跟狗狗一起學物理
2010/08/25
時報文化
查德．歐澤
248
郭兆林,周念縈
无
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?。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。」
為什麼不能穿過圍牆去抓松鼠？另一個宇宙有牛排可以大快朵頤嗎？輕鬆學會狗狗也能懂的量子物理！物理學的《蘇菲的世界》，解救你的量子物理知識量子物理現在除了薛丁格的貓，又有動物明星出現了，那就是查德．歐澤教授家的德國牧羊犬艾美！為了解救廣大學生與一般人面對量子力學許多奇奇怪怪的觀念不知所措的感覺，歐澤教授開始把艾美當成學生，用輕鬆詼諧與淺顯易懂的方式，向艾美與讀者解釋在看似正常的日常生活背後，其實蘊含哪些量子物理極為奇異的本質，例如像波又像粒子的行為、海森堡的測不準原理，還有詭異無比的糾纏粒子與虛擬粒子等，把抽象又難懂的量子物理一次講清楚。他們還討論了量子理論的歷史，例如愛因斯坦與波耳對於量子理論真義長逹數十年的爭辯，以及量子物理對人類的貢獻，甚至被有心人利用成為唬人的宣傳術語等等。到底量子力學是什麼？可以幫艾美輕鬆捉到松鼠或複製永遠吃不完的點心嗎？請跟著本書，一起感受奧妙的量子力學所帶來的無窮樂趣吧！
查德．歐澤（Chad Orzel） 在紐約州中部出生長大，馬里蘭大學化學物理博士。目前是紐約薛奈泰迪聯合學院的天文暨物理學系教授，跟太太凱特、他們的女兒，還有狗兒愛咪一起住在學校附近。 郭兆林 台大物理系畢業，美國柏克萊加大天文物理學博士，現任史丹佛大學物理系暨SLAC助理教授。最新譯作包括《相對論的意義》、《愛因斯坦的宇宙》、《愛因斯坦：他的人生，他的宇宙》等。 周念縈 台大新聞研究所畢業，現旅居美國專事翻譯。
推薦序 台中一中王昭富老師推薦序 基隆女中張仁壽老師推薦序 北一女中簡麗賢老師前言 為什麼教狗狗「物理」？量子物理導論第1章 要走哪一邊？兩邊皆可：波粒二象性第2章 我的骨頭在哪裡？海森堡測不準原理第3章 薛丁格的狗狗：哥本哈根詮釋第4章 許多世界、許多點心：多重世界詮釋第5章 「你睡著了嗎？」：量子芝諾效應第6章 沒有必要挖地道：量子穿隧第7章 幽靈遠吠：量子糾纏第8章 傳送一隻兔子給我：量子遠傳第9章 起司兔子：虛擬粒子和量子電動力學第10章 當心邪惡的松鼠：量子物理的錯用誌謝延伸閱讀重要詞彙
細推物理須行樂──從對話中汲取量子物理的概念 簡麗賢／北一女中物理科教師 八月初，我在溪頭參加二○一○年第九屆的「吳大猷科學營」，主題是物理新知，而且受邀擔任專題講座的國內外物理知名學者的講授內容，幾乎都與「量子物理」有關。我利用科學營的課餘時間閱讀《跟狗狗一起學物理》，在溪頭閱讀一本從對話中談論可能讓人退避三舍、敬而遠之的量子物理的書。 「量子物理」真的會讓人「敬而遠之」嗎？如果您放棄接觸「量子物理」的機會，我只能說：「那太可惜了，而且可能是遺憾喔！」因為我們的生活科技產品中充滿量子物理的概念，很夯、很火紅的奈米科技就是典型的粒子，未來的新科技新產品必然是以量子物理概念為基礎來研發。當然，您可能會說：「量子物理太深奧了，這樣的殿堂如何踏入？」如果是這樣的理由，我建議您就閱讀科普書籍，《跟狗狗一起學物理》這本書是很好的選擇，透過輕鬆的對話，讓您知道量子物理的內容與概念，您可以輕鬆閱讀，可以分段落閱讀，在愉快沒有壓力的情況下，您就「耳濡目染」知道量子物理的專有名詞和意義，譬如說「光的二象性─粒子和波動」、「蒲朗克常數」、「證明物質波理論的實驗─電子繞射實驗」、「海森堡測不準原理」以及著名的近代物理科學家等。 如果您是中學生，課餘時間閱讀《跟狗狗一起學物理》，除了獲得閱讀的樂趣外，附加價值就是能在大學入學的學測中遇到這本書所提到的近代物理概念，例如這幾年考過的學測題目就出現「海森堡測不準原理」的「位置和動量的不確定性」概念，也考過「奈米科技的量子效應理論」等。當然，閱讀不必太功利，閱讀應該輕鬆愉快而且讓我們心靈充實，不論是未來要修習文、理組的中學生，還是一般的社會人士，都值得閱讀《跟狗狗一起學物理》。 物理學界都知道，物理學界的巨擘吳大猷博士有兩位得意門生，那就是諾貝爾物理獎得主楊振寧先生和李政道先生。提到楊振寧先生，我們就會想到物理學界知名的「規範重力埸理論」。楊振寧先生和李政道先生這幾年都曾數次到臺灣為青年學子「開光點睛」，談論量子物理的發展和科學家的成長歷程等，對臺灣的學子幫助很多。 二○○七年，李政道先生在臺灣師大大禮堂追念恩師吳大猷先生的專題演講中，提到杜甫的詩句：「細推物理須行樂，何用浮榮絆此身。」他解釋說：「世界上除了真空外，都是由物質構成，物理就是萬物之理，研究物理最基本的精神就是細推，細就是細微的觀察和實驗，推就是數學的邏輯演繹和推理，仔細地推敲萬物的道理就是物理學的內容。」他把「細推物理須行樂，何用浮榮絆此身」做為一生做人做事的準則，仔細推敲萬事萬物的道理，從事讓自己快樂的事，絕不為世間的浮名所牽絆。誠哉斯言，杜甫的詩句和李政道先生的詮釋確實值得學子深思。 「物理」「悟理」，生活中充滿物理，在閱讀物理書籍中「悟理」。生活在二十一世紀的我們，在追求「輕、薄、短、小、美」的科技產品時，如果能了解量子物理，我想更能體認在科技產品的背後深藏著豐富的量子物理知識，以及科學家嘔心瀝血的努力與堅毅。 眾所周知，牛頓在他的年代裡，其學術地位可以說無與倫比，無人出其右，然而他卻謙虛地留下令人深省的名言：「如果我看得比較遠，那是因為我站在巨人的肩膀上。」這句話深深地影響後代的科學家和普羅大眾。近代物理學家薛丁格也說：「我們的任務不在於注意沒有人見過的事物，而在於思考哪些是每個人都看得到卻尚未有人想過的問題。」閱讀物理科普書，確實可以讓我們獲得科學家給我們的啟示。
「我家的狗狗可蒂說查德．歐澤的文筆比我風趣流暢多了，現在她不停督促我好好改進。查德，拜您之賜了！」 ──約翰．史卡奇（John Scalzi）《垂暮之戰》（Old Man’s War）作者 「感謝查德．歐澤與可愛的艾美，我現在終於搞懂海森堡的測不準原理了！《跟狗狗一起學物理》對於老是搞不懂近代物理的人來說真是一大福音，甚至可說是帶來一道曙光，相信我絕對不是唯一的受惠者！」 ──史賓塞．奎恩（Spencer Quinn）《狗狗偵探》（Dog On It）作者
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