大話題：量子理論 Introducing Quantum Theory: A Graphic Guide

作者簡介

J. P. 麥可弗伊（J. P. McEvoy）

　　倫敦大學（University of London）物理學博士，在大學和實驗室研究固態物理15年，發表50餘篇論文，並協助大學為主修人文學、社會科學和藝術的學生開設物理學和天文學課程。

繪者簡介

奧斯卡‧薩拉特（Oscar Zarate）

　　阿根廷插畫家，除了繪製多本Introducing系列插圖外，也曾與《V怪客》、《守護者》作者艾倫・摩爾（Alan Moore）合作出版圖像小說《A Small Killing》，獲得有漫畫界金像獎之稱的艾斯納獎（Eisner Award）。

譯者簡介

郭雅欣

　　交通大學電子物理所碩士，從事科普出版與傳播十多年，曾任《科學人》雜誌編輯、《科學少年》雜誌主編。喜歡透過文字，將科學有趣、親切、迷人又令人驚豔之處，分享給所有人。

什麼是量子理論？
 
量子理論是人類所提出最成功的一套論點。它解釋了元素週期表，以及為何會發生化學反應。它提出了許多正確的預測，像是雷射及微晶片的運作、DNA的穩定性，以及α粒子如何穿透原子核。
 
波耳1927年提出的量子理論至今仍是學術正統，但愛因斯坦在1930年代提出的思想實驗質疑了這個理論的基本有效性，並且爭論至今。他會再次是對的嗎？是不是遺漏了什麼？
 
讓我們從頭說起……
 
介紹量子理論……
 
「你知道嗎，向一位完全初學的人解釋量子理論，比向古典物理學家解釋來得容易。」
 
「你在開玩笑吧？這些古典物理的傢伙面對現代理論時，出了什麼問題？」
 
問題在於：即將邁入20世紀之前，物理學家絕對確信他們所認知的物質和輻射本質，任何牴觸古典設想的新概念，他們幾乎都不考慮。艾薩克．牛頓（1642-1727）和詹姆斯．克拉克．馬克士威（1831-79）的數學形式不但無懈可擊，而且根據他們的理論所做的預測多年來都經過仔細的實驗證實。理性時代已經轉變成了確定性時代！
 
古典物理基本假設
 
古典物理學家建立了一系列的假設，將他們的思想統整起來，這使得他們很難接受新的概念。以下列出他們對物質世界有哪些確定不疑……
 
1. 宇宙就像一臺放在絕對時空框架中的巨型機器。複雜的運動可以理解為機器內部各零件的簡單運動，即使這些零件並不可見。
 
2. 牛頓的理論說明一切運動都有原因。如果一個物體表現出運動，人們一定能找出運動的原因。這是單純的因果關係，沒有人質疑這一點。
 
3. 如果我們知道物體在某一點（例如現在）的運動狀態，就能判斷它在未來甚至過去任何時刻的運動狀態。沒有什麼不確定，那是先前的一些因素造成的結果。這是決定論。
 
4. 馬克士威電磁波理論完全描述了光的性質，並可由湯瑪士．楊格在1802年簡單的雙狹縫實驗中觀察到的干涉圖樣加以證實。
 
5. 運動中的能量可以用兩種物理模型來表達：一種是粒子，其表現就像無法穿透的球體，例如撞球；另一種是波，其表現就像在海面上朝著岸邊打去的海浪。這兩者是互相排斥的，即能量必定只以其中一種方式表現。
 
6. 一個系統的性質，如溫度或速度等，要測量得多準確都可以。只要降低觀察者的探測強度或根據理論來校正即可。原子級的系統也不例外。

古典物理學家認為以上這些事情都是千真萬確的。但這六個假設最終都會被證明是有疑慮的。首先體認到這一點的，是1927年10月24日在布魯塞爾大都會飯店會面的一群物理學家。
 
量子英雄尼爾斯．波耳的到來
 
1912年，在拉塞福位於曼徹斯特大學的實驗室中，「丹麥偉人」為了徹底理解量子物理，開始孜孜不倦地研究了50年，直到1962年逝世。
 
在這項偉大的研究中，沒有人可以與波耳相提並論，即使是愛因斯坦也不行。他是量子物理學的鼻祖，提出許多初步的概念，所有對量子理論發展有貢獻的人，幾乎都和他合作過。
 
1911年他來到英國時，帶著一本大字典和狄更斯全集以學習英語。儘管波耳的語言能力有限，但他很有自信，工作努力的程度令人難以置信。
 
「我一開始是在卡文迪許實驗室跟著J. J. 湯姆森研究，但我和這位偉人處不好。」
 
「尤其是他告訴我對我的布丁原子模型有多失望之後」
 
波耳抵達曼徹斯特時，拉塞福的新行星原子應用正如火如荼地展開。他沒有被拉塞福模型的限制給嚇退，直覺告訴他，反正古典力學不適用於原子內部。他知道普朗克和愛因斯坦在光輻射方面的研究非
 
常重要，而不僅僅是德國人的一個高明構思。
 
很快的在1912年夏天，波耳就準備了一份草稿給拉塞福。這份名為〈關於原子與分子的組成〉的草稿直接面對原子穩定性的問題。
 
「如果氫原子由一個電子及一個質子組成，那麼拉塞福的假設很符合邏輯：電子繞著原子核運轉，就像一個小太陽系。」
 
「但這怎麼可能？根據古典物理的定律，在這樣的狀態下，電子只能存在不到幾分之一秒。」
 
「繞行運轉中的電子會將能量發散掉，並塌縮進原子核中。」
 
「或許原子有特別穩定的軌道，並牽涉到由普朗克及愛因斯坦所提出的、光子的能量與其頻率之間的量子關係：E=hf。」
 
1913年初，波耳發現了巴耳末提出的公式，迎來重大突破。在那之前，他甚至想都沒想過光譜。
 
「我一得知巴耳末公式，立刻著手撰寫我三篇論文的第一篇，運用巴耳末公式來解釋我新的氫原子模型。」
 
這個事件標註了原子結構的量子理論的起始。