改變世界的神奇力量   令人頭暈目眩的量子力學

編譯/高晟鈞

量子力學是一種理論,涉及物質、能量和光的基本性質,以及它們如何相互作用構成如今的世界,其探索微觀世界不同物質和能量基本性質的物理學領域,對於推進現代技術與通訊至關重要。

物理學發展

古典物理學以17世紀所提出的牛頓運動定律作為基礎,是宏觀世界和低速狀態下,物體運動的基本物理定律。兩世紀後,1905年愛因斯坦提出了狹義相對論,再到1920年後由薛丁格、海森堡等人全面開始發展量子力學。牛頓三大定律、相對論力學、量子力學、量子場論按照尺寸和速度的不同,構成了近代物理學的四大支柱。

資料來源: 時空的起源:量子力學的「魔法」與黑洞的混沌特性

薛丁格的貓

相信大家都聽過「薛丁格的貓」的比喻,是薛丁格用來比喻量子力學的一個經典例子,或是「詭論」。

在這個想像實驗中,一隻貓被鎖在一個裝有毒氣瓶的箱子裡,當量子粒子處於某狀態下毒氣瓶會破裂,反之則毒藥瓶完好無損。將箱子封閉,此粒子的量子狀態是兩種狀態共存的情況,也就是說毒氣既是已從瓶中放出,又被封存在瓶中,因此箱中的貓同時既是活、也是死。但當我們想要觀察內部狀況時,此量子疊加狀態會被干擾而瞬間瓦解,在那瞬間這隻貓是被毒死或得以保命。

令人頭暈目眩的量子力學

量子被用於描述某種事物的最小可能量,許多我們認為相當直觀的事情,在量子世界中很可能恰恰相反。

在牛頓物理學中,一個物體的狀態可以是靜止、移動、正向或是顛倒。然而,在量子力學中,一個物理可能同時存在一個或多個位置(疊加態),或是同時具有不同方向,而這種「量子疊加」的性質正是量子電腦用於表達與儲存訊息的原理。

在經典遊戲「馬莉歐」中,角色可以跳過矮牆或水管;然而如果水管超越了其跳躍能力,是無法穿牆而過的。這就是古典力學的基本概念,只有一個物體的能量超越前方的位能障礙時,才可以跨越或到達另一狀態。不過在量子世界中,只要這個位能障礙不是無限大,那麼即便非常小,物質依舊有機率穿透而過,這種如同外掛程式的現象,便被稱為「穿隧效應」,在快閃記憶體、強大的顯微鏡或核融合現象中都有所應用。

當量子物體相互作用時,會通過稱為「量子糾纏」的現象相互連接,並且可以跨越物理限制,被愛因斯坦稱之為「幽靈般的遠距離作用」,被大量用於量子計算、通信等領域。

玄之又玄的量子力學常令人費解,大大顛覆了以前所學的古典力學現象。然而,科學的奧妙正是透過不斷的推翻才得以進步。量子技術的開發與革新,將大大改變從藥物發現、新材料設計,再到國家安全、半導體計算等不同領域,同時加深對宇宙的理解。

資料來源:ScitechDaily

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