量子力學認為,觀測者才是最主要的,或許我們的世界並非真實存在的,而是虛擬世界。(圖片取自Pixabay)
2022年諾貝爾物理學獎得主日前揭曉,艾斯佩特、柯羅瑟、吉林哲這3位科學家因為在量子力學領域的進展而獲獎,他們的研究促成日後超級電腦和加密通訊的發展。3人「以量子糾纏光子實驗、確認違反貝爾不等式、開拓量子資訊科學」而獲得表彰。
在量子力學裡,量子糾纏的意義是,當幾個粒子在彼此交互作用後,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,此現象被人稱為量子纏結或量子糾纏(quantum entanglement)。
假若對於兩個相互糾纏的粒子分別測量其物理性質,如位置、動量、自旋等,會發現量子關聯現象。例如,假設一個零自旋粒子衰變為兩個以相反方向移動分離的粒子。沿著某特定方向,對於其中一個粒子測量自旋,假若得到結果為上旋,則另外一個粒子的自旋必定為下旋,反之亦然。
更特別地是,假設沿著兩個不同方向分別測量兩個粒子的自旋,則會發現結果違反貝爾不等式。在理論物理學中,貝爾不等式(Bell's inequality)是一個有關是否存在完備局域隱變數理論的不等式,如果不等式不成立,說明不存在關於局域隱變數的理論可以複製量子力學的每一個預測。
量子力學的開山祖師是德國科學家馬克斯·普朗克,他發現能量量子化(1918年獲得諾貝獎)。後來推演出兩種理論,即提出矩陣力學的德國科學家海森堡(在1932年獨得諾貝爾獎),還有提出波動力學的奧地利科學家薛丁格(在1933年獲獎)。兩種理論都對近代半導體科技產生重大影響。
薛丁格方程式可以簡潔優雅地描述波耳的氫原子模型,他認為電子在方程式中的波函數就代表實在的波,就像光子也是一種波。然而,有個問題難倒了所有人:波函數竟然是複數,它的物理意義是什麼?
另一德國量力大師馬克斯·玻恩宣稱,薛丁格的波函數並非描述電子如何波動,而是代表發現電子的機率,正確地說,波函數本身是一種機率振幅,它的絕對值的平方才是測量到電子的機率。他也因為對此的詮釋而獲頒1954年的諾貝爾物理獎。
向來有明確因果關係的物理,竟然跑出來不確定的機率,許多科學家都對此無法接受,愛因斯坦是其中之一。愛因斯坦在寫給玻恩的信中寫下著名的「上帝並不是在玩骰子(He is not playing at dice)」。
愛因斯坦與玻恩雖然立場相左,但與他卻是終生摯友,兩人的友誼持續長達四十年,歷經兩次世界大戰。英國哲學家羅素曾如此描述他們:「他們兩人都才華洋溢卻又虛懷若谷,還有道德勇氣聲討納粹黨,他們的生命閃耀出一種強烈的美。」
量子力學認為,觀測者才是最主要的,或許我們的世界並非真實存在的,而是虛擬世界,因為我們平時玩遊戲的時候,遊戲中的人物能夠知道自己在虛擬世界中嗎?而我們也是一樣的,也許只有我們走出這個宇宙,才能夠發現宇宙的終極奧秘。
有人說,低次元的人類無法看到高次元的造物主,如同我們看螞蟻世界一樣,螞蟻可能認為人類是它們的上帝,擁有主宰它們命運的力量,卻看不清楚我們的相貌。人類對於可能的造物主,應該也是如此,因為人類只是三維空間的生物,而宇宙的造物主很可能在三維以上空間觀察我們。
1957年中國第一位諾貝爾物理獎得主楊振寧曾被問道:你相信這個世界上有上帝嗎?楊答道:如果說這個上帝是一個人形狀的,那我想是沒有的,如果你問我有沒有一個造物主,那麼我想是有的,因為我們的這個世界並非偶然存在的,雖然說,到現在為止,科學家還不知道這個造物主到底是什麼?但是許多科學家認為我們的世界並非偶然,包含牛頓與愛因斯坦。
其實楊振寧的原始思想來自愛因斯坦,因愛因斯坦的回憶錄曾說,上帝創造了我們的宇宙,上帝生活在我們的宇宙中。
楊振寧的物理學研究領域廣泛,他在統計力學、粒子物理和量子場理論等都取得傑出成就,其中最重要的貢獻有三項,分別是1954年與羅伯特·米爾斯合作的楊-米爾斯定律、1956年與李政道合作的宇稱不守恆定律和1967年的楊-巴克斯特方程,這三者都對近代物理產生深遠的影響。
楊振寧說,科學能體現出一種客觀存在的美,因為「科學裡終極的美是客觀的,沒有人類時就已經有這些美了」。他借用王國維的術語說「科學中的美是『無我』的美,藝術中的美是『有我』的美」。換言之,科學是客觀的,藝術是主觀的產物。
愛因斯坦也說,人類所能擁有最美麗的經驗是神秘與奧妙,這是真正藝術與科學起源的根本感情。凡不識神秘,不再對自然好奇與驚嘆者,眼神將黯淡無光,仿佛行屍走肉般。正是這種神秘與奧妙的經驗,才會產生宗教,衍生出真正的信仰。唯有在這層意義上,我算是有虔誠信仰之人。
以上幾位偉大物理學家當初只是為了滿足自己的好奇心而研究科學,沒想到其研究成果也給人類文明與生活方式帶來重大的改變,不論是物質或精神文明都有。他們不僅有頂尖的專業科學知識,尤其有道德勇氣,不為邪惡政權服務,更令人尊敬。
瑞典富豪諾貝爾,原本因賣火藥致富,死後財富不留給子孫,而是創立諾貝爾獎遺愛人間,造福世界,提升文明,其偉大精神永垂不朽,勝過古往今來所有的帝王、將相、仕紳與富豪,很值得我們深思。
作者為台大物理博士,文化大學教授