不可思議的量子力學 (How much do we know about Quantum Field Theory?)

一、前言
信堅近日,重新回頭深入探討量子力學的特徵。信堅在早年,人生精華時期,浸淫於量子場論,滿懷希望,勤苦努力,但却一無所成,只好半途改行,真愧對師長的期望。但另一方面,則是由於自己對基礎物理的未來一百年前景的悲觀判斷: 既然已錯過近代物理的軸心時代 (1850-1950), 下次的突破,最少要在一百年後,還要等待新觀念的生長、成熟機緣。因此毅然轉行至應用物理,重新開始,進入太空衛星科技,期望在一生中,有所成就。雖然在二十年中,以主任工程師身分,設計、製造、放射、及科學資料處理,成功的放射了三顆人造衛星,似有小成。但一生所鐘好,仍在量子力學本行。
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近日因緣聚會,回頭重看量子力學的基本定律及其所含的深義,發現以前都是白學了,只是依文解義,學得膚淺,不了解其中的真義,也不了解什麼是下次突破所應解決問題的方向與所須觀念,糊裡糊塗的過了一生。現在壯士暮年,雄心未已。最近幾天的惡補,吸收對量子力學的最新認知,及實驗結果。略有所得,因此在此,稍加整理,張貼在此園地。期望此文對下一代有志讀物裡的年輕後輩,有所啟發,共襄盛舉。

現代物理學依賴於廣義相對論和量子力學的兩大支柱。但問題是兩者是矛盾互補的。廣義相對論解釋宏觀世界的粗獷現象,大而無外,談論時空、物質世界,信息的傳播受有限光速的限制,一切現象皆有因果關係。量子力學解說微觀世界,小而無內,沒有時空,凡所有相,皆是虛幻。一含一切,一切在一中。信息有感遂通、道通唯一。這跟華嚴一真法界,諸法實相,非常相近。因此唯一能聯合此二理論的統一場論,就應該以萬物一體為出發點。即以”道” 或”自性”的本源,而不是唯物或只偏重於一門。

同時信堅特別在此,將上文 “量子力學的基本特質“,增加至六大特徵,並詳細解說,科學家如何花了數十年的攻夫,設計相當精準的實驗,來證實這些特性。所有結論,都是科學偉人們的血汗結晶。

讀者也可看出,量子理論的這些特徵,如波粒二元論、非區域性、非實性,及量子糾纏等現象,不但都與我們日常世間的經驗不同,而且都趨近於一乘佛經的一真法界,諸法實相。在在說明,華嚴境界,非世俗理論心意識思維所能了知,法法不可思議。也明確的證明了笛卡爾的心物二元論,只部分的適用於世俗的較大物體,完全不適用於量子的微觀世界。現代科學,應該轉向至 “心物一元” 的理論。

最後,此文相當長,內容對普通讀者,甚至專家,也相當難懂。因此在描述實驗證明時,只描述目的、原理與實驗結果。主要目的是說明,量子理論的一切特徵,不是空穴來風、不是純假設或純理論,而是有實驗證據的。諸法實相,雖不可思議,不可解說,但聰明的科學家,卻能找到實證的實驗證據,真感謝科學家們為求真理的無私貢獻。

二、都是笛卡爾 “心物二元論” 惹的禍
上古時代,人類與大自然、萬物合為一體,心靈相通。和諧共處。但不幸的是,在其中一個轉捩點—笛卡爾(René Descartes)將心靈和物質二分。笛卡爾的思想深深影響了後世的科學思維,將人類帶進了唯物的思考,脫離了心靈世界。自笛卡兒以來的西方主流世界觀認為物質決定意識,意識是在物質中產生的副產品。因此三百年來,幾乎所有的科學研究,都是以唯物為主。雖然似乎有科學突破,但也可能引領人類進入絕境。因此信堅認為,笛卡爾這條蛇,使人類從此被逐出了伊甸園了 (Garden of Eden), 從此沉淪六道,來到痛苦的物質世界,永劫受苦。

勒內·笛卡爾(René Descartes, 1596-1650),是法國著名哲學家、數學家、物理學家。他對現代數學的發展做出了重要的貢獻,因將幾何坐標體系公式化而被認為是解析幾何之父。他是心物二元論 (唯心主義與理性主義) 的奠基人,留下名言「我思故我在」(「思考是唯一確定的存在」),提出了「普遍懷疑」的主張,是西方現代哲學的奠基人。他的哲學論證是如何從認識論的角度,去證明我存在,上帝存在,世界存在。

笛卡兒認為,人類應該可以使用數學的方法—也就是理性—來進行哲學思考。他相信,理性比感官的感受更可靠。他從邏輯、幾何和代數學中整理出下面幾條規則:
– 我懷疑故我在,”我思故我在”。因此 “我自己是存在的”。
-「我」必定是一個獨立於肉體的、在思維的東西。
– 感官知覺的知識是可以被懷疑的,我們並不能信任我們的感官。
– 絕不承認任何事物為真,對於我完全不懷疑的事物才視為真理;
– 除了屬性「思」之外的任何屬性都可以和我分離開。
– 宇宙中共有兩個不同的實體,既思考 (心靈) 和外在世界 (物質)。[心物二元論]
– 必須將每個問題分成若干個簡單的部分來處理;思想必須從簡單到複雜;
-「這個世界真的存在」,而且經由證明過後的數學邏輯都應該是正確的。

笛卡爾以“科學的角度”來探究哲學。忘卻了”心靈”的重要性。在笛卡爾的心物二元論下,現代人類跟世界疏離的命運從此無可挽回—象牙塔內的“我”孤立於其周遭的靜止不動、沒有感覺、外在的物質世界。從歷史角度而言,心靈和物質的分離,最顯著的結果是三百年來,科學研究從幾乎完全聚焦物質世界,並以發現其固有規律為目的,不必受制于宇宙具有心靈等的形而上的想法。

在後來的三個世紀裏,科學家們全力探究物質世界及其固有規律,並且取得相當驕人的成績。事實上,科學家是如此成功。以至到十九世紀末,笛卡爾的心物二元論中的“心靈”變得可有可無。在科學的實證主義哲學裏,任何“生命力量”、“精神”、“心智”或“意識”等對自然事物的干預,都變成是多餘的,而且逐漸被視為“迷信”。心靈曾經被笛卡爾視為存在的首要證據,現在卻成為附在物質、外在世界這封閉的宇宙上,無關宏旨的東西。

這個約化主義的範式到今天仍享有主導地位,尤其是在生物科學和醫學科學這些範疇。譬如,神經科學認為,只要我們能夠認識大腦的全部線路,我們就可以完全解釋心靈或意識。換句話說,所有最基本的因果機制都在神經元和神經鍵等層面上運作。意識只是一個附帶現象,是大腦裏發生的物質過程的副產品。

笛卡爾的論點有很多是錯誤的假設。其根本在於他所說的 “我”,是心意識思維的自我 (ego),佛經叫第八阿賴耶識。是自性一念無明的轉變物,不是自性本具的智慧德能。它隨順無明習性,它的觀念思維,隨個人的靈性階層,而有不同對事理的正確認知。佛經說,唯有轉識成智,才能有智慧,才能有正知正見正決擇。

同時,心物二元,是相當嚴重的世俗分別、執著。是六道輪迴的根本。正確的思維是 “萬物一體,心物合一”,這是見性成佛的不二法門。

他所說的 “必須將每個問題分成若干個簡單的部分來處理;思想必須從簡單到複雜” 只對了一半。要從簡單到複雜,有無限多方法。唯有了知萬物一體,才能將簡單拼湊成一個有意義的整體、真相。這也是現代科學之所以停帶不前的主因。由片面或局部,而想正確了解整體,是妄想。

三、量子力學的基本原理
量子物理有下面六大特徵:
3.1 狀態疊加 (superposition of states)
量子理論的基本定律是用多維波動函數來表達,滿足一個線性複數波方程式 (linear complex wave equation), 因此它的解答是相加性的。同時波函數不是局部性的,而是無所不在,瀰漫在無限時空裡。

3.2 測不準原理 (uncertainty principle),疊加態無法精確測量;
不能同時精準的測量一顆粒子的相應物理量。

3.3 Particle-wave duality微觀粒子的波粒二元性
量子既不是經典意義上的波也不是經典意義上的粒子。即光(泛指電磁波) 與組成物質的基本粒子 (如電子、質子、中子、夸克)等,同時具有波 (wave) 與 粒子(particle) 的性質。其實更深的意義包括下面四個非我們心意識所能了知的特性:
– 它們既是波也是粒子 (是波是粒);
– 既不是波也不是粒子 (似波非波,似粒非粒);
– 在一些實驗中表現為波,在另一些實驗中表現為粒子 (非波非粒);
– 既具有波的某些性質又不具有波的另一些性質,既具有粒子的某些性質又不具有粒子的另一些性質。

似波:它能產生干涉 (interference) 和衍射 (diffraction)。非波:沒有對應確定的物理量,w它的存在,以機率來詮釋。似粒:有確定的質量、電荷。非粒子:沒有確定的軌道,如一團霧般的分布。

3.4 Vacuum Polarization 真空不空,真空妙有,剎那生滅。
1900年普朗克首次提出了能量子假說。此後,愛因斯坦為了解釋光電效應提出了光量子假說。在此基礎上,法國科學家德布羅依(Louis Victor de Broglie, 1892-1987)於1923年把光的波粒二元性理論進一步推廣到所有物質粒子,提出了所謂的波粒二象性假說,1927年這一假說被電子束衍射實驗所證實。微觀粒子的波粒二象性是量子力學的核心內容,因此,這一理論的誕生必然會影響到人們對真空的認識。

量子場論 (Quantum Field Theory) 認為,每一種基本粒子都與某種場相對應,將場量子化後,相應的粒子就被看成場量子。當空間存在某種基本粒子時,表明那種量子場處於激發態。但由於量子場不可能像經典場那樣可以完全“凍結”,至少具有零點振盪或零點能,因此,當其不存在粒子時並不意味著不存在這種量子場,而只是說它處於基態。

按照量子力學理論,真空實際上一點也不空,其內部永遠存在著各種各樣的量子場,只不過這些場都處於基態而已。

由於微波技術和核磁共振技術的進步,1947年人們在實驗中測出了氫原子2S1/2 和2P1/2能極間確實存在微小差別,此即蘭姆移位(Lamb shift)。當人們用真空極化理論對此進行計算時,所得到的理論值與實驗值驚人地一致。

1948年,荷蘭物理學家亨德里克‧卡西米爾(Hendrik Casimir)提出所謂的卡西米爾效應(Casimir effect),他根據量子場論解釋「真空不空」觀念:即使沒有物質存在的真空仍有能量漲落。真空中實際上充滿了粒子與反粒子對,忽現忽滅,這些訊號被稱為量子波動(quantum fluctuation)。[請參看 “卡西米爾效應 (Casimir Effect) 與真空妙有、剎那生滅” http://www.worldofmastermind.com/?p=9044

3.5 非局域性 (non-local)、非實在性 (non-real-existence)。
量子物理學已經表明,觀察者可以通過觀察行為簡單地改變實驗的結果。

3.6 量子糾纏 (quantum entanglement)
在量子力學裏,當幾個粒子在彼此相互作用後,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,這種現象為量子糾纏。譬如由一個粒子分裂成兩個部分,以不同方向移動,則不管它們距離多遠,都能彼此互知。

四、量子力學的重要觀念發展史及實驗證明
信堅在此段介紹量子革命的精彩歷史,以及在此期間的重要成就。此段特別介紹了最近實驗對 經典物理的 定域性 (locality) 和實在性(reality) 的反證,指出意識的存在,及意識 (consciousness) 與物質的一元性。推翻了 笛卡爾的 “唯物主義”,證明了中國古老的”萬物一體,一切法唯心,及心物合一” 言論。(同時也解說,科學家們如何提出問題,設計實驗,證明上述3.5 及3.6 是正確的量子理論的特徵。)這些實驗結果,對整個人類的新科學認知,引起的震撼。我們所知的世界,竟然是虛幻不實,萬物一體。

4.1根深蒂固的古典物理觀念: 定域性、與實在性。
時至今日,科學家在解說所有物理現象時,都依賴兩種根深蒂固的古典物裡觀念 (假設): 定域性與實在性。在物理學中,定域性原理(Principle of locality),又稱局域性原理、區域性原則,認為一個特定物體,只能被它週圍的力量影響。不存在超光速相互作用。

4.1.1定域性的定義
“定域性”是所有東西在空間中存在。我們可以想像東西只佔有部分空間,並且只能通過借空間傳送的某種行為—物理學家稱之為“信息”—跟其他東西互動。

根據經典物理學的場論的看法,某一點的行動,影響到另一點,在中間的空間,例如場,會成為運動的媒介。要對另一個點造成影響,一個波或是粒子,必須先行經兩點中間的空間,之後才能造成影響。根據狹義相對論,宇宙中所有物質和資訊的運動與傳播速度均無法超過光速。由於事件的傳播需要時間,而其速度上限為光速,因此定域性原理認為,在某一點發生的事件,不可能立即影響到另一點。資訊不可能比光速更快。這個觀點保持了事件之間的因果性,但排除了超距作用的可能。

4.1.2實在性的定義
無論觀察者如何曲解這世界,在他身外始終存在一個帶著客觀質素的客觀世界。這客觀世界理的事物、現象,是真實存在著。

4.2 EPR 悖論(Einstein-Podolsky-Rosen Paradox)
1935年愛因斯坦-波多斯基-羅森(Einstein-Podolsky-Rosen, EPR),提出了他們認為足以證明量子物理學不完備的決定性的思想實驗。他們設計了一個思想實驗,假設我們日常經驗,即區域性與實在性是對的,他們由此悖論,說明由量子物理學引申出來被稱為“纏結” (entanglement)的想法是如何荒謬,違反常理。這思想實驗,被稱為“EPR悖論”。

[信堅註: 悖論 (paradox) 是指基於一個理論的命題與假設,所推出了一個和事實不符合的結果。 纏結 (entanglement) 是量子系統間,存在著一種特殊的“超距作用”。“纏結”實質上是指兩個系統的互動方式在它們的狀態間建立了永遠相連的關係,無論兩者朝不同方向走了多遠,它們始終互相關聯,永遠是一個系統。如果其中一個被量度,另一個立即知道。換句話說,空間的距離看起來毫不重要,信息似乎以超光速彼此傳遞! ]

4.3 貝爾不等式 (Bell’s Inequality)
一直到三十年後 (1964年 ,愛因斯坦去世後的第九年),才由約翰·貝爾(John Bell)找到一個測試EPR悖論的方案,令物理學界重新關注”EPR實驗”。

貝爾最聰明的地方是他不理會EPR實驗的物理過程和法則而只聚焦其邏輯結構。他找出並界定了經典物理學和我們日常思考中的物質的兩個基本特性。他將這兩個特性稱為“實在性”(realism)和“定域性”(locality)。因此,貝爾定理提供了一個方法,讓我們可以比較量子物理學和符合 “定域性及實在性”的一般有關物質的理論的不同預測。令人感到驚奇的是,“世界是否實在的(realistic)和定域的(local)”這個深刻的哲學問題,竟然可以通過實驗測知!貝爾不等式使物理學家們能用具體實驗來驗證ERP悖論成為可能。

就像愛因斯坦一樣,貝爾也相信直覺的“定域實在性”:即一個粒子不可能即時地被一個遠處的事件影響,而且它的屬性獨立於觀測而存在。貝爾推導出一個數學公式,它量化地說明了,如果你對一對糾纏粒子進行觀測時,會得出什麼結果。如果定域實在論是對的,那麼對兩個糾纏的粒子各自做出的觀測之間的關係,不會超出某一個量,原因是粒子間的相互影響是以光速傳播的。這個不等式,就是著名的 “貝爾不等式” (Bell Inequality).

4.4 愛斯派克特(Aspect)和他的小組成功地完成的量子糾纏 的實驗
科學實驗人員於是努力讓實驗成真。他們在1970年代不斷重複進行EPR實驗,終於在1980年由艾倫·愛斯派克特(Alain Aspect)在巴黎進行了最令人信服的實驗。1982年,他們得到了結果是:貝爾公式與量子理論的預測不一致。因此阿斯派克特宣告,這個世界不可能既是定域的又是實在的—愛因斯坦跟他的兩個學生都錯了!

4.5 真實世界是否存在? 萊格特不等式 “Leggett’s inequality”)
但愛斯派克特(Alain Aspect)小組只解決問題的一半。到底是 實在論或是定域性(realism or locality)是錯了,還是兩者都是錯了?

早在阿斯派克特進行他的實驗之前 (1976年),物理學家安東尼·萊格特(Anthony Leggett)想出一個他稱為“內核”(the kernel)的辦法修改貝爾公式,把它作一個扭轉:他量化了可能得到的實驗結果。即假設遠程、即時的作用是可能,但保持實在性的假設,在此情況下,觀測糾纏的粒子時會得到什麼結果? 萊格特後來在2003年發表了這個公式 (叫 “萊格特不等式, “Leggett’s inequality”)。

4.6 阿斯佩爾邁耶 (Aspelmeyer) 和蔡林格 (Zeilinger) 小組的測驗實在性實驗
一個由奧地利和波蘭的物理學家組成的小組 [由奧地利科學院的阿斯佩爾邁耶(Aspelmeyer)和維也納大學的蔡林格領導]。他們利用光子的極化。假定一個光子是極化的,它的電磁場沿一個很確定的方向振動。現在假定每一個光子的極化將造成一個可以預測的效應:當你把一個偏振鏡放在光束前時,你可以預測所能得到的光的強度。這個實驗的機制在於極化測量的和、差和乘積之間的一個數學關系。

結果是,如果假定光子在觀測之前就有明確的極化,則那些數字不符合期望值。但是,如果假定量子理論是對的,並且你只能統計性地描述屬性,則與預言完美相符。這些研究者們認為,這意味著我們必須放棄客觀實在性的觀點。

4.7 總結:
實驗證明,量子世界是非定域性、非實在性,相當接近於一真法界的境界。
量子非局域性表明物質具有整體性,宇宙是一個不可分割的有機體,所有物體在冥冥之中存在著聯繫,如人身是一個小宇宙,牽一髮而動全身。各部位息息相關,互通互用。

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About wtsai

台南一中、台大物理、 哈佛博士。曾任教授、科學家、工程師。專長: 吹牛、高能物理、太空物理,地球物理,人造衛星設計、測試、發射、資料回收及科學應用。略涉: 武俠、太極、瑜珈、導引、氣功、經脈、論語、易經、老莊、一乘佛經、禪經、靈界實相、Hawkins、Seth。

2 thoughts on “不可思議的量子力學 (How much do we know about Quantum Field Theory?)

  1. 師兄好,寫的真好。

    物理真的是太奇妙的一個學科,根本性的道理和佛教的觀念也是相通。只是專業內容實在晦澀難懂,但懂的人自然應該更會理解其中的奇妙之處吧。但至少有一個方面,量子糾纏真的是有意思。爲什麼幾個粒子之間竟然會產生如此的關係?這種似乎超越光速的關係太不可思議了!

    以一個不專業的外行來看,突然想到,這幾個糾纏之中的量子彷彿就變成了一個量子,彼此之間雖然不同,就好像是不同鏡子裏照射出來的幻想,其實不是幾個粒子彼此知曉對方被測量,而只有一個量子,其他鏡子中的幻想通過光的傳遞,呈現出了這個唯一的量子被測量的投射。如此一來,彷彿這個世界也都是鏡子中的假象,但哪一個才是真正的實像?或者虛虛實實,本來就是這樣分不清的。

    • Vito 師兄:

      哈哈! 真佩服師兄的真知灼見,所說完全正確。這就是清涼國師為皇帝造八角亭,解說一中含無限,重重無盡的一真法界。
      也就是玻姆的全息宇宙論的主要觀點 (魚缸裡的魚)。

      這對讀過一乘佛經的人,很容易解說,但如何向普通老百姓說明,唯有通過量子力學的實驗,來讓他們信服。

      信堅

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