🐶高文芳的宇宙樂園🐶

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NASA 成立那年出生
航海家 1 號發射那年上大學
SN1987a 大放異彩那年拿到博士學位                  
出生那年 NASA 成立
上大學那年 航海家 1 號發射
拿到博士學位那年 SN1987a 大放異彩     

🐶 陽明交大物理所退休 🐶

🐶 生命從哪來 🐶🦂️🐕🦮🐕‍🦺🦂️🐶 

喜歡教書、講故事

🐶喜好🐶樂齡未來學🐶科普🐶宇宙學🐶高能場論🐶數學物理🐶五四三🐶

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孔子的弟子:『他們說夫子教的都是沒有用的東西!』子曰:『我教的都是是弟子 不是東西!』
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聯絡我最好的方法就是寫信到 homegore09@gmail.com for private communications.

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© ShihYuin Lin@1989







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🐶課程說明🐶

🐶人類與生命的出路、暸解過去、預測未來)


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🐶 2012 春季課程     🐶 通識課程:天文學概論  🐶 宇宙學簡介 🐶 cosmology22open.pdf 🐶
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🐶 2005 通識課程     愛因斯坦的宇宙   🐶
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🐶 2004 春季課程     量子力學(II)   🐶
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🐶 2003 秋季課程   量子力學🐶天文物理導論🐶
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🐶穿梭於高深研究與大眾科普的身影  2013冬 頁30 說來話頭長,我覺得自己很會教書,是學生認為我不會教書😭🤔️ 🐶 費瑪原則(Fermat’s principle)幾何證明 🐶
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🐶 宇宙學簡介  🐶
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🐶 專長 🐶科普🐶宇宙學🐶高能場論🐶數學物理🐶五四三🐶

從小落實就近入學原則:松山國小、民生國中、附中、台大都是當時離饒河街最近的公立學校。

傳奇的說書人  網頁連結 編輯頁


  「你管別人怎麼想」、「成功的科技需要依賴事實而非公共關係,畢竟大自然是無法愚弄的」是這本書的兩個主軸,透過一些小故事讓讀者認識費曼的生活軌跡,也建議政府要面對事故的真相,記取教訓。

  費曼是說故事的高手,更喜歡開玩笑。費曼的妹妹瓊安就說,醫生向家屬表示在彌留之際,費曼已經完全失去意識。但是醫生離開病房後,費曼居然奮力舉起雙臂、交叉摩擦,做了一個魔術師要變魔術前的手勢,然後伸出舌頭,扮了人生最後一次鬼臉。這本書記錄了很多費曼講過的故事,看似不相關的兩段大故事,講的都是他對這個世界的愛與關懷。

  費曼臨終前朋友想到他即將離開,感到無限哀傷。費曼卻說:這件事自己偶爾也會感到困擾,但是你知道嗎?我說過很多故事,離開人世之後故事還會留著,人生沒有太多遺憾。這本充滿愛的故事,在費曼過完人生第69個情人節後,畫下神奇的句點,現在輪到我們用愛寫自己的故事。

212 001 free stats 編輯頁   activate 2021/6/20
新光行遍天下 0800 886 669

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給做生化的同仁建議,用在人體醫療的微型機器人的電池,應該是仿生電池,順便靠「吃」體內的營養成分發電。

這種仿生電池、機器人需要設計如何融入人體、避免身體免疫系統的攻擊。

講實話原住民會跳腳,其實不管是不是悲劇,很多新舊住民都因歷史因素,身上或多或少帶有原住民基因,講實話不應該被歸為種族歧視。

實話是,不分平地、山區,很多土地是水在走的水路,原本不應該住人,人與天搶地,註定白忙一場,徒然拿自己的命和老天對賭。

老天一再搶回被佔用的土地,妄想「修復」註定徒勞無功。

其實,很早以前,地質系就有很多人在監控地質變化,只是他們提出警告,事關既得利益,很多人不但不聽,還會怪他們危言聳聽,等到出大事再怪政府。


花蓮重建之路,中央政府有3件事要先釐清

李鴻源提到,2013年他在內政部要求營建署,把淹水、土石流、地質崩塌3種不同災害疊在一起,製作「台灣風險地圖」(災害潛勢圖),哪個地方安全、不安全?能蓋什麼,都一目了然,但這十年間又發生了多起颱風、地震,那張圖是要更新的,「消極的就是做防災、救災,積極的就是當你要重建的時候,你要建在哪裡?所以很遺憾,這些鄉親的憂慮是對的。」

李鴻源指出,政府有3件事情必須先釐清,第一、為何最近的中級地震這麼密集?還都是極淺層地震,應該先知道發生什麼事?第二、經過這些地震以後,這個地層有沒有什麼斷層?有沒有什麼變化?第三、山上的砂石還沒有掉落的有多少?等上述問題釐清之後,再進行土石流、淹水等防災模擬,最後才是決定如何重建,以及優先順序。

地震震出東部交通的脆弱,蘇花安是解方?

「不要再相信人定勝天!」李鴻細數中橫公路梨山到谷關段的道路,修了斷、斷了修,但真的可以修回來嗎?

一場大地震震出東部交通的脆弱,花蓮最重要的2條聯外道路,中橫公路與蘇花公路滿目瘡痍,至今邊坡仍持續崩落及落石,雖恢復通行,但都有限制時段,此外,由於此次蘇花改及隧道路段毫髮無傷,也讓人再次討論起蘇花安(蘇花公路安全提升計畫)的急迫性。

不過,李鴻源認為,花蓮要有一條回家的路沒錯,可是這條路要怎麼蓋?不論是蘇花改還是蘇花替都有它的功能,可是經過地震的摧殘,也必須告訴民眾「它到底有多安全?」、「還有多少砂石沒掉下來?多少崩塌地是工程沒辦法解決的?你連這些基本功都不做,我請問你,你安什麼安啦!」

花蓮拚觀光,李鴻源:應考慮藍色公路

他語重心長地說,「這次是不幸中的大幸,地震是在長假的前一天,萬一是當天,你怎麼辦?」

至於蘇花公路短期間修不回來,李鴻源也為花蓮的觀光指明路。他建議,若是不趕時間的遊客,可走海上路線,台灣人去世界各國坐郵輪,為何不發展從基隆、蘇澳到花蓮、綠島、蘭嶼的藍色公路,蘇澳到花蓮也只要2小時,沿途的風光又很漂亮。

現在也已經有業者投資,李鴻源認為,政府應該要認真思考並加以推廣,讓海上路線成為民眾前往花蓮的選項之一。

台灣不是沒專家、文官也很厲害,但最怕寒蟬效應

只是花蓮地震之後的調查盤點,台灣是否有足夠專家能夠協助?

李鴻源強調,包括經濟部中央地質調查所、交通部氣象署都很強,尤其,國家地震工程研究中心,幾乎是亞洲最厲害,然而,他進而拋出台灣面臨的問題,「為什麼政府的政策沒有跟研究結合在一起?」

他舉例,因為政府從不做功課,只有政治考量,才會有核電廠設在斷層附近、高速公路經過順向坡,還讓台積電前往水資源極度缺乏的地方設廠等荒誕現象,但這些只要事前有調查都可以避免。

他再以災害潛勢圖為例,他的角色就是讓國家災害救防科技中心的專業,與政府政策的實施結合在一起,當時是營建署做的,「只有部長換了,大部分的常任文官都還在,為何他們不會去建議長官?其實台灣現在最可怕的是文官的寒蟬效應,沒有人願意說真話,沒有人願意講長官不喜歡聽的話,長官全部用政治在考量所有的事情。」

最後,李鴻源呼籲,「台灣話叫『緊事緩辦』,先照完MRI,才知道要多少醫藥費、要去找哪一科醫生,」民眾應給政府時間,立委應該監督政府,把問題弄清楚再編錢,而不是像現在政治氛圍已經搞到,一發生災害就要馬上編錢。

量子力學 用三維的眼睛看高維的宇宙

 量子力學的發跡與遠景

交大物理所 高文芳

摘要

2005年已被物理界訂為國際物理年,旨在紀念愛因斯坦於1905年,寫下近代物理史上最重要的一頁。由於愛因斯坦反對以波耳 ( Bohr) 為首所主張,世稱哥本哈根學派的量子力學詮釋法則,遂引發兩造持續近30年,對量子力學哲學基礎與真正物理含意的「世紀大辯論」。而愛因斯坦在量子力學發展過程中,所扮演的吃重角色,一直以來皆因多數人對這段辯論歷史不甚了了,尤其愛因坦辭世後,當初辯論議題之一的EPR背反,有了出人意表的發展,使得整個辨證主軸受到相當程度的誤導而失焦。平心而論,如果沒有愛因斯坦,量子力學的發展,恐怕得晚個一、二十年。

編輯頁

能量的量化

19 世紀末葉、20 世紀初曉時分,物理學家發現在 10-8 公分的微觀世界裡,有著與古典物理完全不同的自然現象。當年的物理學家在一片混沌中摸索前進,看起來就像今天心急如焚、不知所措的物理學家。 
 

1900 年
卜朗克發現卜朗克常數
1905 年
愛因斯坦發表光量子說、特殊相對論、布朗運動
1906 年
愛因斯坦發表量子假說
1910 年
卜朗克接受量子假說
1911 年
拉塞福散射實驗
1913 年
波耳原子模型
1914 年
密立根實驗證實光電效應
1925 年
海森堡的矩陣力學
1924 年
迪.布羅意的物質波
1926 年
薛丁格的波動力學
1927 年
海森堡的測不準原理

量子年表

卜朗克與卜朗克常數 


  
 

卜朗克 ( Max Planck , 1858-1947 ) 在 1900 年發現黑體輻射其輻射能量強度 Iλ (spectral engerey intensity),於不同輻射波長λ時,實驗室所量得的曲線圖 [如左圖所示], 可假設黑體輻射造成能量輻射的振子 (oscillator),其所能攜帶的能量是不連續的, 而且為某一固定能量的整數倍,即

En = nhν。

其中 ν 為最低能量振子的振動頻率。卜朗克並從理論計算語實驗曲線的比較中定出卜朗克常數的數值為

h = 6.626 ×10-34 J˙s 。

但是卜朗克並不是深刻了解到他已發現了量子世界的深沉與詭異的奧秘,仍然認為他的推論只是借用特別的數學技巧,而真正的原因,仍然有待開發、理解。雖然如此,但是物理界依然認為卜朗克在 1900 年的貢獻,在量子物理發展史上的重要性非同小可,因此那一年被物理界公認為量子論產生的歷史時刻。

光電效應與愛因斯坦的量化假說

隨後愛因斯坦 (Albert Einstein, 1979-1955) 於 1905 年發表光電效應,提出光粒子說,並於 1906 年發表他的量子假說 (Quantum hypothesis),開宗明義地闡明:在真實、微觀的物理世界裡黑體輻射的振子,其所能攜帶的能量確確實實是必須遵守量子化規則的。

根據記載,卜朗克一直到 1910 年才勉強接受愛因斯坦的這個量子假說的想法。有趣的是,卜朗克在 1914 年還寫了一篇試圖以非量化能譜方式解釋黑體輻射的論文, 顯見卜朗克還是難以接受量子革命的創見。無獨有偶,卜朗克在推薦愛因斯坦成為德國科學院士的信函中, 還不忘批判愛因斯坦的光量子說, 顯然對愛因斯坦量來量去、橫衝直撞的莽撞行為頗為保留。

 1914年,密立根 ( R. A. Millikan, 1863-1953 ) 原本設計實驗的目的,是想要來打擊光粒子說的,卻意外地證實愛因斯坦光粒子說的正確性。實驗戲劇性的發展,不但震驚物理界,並從而奠立了愛因斯坦在量子力學發展中不可替代的的地位。

康卜吞散射效應

康卜吞 (Arthur H. Compton, 1892-1962) 在 1923 年設計了一個X光撞擊石墨靶的實驗,按照古典電動力學的分析,石墨靶的電子受到電磁波的加速,會以相同的頻率隨電磁波脈動,進而由電子加速運動而產生相同波長的電磁輻射。這種電磁輻射,稱為湯普生散射 (Thompson scattering)。

康卜吞得到的實驗數據,讓他大吃一驚。原來根據實驗數據,不但在原來和入射光相同波長位置有測得和湯普生散射所預期的相同結果,而且在和入射光波長不同的位置也測得一個波長較長的電磁輻射。最後康卜吞終於發現,這個實驗結果和光子說一配合,就可以合理解釋。實驗結果意外地提供光是粒子的說法,一個強力的佐證,更強化量子世紀的動員力。

天文物理學家推論宇宙在大爆炸後約 30 萬年前後,光子波長約在紫外線範圍,已經不再和宇宙中的電子發生有效碰撞。這段期間宇宙學上稱為最後散射面 (LSS, Last Scattering Surface)。晚近,天文物理學家就是希望利用這個性質,利用觀測到的宇宙光子背景輻射的細微分布,由於康卜吞散射在最後散射面時期效應並不顯著,我們可藉由湯普生散射為主的理論推演結果,反推而得宇宙在30萬年前後的電子分佈 (即離子氣體分佈) 的大域結構。

迪.布羅意的物質波與薛丁格的波動力學

 1924 年,迪.布羅意 (Prince Louis de Broglie, 1892-1987) 完成他的博士論文,並在其中提出物質波的想法,起初不但沒有受到重視, 論文審議委員還為了是否給他過關,而相持不下、無法達成協議。直到委員之一的仁吉曼 (Paul Langevin, 1872-1946) 向迪.布羅意多要了一份論文,並直接寄給愛因斯坦,詢問愛因斯坦的見。這篇論文不但立即引起愛因斯坦的重視,而且認為這篇論文是革命性的創舉。愛因斯坦洞燭先機的評論不但促成迪.布羅意學位的順利完成, 隨後並受到薛丁格 ( Erwin Schroedinger , 1887-1961) 的注意。

1925 年冬天的聖誕假期,薛丁格在阿爾卑斯山帶點異樣色彩、充滿傳奇的、歡樂的渡假行程裡,同時巧妙地把虛數 i 帶近物理學家的真實世界,完成了現在大家所通稱的波動力學 (wave mechianics) 革命。隨後,物質波的假設由戴維生 (Clinton J. Davisson, 1881-1953) 及 久曼 (Lesten H. Germer, 1896-1971) 在 1927 年間,利用電子當波源照射鎳金屬發現繞射現象的實驗所證實。凡此種種,在在顯見愛因斯坦在這段量子物理發展史中所扮演的關鍵角色,牽動著量子物理發展的每一根重要的神經。

1925 年 海森堡的矩陣力學與海森堡、波恩、喬登三重奏

事實上,坊間的教科書及多數的通俗記載,對量子力學理論的論述,對於愛因斯坦所扮演的重要性角色,不但多有誤導之失。連關於真正開創新局的海森堡 ( Werner Karl Heisenberg, 1901-1976 ) 在 1925 年的開創性發現,都因早期多數量子力學教科書先講授薛丁格的波動力學,後講授海森堡的矩陣力學,而容易讓一般初學者對海森堡發現矩陣力學的原創性與關鍵角色,有錯誤的認知。

其實由本文先前的描述也可看出,波動力學的發展歷程,和整個量子觀念的成形與成長歷程,有著承先啟後一脈相承的因果關聯,這樣的記述,自然也是說者傳神, 聽者動容,頗為生動自然。相較於海森堡的卓知洞見,更顯見海森堡的奇人異稟。

1925 年, 受乾草熱 (hay fever) 之苦的海森堡從哥廷根大學跑到北歐北海一個寸草不生的小島黑爾格蘭 (Helgoland) 養病。就在一個夕霞滿天、無限美好的傍晚,海森堡迷亂的思緒正困於「山窮水盡疑無路」之際,腦海映著無限美好的晚霞,編織著曠世的交響樂曲間,突然發現「柳暗花明又一村」:現在大家所熟悉的矩陣力學,以其尚不成熟的原形在海森堡的腦海中逐漸成形。

當夜,海森堡徹夜難眠,在興奮的情緒裡飛快地寫下他腦海中的計算,並盡速趕回哥廷根。在告知包立 (Wolfgang Pauli, 1900-1958 ) 及 波恩(Max Born, 1882-1970) 及波恩的學生喬登 (Pascual Jordan, 1902-1980) 。就在短短幾天之內,海森堡就順利完成了開創歷史先機的矩陣力學論文。海森堡、包立、柏恩及喬登一群人,便急著展開量子力學開疆闢土的先驅工作。這時波恩和喬登正式引進了矩陣來處理海森堡原先的計算。海森堡、波恩及喬登三人並合力寫了後來物理界頗為膾炙人口的三重奏論文,同時確立了海森堡擠身武林盟主的地位。

測不準原理

而膾炙人口的測不準原理,則遲至 1927 年,才由海森堡獨立完成。這期間,海森堡還為了如何解釋測不準原理,被波耳 ( Neils Bohr, 1885-1962) 罵得無法自置、終至涕泗縱橫。原來,海森堡為了向波耳描述他測不準原理的新發現,做了以下的描述: 
  
「如果你想知道一個移動中的電子其所在的位置,就必須(用顯微鏡)送一道可見光來照射電子。可是由於可見光的波長遠大於電子的波長,所以根本量不準其精確的位置。為了量更準卻,只好用波長更短的伽傌光 (γ-ray, gamma ray) 來照電子,但是伽傌光的能量太大,會改變電子的速度,反來覆去,我們總是丟這個忘那個。因此他總結,我們無法藉由量測來確定電子的行進路徑。」

這個我們平常用來教學生的圖解法,當海森堡嘗試拿去向波耳說明時,波耳竟然出人意表的指責海森堡上述的半古典解說法,不夠革命性。原來,按照現今大家所熟悉的哥本哈根學派 (Copenhagen School) 論述,在還沒有量測前,根本就無法談電子的“路徑”,量測之前是一個機率分佈,量測之後也是一團機率分佈,根本不該談“路徑”。

哥本哈根學派說法,完全否定古典物理的觀點,其大膽及革命性甚至推翻了一般人所謂「古典存在與古典真實」的常識。這種大膽的論述,不但引發了「薛丁格貓」一類的背反、兩難,也引起愛因斯坦強烈的反彈。愛因斯坦心中揮之不去、無法釋懷的憂慮。正如愛因斯坦的名言,

「Does the moon exist only when you look at it?」「月亮是否只在你看著他的時候才存在?」

可以看出愛因斯坦對波耳的論點十分保留。

薛丁格貓指的是,有一個密封的箱子裡有一隻小白貓和一罐行將開啟的毒氣瓶。觀察者必須打開箱子作「測量」才會知道毒氣瓶是否被打開,小白貓是否依然活跳跳。 沒打開箱子前,根據哥本哈根學派的說法,小白貓是處於多少機率存, 多少機率歿的混合狀態, 和我們直觀的真實有著很大的差別。

愛因斯坦的看法是,古典的真實 (reality) 仍然存在,眼前霧裡看花、似不真實的結果,只是反應我們對自然界仍然缺乏更深入的了解,因此不宜就此斷言否定古典的真實的存在。

薛丁格波函數:此波非彼波

1926 年,薛丁格推廣物質波的概念,發表波動力學的論文初始,大家都以為這個波是類似水波之類的真實波動。這樣的認知強烈地困擾著支持哥本哈根學派說法的物理學家,直到柏恩、薛丁格先後指出此波非彼波,才化解了波耳的困擾。

這之前,波耳為了說服薛丁格接受他們的說法,特地設下鴻門宴,邀請薛丁格到哥本哈根來給一系列的演講,想趁機逼他就範。根據記載,波耳設法「說服」薛丁格的過程相當「暴力」:傳說波耳很強勢地嘗試說服 (逼迫) 薛丁格放棄其波函數是有形波的想法,演講期間儘管薛丁格極力辯解,波耳仍然逼入人家的休憩之所,不肯離去。薛丁格不得以,終於以身體不適,臥床逐客。不想波耳仍然不肯離去,逼得薛丁格終至泣述:

「I am sorry that I ever started to work on atomic theory」「我對當初作原子理論研究的決定感到相當遺憾」

最後不得其法只好棄子投降,才送走了波耳這群不速之客。

總而言之,量子力學的兩位先驅巨擘,先後被波耳逼得涕泗縱橫,又耗費愛因斯坦近 30 年的歲月與其爭辯量子力學背後的因果與哲學,甚而搞得物理界一分為二,各擁其主,互不相讓的局面。根據記載,這期間甚至在有心人意圖調解之下,總算於普林斯頓 ( Princeton) 舉行了一個意圖調解的派對。不料派對進行始末,竟然演變成雙方人馬各據會場一方,互不相讓的場面。

愛因斯坦、波多斯基、羅森矛盾

冗長的辯論,在愛因斯坦、波多斯基 (Boris Podolsky, 1896-1966 ) 、羅森 (Nathan Rosen, 1909-1995) 等人提出 EPR 矛盾 (EPR paradox) 後,進入另一個高峰。EPR 背反談到的是非常有趣的量子聯動 (quantum coherence),這件事情的後續發展, 意外地為科幻影片中試圖將人分解再傳送他處的電子傳送 (tele-transport) 提供了一線可行性。

原來一對由真空中引生的正負電子對,彼此的電子自旋 (spin) 會產生同時性的聯動,這樣子的瞬時聯動行為,依據兩子力學的推論竟然和兩者之間的距離無關。兩者距離再遠,只要有一方被量出是自旋向上,另一方必然是自旋向下。因為信息 (information) 的最快傳輸速度是光速,瞬時傳輸信息顯然和古典因果相違。因此,愛因斯坦認為這樣的結果顯然違反因果律。

這個因果背反的爭議到了 1964 年貝爾 (John Bell, 1928-1990) 提出傳頌一時的貝爾不等式 (Bell inequality),才又峰迴路轉,有了新發展。貝爾不等式後來於 70 年代在實驗室中被用以證實,電子似乎真的有所謂量子聯動 (quantum correlation)、非侷域性 (non-local) 的現象。

雖然物理界對實驗的結論與完整性仍有爭議,但是因為愛因斯坦已經辭世多年,同時新世代的物理學家忙著用量子力學、量子場論計算、預測各種實驗結果, 看起來沒什麼人仍然在意這一場曾經驚過天、動過地的世紀大辯論,徒然留給世人的只是更多的疑問與不解。

直到 80 年代初,才有人為文大聲急呼,提醒大家問題的嚴重性與重要性。加上科幻影及利用遠距離傳輸人物引發物理界對遠距傳輸的研究, 讓大家接續愛因斯坦與波爾未完成的爭議, 重起戰火。 最後意外地發現, 測不準原理雖然無法讓我們準確分析一個物品所處的真正狀態, 但是量子聯動卻意外地補足準確分析的不足, 讓遠距傳輸有了一線生機, 而且引起物理界不少關愛的眼神。

事實上,人們對量子理論的不解與疑惑,正如費曼 (Richard Feynman, 1918-1988) 所曾下過的註腳一樣困惑人心:

"I think I can safely say that nobody understands quantum mechanics ." 「我可以很有把握的說:沒有人懂量子力學」

https://www.youtube.com/watch?v=w3ZRLllWgHI

而且費曼膾炙人口的路徑積分,就是因為他覺得別人的量子力學怎麼看怎麼不可思議,才自創一路的奇門術數,卻意外地為 70 年代以降的高能物理提供一個登龍奇術。

有關量子哲學的爭辯傳說不斷,以下的傳說,更加傳神。傳說 80 年代在維也納一場紀念物理大師貝多芬的演講會上,李斯特口沫橫飛地介紹量子理論的精妙之處。講沒幾分鐘,台下的主持人柴可夫斯基忍不住和李斯特辯論起來。兩造禁不住激動的情緒,步步相逼,最後所有教授、博士後、研究生都在講台下圍著忘情激辯的兩位大師。[註一]

這方激動的說「不對不對,應該如此如此」那方激情地回應「不對不對,理當這般這般」只見圍觀學者不住的點頭,對雙方所謂的「如此如此、這般這般」都一致一樣地表示贊同。

搞了近一個鐘頭,真理是越辯越是一頭霧水。最後,柴可夫斯基惡狠狠的告訴李斯特

「you should read the textbook」,而李斯特則不屑的回他一句「you should do your homework」。

多世界說法 累壞了世界大導演

談到人們對量子世界的困惑,更可由艾佛瑞茲 (Hugh Everett III, 1930-1982) 所提出的多世界說法 (many-worlds) 可見一斑。1957 年,艾佛瑞茲提出了多世界看法:每當咱們做一次測量,世界就依可能發生的狀態與機率,分裂成不同的世界 (劇情),由量子理論決定進入某一世界 (劇情)的機率,而每個世界 (劇情) 都等價地、獨立地存在。 
  
這個說法,以前說給外行人聽,多半搞得看官大眾一頭霧水、弄得大家不著邊際。但時序進入 90 年代,商場上已有標準樣品,也就是所謂的互動式CD (CDI) 在市面上發行。電影院裡的觀眾,人手一只選擇器,當藍波面對按阮死嘛性格的緊張時刻,一場生死格鬥即將上演。突然,銀幕上出現一條單選題:請問觀眾朋友希望劇情依照下列哪一種模式進行:

  1. 藍波戰勝 、(2) 藍波戰敗 、(3) 按阮死嘛性格戰死 、(4) 藍波戰死 、(5) 莎朗史東突然出現,戰事叫停。
當觀眾舉行公民投票結束後,劇情順應多數觀眾的要求而發展。 

根據類似的看法,如果時間機器存在,那你回到過去槍殺生父,就有可能,只不過你並沒有回到自己的過去,只不過是跳到另一場次的影片,槍殺的那位「 老爹」也不是你的「生父」,他不過是另一種劇情裡的一個角色而已。 只不過,主宰這個多世界的上帝如來,為了適應喜歡作測量的普羅大眾,要事先編製許許多多無奇不有的劇情片段,恐怕會忙得不得了。這個多世界的說法,會得到部份物理學家的認同,適足以說明量子世界的怪異所在。 
  
  量子力學的威力與願景

銀河飛龍-第二代 (Star Trek, the next generation) 影集中「瓶中的星艦」一集裡曾有一段,描述他們電腦遊戲裡的虛擬人物摩里亞提教授和他的女友芭莎羅蜜伯爵夫人,試圖逃出電腦程式。幾經波折,他們終於奪得逃生艇,順利逃出去。企業號艦長皮卡 (Jean Luc Picard) 百思不解之下,最後終於發現原來整個大逃亡仍然是在立體電腦遊戲間 (holodeck) 裏頭進行。皮卡艦長最後感慨萬千地說:誰知道我們「真實」 的世界,會不會只是別人電腦裡的一段劇情呢?

我們觀察到的世界,是如此曼妙多姿,賞心悅目。當你用功的去瞭解他,竟然發現這個五顏六色、充滿七情六慾的大千世界竟然可以用一條或幾條簡單的方程式來描繪,而其精確度竟然高達小數點以下 11 到 12 位。個人覺得,最值得探討的,倒不是如何用簡單的數學去描述這個複雜的世界,反而是:世界真的這麼完美嗎?可能嗎?還是上帝有不可告人的天機!

美國總統曾在二次大戰期即將結束之時,召集美國的物理學、科學先進提出科學發展的遠景,預期、提供美國戰後政府應該如何扶植民間企業發展的方向。相當出人意表的是,聽說厚厚一本白皮書,幾乎沒有一樣與後來科技發展的主流相符。看起來,物理學家、科學家真是百無一用。然而事實並非如此,預測未來,本來就有太多變數。3年、5年的預測勉強可信,10年、20 年的預測就有待商榷了。更何況,市場上發展的機制,受到有心人控制,致使市場主流產品並非最好的產品,而是廠商最有利基的產品。 

儘管如此,回觀戰後近 60 年的科技進展史,物理學家在半導體、計算機及能源等三大領域裡,一再扮演著開創新局的吃重角色。而量子力學在微觀系統的發威,更促成了以上三大領域驚人的成長。簡言之,日常生活之中,大大小小的電器用品,如果沒有早期量子力學的發展,根本不可能成為事實。我們甚可斷言,沒有物理學家的奉獻,人類的生活根本不可能進展到今天的局面,甚至站在今天的基礎上,大談 21 世紀的願景。

同樣的,今天我們想要預測未來,多半也都會是錯誤的。然而沒有願景就不會成長,我們仍然相信

有夢最美、希望相隨!

很多人都相信,全面的量子世代應該會在 21 世紀成形;量子電腦會帶動資訊網路的革命,更會刺激相關科技的突飛猛進。相信我們將看到的,不僅僅是量變而將是駭人聽聞的質變。而人類的價值觀也將隨之產生巨變,到其時,微觀的量子世界,將與人類甚至所有有生命與無生命的世界,相融相合、不可割捨。

相信多數物理學家會來唸物理,多少和愛因斯坦的成就有著或多或少的影響。其實愛因斯坦真正動人心弦的成就,還不是1905 年啟動量子世紀的三篇撼動人心的論述,真正的曠世巨著,還是膾炙人口的廣義相對論。廣義相對論不但把彎曲空間的美介紹給世人,讓20 世紀人類的宇宙觀,站在曠世巨人的肩膀上,更顯得視野遼闊、萬紫千紅。

正如迪拉克 (P. A. M. Dirac, 1902-1984) 對愛因斯坦的相對論所下的評語,可以看出廣義相對論的美艷之處。他說 愛因斯坦如果沒有寫下特殊相對論,再等個一、二十年就會有別人起而代之,但是若非愛因斯坦寫下廣義相對論,可能要再等一、兩百年才會有後起之秀引領我們發現真實的宇宙。

國際純粹物理與應用物理聯盟 (International Union of Pure and Applied Physics) 已將2005年訂為國際物理年,旨在紀念愛因斯坦於1905年,寫下近代物理史上最重要的一頁。世界各國的物理學會,也將於 2005 年同步紀念與慶祝這個百週年的盛事。

由於愛因斯坦反對以波耳為首所主張,世稱哥本哈根學派的量子力學詮釋法則,遂而引發兩造前後持續將近30年,針對量子力學哲學基礎與真正物理含意的「世紀大辯論」。而愛因斯坦在量子力學發展過程中,所扮演的吃重角色,一直以來皆因多數人對這段辯論歷史不甚了了,尤其愛因坦辭世後,當初辯論議題之一的EPR背反,有了出人意表的發展,使得整個辨證主軸受到相當程度的誤導而失焦。平心而論,如果沒有愛因斯坦,量子力學的發展,恐怕得晚個一、二十年。

在這個充滿紀念與感懷的日子裡,愛因斯坦的成就更需要後世人更加真切、更加貼切的緬懷。


[註一] 這一段的地名與人名仿效N.D. Mermin 做法,均經變裝。

2021 後記

文章初稿是1990年左右,為了說明費曼為何說「沒有人懂量子力學」,說明為何有人誤以為愛因斯坦「不瞭解量子力學」、「不支持量子力學」而寫的長篇說明,主旨是說明量子力學的發展史,愛因斯坦扮演主攻、助攻的重要角色,愛因斯坦只是說明「波爾的詮釋」是不完整的詮釋,人類還有很遠的路要走!

於2005年適逢國際物理年再加部分補充說明。

人類對微觀世界的暸解,可以用瞎子摸象來比喻,微觀世界很可能不是三維的世界,我們只看到微觀世界在三維世界的投影,物理學家近百年的努力,很可能只摸到微觀浩瀚宇宙的皮毛。

有做低溫物理、表面物理的同仁,諷刺高能物理的同仁,說做高能物理的同仁是「高能」,他們是低能、只做表面功夫。高能物理同仁只能苦笑,他們不是做低能是做低溫,我們只是研究高能物理現象,和自己是否高能無關,而且不分高能、低溫,大家都只是在做表面功夫。

數學上的表面,是指n+1維空間的n維邊際,我們的宇宙時空很可能是10維、11維或者是26維,我們「最常看到」的微觀世界,還不僅僅是「表面」,其實還「膚淺」得無法形容。

人類工業發展過程,常在無知下製造很多「垃圾」,冀望以後的科技突破可以解決以前製造的「垃圾」,事實上只是製造越來越多、越來越無法處理的垃圾,除了我們誤以為人定勝天,主因還是我們根本不暸解這個自然世界運作的法則,遠比我們想像的要複雜,或者說「我們會的數學、物理」,根本無法處理原本很簡單的自然世界。

電子才剛從真空中誕生,沒學過相對論、沒學過量子力學,多數還是會「規規矩矩」地走位,歸根究底,自然世界也許很簡單,只是我們的語言無法描述這麼完美的世界。

核能發電的最大垃圾,絕對不是我們不知道怎麼處理的核廢料,這麼高溫的反應爐,我們三維的眼睛只能看到三維的垃圾,背後隱藏的危機,我們完全無法掌握。

太陽是上帝的核融合反應爐,相對安全的原因是他離我們500光秒,地球還有薄薄的大氣層、微弱的地磁防護,太陽公公偶爾生氣時,脆弱的防護網還是無法守護我們,更不用說現在主力研究的原料氦三在地球上已經快要耗盡,已經有人想把貪婪的手伸向月球。

很多科幻片已經預見月球被人類糟蹋、甚至碎成很多塊、墜落地球、把人類打回石器時代的場景。但是人類還是很有信心的認為船到橋頭自然直。

我高中的數學老師,在高一第一次月考後,語重心長的鼓勵成績很糟糕的同學,「船到橋頭自然直」,鼓勵他們繼續努力,危機會自然解除。

高三第一堂數學課,數學老師心情沈重的告訴數學成績很糟糕的同學,「船到江心難補漏」,建議他們跳船、放棄數學。把時間用在背多分的三民主義,薄薄的一本課本,努力背就可以補足不及格的數學。

人類的未來真的會「船到橋頭自然直」嗎?讓我們繼續看下去。

參考書目:

  1. Einstein's moon, by F. D. Peat, 1990, Contemporary Books, Chicago.
  2. Is the moon there when nobody looks? Reality and the quantum theory, N.D. Mermin, Physics Today, 1985, April, 38; http://xoomer.virgilio.it/baldazzi69/papers/mermin_moon.pdf
  3. Einstein, A.; Podolsky, B.; and Rosen, N. "Can Quantum-Mechanical Description of Physical Reality be Considered Complete?" Phys. Rev. 41, 777, 1935.
  4. 圖片皆從網路上取得,如需轉載,請避免圖片轉載或自行取得授權。 PhysLink :http://www.physlink.com ; PhysicsWeb: http://physicsweb.org

1927 年索微議會 (取自 PhysLink, 由 PhysLink 創始者Anton Skorucak 加油添醋而成。)

由左至右:

[ 第一排 ] (1) I. Langmuir, (2) M. Planck, (3) M. Curie, (4) H.A. Lorentz, (5) A. Einstein, (6) P. Langevin, (7) C.E. Guye, (8) C.T.R. Wilson, (9) O.W. Richardson

[ 第二排 ] (1) P. Debye, (2) M. Knudsen, (3) W.L. Bragg, (4) H.A. Kramers, (5) P.A.M. Dirac, (6) A.H. Compton, (7) L.V. de Broglie, (8) M. Born, (9) N. Bohr

[ 第三排 ] (1) A. Piccard, (2) E. Henriot, (3) P. Ehrenfest, (4) E. Herzen, (5) Th. de Donder, (6) E. Schroedinger, (7) E. Verschaffelt, (8) W. Pauli, (9) W. Heisenberg, (10) R.H. Fowler, (11) L. Brillouin.

 提醒同學明天下午上課,也請隨時留意e3的公告。

開學後前三週上課 google meet 會議連結:https://meet.google.com/vyk-rfiu-wrs

1:10可以開始登入,1:20準時開始上課。

使用 nycu.edu.tw 帳號可以直接加入 google meet ,不需要等候助教協助才能加入、上課。請儘可能使用 nycu.edu.tw 帳號登入 google meet ,減少等候時間、減少助教的困擾。

課程高度依賴 e3 聯繫同學,聯絡 email 如非 nycu, 有可能被誤認廣告信而錯過重要通知。建議同學在選課系統、e3 以 nycu 當成聯絡信箱,如果平時習慣使用其他系統信箱,可以利用轉信功能轉到你常用的信箱。

第一堂課主要說明本學期上課方式、內容、參考資料、成績只做通過以否處理,再留時間給同學提問自己關切的問題,讓老師補充同學沒聽懂或沒有提到的相關細節,第一堂課就會提前結束。

課後會將上課影片公告在e3兩個禮拜,請錯過上課時間的同學找時間瀏覽,並完成課後簡易測驗。

氦的發現與回收

氦是1868年天文學家觀測日食時的太陽光譜線時,意外發現的新元素,以太陽神 Helios 命名為 Helium ,也能突顯氦元素發現的曲折歷史。

氦元素質量比大氣主要氣體分子氮和氧輕很多,只要從石油或岩層溢出,就能輕易的飄到地球大氣層上方。雖然只有少數地表氦氣的運動速率超過地球的逃脫速度,但是一旦進入大氣層上方,很容易受到太陽輻射影響達到逃脫速度,就像棒球被打成全壘打一樣,一去不回。這是大氣中很難發現氦的原因,也導致人類發現氦元素的時程延後,直到光譜分析的技術發展成熟,才有辦法「意外」的在太陽光譜中發現。

氦氣逸入大氣後有去無回的特性,地球上的氦含量,只能靠殞石撞擊地球增補庫存。因此如果不設法回收,放任氦氣在大氣中自由行,地球上的氦含量,只會持續減少。由於液態氦的低溫特性,做為冷卻用途的科學與商業應用非常廣泛,尤其對低溫物理實驗的研究至為重要,氦元素的存量持續匱乏,遲早會對科技的發展產生嚴重的影響。

雖然地球上氦元素含量持續減少,對整體地球環境的影響有待觀察,但是已經有科學家擔心地球上的氦元素遲早會被商業用途耗盡,呼籲政府重視,減少開採、濫用,無法回收的商業用途要受到規範。


氦要回收

https://m.epochtimes.com.tw/n273241/%E5%B0%88%E5%AE%B6%E8%AD%A6%E5%91%8A-%E5%9C%B0%E7%90%83%E4%B8%8A%E7%9A%84%E6%B0%A6%E6%B0%A3%E5%BF%AB%E7%94%A8%E5%AE%8C%E4%BA%86.html


https://zh.wikipedia.org/zh-tw/%E6%B0%A6


1925年,為了供應戰爭時期軍事飛艇、和平時期商業飛艇,美國政府在德克薩斯州的阿馬里洛啟用了國家氦儲備。[24]1925年的氦氣法修正案,禁止出口氦氣,使美國得以獨占氦氣生產,隨著使用氦氣的巨額花費,興登堡飛船,如同所有的齊柏林飛船,被迫使用氫氣當作舉升氣體。氦氣市場在第第二次世界大戰之後開始消沉,但為了確保液態氦的供應,儲備在1950年代開始擴大,在太空競賽與冷戰當作製作氫氧火箭推進劑(及其他用途)的冷卻液。在1965年在美國使用的氦氣是戰時高峰消耗量的八倍多。[39]

在1960年的氦氣法修正案(美國公法86–777)通過後,美國礦業局安排了五間私人工廠從天然氣當中提取氦氣。因應氦氣保存計畫,當局在堪薩斯州的布什頓建造了425英里(684公里)的管線,將這些工廠與德克薩斯州阿馬里洛附近政府部分耗盡的克利夫塞天然氣田連接起來。這些氦-氮混合物被注入並儲存在克利夫塞天然氣田,直到需要時再進一步的純化。[44]

到了1995年,收集與保存10億立方公尺的氣體花費了14億美元的債務,促使美國國會在1996年淘汰儲備。[23][45]1996年的氦氣法修正案[46](美國公法104–273)便針對美國內政部,要求清空儲備,並於2005年開始銷售。[47]

氦氣生產純度在1930到1945年間大約為98.3%(2%氮氣),為飛艇提供充足的燃料。在1945年,少量的99.9%氦氣作為焊接用途。到了1949,就可取得商業量的A級99.5%氦氣。[48]

多年以來,美國生產全球超過90%商業用氦氣,其餘的是由在加拿大、波蘭、俄羅斯和其他國家的萃取工廠製造。在1990年代中期,位於阿爾及利亞阿爾澤的新工廠開始作業後,製造了1700萬立方公尺(6億立方英呎),足夠供應全歐洲的需求。同時,截至2000年,美國國內的氦氣消耗量每年已成長超過1500萬公斤。[49]在2004至2006年間,在拉斯拉凡、卡塔、阿爾及利亞的斯基克達建立了更多的工廠。阿爾及利亞迅速成為氦氣製造的第二大國。[50]透過這次擴建,氦氣的消耗量與生產成本都向上提升。[51]從2002到2007年,氦氣的價格翻了一倍。[52]

截至2012年,美國國家氦儲備占了全球30%的氦氣[53],預估在2018年消耗殆盡。[53]儘管如此,美國參議院所提議的法案仍允許繼續販售。其他大型儲備位於美國堪薩斯州的休哥頓和附近的天然氣田,以及德克薩斯州和奧克拉荷馬州的突出部。新的工廠預估在2012年於卡塔、俄羅斯和美國的懷俄明州投產,但他們不被預期能緩解短缺。[53]

在2013年,卡達啟用了全球最大的氦氣工廠[54],雖然2017年卡達外交危機嚴重影響當地的氦氣生產。[55]2014年被廣泛認定為氦氣貿易供過於求的一年,但隨後幾年卻是明顯的短缺。[56]那斯達克報導(2015年)三福氣體股份有限公司(Air Products)—— 一家銷售工業用氣體的國際公司─由於原料供應的限制,氦氣量仍然處於經濟壓力之下。[57]

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