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【鄧鴻源專欄】對今年諾貝爾物理學獎的省思

by 新視界 電子報A
量子糾纏等了40多年才拿到諾獎 專家:因為懂的人太少了!圖為2022年諾貝爾物理學獎得主,由法國物理學家艾斯佩特、美國理論和實驗物理學家柯羅瑟及奧地利量子論物理學家吉林哲共同獲獎。(自由時報∕法新社)
鄧鴻源

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文 : 鄧鴻源(台大物理博士,文化大學教授)

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(編者:本文言論不代表本報立場)

2022年諾貝爾物理學獎得主日前揭曉,艾斯佩特、柯羅瑟、吉林哲這3位科學家因為在量子力學領域的進展而獲獎,他們的研究促成日後超級電腦和加密通訊的發展。3人「以量子糾纏光子實驗、確認違反貝爾不等式、開拓量子資訊科學」而獲得表彰。https://news.ltn.com.tw/news/world/breakingnews/4080848

在量子力學裏,量子糾纏的意義是,當幾個粒子在彼此交互作用後,由於各個粒子所擁有的特性已綜合成為整體性質,無法單獨描述各個粒子的性質,只能描述整體系統的性質,此現象被人稱為量子纏結或量子糾纏(quantum entanglement)。https://www.gvm.com.tw/article/94925

假若對於兩個相互糾纏的粒子分別測量其物理性質,如位置、動量、自旋等,會發現量子關聯現象。例如,假設一個零自旋粒子衰變為兩個以相反方向移動分離的粒子。沿著某特定方向,對於其中一個粒子測量自旋,假若得到結果為上旋,則另外一個粒子的自旋必定為下旋,反之亦然。https://youtu.be/q1NNlUapCF8

更特別地是,假設沿著兩個不同方向分別測量兩個粒子的自旋,則會發現結果違反貝爾不等式。在理論物理學中,貝爾不等式(Bell’s inequality)是一個有關是否存在完備局域隱變數理論的不等式,如果不等式不成立,說明不存在關於局域隱變數的理論可以複製量子力學的每一個預測。https://www.easyatm.com.tw/wiki/%E8%B2%9D%E7%88%BE%E4%B8%8D%E7%AD%89%E5%BC%8F

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量子力學的開山祖師是德國科學家馬克斯·普朗克,他發現能量量子化(1918年獲得諾貝獎)。後來推演出兩種理論,即提出矩陣力學的德國科學家海森堡(在1932年獨得諾貝爾獎),還有提出波動力學的奧地利科學家薛丁格(在1933年獲獎)。兩種理論都對近代半導體科技產生重大影響。https://youtu.be/hwnJYRncw7A

薛丁格方程式可以簡潔優雅地描述波耳的氫原子模型,他認為電子在方程式中的波函數就代表實在的波,就像光子也是一種波。然而,有個問題難倒了所有人:波函數竟然是複數,它的物理意義是什麼?https://technews.tw/2021/01/02/schrodinger-equation-ai/

德國量子力學大師馬克斯·玻恩宣稱,薛丁格的波函數並非描述電子如何波動,而是代表發現電子的機率,正確地說,波函數本身是一種機率振幅,它的絕對值的平方才是測量到電子的機率。他也因為對此的詮釋而獲頒1954年的諾貝爾物理獎。https://pansci.asia/archives/129958

向來有明確因果關係的物理,竟然跑出來不確定的機率,許多科學家都對此無法接受,愛因斯坦是其中之一。愛因斯坦在寫給玻恩的信中寫下著名的「上帝並不是在玩骰子(He is not playing at dice)」。https://ppfocus.com/0/hibd36134.html

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愛因斯坦與玻恩雖然立場相左,但與他卻是終生摯友,兩人的友誼持續長達四十年,歷經兩次世界大戰。英國哲學家羅素曾如此描述他們:「他們兩人都才華洋溢卻又虛懷若谷,還有道德勇氣聲討納粹黨,他們的生命閃耀出一種強烈的美。」

量子力學認為,觀測者才是最主要的,或許我們的世界並非真實存在的,而是虛擬世界,因為我們平時玩游戲的時候,游戲中的人物能夠知道自己在虛擬世界中嗎?而我們也是一樣的,也許只有我們走出這個宇宙,才能夠發現宇宙的終極奧秘。

有人說,低次元的人類無法看到高次元的造物主,如同我們看螞蟻世界一樣,螞蟻可能認為人類是它們的上帝,擁有主宰它們命運的力量,卻看不清楚我們的相貌。人類對於可能的造物主,應該也是如此。

1957年中國第一位諾貝爾物理獎得主楊振寧曾被問道:你相信這個世界上有上帝嗎?楊答道:如果說這個上帝是一個人形狀的,那我想是沒有的,如果你問我有沒有一個造物主,那麼我想是有的,因為我們的這個世界並非偶然存在的,雖然說,到現在為止,科學家還不知道這個造物主到底是什麼?但是許多科學家認為我們的世界並非偶然,包含牛頓與愛因斯坦。

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其實楊振寧的原始思想來自愛因斯坦,因愛因斯坦的回憶錄曾說,上帝創造了我們的宇宙,上帝生活在我們的宇宙中,不過愛因斯坦心目中的上帝和我們想的上帝不一樣。愛因斯坦的上帝是自然神,不是人格神,祂或許是仁慈,也有創造宇宙的能力,但是卻沒有能力賞罰人世間的善惡,也無法挽救世間的悲劇,如鐵達尼號事件與二戰是如此,如今的烏俄戰爭也是如此。人世間的悲劇只有人類自己能處理。

楊振寧的物理學研究領域廣泛,他在統計力學、粒子物理和量子場理論等都取得傑出成就,其中最重要的貢獻有三項,分別是1954年與羅伯特·米爾斯合作的楊-米爾斯定律、1956年與李政道合作的宇稱不守恆定律和1967年的楊-巴克斯特方程。

楊振寧說,科學能體現出一種客觀存在的美,因為「科學裡終極的美是客觀的,沒有人類時就已經有這些美了」。他借用王國維的術語說「科學中的美是『無我』的美,藝術中的美是『有我』的美」。

愛因斯坦也說,人類所能擁有最美麗的經驗是神秘與奧妙,這是真正藝術與科學起源的根本感情。凡不識神秘,不再對自然好奇與驚嘆者,眼神將黯淡無光,彷彿行屍走肉般。正是這種神秘與奧妙的經驗,才會產生宗教,衍生出真正的信仰。唯有在這層意義上,我算是有虔誠信仰之人。

以上幾位偉大物理學家當初只是為了滿足自己的好奇心而研究科學,沒想到其研究成果也給人類文明與生活方式帶來重大的改變,不論是物質或精神文明都有。他們不僅有頂尖的專業科學知識,尤其有道德勇氣,不為邪惡政權服務,更令人尊敬。

瑞典富豪諾貝爾,原本因賣火藥致富,死後財富不留給子孫,而是創立諾貝爾獎遺愛人間,造福世界,提升文明,其偉大精神永垂不朽,勝過古往今來所有的帝王、將相、仕紳與富豪,很值得我們深思。https://pansci.asia/archives/107151

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