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11 May

談談量子論

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這篇于 2020-04-18 在臉書發表

來談談量子論,quantum mechanic,這種外星人才懂的東西。

我不是外星人,所以我也不懂,不要問我很深的問題。

量子,quantum,不是功夫漫畫裡面『大海無量』那種『高能量』的『量』。而且恰恰相反,在物理範圍它指的是非常微小的單位,unit。

舉個例子,在我們熟知的傳統物理,包括愛因斯坦的相對論,的認知裡,光是連續不間斷的,但在量子論裡光是由無數單一光子,photon,組成的。同理,能量也不是連續不間斷的,而是數量化的。

傳統物理把原子模擬成類似太陽系行星環繞太陽運行的模型,但在量子論裡電子並不像行星那樣環繞著原子核運轉,它是隨機的出現在軌道上的任何一點,所以只能用統計學計算它出現在任何一個位置的機率。看圖一。

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圖表一,傳統太陽系跟原子模型
來源:https://qph.fs.quoracdn.net/main-qimg-089a6089679ca281d738b3bcc9e68caa-c

科學家不斷的發現越來越小的單位,從分子到原子、從原子到質子、從質子到夸克,Quark,他們建立了一個包含32個粒子的『標準模型』,standard model。看圖二。

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圖表二,標準模型,Standard Model
來源:https://en.wikipedia.org/wiki/Particle_physics

看似標準,但導出這些粒子存在的證據背後的數學方程式複雜程度令人乍舌。說它是外星理論不是沒有根據的,看圖三。

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圖表三,標準模型公式
來源:https://www.sciencealert.com/this-is-what-the-standard-model-of-physics-actually-looks-like

因此有一部份物理學家不喜歡這個模型,認為它不是物理的最終點。對他們來說,一個完美的公式必須像愛因斯坦的 E=mc2 那樣簡潔。所以在運用標準模型來解決物理問題的同時,他們也試著去發展其他的理論,以整合這複雜的方程式。弦理論,String theory,跟基於其上的 M 理論,M theory,就是其中的佼佼者。支持者認為倘若有一個完美的公式,弦理論絕對是導出該公式的唯一途徑。

回到標準模型話題上。

要發現這些越來越小的粒子並不是一件容易的事。其中一個方法就是撞擊。就像把兩粒石頭相撞會碎裂成更小的石頭那樣,科學家把兩個粒子在環狀通道內用電磁力牽引著,以反方向加速到光速的 99.9999% 後對撞。試圖利用檢測器來檢測對撞後分裂出來更小的粒子。

目前最大的粒子加速器,particles accelerator,是『大型強子對撞機』,Large Hardon Collider (LHC)。這個屬於歐洲核子研究組織,Conseil Européen pour la Recherche Nucléaire (CERN),的對撞機位於法國跟瑞士邊界,其周長達到 27 公里。看圖四。

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圖四,周長 27 公里的大型強子對撞機,LHC
來源:http://cds.cern.ch/record/841542

2012 年科學家發現俗稱神的粒子,God’s particle,的希克斯玻色子,Higgs Boson,就是在 LHC 撞出來的。這個粒子是被粒子學家 Peter Higgs在 1964 年推測出來,直到 48 年後的 2012 年才被證實,可見其中的難度。希克斯玻色子的存在解釋了為甚麽宇宙中所有物質都有質量。

量子論跟我們其實息息相關的。比如所有現今的微電腦芯片越來越小,消耗功率也越來越小,計算能力則越來越高,這都歸功於量子論。其他的有全球定位系統,GPS,磁力共振掃描,MRI,甚至每個晚上照亮你心靈的那盞日光燈都是量子論影響下的產品。

量子論對人類的影響不小,不要再說它是外星科技了!

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