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前言 為什麼教狗狗「物理」?量子物理介紹

譯 者 作 品

愛因斯坦:他的人生,他的宇宙

物理化學

【類別最新出版】
超實用.科學用語圖鑑:物理、電、化學、生物、地科、宇宙6大領域讓你一次搞懂136個基礎科學名詞
神的方程式:對萬有理論的追尋
研之有物:見微知著!中研院的21堂生命科學課
六極物理:極快、極大、極重、極小、極熱、極冷,探索極限世界
一次搞懂量子通訊


跟狗狗一起學物理(KA1039)
How to Teach Physics to Your Dog

類別: 自然‧科普‧數理>物理化學
叢書系列:知識叢書
作者:查德.歐澤
       Chad Orzel
譯者:郭兆林、周念縈
出版社:時報文化
出版日期:2010年08月23日
定價:250 元
售價:198 元(約79折)
開本:25開/平裝/248頁
ISBN:9789571352589

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前言 為什麼教狗狗「物理」?量子物理介紹



  前言 為什麼教狗狗「物理」?量子物理介紹


前言 為什麼教狗狗「物理」?量子物理介紹

拓洛伊巿郊外有一所摩霍克暨哈德森人道救援協會,林間設有一小條步道,想收養狗狗的人們可以牽出來走走看。我在路旁空地的長椅坐下來,看著牽出來的狗狗。

她緊挨著椅子坐下,用鼻子頂頂我的手,我也搔搔她的耳背做回報。太太凱特和我已經看過許多隻狗狗了,但是這回她得上班,所以派我來挑選一隻狗狗帶回家。我腳邊的這隻狗狗,看起來頗合適。

她是一歲大的混種德國牧羊犬,帶有牧羊犬典型的黑褐色皮毛,但是體型上比牧羊犬小,還有一副塌塌的長耳朵。籠子上掛的名牌是「公主」,不過好像不太相配。

我問道:「小姐,你覺得我們應該叫妳什麼呢?」

她答道:「叫我艾美啊!」

「為什麼呢?」

「笨蛋,因為這正是我的名字啊!」

被狗狗叫「笨蛋」讓我有點兒驚訝,不過她講的也有道理。「好吧!這點我無從置喙。那妳想跟我們一起住嗎?」

「嗯,要看情形。」她說道:「你們家附近有什麼小動物嗎?」

「妳的意思是…?」

「我喜歡追逐東西,你家有小動物可供我嬉戲玩耍嗎?」

「這點沒問題。我們家的院子夠大了,而且有許多小鳥和松鼠,偶然還有兔子呢!」

「哇哈哈哈!我喜歡兔子!」她快樂地搖著尾巴。「那會出去散步嗎?你會帶我去溜躂溜躂嗎?」

「當然囉!」

「那點心呢?我喜歡吃點心。」

「如果你表現良好的話,吃點心沒問題。」

她看起來有點生氣,說道:「我是很棒很棒的狗狗,你肯定會給我點心的。你們是幹哪行的?」

「拜託?現在到底誰在面試誰啊?」

「我得知道你配不配得上我。」看來「公主」這個名字比我想得更貼切。「你們是幹哪行的?」

「好吧!我太太凱特是律師,而我是斯喀奈刻特迪(Schenectady)聯合學院的物理教授,做的是原子物理和量子光學的教學與研究。」

「量子什麼東東…?」

「量子光學。廣義來說,是光和原子之間的量子交互作用。」

「聽起來很複雜耶。」

「對啊,不過也很引人入勝喔!量子物理具有各式各樣奇怪又奇妙的特性,例如粒子像波而波又像粒子;直到測量之前,粒子特質都不確定;真空中充滿了即縱即逝的『虛擬粒子』等等,這一切酷斃了!」

「呣…。」她思索著,然後說道:「最後一個測驗。」

「請說?」「

揉揉我的肚子。」她翻身躺下,我彎下腰撫摸她的肚子。過一會兒她站起來搖搖尾巴,說道:「OK,你過關了,讓我們回家吧。」

我們回到救援協會裡填寫收養表格,一路上她說道:「量子物理,是吧?以後我得好好學一手了。」

「好極了,在下樂意傾囊相授。」

像大多數養狗人士一樣,我花了許多時間對狗狗說話。大部分的內容都很典型-別吃那個、別爬上家具、我們去散步吧!不過,我們也談了一些量子物理。

為什麼要對狗狗談量子物理呢?因為,這正是我的本行:我是大學物理教授,理所當然會花許多時間想量子物理。

什麼是量子物理呢?量子物理屬於「近代物理」,指的是以1900年之後發展的物理法則;而在1900年之前所發現的物理法則,則被認為是「古典」物理。

古典物理是涉及日常事物的道理,例如網球、玩具、鍋爐、冰塊、磁鐵和電線等物理。古典的運動法則支配任何肉眼可見物體的運動;古典熱力學解釋物體加熱與冷卻的道理,例如引擎和冰箱的運作。至於古典電磁學,則解釋了燈泡、收音機和磁鐵的行為。

然而,近代物理學描述的是一個奇怪的世界,超越我們平日所見所聞。這個世界最早由 1800 年代後期和 1900 年代早期所做的實驗中揭露顯現,這些現象無法以古典物理法則解釋,需要發展出新的場以及不同的法則。

近代物理分為兩部份,皆與古典物理法則有著根本的不同。其一是相對論,涉及運動極為快速的物體,或是在有強重力作用的情況下。愛因斯坦在 1905 年提出了相對論,這本身即是很奇妙有趣的題目,但是不在本書涵蓋的範圍。

我和狗狗談的是近代物理的另一個部份。「量子物理」或「量子力學」是指近代物理中涉及光和微小物體(如分子、原子、次原子粒子)的部份,1900 年蒲朗克創造了「量子」之名,愛因斯坦則是因為首度提出光的量子理論而贏得諾貝爾獎。接下來三十年左右,發展出了完整的量子力學理論。

量子理論的創建者包括早期的開拓者蒲朗克和波耳(首先建立氫原子的量子模型),以及後來提出改良的費曼和薛文格(Julian Schwinger)(兩人分別獨立研究出現今所謂的「量子電動力學 (QED)」),都實至名歸被尊為物理界的巨擘。量子理論的一些元素甚至跳脫物理學的範疇而廣為大眾歡迎,像海森堡的測不準原理、薛丁格的貓詭論,以及從艾佛列特的多重世界詮釋所衍生的平行宇宙。

沒有量子力學,將不會有現代生活。若不了解電子的量子特性,便不可能製造出讓電腦運作的半導體晶片。若不了解光和原子的量子特性,將無法製造出雷射,以便讓我們用光纖電纜傳送訊息。

量子理論對科學界的影響超越實際層面,它強迫物理學家面對與思索哲學方面的議題。量子物理對於我們對宇宙和物體特性的訊息加以限制,量子力學甚至改變我們對何謂測量的意義,讓我們必須從最根本開始,重新徹底思考「真實」的本質。

量子力學描述一個極端怪異的世界,在這當中沒有東西是確定的,直到測量之前物體沒有明確的性質。在量子世界中,相距遙遠的物體以奇怪的方式產生連結,有完全不同歷史的各種宇宙存在;而在看似空無一物的空間中,會有「虛擬粒子」出現又消失。

量子物理可能聽起來像是虛構的小說,但它確確實實是一門科學。量子理論所描述的世界正是我們的世界,只不過它是在微觀尺度上著眼。量子理論所預測的奇怪效應是真實的,具有真實的效應和運用。量子理論的測試已經達到難以置信的精準程度,成為科學理論史上受過最精確測試的理論,即使是最奇怪的預測,也受到實驗證實了(見第7-9章)。

因此,量子物理可說是很正點的東西。但是它和狗狗有何關係呢?

其實,狗狗比大多數人類更接近量子物理。它們在探索世界時,先入為主的情況比人類更少,而且總是期待有意想不到的事物發生或出現。狗狗每天走同樣的街道可以一切如新:每塊石頭、每片草叢或是每棵樹木,它都會好好一嗅再嗅,彷彿從未見過一般。

如果在廚房中間憑空出現狗餅乾時,一般人大概會嚇得魂飛魄散,可是狗狗會泰然自若地盡情享用一番。沒錯,對大部分的狗狗來說,點心自動變出來是剛好而已,但是它們總是期待點心會隨時出現。

量子力學對人類來說,顯得高深莫測、困難重重,因為它搞亂了我們對於世界運作的正常期待。狗狗們則是更能敞開胸懷接納,它們認為平日的世界本來就是一個奇怪又令人驚異的地方,而且量子理論的預測不會比開關門把更奇怪或詭異。

和我的狗狗討論量子物理很有用,因為可以幫助我了解該如何和人類討論量子力學。學習量子力學時,有的部份正是要學習像狗狗一樣思考。若是看待世界的方式像狗狗一樣,永遠有源源不絕的意外和驚奇,那麼量子力學會更容易接近與理解。

這本書將我和狗狗談論量子物理的對話寫進來,每段對話後面再進一步討論牽涉到的物理學。主題包括許多人都已聽過的概念,如波粒二元性(第1章)和測不準原理(第2章),以及較先進的概念如虛擬粒子和QED(第9章)等。說明中包括理論的詭異預測 (實際與哲學層面),以及已經證實這些預測的實驗。我選擇了狗狗覺得最有趣的部份,同時也著重了讓人類覺得很驚奇的部份。

「我不知道耶。我認為,書的內容還需要更多才對。」

「更多什麼?」

「更多我啊!你都沒有談到我是一隻格外聰明的狗狗。」

「好啦!」

「而且也格外可愛。」

「當然,但是-」

「也不要忘記提到我的『好』,我比其他的狗狗好太多了。」

「什麼其他的狗狗?」

「就是其他不是我的狗狗啊!」

「拜託,這是一本談物理的書,不是寫你的書。」

「所以,我說要多寫寫我的部份嘛!」

「反正就不是嘛!妳只能乖乖接受了。」

「好吧!不過,物理的部份你需要我的幫忙。」

「什麼?」

「因為有時候你會遺漏一些東西,沒有回答我全部的問題,你不應該這樣的。」

「比如說呢?舉個例子吧!」

「呣…,我現在想不到。不過,如果你唸給我聽的話,我會挑出來,還可以幫你修改。」

「好,聽起來不錯。這樣吧!我們一起將內容順過一遍,如果有你覺得不妥當或我遺漏掉的地方,我們可以討論一下,我再把妳的意見加進去。」

「比如我們現在的對話?」

「沒錯,正是如此。」

「而且你會把談話放進書裡?」

「我保證。」

「如果是這樣的話,我們應該談談我為什麼是最棒又可愛,以及我應該得到更多的點心,還有…」

「好,夠了夠了。」

「那下回再說了。」