鄧鴻源觀點:對今年諾貝爾物理學獎的省思

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。(美聯社)

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。

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)。

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。

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。

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。

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?

另一德國量力大師馬克斯·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。

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)」。

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。 (相關報導: 諾貝爾基金會提高獎金額度 今年得獎者多拿320萬 更多文章

量子纏結(量子糾纏)示意圖(瑞典皇家科學院)
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?(瑞典皇家科學院)

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,因為人類只是三維空間的生物,而宇宙的造物主很可能在三維以上空間觀察我們。