大話題：量子理論

你知道嗎，向完全初學的人解釋量子理論，
比向古典物理學家解釋來得容易！
回溯量子理論的萌芽時刻，了解量子理論為何徹底顛覆人類的世界觀

從超級英雄電影到電晶體，不論是影視作品、文藝創作或科學技術，量子理論已踏出科幻領域，進入大眾文化和你我的日常之中。但提到「量子」時，時常讓人感覺超越時代、超越常理，似乎也代表難以理解，好像要精通數學和物理學，才能知道量子理論究竟是什麼。

弔詭的是，精熟學校課本教的牛頓運動定律，可能會限制你理解量子理論！回顧量子理論的發展歷程，就是科學家的新發現牴觸百年來公認定律的故事。他們不僅要回應同僚的問難，更要突破內心的自我懷疑，量子理論才得以誕生，並且徹底改變我們的世界觀。

量子理論是怎樣產生的？是什麼實驗迫使這些最謹慎的人刻意忽視古典物理學的原理，提出違反常識的物理觀點？

隨著書中娓娓道來量子理論的誕生故事，你會看見如今鑲嵌在萬神殿中的大名：普朗克、愛因斯坦、波耳、海森堡、薛丁格、狄拉克……在成為世界尊崇的英雄之前，都是飽受質疑的科學家。追尋他們的訝異、掙扎、發現和猶疑，有如親臨大師的工作現場，你可以和他們一起困惑、摸索、思考，最後一同享受發現的震撼與喜悅。

● 在還不知道原子存在的年代，普朗克為何就能開創量子理論？這位量子之父又為什麼極度抗拒自己的發現，甚至花費多年時間試圖淡化量子的顛覆性力量？
● 將原子描述成電子圍繞著原子核旋轉的「星系」模型，為什麼被量子理論否定了？原來和薛丁格的貓有關係！
● 2022年的諾貝爾物理學獎頒發給三位實驗物理學家，因為他們驗證了貝爾不等式。這項成就為何重要？原來根源出自愛因斯坦和波耳對量子理論的根本歧見！本書告訴你兩位物理學巨擘為何對詭異的「量子糾纏」無法達成共識，而量子糾纏又有什麼樣翻天覆地的潛力！

了解到底為什麼需要量子理論、量子理論的「不合理」究竟有什麼道理，而量子理論又為何徹底革新我們對世界的想像！

◆ 常聽說但總是似懂非懂的領域──大話題系列：
英國Icon Books招牌長青科普書系，由各學科的專家學者撰寫文字易懂、立論堅實的內容，搭配藝術家繪圖，讓一般讀者也能進入專業領域，掌握艱深知識的基本框架。全書系廣受讀者支持，出版持續將近半世紀，至今已出版140餘本，主題橫跨經濟學、社會科學、自然科學和文學等領域，總銷量超過4,000萬本，總計有超過30種語言的譯本。

作者：J. P. 麥可弗伊（J. P. McEvoy）
倫敦大學（University of London）物理學博士，在大學和實驗室研究固態物理15年，發表50餘篇論文，並協助大學為主修人文學、社會科學和藝術的學生開設物理學和天文學課程。

繪者：奧斯卡‧薩拉特（Oscar Zarate）
阿根廷插畫家，除了繪製多本Introducing系列插圖外，也曾與《V怪客》、《守護者》作者艾倫・摩爾（Alan Moore）合作出版圖像小說《A Small Killing》，獲得有漫畫界金像獎之稱的艾斯納獎（Eisner Award）。

譯者　郭雅欣
交通大學電子物理所碩士，從事科普出版與傳播十多年，曾任《科學人》雜誌編輯、《科學少年》雜誌主編。喜歡透過文字，將科學有趣、親切、迷人又令人驚豔之處，分享給所有人。

什麼是量子理論？
量子理論是人類所提出最成功的一套論點。它解釋了元素週期表，以及為何會發生化學反應。它提出了許多正確的預測，像是雷射及微晶片的運作、DNA的穩定性，以及α粒子如何穿透原子核。
波耳1927年提出的量子理論至今仍是學術正統，但愛因斯坦在1930年代提出的思想實驗質疑了這個理論的基本有效性，並且爭論至今。他會再次是對的嗎？是不是遺漏了什麼？
讓我們從頭說起……

介紹量子理論……
「你知道嗎，向一位完全初學的人解釋量子理論，比向古典物理學家解釋來得容易。」
「你在開玩笑吧？這些古典物理的傢伙面對現代理論時，出了什麼問題？」
問題在於：即將邁入20世紀之前，物理學家絕對確信他們所認知的物質和輻射本質，任何牴觸古典設想的新概念，他們幾乎都不考慮。艾薩克．牛頓（1642-1727）和詹姆斯．克拉克．馬克士威（1831-79）的數學形式不但無懈可擊，而且根據他們的理論所做的預測多年來都經過仔細的實驗證實。理性時代已經轉變成了確定性時代！

古典物理基本假設
古典物理學家建立了一系列的假設，將他們的思想統整起來，這使得他們很難接受新的概念。以下列出他們對物質世界有哪些確定不疑……
1. 宇宙就像一臺放在絕對時空框架中的巨型機器。複雜的運動可以理解為機器內部各零件的簡單運動，即使這些零件並不可見。
2. 牛頓的理論說明一切運動都有原因。如果一個物體表現出運動，人們一定能找出運動的原因。這是單純的因果關係，沒有人質疑這一點。
3. 如果我們知道物體在某一點（例如現在）的運動狀態，就能判斷它在未來甚至過去任何時刻的運動狀態。沒有什麼不確定，那是先前的一些因素造成的結果。這是決定論。
4. 馬克士威電磁波理論完全描述了光的性質，並可由湯瑪士．楊格在1802年簡單的雙狹縫實驗中觀察到的干涉圖樣加以證實。
5. 運動中的能量可以用兩種物理模型來表達：一種是粒子，其表現就像無法穿透的球體，例如撞球；另一種是波，其表現就像在海面上朝著岸邊打去的海浪。這兩者是互相排斥的，即能量必定只以其中一種方式表現。
6. 一個系統的性質，如溫度或速度等，要測量得多準確都可以。只要降低觀察者的探測強度或根據理論來校正即可。原子級的系統也不例外。
古典物理學家認為以上這些事情都是千真萬確的。但這六個假設最終都會被證明是有疑慮的。首先體認到這一點的，是1927年10月24日在布魯塞爾大都會飯店會面的一群物理學家。

量子英雄尼爾斯．波耳的到來
1912年，在拉塞福位於曼徹斯特大學的實驗室中，「丹麥偉人」為了徹底理解量子物理，開始孜孜不倦地研究了50年，直到1962年逝世。
在這項偉大的研究中，沒有人可以與波耳相提並論，即使是愛因斯坦也不行。他是量子物理學的鼻祖，提出許多初步的概念，所有對量子理論發展有貢獻的人，幾乎都和他合作過。
1911年他來到英國時，帶著一本大字典和狄更斯全集以學習英語。儘管波耳的語言能力有限，但他很有自信，工作努力的程度令人難以置信。
「我一開始是在卡文迪許實驗室跟著J. J. 湯姆森研究，但我和這位偉人處不好。」
「尤其是他告訴我對我的布丁原子模型有多失望之後」

波耳抵達曼徹斯特時，拉塞福的新行星原子應用正如火如荼地展開。他沒有被拉塞福模型的限制給嚇退，直覺告訴他，反正古典力學不適用於原子內部。他知道普朗克和愛因斯坦在光輻射方面的研究非
常重要，而不僅僅是德國人的一個高明構思。

很快的在1912年夏天，波耳就準備了一份草稿給拉塞福。這份名為〈關於原子與分子的組成〉的草稿直接面對原子穩定性的問題。

「如果氫原子由一個電子及一個質子組成，那麼拉塞福的假設很符合邏輯：電子繞著原子核運轉，就像一個小太陽系。」
「但這怎麼可能？根據古典物理的定律，在這樣的狀態下，電子只能存在不到幾分之一秒。」
「繞行運轉中的電子會將能量發散掉，並塌縮進原子核中。」
「或許原子有特別穩定的軌道，並牽涉到由普朗克及愛因斯坦所提出的、光子的能量與其頻率之間的量子關係：E=hf。」
1913年初，波耳發現了巴耳末提出的公式，迎來重大突破。在那之前，他甚至想都沒想過光譜。
「我一得知巴耳末公式，立刻著手撰寫我三篇論文的第一篇，運用巴耳末公式來解釋我新的氫原子模型。」

這個事件標註了原子結構的量子理論的起始。