<<原子構造>>

接下來我要解釋原子構造,物質都是由原子(atom)構造而成,原子這個字有不可分的意思,可是我們現在知道原子是由再細少的原子核(atomic nucleus)及電子(electron)組成,其中原子核是由質子(proton)及中子(neutron)組成,質子(它的意思是第一)帶正電荷,電子帶負電荷,這個很顯淺,在普通情形下,質子及電子數都會分別和原子序數(atomic number)一樣,例如氫就有一個質子一個電子,亦因此正負得零,不帶電荷.在某些特殊情形,電子會脫離或加入原子,令原子帶電荷,叫做離子(ion).

在四十年代,人們才發現中子,中子是原子核之一員,由於它不帶電荷,故妳加多少個中子也不影響原子之不帶電荷性,中子增加及減少會改變元素之重量－原子量(atomic weight),導致同位素(isotope)之出現,例如氫本身有一個中子,加多一個中子就變成重氫(deuterium).

(圖: LKL Astro-Group)

題外話,有一個叫負電子海(Hole in the Sea)的量子理論,雖然已被遺棄,但仍是一個不錯的量子理論,那是認為宇宙每一處都佈滿負能量的電子,就如在牆上塗滿紅色後妳不可察覺每一細點,要看見一個正能量電子當然要令它與其他部分不同,例如塗成藍點.當光子撞擊負電子海時,會把負電子提起形成一個洞,提起的負電子代表電子,而這個洞其實就代表著正電子,直到這個電子跳回洞中,即正電子與電子湮滅成光子,又會是一片負電子海,妳又察覺不出.

(圖: LKL Astro-Group)

 　

<<虧子與輕子>>

在本世紀初,人們還以為質子及中子已是最基本之粒子,而現在我們知道它們都是由一些最基本之粒子虧子(quark)(舊稱夸克)所組成,虧子有六種味(flavor),它們分別是第一代(generation)之上(up)及下(down)(上的反粒子是反上,不是下!!!),第二代之奇(strange)及魅(charm),第三代之頂(top)及底(bottom),每一代粒子基本上沒有大分別,只不過是一代比一代重.中子及質子不過是虧子之組合.

然而電子可不是由虧子所組成,電子本身就已是一種基本粒子,它屬於另一族粒子輕子(lepton),輕子和虧子一樣,都是有六種味,第一代是電子及電子中微子(electron neutrino),第二代是m粒子(mu particle)及m中微子(mu neutrino),而第三代輕子是t粒子及t中微子,它們都是一代比一代重,除此之外,分別不大,科學家也不知道為什麼自然界要覆製三代一樣特徵的基本粒子.

虧子及輕子最大之分別是虧子受強核力所控制,而輕子不受強核力所控制,它們共同構成我們今天所有物質.

在六十年代興起之量子色動力學(quantum chromodynamics)告訴我們虧子是不可能單獨存在,因為它們受著所謂之色禁閉(confinement)所影響,這個我會容後解釋,總之,虧子一是以正虧子加反虧子這樣一對的形式出現,叫做介子(meson),或者是三個虧子組成之重子(baryon),或者是三個虧子組成而其中有奇虧子之超子(hyperon),介子重子超子都受強核力所控制,所以我們通稱為強子(hadron).例如中子就是由下下上三個虧子所組成,而質子就是由下上上三個虧子所組成.

 　

<<四種力>>

然而,三個虧子不是用漿糊一黏就成,它們是靠力(force)所維繫,宇宙間只有四種力,分別是:

• 引力(gravity)
• 電磁力(electromagnetism)
• 強核力(strong nuclear force)
• 弱核力(weak nuclear force)

我們可以設想力是一個粒子,兩個粒子靠這個帶力粒子而維繫它們之結構,正如我前面所說,虧子是由強核力所控制,不過在說強核力之前,我先說另外三種力.

 　

<<引力>>

首先是引力,引力雖然是四種力中最弱的,但最容易被察覺.因為只要物體有一個可觀質量,引力就可無遠弗屆,引力遵照平方反比定律(inverse square law),舉例離太陽1AU感受到一分引力,離太陽2AU就只感受到1/4引力,離太陽3AU就只感受到1/9引力.帶引力的粒子叫引力子(graviton),要注意引力子本身沒有質量,它只是一種力,而且引力子尚未被發現.

 　

<<電磁力與量子電動力學>>

接下來的是電磁力,它是由電力及磁力組成,起初電力及磁力被想成是兩種不同的力,後來麥斯威爾(James Clerk Maxwell)導出一式過同時表達它們,把兩種力'合併',發現電力及磁力只是電磁力中兩個不同的角色,電磁力之合併令科學家開始信相宇宙間四種力可能曾是同一種力,不過那是後話,暫表不提.

電磁力的帶力粒子是光子(photon),光子沒有質量,影響範圍亦是無限遠,亦如引力遵照平方反比定律,它最主要之作用是把電子和原子核合成原子,另外又把各原子合併成分子.

牛頓見蘋果跌落地下,其實就是電磁力與引力之角力,蘋果掟是由分子(電磁力)連接於蘋果樹,引力在那一刻比電磁力大,於是蘋果就跌落地.

量子電動力學(quantum electrodynamics / QED)肯定是本世紀其中一個最偉大之理論,它本是為了修正磁矩(magentic moment)－電子在磁場相互作用的數值,狄拉克發現理論計算出來之數值應為1,然而實驗顯示為1.00116,差距雖少但足已顯示理論不完整.狄拉克認為電子在磁場行走時,可自行放出一個光子,然後再吸收另外一個(未必是原來之光子),而不是直線行走,這樣計算出來的電子會比原來的磁距稍稍大了一些.之後,不斷引入電子在旅程中放射出更多之光子並再吸收,甚至要考慮吸收了多餘的光子,這不得不使用一種近似值的計算法－微擾論(perturbation theory),磁距與實驗結果已經不相伯仲了.

 　

<<弱核力>>

接下來的是弱核力,它透過三款矢量玻色子(intermediate vector bosons)(我喜歡叫弱子)而制動放射性衰變,它們分別是W⁺,W^－及Z⁰.不同的是三款弱子都是有質量,所以影響範圍不是無限遠而是受其質量所影響,質量越大影響範圍越少,所以它不按平方反比定律.

弱核力在很多書都是輕描淡寫一句'制動放射性衰變',那其實也是對的,因為自從它可和電磁力合併而形成弱電理論(electroweak theory)後,就沒有甚麼好講.但我不會這樣的:),例如在b衰變:

普通解釋: 中子放射電子及反中微子而變成質子.

弱核力解釋: 中子中的下虧子引一個W^－的弱子,之後只要中微子進入(即放射反中微子),W^－就會把下虧子變成上虧子及把中微子變成電子.我們一看,中子由原本之下下上變成上上下,即變成了質子.

 　

<<強核力與量子色動力學>>

最後來到強核力,帶動強核力的是八款膠子(gluon),膠子和弱子一樣,它本身有質量,亦因此受質量而非距離所影響,質量越大影響範圍越少.強核力最主要是把質子及中子合併形成原子核,而那其實是內部虧子受強核力影響的一種結果.

雖然強核力影響範圍少,但卻是四種力中最強,比電磁力約強100倍,亦因為如此,擁有大量質子之原子核才不會被同性相拒之電磁力所分開,當然假如質子數多於100時,總電磁力就會比強核力強,而導致元素不穩定,所以原子序數趨向100之元素都是不穩定.

強核力令到虧子不可單獨存在,為什麼?因為強核力有一種叫漸近自由(asymtoptic freedom)(又叫長距離束縛(infrared slavery))的特性,和引力或電磁力相反,虧子靠近時強核力減弱.我們可以設想三個虧子是被一條橡筋所束綁,在靠近時就如一條平放的橡筋,它們感受不到色禁閉,然而當其中一個想逃離時,就如拉緊橡筋,而令虧子回到原來位置.

然而橡筋亦有可能受到一個足夠大的力而斷開(例如質子被電子撞擊),虧子會掙脫,但是它不會單獨存在,因為所謂足夠大的力,是已經足夠弄一個新虧子(E=mc²).在斷開的橡筋兩端各形成一個正虧子與反虧子,它們會被另一條橡筋綁住形成介子,而一個新虧子會回到原本之舊虧子位置重新形成重子.

量子色動力學(quantum chromodynamics / QCD)在另一個角度解釋為何虧子不可單獨存在.量子色動力學這個名稱其實是和量子電動力學所呼應,不過其中之'色'其實不是解顏色,而只不過是一個名,諸如虧子的味不是真正有味.

在六十年代中期,已知道三種虧子,它們是上,下及奇,由於上及下是一對,而奇自已獨成一格,有人認為有第四種虧子,不過當時沒有人理會.之後,發生了一個大難題,發現所謂之w^-粒子竟是由三顆奇虧子組成!!!而且三個之自旋都是一樣!!!

由於兩個自旋一樣之粒子不可同時存在於同一量子態,更不用說三個!為了解釋此現象,科學家認為虧子除了有六種味之外,還有三種色(color),分別是紅,藍,綠(它們只是名,而不是真正的顏色!),即如紅上虧子及紅下虧子有分別,而紅上虧子及藍上虧子亦有分別.

虧子之組成必須是色禁閉－無色組合.這有兩個可能,一是由紅藍綠三色虧子組成之重子,一是由色加反色之介子(紅+反紅/藍+反藍/綠+反綠),單獨一顆或四個虧子之組合都不可能產生無色組合,所以妳不會看見單獨一顆虧子,而色就如電荷一樣,同色會排斥,反色及異色吸引.即只有紅吸反紅或紅吸藍等,而反色吸引比異色吸引的趨勢強.

有人會問為什麼有八種膠子?那是因為虧子會轉色,而令膠子也必須帶色.當虧子轉色時必須釋放一個膠子,而這個膠子必是帶一種正顏色和一種反顏色,即紅+反藍/紅+反綠/紅+反紅/綠+反紅/綠+反藍/綠+反綠/藍+反紅/藍+反綠/藍+反藍九種.但因為反紅其實=藍+綠,反綠=紅+藍,反藍=紅+綠,所以紅+反紅,綠+反綠及藍+反藍其實就等如紅+藍+綠或紅+綠+藍,所以不是九種而是八種.

我舉個例子,藍上虧子(妳可幻想它由藍,紅,反紅組成)會釋放藍+反紅膠子而變成紅上虧子,而藍/反紅膠子會被紅下虧子吸收,紅與反紅除消,變成藍下虧子.

因為膠子帶色,所以亦受色禁閉而不能獨立存在,但有可能膠子自組成無色膠球(glueball),(現在尚未被發現).膠子雖不能被單獨發現,但由電子被質子散射的情形看來虧子只佔質子總動量之一半,而另一半動量是由另外一些極少質量之中性粒子所佔,那當然是不斷被交換之膠子.

 　

<<自旋－費米子/玻色子>>

粒子有很多特性,而最主要之特性是自旋.自旋是一個很抽象之概念,就如同自轉,但量子力學不告訴我們粒子有定義很好的軸,而自旋具體化來說,是我們從不同方向看粒子是什麼樣子(有某些版本說是粒子轉幾多圈才可以看到原來之影像,其實原理一樣).自旋無論是轉向抑或轉數都是量子化的,轉向一是上旋(spin up),一是下旋(spin down),而不是任意轉.而轉數的單位是h-cross(普朗克常數除2p)的一半,而通常我們都不這麼翹口說幾多個普朗克常數甚麼甚麼,而直接說自旋是0,1/2,1等等.

自旋為0的粒子從那個方向看也是一個模樣,就如英文字X,自旋為1的粒子就如英文字Y,妳要轉一個圈才可看見原本模樣,而自旋為2的粒子就如英文字Z,只要轉半個圈就可見回原本模樣,這些整數自數之粒子叫做玻色子(bosons),它們為帶力粒子及介子,例如光子及膠子.它們是不守衡,每一種玻色子之數量不是限定,光子時常在宇宙中誕生湮滅.

然而有些粒子之自旋為1/2,它們很難被理解,它們被轉一圈後也不會一樣,要再轉一圈,換言之是要轉兩個圈才能出現同一個樣,而有些自旋為3/2之粒子要轉一個半圈才出現同一個樣,這些擁有奇怪特性的粒子卻是實在之粒子,諸如虧子質子電子,這些分數自旋的粒子叫做費米子(fermion),費米子是守衡及遵循泡利不相容原理(Pauli Exclusion Principle)的,費米子守衡是因為它的數量是固定的,多了一個電子(+1)就要多一個反電子(-1),而一個量子態中不可呆多過兩個自旋不同之費米子.

費米子和玻色子除了自旋不同外,它們亦有不同的統計方式.舉一個例子擲兩次銀時,有公公,公字,字公,字字,假如我們認為公字與字公是沒有分別,則擲中每一樣花式之機會率是1/3,假如公字與字公要算成兩種花式,那擲中每一樣花式之機會率將是1/4,我們認為個別之玻色子是無可辨認的,例如兩個同波長之光子大致沒有分別,不是因為妳沒有在光子上做記號,而是它們內在之特性(雖然這不是事實之全部,不過我無意在此討論繁瑣之處),所以就應用第一種統計方式,叫做玻色－愛恩斯坦統計法(Bose-Einstein Statistics),而費米子要用第二種統計方式,叫做費米－狄拉克統計法(Fermi-Dirac Statistics)

 　

<<超導性及超流體性>>

粒子的自旋性在BCS理論(BCS Theory)中充分被利用,John Bardeen,Leon Cooper及Robert Schrieffer認為超低溫物體可以讓電完全通過而沒有絲毫電阻,叫做超導性(superconductivity),例如氦3會在2.6milliK時兩個分別是1/2自旋的電子(叫做庫伯對Cooper Pairs)會排成一致成為1自旋(如玻色子),當然高溫時由於粒子活躍而不能乖乖排成一致形成庫伯對,妳可以幻想電通過光(光也是1自旋)一樣,過程叫做玻色凝固(Bose Condensation).

同一個情形亦會出現在氦4,氦4在2.2K時會形成自旋為0的超流體性(superfluidity),它們可以流動得完全沒有阻力,聲音在超流體性通過與在超導體是不同的.

 　

<<同位旋守衡>>

有些書本會出現同位旋(isotopic spin)這個名詞,請注意同位旋與自旋毫無關係!叫它做標籤更為貼切,例如質子為上旋,中子為下旋,電子為上旋,中微子為下旋等,為的是暗示質子和中子若全部調換,這個世界也沒有改變,叫做同位旋守衡.當然,根據哥本哈根詮釋,我們也可以說粒子處於半質子或中子(重疊狀態)之狀態.

(圖: LKL Astro-Group)

<<大統一理論>>

我之前已說過麥斯威爾成功用一條數式來形容電力及磁力.在六十年代,Sheldon Glashow, Abdus Salam及Steven Weinberg成功創弱電理論,於是科學家嘗試把強核力及引力合併入弱電理論,大統一理論(Grand Unified Theory / GUT)雛形誕生.

然而科學家建立GUT時,發現引力似乎是特殊而不能被合併的,因為引力會導致很多無限大的出現,這令到大統一理論有點名過其實...好啦~就算不包括引力,科學家仍尚未驗證到由量子色動力學及弱電理論複合出來之GUT.

究竟甚麼是GUT呢?它主要認為在極高能量時,三種力是沒有分別,為什麼???我們要先從弱電理論說起,傳遞力的是玻色子,帶電磁力之光子是零質量的,所以不需能量就可誕生,可是傳弱核力之弱子都是有質量的,所以要有能量製造它們出來,測不準定理告訴我們真空中也有能量,所以真空中也有弱子借能量誕生,但是質量越大之粒子越快還原回能量,故弱子只可以行很短之路,不似光子可以作用到無限遠.

可是當能量高達100GeV,弱子不需借能量而可以直接得到足夠能量誕生,換言之,妳水頭充足就不用借錢啦!它成為真實粒子!和光子一樣!在這個情況,弱子就和光子沒有分別,可作用無限遠.

由於弱核力有三種弱子,致使統一弱核力及電磁力時有困難,而強核力更麻煩,因為它有八種膠子,假如從玻色子著手就不是味兒,於是科學家嘗試從費米子著手,想把屬於色動力學之虧子及不受色動力學之輕子合併,由於虧子及輕子都是三代對稱性,實在好有可能它們在高溫時是一樣.

假如虧子就是輕子,輕子就是虧子,那即是說它們可以透過某一種玻色子(叫做axion－X玻色子)令它們轉換,然而X玻色子要在能量高達10¹⁵-10¹⁶GeV時才出現轉換輕子及虧子,而且這種玻色子將會有十二種款式!除非粒子加速器有整個太陽系那麼大,否則不能被驗證.要達到這麼高能量,要追溯到大爆炸後的10^-35秒,所以強核力就是在那時被分離出來的.

有人會問為是什麼令力被分裂出來,這是因為物理學有所謂的自發性對稱破壞(Spontaneous Symmetry Breaking),當物體一低溫時就會不期然破壞對稱結構,舉例子:磁石被高溫加熱後會被破壞磁性,對南北極的情況都顯得一樣,此乃對稱,一低溫呢?它就會北指北極,南指南極,顯得不對稱,力也是一樣,在宇宙大爆炸的高溫時顯得沒有分別(對稱),一低溫就分裂(不對稱).

有預言在極極極少有之情況,一個虧子可以由真空中借能量而產生X玻色子,一個質子(上上下)的上虧子會衰變放出X玻色子而變成上反虧子,此上反虧子會和另一上虧子變成K介子,而X玻色子會被下虧子下吸收變成正電子.總結一句,質子消失,化成K介子及正電子.

要發生以上衰變之機率要看X玻色子之質量,由於X玻色子之質量高,要借很多能量,很困難!相信每10³¹年才有一個質子會衰變!當然我們是不可能等這麼久.不過理論上,我們可以觀察很多質子,就有機會看到偶然之衰變,有人用100噸水(其實甚麼也可以),內裡包含5x10³¹個質子及中子!那麼我們應該可以看到5次衰變,可是一次都看不到!

現在認為質子衰變要5x10³²年!那令很多所謂之GUT收皮,不過幫助了某些認為中微子有0.001eV-10eV能量之GUT.

先旨聲明,這篇文章中很多概念也是不能用常理理解,而且很長!不過很有趣!

<<測不準定理>>

其實之前也提及過測不準定理(Heinsberg's Uncertainty Principle),不過因為那實在太重要,故又要再說.起初,科學家相信這個宇宙有一套定理,只要我們知得夠清楚,就可以預言這個宇宙,例如引力定律就可令我們知道地球在太空中任何一刻之位置.

後來,海森堡發現要知道粒子現在之位置,必須利用光射上這個粒子令它繞射而指出其位置,當然光的波長越短測得之位置越準(就好像以兩個波峰夾粒子度其位置,短波當然度得比較準確),然而波長越短,越容易擾動粒子(就像用衣夾拑波子),並以一種不可測的方式改變粒子之速度.換言之,妳對粒子之位置測得越準,速度擾動得越厲害,反之亦然,粒子位置的不確定性(p)x粒子質量x速度的不確定性(q)不可小於普朗克常數.

由於我們連粒子現在之位置也不知,那更不用說預言它未來之位置.要注意的是,不是我們之儀器不夠精密灼測出粒子同一時刻之位置及速度,而是粒子在任何一刻都沒有準確之速度及位置,不要混淆!誇大一點說,如果電子確切知道自己之去向,就不知自己身在何方,反之亦然.測不準定理帶給物理學很大之衝擊,因為宇宙的宿命論被拉倒了.例如人們相信之絕對真空或絕對零度就不再存在,因為粒子之位置及運動速度不可是零(確實知道)嘛,粒子無論如何低溫也具有一定能量起伏,永遠不會去到絕對零度,叫做零點脹落(Zero Point Fluctuation).

記住我們是同時測不到兩樣東西的值,這叫做補足性(complementarity),如動量+位置,時間+能量等等.

<<EPR佯謬>>

顯然很多人不喜歡量子理論,尤其是愛恩斯坦,他推崇量子力學,但嘗試挑戰其不可測性,於是他建立了很多假想實驗(thought experiment),我介紹其中兩個,第一個是EPR佯謬(EPR Paradox),它是由愛恩斯坦,波多斯基及羅森弄出來,他們假設有一對本來靠近之粒子AB(例如由p介子衰變出來之兩個質子),我們先量度它們一開始之總動量(速度),之後讓它們背向飛行,途中不設任何阻撓,任它們去得多遠,我們也可以先量A之動量,然後以開始之總動量減A動量得B動量,我們又度B之位置,這時我們既得B之位置,又得它的速度!!!量子力學之測不準定理真的被打破了嗎?

(圖: LKL Astro-Group)

現在我們知道一旦兩顆粒子曾在一次交互作用中糾結在一起,那麼自此之後它們也會互相影響,量度A的動量一樣會干擾B之位置,所以無論它們離開多遠,妳也可以把它們看成是同一粒子,度任何一個之位置也會影響任何一個之速度.由於物理學相信是具局域性(locality),換言之,即時訊息傳遞是不允許,於是物理學家只好認為我們形容兩個粒子之方程式尚未全面,當中包含了某些未知變數可合理解釋即時訊息傳遞而又不違反物理學,這些猜想的未知變數就叫做隱變數(hidden variable).

<<盒中鐘實驗>>

愛恩斯坦還不夠,又弄個盒中鐘(clock in the box)實驗,目的是想同時量出一個粒子之位置及能量,他設想一個充滿了光子的盒裡面有一個鐘,這個鐘控制盒的開關令它足以每次只讓一個光子逃逸,這個盒被放在磅上,當一個光子逃離時,我們可以知道盒輕了幾多,從而得知逃逸光子之能量(E=mc²),而且我們可以從鐘上知道光子逃離之時間,所以我們既得粒子逃逸時之時間(位置)又知它的能量.

雖然是假想實驗,但也不是齋up,妳如何去度盒的重量呢?就用彈簧砰吧~原來秤針向上移時一樣受到測不準定理影響,它不會絕對準確指出逃離光子之重量,只是一個近似,所以妳沒有可能計算出光子準確的能量.

(圖: LKL Astro-Group)

<<楊氏雙縫實驗－路徑積分>>

然而在這裡,要講一個奇怪的實驗－楊氏雙縫實驗(Double-Slit Experiment),就是form 5會做的physics實驗,雙縫實驗中光首先通過一個小孔,然後繞射並到達第二塊板,第二塊板上有兩個小孔,光因為有波之特性,在通過兩個孔時各自繞射成兩股波,兩股波互相干涉,在熒幕上留下有光有暗的花紋.

奇怪的是,當我們換成電子束(electron beam),由於電子是粒子,不會被第二塊板分開做兩個電子而進行干涉,電子只會在是但一個孔中通過,就好似一粒粒波子跌在第二塊板再滾進其中一個孔,總不會被分成兩顆波子干涉!對不?!可是一樣出現干涉花紋,即是說一個電子同時穿過兩個孔而互相干涉!

當然我們有可能認為電子隨機點落板上,而隨機堆出干涉花紋,於是我們慢慢把電子射上去觀察熒幕,發現電子似乎知道自己該去那一個位置,逐漸堆起干涉花紋.看來電子行進時真的有波的特性,但是常識告訴我們,電子就是電子,是一粒粒,而不是電子波~

在這裡問一個很簡單的問題:既然電子與質子帶不同電荷,為什麼電子不會被質子吸過去,而要在原子核外圍旋轉?這問題看似容易,卻一直令科學家大惑不解,最合理的解釋是電子不能在任意近的地方離質子公轉,然而物理學家費因曼(Richard Philips Feynman)利用路徑積分(path integral)的概念很好地解釋出來,路徑積分又叫歷史求和(sum over histories),電子可以任何軌道在原子核外遊走,然而每一條軌道可想成是被賦予機率的機率波(probability wave),機率波如普通波一樣,位相(phase)各自消長,我們會發現電子走較中間的軌道之機率最大電子最有可能遊走於此軌道,即是電子可行軌道.

(圖: LKL Astro-Group)

根據路徑積分,大部分電子都會穿孔而過,因為穿孔之機率最大,但是有某些電子同時經過迂迴路甚至穿板加穿孔而過(雖然這機率是微乎其微),這導致它們如波一樣同時穿越兩處地方而進行干涉.

<<楊氏雙縫實驗－哥本哈根詮釋>>

又回到雙縫實驗,假如板上一個孔被蓋著,電子當然只會在剩餘的孔中穿過,而不發生干涉啦!然而就算打開兩個孔,電子也應只穿過一個孔,那其實和只打開一個孔沒有分別(只不過電子沒有選擇),甚至妳隨機打開孔,甚至電子來到孔前才打開,電子似乎是看得見妳打開多少個孔,只要電子在孔前時還是開著兩個孔,一樣會有干涉!!!

還不夠怪,假如我們在孔的兩邊各放一偵察器來探究竟電子穿過那一個孔,電子竟然好似知妳有心望它,竟然堆不出干涉花紋!無論是電子,質子抑或是整顆原子,實驗結果都是一樣.電子似乎是知曉週遭環境之情況,這種非局怖性(non-locality)情況是量子力學中常見的問題.

(圖: LKL Astro-Group)

為了解釋此奇怪的現象,波爾認為我們所謂知得很準的東西並不是真切,因為結果曾被我們所問之問題影響過,很難明?先說一個遊戲,有沒有聽過十三猜?就是只准問是非題來估別人心中想的東西是甚麼.例如:

妳心中想著地球儀,

我: 那物體是不是圓?

妳: 是.

我: 那是不是科學用品?

妳: ...不是.

我: 那是地理用品嗎?

妳: 是.

我: 圓的地理用品?是....地球儀嗎?

妳: ...不是.

其實答案真的是地球儀,但妳為了不讓我猜中,會故意想其他圓的地理用品作另一答案,例如指南針,量角器等等.我問的問題影響了答案,我們去問宇宙有什麼,可是我們就是其中一名'玩家',有權干擾答案,我們是參與者,而非觀察者,當我們不去看原子(觀察者的身分)而去問它在做什麼是沒有意義的,我們只可以去參與並計算結果出現的機率,這一個概念叫做參與宇宙(participatory universe),亦是哥本哈根詮釋(Copenhagen Interpretation)的大前題.

例如一個密封的盒內有一個電子,我們把箱子分做兩面,常識告訴我們電子總會在其中一面,然而哥本哈根學說告訴我們尚未打開盒子而去問電子在那一面是沒有意思的,因為我們不是參與者,我們可以說電子在重疊狀態(superposition of state),它既處於左面又處於右面,(甚至據路徑積分,電子有可能在盒外,即所謂之穿隧效應,雖然這機率是微乎其微)除非妳打開盒子成為參與者,電子就會立即落於其中一面.這有點玄的味道,如衛斯理小說<<洞天>>開頭一樣,有些東西不去看時會幻化成妖魔云云,妳一去看時它又會還原,只有妳去看那個電子,在那一刻電子才會從重疊狀態選擇落在箱的那一邊.

又例如粒子自旋,量子力學告訴我們粒子只可旋上或旋下,但是當我們不去度粒子時,它處於半旋上半旋下的狀態,當妳去量度它時,它就會立即變成旋上,或者旋下,妳一不去看,它又會半旋上半旋下,進入重疊狀態.

回說雙縫實驗,我們是其中一名參與者,我們能說的只是當實驗以某種方式安裝而且進行某種觀察時,妳將會看到那一種結果.以實驗來測量波,妳將得到干涉圖案,因為妳不是粒子測驗的參與者.以實驗來偵察通過孔的粒子,那麼妳將看到看到穿越孔的粒子,因為妳不是波的參與者.

<<艾斯別克實驗>>

第一個名為艾斯別克實驗(Aspect Experiment),我們先把兩個光子偏振,我們可以想成被偏振成一個向上,一個向下,無論這兩個光子走到多遠,它的偏振不變,只要當我們度其中一個之偏振時,它就會由向上或向下之重疊狀態回來形成任何一個狀態,例如向上,而在同一時候,我們立即知道另一個光子之偏振必是向下,無論走得多遠,這個沒有被量度之粒子也立即從重疊狀態回復到向下偏振.

艾斯別克實驗破壞了貝爾不等式(Bell's Inequality),事實上大部分這裡舉的實驗都是破壞貝爾不等式,在局域性中貝爾不等式會告訴妳全世界人比全世界男人多,而在非局域性中我們會發現全世界男人比全世界人多~!

(圖: LKL Astro-Group)

<<挑戰哥本哈根詮釋－薛汀格之貓>>

然而這種甚麼重疊狀態,實在有點兒太過,而且它也不是甚麼都可解釋.薛汀格(Erwin Schrödinger)利用薛汀格之貓(Schrödinger's Cat)挑戰哥本哈根學說,他設想封一個放射性原子核及一隻貓在一個密封的盒中,再放一個偵察器,只要這個偵察器一探察到原子核衰變就立即放出毒氣,把貓殺死.

根據哥本哈根闡釋,妳不打開盒子,原子核的衰變處於半衰變半不衰變之狀態,而導致毒氣在放與不放之間,貓的性命也處於死與不死之間,直至有人打開盒子,貓才會從重疊狀態中變成生貓或者死貓.

(圖: LKL Astro-Group)

另一個實驗和盒中貓差不多,不過今次我們用兩隻貓,這兩隻貓各自被放上兩支火箭,火箭上甚麼所需都有,亦有一樣之殘忍裝置,而這兩支火箭被一條管連住,管裡面有一個放射性原子,在某一刻,管被切斷,放射性原子被隨機分到一支火箭上,除非有人打開火箭,否則放射性原子同時處於兩支火箭,所以兩隻貓都是處於半生半死的狀態,好了,火箭背向飛行,一架去到大麥哲倫雲,一架去到仙女座大星系,假設大麥哲倫外星人打開火箭,見到是一隻死貓,在同一時刻,仙女座大星系之貓就立即(真的是立即)從重疊狀態復甦,它是一隻生貓.薛汀格強調不能接受盒內的是一隻又是生又是死的貓.

(圖: LKL Astro-Group)

<<多重宇宙詮釋>>

於是有人試圖提出其他詮釋,例如多重宇宙詮釋(Many World Interpretation),或稱宇宙分支學說,當量子態面臨選擇時,宇宙會分裂(真嚇人!!!),我們只經歷眾多分裂宇宙的其中一個.

宇宙分支學說也並不是純幻想,波爾最先利用它解釋雙縫實驗,它認為在一個宇宙中電子會穿過左孔,在另一個宇宙中電子會穿過右孔,我們平時看到有干涉,是因為兩個宇宙同時發生而進行干涉.當我們看電子究竟穿過那一個孔時,我們令一個宇宙成真而另一個宇宙將自行發展但是與我們無關,因為我們只經歷那個真實的宇宙.所以沒有干涉.這個學說好的是解釋到很多量子力學奇怪的現象,而不好的是太玄,妳根本不可能去證明它的真假,而且一天有多少人要作出不同的選擇?!

<<惠勒－費恩曼吸收者理論>>

費恩曼發現描述電磁波之麥爾威爾方程(Maxwell Equation)實際上有兩個解,其中一個解多為人忽略,因為這個解暗示光會以時間倒退之方式走,這個情形亦出現在類似的薛汀格方程(Schrodinger Equation)中,薛汀格方程中賦予每一條電子軌道一個複變數(complex number),電子會走那一條軌道是把複變數總和再平方,但是複變數平方時很怪,例如5+3i的平方是等如(5+3i)x(5-3i),而這個5-3i(叫共軛複數 complex conjugate)其實就是把時間逆轉.

那暗示電子會同時發出兩組電磁波,一組從電子發出向未來進發,這是常理,叫做延遲波(retarded wave),然而有另一個解為向時間倒退之波,即電子未打算發出延遲波時這個波已到達電子,叫做超前波(advanced wave).

物理學家發現要推一個帶電粒子比推一個不帶電粒子要用更多的力,他們相信這種輻射對抗(radiation resistance)是源於另一個電子對它所造成之斥力,然而就算我們隔離一個電子也存在這種斥力.費恩曼和惠勒利用這兩組波提出惠勒－費恩曼吸收者理論(Wheeler-Freyman Absorber Theory),以解釋為何電子需要一個額外之力.

在這裡我們要引入膺時間(pseudotime)的觀念,在膺時間中做的一切次序其實都是我們世界中即時做的!首先,電子會發射一半延遲波及一半超前波,另一個電子為了呼應它,亦都發射一半延遲波及一半超前波,我們叫第一個電子為A,而呼應電子為B.A的延遲波和B的超前波異相(out of phase)除消,而B的超前波而和A的超前波異相除消,於是乎這兩個波當沒有存在過.然而在它們中間,A的延遲波與B之超前波同相(in phase)形成剛剛一個波,這一個波就是阻礙電子行動之罪魁禍首.

(圖: LKL Astro-Group)

超前波是難以被理解的,妳會想廣義相對論不允許物體按時間倒後行!然而在深究之下,廣義相對論沒有不允許超光速粒子－迅子(tachyon)(我們世界之粒子當然就是慢子(tardon))之存在,假如它真的存在,它將被相反的物理所操控,並會走回時間的過去!當迅子的速度比光速越來越大時,時間將會倒退得更快,這有點像X檔案<<Synchrony>>中的時間穿梭,然而諷刺的是迅子將永遠不會慢於光速.很遺憾,那些希望找到迅子並得到諾貝爾獎的科學家並未找到它們想要的迅子.

既然超前波不是迅子所做,我們認為光速傳播的訊息是完全不須時間(???令人費解的句子),只有認為延遲波及超前波都以+0及-0的時間傳播時,才會令訊息即時傳播又不使時間倒退.所以地球上的電子一振動,在仙女座大星系的電子也會同時作出反應.而且我們有必要相信仙女座大星系的電子也會同時影響地球上的電子,電子不再是一個個孤立的個體,而是整個宇宙中電子網的一部份.

<<交易者詮釋>>

華盛頓大學的克拉默(John Cramer)利用交者易詮釋簡化了惠勒－費恩曼吸收者理論:電子發出一個出價波(offer wave),然後另一個電子(記住這個電子在那裡都可以)同時發出一個確認波(confirmation wave),兩個波一握手完成量子交易.例如要解釋雙縫實驗,我們以膺時間追蹤,電子先發出出價波,被熒幕吸收,誘發一個確認波同時由兩道狹縫返回光源,與出價波完成交易,形成一個電子通過兩條縫.然而,當兩個偵察器開著時,因為每一個偵察器只對著一道縫,所以熒幕發出兩道確認波各自通過一個縫,而問題是只得一個出價波,所以它只可以和其中一個確認波作交易,結果出現電子只通過單一狹縫.

(圖: LKL Astro-Group)

而其他的佯謬也可以合理被解釋,重要的是交易完成僅允許一種可能性,例如當偏振粒子被分開時已作好交易,它們一早已被交易確認成向上抑或向下,而不再是重疊狀態.而兩隻貓在一開始已被決定了生死.交易者詮釋利用了一個似乎違反常識的概念解釋了所有疑難.

記住,這些學說無一個是唯一真理,反都要說個個都是真的,它們只是為解釋量子力學不可測性的各種觀念,視乎妳怎樣看,即如有些人相上帝,有些人信觀音,妳不可說那一個才是真神,當然,幾乎每一個人都想知道'唯一的答案',雖然很多人都知道那是徒勞,但他們仍希望得到一個皈依...