同原子般處於模稜兩可的量子態。怪異性質由一個感染到另一個,大小在此不重要,問題是為何貓的主人都只會看到他們的寵物非死即活?




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