愛因斯坦與量子革命

＜內容簡介＞ 2022諾貝爾物理學獎得主－阿蘭‧阿斯佩（Alain Aspect）開講 當今物理學中最具決定性意義的一頁 ──正在我們眼前開展的第二次量子革命！ 以簡單的方式解釋了複雜的概念， 從起源理解量子物理學，歷史演變新運用。 第一次量子革命誕生於20世紀初，在愛因斯坦等物理學家的推動下，徹底顛覆了我們對世界的看法，揭示了波粒二象性等令人驚訝的概念，也帶來電晶體、雷射、積體電路、電腦等重大發明。 比較少被討論的是，第二次量子革命的發展始於1935年愛因斯坦和玻爾之間的爭論，到了1960年代末期才因為單一粒子的實驗而讓這場革命成為可能。這場革命依然在我們眼前進行，它的基礎是糾纏粒子的概念──即使粒子相距非常遙遠，糾纏粒子之間卻存在異常強大的關聯性。 這個概念在1980年代初期，透過阿蘭‧阿斯佩的實驗得到驗證，而且已經有了具體應用，特別是在密碼學的領域。這個概念可能會帶來諸如量子計算的新技術。 這是一本朝向未來物理學的小書，講述著一個宏偉的科學故事，在故事裡，科學實驗清楚地解決了哲學辯論的問題。 阿蘭‧阿斯佩是物理學家，曾獲法國國家科學研究中心金質獎章、諾貝爾物理學獎，他也是2010年沃爾夫獎（prix Wolf）得主。 │審訂│ 張慶瑞教授（國立臺灣大學物理系名譽教授） ★目錄： 兩次量子革命 第一次量子革命 波粒二象性 理論的成功 第二次量子革命 糾纏測量實驗 操縱量子物體 量子資訊 量子密碼 結論 ＜作者簡介＞ 阿蘭‧阿斯佩（Alain Aspect） 阿蘭‧阿斯佩是量子光學專家，曾於一九八二年在奧賽光學研究中心以實驗證明量子糾纏有明顯的非局域性。這項特性如今運用在量子資訊和密碼，說明了兩個光子即使相距甚遠也有看似可以交換資訊的能力。 一九八四年，時任巴黎綜合理工學院（École polytechnique）副教授和法蘭西公學院（Collège de France）實驗室副主任的阿斯佩，致力於研究將溫度降至低於光子反衝極限的雷射冷卻原子方法，這是讓克勞德．科恩-塔諾季（Claude Cohen‐Tannoudji）於一九九七年贏得諾貝爾物理學獎的研究之一。 阿蘭‧阿斯佩於二○○五年獲頒法國國家科學研究中心金質獎章，二○一二年獲頒阿爾伯特．愛因斯坦獎章，並於二○一三年獲頒尼爾斯．玻爾獎章和巴爾贊獎。他是法國科學院（Académie des Sciences）、法國國家技術科學院（Académie des Technologies）和多所外國科學院的院士。 譯者：尉遲秀 一九六八年生於台北。 曾任報社文化版記者、出版社文學線主編、輔大翻譯學研究所講師、政府駐外人員，二○一三年參與創立台灣法語譯者協會，二○一九年參與創立台灣多元教育家長協會。現專事翻譯，兼任輔大法文系助理教授。譯有《生命中不能承受之輕》、《一個被綁架的西方國家或中歐的悲劇》、《渴望之書》、《戀酒事典》、《馬塞林為什麼會臉紅？》、《茉莉人生》、《傅柯》等各類書籍百餘冊。 審訂者：張慶瑞 張慶瑞教授曾擔任台大副校長及代理校長，也是美國物理學會（APS）與國際工程學會（IEEE）會士，及俄國國際工程學會（RIAE）的院士。近來積極培養新興跨領域量子人才，應用於新材料、新藥物合成與財務金融領域，並創建臺灣量子電腦暨資訊科技協會。同時推動量子科普工作，在台大校友雙月刊發表多篇量子科技在社會人文的可能影響，積極探討除了量子科技革命的技術改變外，更應注意「後牛頓時代」的哲學與文化衝擊，以及掌握量子科技與東方哲學復興的融合契機。 ★內文試閱： ‧序 量子物理學非常奇特，我們經過一個世紀的努力，都還沒看到任何現象顯示它似乎達到了它的極限。 在物理學裡，所有先前的理論都有一天會到達極限。這並不意謂這些理論消失了。一般來說，一個更普遍的理論會包含前一個理論，並且在一些極端情況下補全前一個理論的不足，但是前一個理論在廣泛的參數範圍內依然有效。例如，牛頓力學無法正確地處理接近光速的運動，於是我們必須要用相對論，而相對論也包含牛頓力學（在較低速度時，牛頓力學是相對論的極佳近似）。 今天，我們不知道量子物理學可能達到的極限在哪裡。完全不尋常的是，我們清清楚楚知道如何以數學形式把它寫出來，但我們對這些概念上還是有許多困惑。這些糾纏的粒子，儘管彼此相距很遠，但似乎形成了一個整體。這些糾纏的粒子是一些系統，每個物理學家都透過發展自己的圖像來盡最大努力處理這些系統，但還是讓許多人不滿意。令人驚訝的是，用數學描述這些系統的方式，每個人都同意；但是要給這個形式描述一些圖像，共識就少得多了。 時至今日，量子物理學已經在所有為了發掘它弱點而發動的戰鬥中取得勝利，它從所有想要說它犯錯的嘗試之中全身而退。相反的，它甚至為長期的技術發展提供了一再令人驚異的可能性。容我再說一次，沒有量子物理學，我們就不會有今天的資訊社會。如果有一天以第二次量子革命為基礎的量子資訊實現了它所允諾的未來，誰知道我們的社會將經歷什麼樣的劇變？但我們能讓大量的量子位元糾纏嗎？這是物理學還沒有定論的一章。 ‧摘文 兩次量子革命 我們常說二十世紀有兩大物理學革命：相對論和量子物理學。兩者都是從根本上挑戰了世界在我們腦中的形象以及我們認為牢不可破的觀念。量子物理學更是徹底改變了我們的生活，我們可以稱之為「量子革命」，就像我們會說蒸汽機的發明帶來十九世紀的「工業革命」。 因為量子物理學不僅徹底改變了我們的概念，也改變了我們生活的社會。沒有對量子世界的深刻理解，就不可能發明電腦，也不可能發明可以透過光纖快速傳輸資訊的雷射。結果是，我們所熟知的資訊與傳播社會就不會存在。無論在加州還是其他地方，沒有哪個業餘愛好者可以在自家車庫裡發明雷射和作為電腦基礎的積體電路。 事實上，如果我們多花一點心思審視二十世紀量子物理學的歷史，就會發現量子革命不是一次，而是兩次。第一次革命始於二十世紀初，始於馬克斯．普朗克（Max Planck）和後來的阿爾伯特．愛因斯坦（Albert Einstein）。這次革命建立在著名的波粒二象性（dualité onde‐particule）之上，這個概念徹底改變了整個物理學，並且成為許多應用的基礎。 到了一九六○年代，人們一度認為量子物理學的發展已近尾聲。然而奇怪的是，就在此刻，人們意識到了一個概念的重要性，儘管早在一九三○年代，愛因斯坦和埃爾溫．薛丁格（Erwin Schrödinger）就提出了這個概念，但是直到當時，這個概念還一直被低估，那就是糾纏（intrication），這是和波粒二象性完全不同的概念。從一九七○年代開始，實驗技術的進步讓人們可以對個別的量子物體進行精細程度大幅提升的實驗。這些進步催生了正在我們眼前開展的第二次量子革命。這裡要談的就是這兩次量子革命。 第一次量子革命 第一次量子革命始於二十世紀初，當時普朗克發現，要解釋黑體輻射（受熱物體發出的電磁輻射）的性質，必須假設物質與輻射之間的能量交換不是以無限小的量在進行，而是以一包包有限大小的量在進行。這就是所謂能量交換的量子化：能量的傳遞不能少於某一特定的量。 一九○五年，愛因斯坦又踏出了更具革命性的一步。他發現，不只是輻射和物質之間的能量交換是以基本量（quantités élémentaires）在進行（我們稱之為「量子」〔quantum〕），而且輻射本身也是由帶有能量的粒子組成（我們後來稱之為「光子」〔photon〕）。 這在概念上比普朗克跨出了更大的一步。愛因斯坦立刻由此推導出光電效應（輻射從物質中激發出電子的現象）的一些定律。這些定律令古典物理學家相當驚訝、震撼，以至於當時沒人相信。大約十年後，美國著名的實驗物理學家羅伯特．米利肯（Robert Millikan）進行了一系列實驗，他承認，這些實驗是要證明愛因斯坦的預測是錯的。這些精彩的實驗歷時長久而且十分艱難，他最終得出結論：愛因斯坦是對的。 諾貝爾委員會非常清楚愛因斯坦的假設具有革命性的意義，在一九二一年將諾貝爾物理學獎頒發給他，表彰他在光電效應的法則方面的研究，而不是因為相對論，這和我們經常以為的不同。 根據愛因斯坦的說法，輻射是由能量的基本粒子組成，即所謂的光子。然而我們也不能忘記前人的成果，特別是十九世紀累積的知識。那些天才物理學家──英國的托馬斯．楊（Thomas Young）和法國的奧古斯丁．菲涅耳（Augustin Fresnel）──透過無可辯駁的實驗證明，光的許多特性只能以光的波動性來解釋。特別是干涉（interférences）和繞射（diffraction），這些現象只能用光的波動性來詮釋。結果愛因斯坦卻認為光是由粒子組成的。 該如何調和這兩種觀點呢？這就是著名的波粒二象性，光的部分是愛因斯坦從一九○九年就開始提及，物質粒子的部分則是路易．德布羅意（Louis de Broglie）在一九二○年代發表的。粒子的二象性是以兩種不同的數學形式的方程式來呈現，但是剛開始人們很難理解這兩種架構之間的對應關係：一個是薛丁格發展的波動方程式，它駕馭了著名的波函數，描述粒子的演化；另一個是維爾納．海森堡（Werner Heisenberg）發展的矩陣力學。 經過幾年的努力，先有薛丁格，繼之是保羅．狄拉克（Paul Dirac），人們才理解了這兩種數學形式的對等關係。一直要到一九三○年代初，狄拉克提出的統一數學形式才能夠同時解釋光的波動性和粒子性，並且對稱地解釋了物質粒子（例如物質中的電子）的粒子性和波動性。