SENSE隨筆150120
讓人暈眩的量子力學
執筆人：蟬

作為物理學門外漢，若非憑藉電影《星際啟示錄》介紹相對論和蟲洞理論，可能半輩子也不絲毫知道其內容。 相對論雖然是超過半世紀的科學成就，直到今天仍然是物理學的研究對象，但若要說到近代最具影響力的物理學理論，便不得不提「量子物理學Quantum Physics」了。

大家都知物理學的目的是觀察物理世界不同的現象，並嘗試找出現象之間的關係與規律。 然而量子物理學卻有點不同：它指出甚麼事不會發生，而非甚麼事必然會發生。*** 量子物理學源自一個看似簡單的問題：到底萬物是甚麼造成的？然而物理學家在追尋答案時，卻發現事情比想像中複雜得多。

生活中人們經常會問：這是甚麼物質做的？例如筷子是竹子做的，竹子是纖維做的，纖維是細胞組成的……一直追問下去，物理學家便告訴我們是分子molecule、原子atom，最後是亞原子粒子subatomic particle：“物質”就是一連串焦距以外的形態。 但在這個不斷把物質放大的過程中，科學家發現宇宙可能根本沒有最後的材料，如果硬要說的話，那就是能量energy。****

那亞原子粒子是能量做的嗎？答案卻是否定的：亞原子粒子就是能量本身。*** 量子物理學認為世界基本上只是躍動的能量，能量無處不在，以不同的形式交替展現。人們所謂的 “物質”是能量的一種形式，是能量生滅不息的一種形態。

這種禪味甚濃的說法始於物理學家尋找宇宙最小的積木開始。 他們的取徑很簡單：將物質不斷分解至最小塊為止。 舉例若要找出一個時鐘的結構，我們可以把時鐘不斷拆散，直至把每一個細小的零件也分解出來，直至不能再拆細為止。這便是粒子加速器的原理：將兩顆亞原子粒子加速互撞，撞擊所產生的碎片，便是它們的“質料”了。

這個極之合乎邏輯的實驗方法，其結果卻出乎意料，像美國物理學家David Finkelstein所笑言：粒子加速器實際就好像將兩座時鐘對撞，結果飛出來的不是齒輪和彈簧等零件，而是新的時鐘，有時還和原來的一樣大。

在撞擊的過程中，撞擊的粒子的確是碎了，但卻立即又組成了新的粒子，而這些新粒子都跟原來的一樣“基本”，質量往往又和原來一樣大。**** 物理學家發現，由於粒子在撞擊時除了質量外還有動能，粒子跑得越快，撞擊點上就有越多動能可以產生新的粒子。

那到底速度如何影響撞擊結果呢？物理學家講到粒子的質量時，一般是指靜止質量restmass，而其他質量則為相對論性質量relativistic mass。粒子的質量會隨著速度增加。
粒子在99%光速時質量比靜止時大7倍，但質量與速度的關係並非線性的，而是在99%光速以上時質量才會急速增加。

舉例一顆電子以0.99986光速運行，及以0.999999996的光速運行時，就速度增加的幅度來說其實微不足道， 差別相當於一部車以2小時跑一段路增速至1小時59分59秒跑完同一段路。但其質量變化卻不然：質量由靜止質量60倍增至1.18萬倍。所以粒子加速器應該叫做粒子增質器才對。

根據愛因斯坦的「質能二元論」E=mc2，質量是一種能量的形式，即存在的能量。運動中的粒子既有存在能量（質量），也有運動能量（動能）。兩種能量都可以在粒子碰撞時用來製造新的粒子。

對量子物理學家而言，質量其中一個最重要的應用是把粒子分成「輕子lepton」、「介子meson」和「重子baryon」。電子是眾粒子中最輕的，故亦用作粒子質量的單位。

說到這裡可能會令人有錯覺，以為量子物理學發展非常順遂，但事實並非如此。物理學家在利用粒子加速器實驗時，由於日常言語的限制，經常會說一些看似很蠢的說話。根據現時的量子物理學，物理學家相信：
1. 亞原子粒子並不是本身獨立存在的；
2. 亞原子粒子既有 “波特性wave properties”，也有 “粒子特性particle properties”，即所以「波粒二象性wave-particle duality」；
3. 亞原子粒子是 “場與場field互動”的呈現。

當中第3點來自「量子場論Quantum Field Theory」(QFT)，QFT假設“物質本質上無實體”，真正真實的只有“場”，場並不是物質，物質如粒子只是場與場互動時瞬間的呈現。 場才是宇宙間唯一真正的事物，但它卻無法捉摸，並無實體。場的互動是瞬間而狹小的，互動時看起來像粒子。

量子場論雖不是完整的理論，但卻極具解釋力。 物理學家依然把粒子撞擊實驗中的粒子看成獨立的存在，彷彿粒子就像棒球在鏡頭前飛過一樣地去處理。 這種以古典物理學語言去描述量子力學的情況，只是量子物理學家面對的眾多難題之一。然而這種奇怪的研究狀況，卻在過去四十多年內成功發現了一百多種粒子。***

參考：
《像物理學家一樣思考The Dancing Wu Li Master》(1979) Gary Zukav