世界第一簡單量子力學
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試閱內容

量子力學究竟是什麼?

探討量的最小單位——「量子」的學問

獲得神秘小槌子的環奈、葛洛莉雅和山根,這三位女孩即將展開追尋物質真相的旅程。但在此之前,我們先對各位讀者簡單地說明一下本書主題:「量子力學」。這裡所講的,有些會與之後的文章及漫畫有所重複,但希望各位將本文當作是一篇目錄,輕鬆地瀏覽過去。

正如貫太所說,量子力學是探究極微世界(微觀世界)的學問,其開端在於分子與原子的發現。在十九世紀末之前的科學研究成果中,發餡了各種物質都具有作為最小構成單位的「零件」,用不同的方式組合這些零件就能夠形成萬物。

但,這裡出現了一個問題。

人們越深入研究原子,就發現原子並不符合它一開始的定義——「無法再分割下去的最小粒子」,其構造似乎還可以再繼續分解下去。

仔細想想的話,會得出這樣的結論也是當然的。

如果說原子是如幽靈般曖昧的東西的話,說它「再也分割不了!」那我們或許可以輕易接受。但由於它實際上是以粒子這樣的「物體」形式存在著,所以我們自然會好奇:「如果把這物體分解開來的話會如何?」在進入二十世紀後,人們才真正開始進行探索原子內部構造的研究,這就漸漸與「量子論」這個探索物質、能量,甚至時間等宇宙中「各種現象」最小單位的科學產生關聯。

粗略來說,以上就是量子力學故事的第一幕。

相對論也無法解釋量子

二十世紀的前十年,人們開始認為「原子似乎是由原子核及電子所構成的……」,這就是開啟下一個疑問的起始。這個疑問是,以當時的物理學常識看來,這樣構造的原子能夠恆久存在,實在是很奇怪的一件事。

從艾薩克.牛頓(Isaac Newton)發展起總結到十八世紀的牛頓力學,已長時間被人們相信可以完美地說明世間所有的現象。因此在十九世紀時,甚至有人說:「物理學已經沒有什麼東西可以研究了」。

但是進入二十世紀後,阿爾伯特.愛因斯坦(Albert Einstein)發表了相對論(1905年發表狹義相對論,廣義相對論則發表於1915∼1916年),揭示出若要能夠更巨觀(macro)地觀察自然界,就必需要超越牛頓力學的理論。但是,即使有了這套相對論,我們還是不能說明超微觀世界的原子內部狀態。

比方說像以下的現象:

•根據古典物理學,繞著原子核周圍轉的電子理應會急速失去能量往原子核落去,但電子似乎都不會這樣落下。

•當被原子核所束縛的電子掉到更低的能階時,造成的能量大小變化無論怎樣都不會是連續的。

•無法確切標定出電子的存在位置。

•電子同時存在於好幾處。

•理應什麼都沒有的真空中,卻突然出現電子。

對過去的物理學來說,只要能知道任何「物體」現在所在的位置以及它運動的狀態,就可以明確標定出它經過特定時間後所處的位置。因此對於運用時刻表的鐵路推理小說來說,不在場證明的鋪設及解答才會是故事的重點所在。但如果是在電子的尺度的話,像是「一小時前才坐上東海道的新幹線,現在人卻出現在沖繩」的事可說是家常便飯(當然這是十分誇張的說法啦……)。

換句話說,極微世界似乎是建立在一種人類過去從來不知道的全新物理法則上。那麼,這個法則究竟是什麼?因為這樣的疑問所以量子力學因而誕生,並從1920年代起就一口氣有了長足的進步。

這可謂是一場知識的大革命。如今諾貝爾物理獎的得獎者幾乎都是由量子力學相關領域的研究學者所囊括。順帶一提,日本歷年的物理獎得獎者:湯川秀樹、朝永振一郎、江崎玲於奈、小柴昌俊、小林誠、益川敏英,也全部都是這個領域的研究學者。

量子力學足以與相對論並稱為二十世紀的物理學代表理論,但其實愛因斯坦的相對論多被視為「古典物理學」的範疇中,今後能夠期待有重大發現的還是量子力學。而且在二十一世紀中,應該可以完成將量子力學與相對論融合起來的量子重力理論,以及能更進一步發展的超大統一理論。對於廣佈在整個宇宙中、產生如「反重力」般作用的神秘暗能量(dark energy),以及在巨觀尺度中也會產生特異現象的強烈重力場等現象,是無法僅用愛因斯坦的理論就能解釋的。因此,如果能根據量子力學的概念對相對論進行修訂的話,這必定會成為地球人所創造的偉大文化之一。

希望大家就算不懂理論也能夠樂在其中

我們就要開始進入充滿神奇魅力的量子力學世界中探險了。在其中談到原子內部構造時,會提及相當於日本高中課程「物理Ⅱ」才會教到的內容,我想大多數人都不是很清楚。因此,除了在漫畫部份會從初步的內容開始說明以外,在此先來介紹幾個對閱讀故事有幫助的基礎用語吧。目前這個階段你不需要強迫自己讀懂,但後面如果有什麼不懂的用語的話,希望你能翻回這裡來參考。

分子(molecule)

在理科的學習中,國語辭典竟能起到意想不到的助力。當碰到看不懂的用語時,與其去翻找難度太高的解說書籍,不如來查查我們身邊的辭典。

在《新明解國語辭典 第五版》(三省堂出版)中,對於分子的解釋是這樣的:

「保有某一物質的化學性質,並且能夠獨立出來的最小粒子」

正如同以上上述,例如水分子是由氫原子與氧原子所構成,但是決定水的性質(沸點、溶點、黏性等等)的是在於水分子的構造,因而水與氫、氧是完全不同的物質。而且氫與氧在地球上本來就不會以單一個原子的方式自然存在,都是二個二個組成對以形成氫分子與氧分子。

另外,如果氧以原子狀態環繞在四周的話,它的化學反應性會很高,甚至比劇毒還要危險。

元素(element)與原子(atom)

根據國語辭典,元素的意思是:

「在宇宙的空間中構成某種物質而且無法再用化學方式進行分解的東西。以自然物質存在的元素數目共有九十二種。」

而原子則是:

「在不喪失元素特性的範圍內的最小細微粒子。原子會形成分子。」

換句話說,元素是構成物質的最小單位別,而構成元素的則稱為原子。

基本粒子/次原子粒子(subatomic particle, elementary particle)

基本粒子正如其名,是所有物質的「基本」的粒子。以前所指的即是原子,但因為發現原子是由更小的粒子所構成的,因此就不再以基本粒子來指涉之。

之後由於量子力學的進步,人們又發現了許多基本粒子的候補粒子,但也由於大家不知道到究竟其有多小,因而國語辭典對它的說明也不甚清楚:

「並非其他物體的複合體,而是構成物質、電磁場基礎的粒子。例如質子、中子、介子等等。」

質子與中子究竟是不是基本粒子,不同的學者有不同的見解,因而難以定義,故此本書盡可能不用到基本粒子這個詞。

量子(quantum)

指的是物質與能量等物理量的最小單位量。為了明確說明它究竟是什麼樣的東西而發展出的學問就稱做量子論(quantum theory)。然而現今,為了區別出它所探索的量子世界是不同於古典力學者,因而普遍將之稱為量子力學(quantum mechanics)。而本書也統一稱之為量子力學。

商品簡介

「量子力學」是為了記述在以分子、原子、基本粒子、光子這些研究對象所隸屬的微觀世界中所觀察到的各種物理現象,而創設發展出來的學問。它的地位足以與愛因斯坦的相對論並稱為現代物理學的二大支柱,對於物理、化學、生物學、甚至工程學等領域的學生來說,既是無可避免的基礎知識,也是必備的工具。但是由於量子力學所涉及的概念與思考大大地遠離我們熟悉的日常經驗,同時這門學問也需要運用以複數為基礎的數學運算等種種原因,所以它會造成初學者在學習上的心理障礙導致十分難以掌握這門學科。即使除去數學面的原因不談,在嘗試理解微觀世界中所展現的粒子性與波動性的「雙重性格」時,每個人都會面臨到極大的困惑。

要克服心理障礙的有效手段之一,就是去了解它的歷史背景。本書的特色之一,就是將建構量子力學相關的歷史背景與有意義的小故事,分段仔細描述出來。同時透過漫畫的強力圖解來進行表達,以使人容易把握住其中所關注的對象與物理過程。正如成語「千里之堤,潰於蟻穴」所言,任何障礙只要開了一個孔,即使這個孔再怎麼小,也可能出現更大的突破。當然,本書並非正式的課本,但它作為量子力學的入門或輔助讀本,必定可以充分達到穿出蟻穴的效果。

量子力學以複雜的數學運算為基礎,所以初學者在學習時常因此有心理障礙。本書分段描述建構量子力學相關的歷史背景與小故事,並透過漫畫的強力圖解來進行說明,讓人輕鬆克服心理障礙,更簡單、有效地達至學習成果。

物質的真面目究竟是什麼?

物質可以不斷地被對半分下去嗎?

量子力學與我們的生活到底有什麼關係?

 

「量子力學」是為了記述在以分子、原子、基本粒子、光子這些研究對象所隸屬的微觀世界中所觀察到的各種物理現象,而創設發展出來的學問。它的地位足以與愛因斯坦的相對論並稱為現代物理學的二大支柱,對於物理、化學、生物學、甚至工程學等領域的學生來說,既是無可避免的基礎知識,也是必備的工具。

本書主要是以漫畫的方式來呈現較為枯燥難懂的量子力學。書中是以高中的戲劇社要公演為背景來展開故事。本書是從一開始的基礎知識開始談起,不只是量子力學發展歷程、代表人物也複習到了在高中時所我們所學過的部分理化、數學課程。在劇情式的漫畫告一段落之後會穿插進更為詳細的說明。先以漫畫的方式讓讀者能輕鬆進入這門看似生硬的學問,接著才用補充說明的方式補足漫畫中未能清楚交代的部分。比起一般一開頭就長篇大論的同類書籍來,本書可說是非常簡單易懂的入門書籍。

作者簡介

石川憲二 Kenji Ishikawa

科技新聞記者

1958年生於東京,東京理科大學理學部畢業。曾任週刊誌記者,目前為自由編輯與寫作者。在製作書籍與雜誌紀事、撰寫小說及專欄之外,採訪許多的工程師與研究員、撰寫大眾取向的解說原稿,已有二十年以上的經歷。涉及的科技領域包括電子、機械、航空/宇宙、儀器、材料、化學、電腦、系統、通訊、機械人、能源等等。

<主要著書>

《世界第一簡單宇宙學》(OHM社)

世界第一簡單量子力學
マンガでわかる量子力学
作者:石川憲二
譯者:謝仲其
出版社:世茂出版有限公司
出版日期:2011-04-26
ISBN:9789866363993
定價:300元
特價:88折  264
其他版本:二手書 73 折, 220 元起