法國物理教授講解量子力學
法文直譯台灣繁體中文版本
讓文科生也能看懂微觀世界中的物理學
16張插圖幫助理解抽象的量子力學
還以為量子科技離我們很遠嗎？
量子力學已發展出影響日常生活的半導體、網路科技和通訊工具：
GPS、核能、太陽能、磁浮列車、雷射手術、醫學影像等。
微軟、G20、Google、IBM、Intel更競相發展量子電腦，
世界正為未來的量子資訊科學做準備。
在量子的世界裡，萬物只是機率和波動、振動和能量的結合；
貓可以維持半死半活的狀態、物體可以同時存在兩個位置、
輪子能同時順時針與逆時針轉、還能從A點瞬間移動到B點。
量子的不確定性與隨機性，在測量的當下便創造了無數個平行宇宙！
量子力學不僅更新理論與科技，
還有更多未知的領域與應用等著被啟動。
量子力學如何改變我們的世界觀？量子力學誕生於二十世紀初，透過埃爾溫·薛丁格（Erwin Schrödinger, 1887-1961）的不死貓思想實驗（薛丁格的貓）而開始普及。薛丁格幾乎參與了所有量子力學發展的關鍵階段。他的方程式描述了物理系統的量子型態，如何隨時間而演化。起初，此方程式遭到愛因斯坦「上帝不擲骰子」的批評，最終卻演變量子力學的基石之一。
量子力學探究無限微觀的奇怪世界，它對我們的影響至今仍遭誤解。從字面上重新創造了現實，打破了我們所有的確定性。量子力學是如此令人驚訝，在量子的世界裡，一切僅是概率和虛波、量子躍遷和短暫振動……如今，量子力學無處不在我們的日常生活中；從智慧型手機、GPS、雷射手術到醫學影像等。未來，量子力學將為我們提供如量子電腦、量子遙傳等新工具。
現在，讓我們舒服地坐在沙灘椅上，一起聆聽法國物理教授查爾斯‧安托萬為我們娓娓道來這奇妙的量子世界。不過，在開始這段量子旅程前，如果你看過漫威電影的《蟻人》縮小後進入微觀世界，這裡得先提醒你，恐怕不能毫髮無傷地出來……
查爾斯‧安托萬（Charles ANTOINE）
查爾斯‧安托萬（Charles ANTOINE, 1977~）
巴黎第六大學-索邦大學（Sorbonne Université）副教授與講師，凝聚態理論物理實驗室的研究員。
已出版量子物理學和相對論等入門書籍：《量子物理學導論》、《現代物理學導論：相對論與量子力學》。
林承賢
林承賢
國立臺灣大學社會學系及中英翻譯學程畢業，赴法國巴黎第七大學社會學系交換。曾任雜誌編輯、記者、翻譯公司專案專員，現於法商公司從事人力資源工作。譯有《沙灘上的馬克思，生活中的資本論》、《沙灘上的薛丁格，生活中的量子力學》。
個人網頁：http://profile.hsien.tw/
超前推薦（按姓氏筆畫排序）
暢銷科普作家｜林文欣
中研院天文及天文物理研究所研究副技師｜曾耀寰
中央大學光電系副教授｜欒丕綱（推薦序）
好評推薦
「在即將進入的量子時代，任何人應該都躲不開量子力學。
量子力學知識的普及化，可說是刻不容緩。
本書的出現，可說是來得正是時候。」
──中央大學光電系副教授 欒丕綱
外媒讚譽
「本書是不可或缺的量子理論。」
──法國雜誌《科學與未來》
「這本書讓我們能夠更好地理解未來用以計算或通訊的量子信息革命。」
──法國日報《世界報》
「本書帶領我們回到量子力學的起源，回到薛丁格既豐富、充實又緊密的生活當中。」
──法國文化電臺「科學方法」頻道
「讓讀者自己抓起這本書，通往迷宮的中心，等著你的是與薛丁格同名的貓，而這一路上還有更多的驚喜等你來挖掘！」
──法國經濟日報《回聲報》
第一章
揭開旅程序幕──歡迎來到量子世界
用一句話和十個問來概括量子力學！
阿根廷詩人豪爾赫·路易斯·波赫士（Jorge Luis Borges, 1899~1986）曾說：「人類不需要建造迷宮，畢竟宇宙本身就是迷宮」。本書的第一章就是你在量子力學之旅中的指南、航海日誌、同時也是邀請函，為你引介後面即將出現的詳細量子力學概念和原理。
關於這門引人入勝的學問，想必你已經有一些問題想問：「量子力學說的是什麼？」「有哪些原理？」「和其他理論的差異是什麼？」「為什麼光在這門學科很重要？」「『量子』一詞是什麼意思？」
「所有的旅人原先都是一名夢想家。」
──英格蘭旅遊作家布魯斯·查特文（Bruce Chatwin, 1940~1989），
《巴塔哥尼亞高原上》（In Patagonia, 1977）
本章立刻讓你深入迷人的量子力學理論，讓你透過幾句話，就能回應你旁邊躺在沙灘椅上的人，不斷逼問著：「究竟鼎鼎大名的量子力學是什麼？」……當然，如果你早就能回答這個問題，可以直接跳過這一章。相反地，如果幾個專業術語或喜歡閒逛的奧地利學者名就讓你驚駭不已，別緊張，以下段落能讓你在旅程中踩著踏實又穩健的步伐。
先說一聲，若你想登上量子力學世界的聖母峰頂，完全沒有問題！本書的目的就是為你準備好工具、紮好第一個營地，並告訴你登上聖母峰的祕訣……
但是請注意，本書並不打算剝奪你挑戰難題的樂趣！即便在介紹理論時，部分段落採用簡化或比喻的方式，勢必不夠精確，所以這趟旅程仍需要你的專心一致、求知慾和深入參與。就像法國演員暨詩人的雅克·岡布蘭（Jacques Gamblin, 1957~）常說的：「沒有壓力，就沒有輸贏。沒有慾望，就沒有競賽與歡愉！」
用一句話形容量子力學！
如同物理學家愛因斯坦在相對論中，以著名的公式E = mc2說明「萬物皆為能量」，我們也能用一句話來概括量子力學的精髓：
「萬物皆為振動！」
萬物皆為振動，萬物皆為「波動」。就像打水漂時的水面波動、風吹動麥穗而造成的波動、或是樂器產生的波動等。然而，與日常生活中常見的物理波動不同，量子波動並非透過物質傳遞（與聲波相反），而且不可見（與光波相反），也無法透過任何方法來觀測。這是一種抽象的波動，屬於一種想像中的數學世界，卻又實實在在地影響我們的真實世界。
這怎麼可能？這兩個世界的關聯為何？抽象世界與我們所在的「真實」世界的連結，有哪些特性？這些細微又惱人的問題，迫使科學家重新檢視「測量」的概念，更深入認識「觀察」的意義，甚至進一步重新定義「真實」。
量子力學的十個大哉問
1. 何時以及為何要建立量子力學理論？
量子力學是現代物理學兩大基礎理論之一，另一個基礎理論是愛因斯坦的廣義相對論。
一九〇〇至一九三〇年間，量子力學的原理主要由一群歐洲研究人員逐漸建立而成。首先，在一九〇五年，愛因斯坦提出「光的粒子」概念。接著，在一九二三年，德布羅意提出「物質波」。之後，我們今日所知的理論，主要由物理學家海森堡、薛丁格、狄拉克、波耳、包立和馮·諾伊曼等人，逐一完成並建立規則。
之所以提出量子力學理論，是為了因應當時的理論無法解釋觀察與實驗結果。當時的理論主要是力學和電磁學，也就是後世所稱的「古典物理」，與之相反的則是量子力學。
當時，這些理論無法解釋的觀察與實驗結果，都涉及了光與物質間的互動，例如，物體在恆溫時發射的輻射。
2. 「量子」是什麼意思？
量子力學（physique quantique）的「量子」（quantique）來自拉丁文的「quantum」，意思是「有多少」。而「quantum」現今的意思則是「小粒子」，若沒有特別說明這種粒子的特性，通常指「能量小粒子」。廣義來說，「量子」一詞，不論巨觀或微觀，都可用來指稱所有與量子效應或量子力學概念有關的事物。此外，除了量子力學，其他理論都無法預測或描述量子效應。
更精確地說，量子（單數為quantum，複數為quanta）是兩個物體相互作用時，物理量所能交換的最小量。將這個物理量表達為最小量的倍數的方法，便稱作「量子化」。
所謂的「能量小粒子」指兩件事：第一，光由名為「光子」（photon）的能量小粒子組成，所以具有粒子的特性。第二，廣義來說，存在於我們身邊的萬物，都呈現這類粒子行為。舉例來說，我們通常將原子視作組成物質的基本單位，但其實原子也具有粒子性的能量結構。最新的理論甚至推測，連空間和時間都可能由時空的粒子組成。
3. 量子力學的發展史上，有哪些重要的實驗？
量子力學的探險家不斷發現革命性的原理和概念，而為了確認這些原理和概念是否成立，則需要進行許多實驗。
毫無疑問地，其中最重要的實驗是湯瑪士·楊格（Thomas Young, 1773~1829）的「雙縫實驗」，我們會在第二章詳細介紹該實驗。在這個實驗中，科學家使用兩條狹縫，來證明和粒子相關的機率波概念。這裡的粒子可能是物質的粒子（電子或原子），或光的粒子（光子）。
其他的重要實驗，則讓量子力學得以在初創時期就扎穩根基，尤其是證明光或電子所含能量的量子化、「自旋」存在、物質波存在的實驗。近期的實驗中，還有證明「量子糾纏」和「非局域性」現象的實驗﹝一九八一年，法國物理學家阿蘭·阿斯佩（Alain Aspect，1947~）的實驗，和二〇一五年荷蘭物理學家羅納德·漢森（Ronald Hanson, 1976~）的實驗﹞，以及探索基本粒子的實驗，例如二〇一二年發現「希格斯玻色子」的實驗。
自一九九〇年代開始，得益於實現量子遙傳和製造同調物質波的新技術﹝一九九七年，法國物理學者柯恩唐努吉（Claude Cohen-Tannoudji, 1933~）為此獲得了諾貝爾獎﹞，量子力學的研究拓展了全新領域。最後，自二〇一〇年起，量子資訊科學與量子生物學因世界各地的許多實驗，而獲得長足的進展。
4. 量子力學理論是否經過詳盡的驗證？
量子力學的理論經過高度詳盡的驗證。該理論的增強版「量子電動力學」（QED）更納入了光與物質的相互作用，以及愛因斯坦的狹義相對論，被認為是有史以來最禁得起驗證的理論！與之角逐的是愛因斯坦的廣義相對論。該理論預測了著名的重力波（一種在彈性介質──時空中──以光速傳播的振動），且科學家在二〇一五年的探測中，證實了這項預測。
然而，量子電動力學無法應用到大量原子和物質。在這種情況下，只能使用簡化版的量子力學──就是本書主要介紹的內容──來解釋觀察到的現象。在此例中，預測結果和實際測量的結果仍然一致。不過，在生物學或超導現象等領域中，仍有一些異常的量子效應，有待科學進一步探索。
5. 量子力學對哪些領域有興趣？
雖說量子力學主要應用的領域是極其微小的粒子，但量子效應卻存在於自然中所有大大小小的物體中；從組成原子的粒子的亞微觀，到宇宙級的巨大規模，也包含了人體和產業大小的規模。
所以說，從最小的物體到最大的物體，量子力學對所有物體都感興趣！甚至可用一句話總結：「萬物皆為量子！」
事實上，即便我們無法或很難感受到生活周遭物體的量子特性，任何物體或任何一組物體都可能與量子波有關。有另一門研究領域，專門研究量子世界與我們日常生活的世界之間的邊界。量子世界存在於原子層級，高度受到量子效應影響；而我們的日常世界在外觀上，則看似較少受到量子效應影響。
6. 量子力學與其他理論的差異為何？
與同為現代物理學支柱的廣義相對論不同，量子力學並非建立在近乎哲學的大原理上，但相對論卻是建立在同名、彷彿哲學理論的「相對性原理」上。事實上，量子力學奠定在一大串原則上。有些人認為這些只是經驗法則，其真實性直到今日仍有爭議。而這些原則則借助了其他較無爭議的概念，如機率波、自旋或「量子躍遷」。
總體來說，量子力學讓我們不再相信科學的確定性、將問題層次提高到全面性視野、並深入懷疑物理學所有的常見概念：如局域性、實在論、測量、空間、時間、因果關係、真空……甚至連宇宙獨一無二的存在，似乎也不可信了！
量子力學的另一個獨特之處，在於該理論需要詮釋，尤其是對其獨特數學形式體系的物理詮釋。然而，雖說今日有多種詮釋互相競爭、力圖理解量子力學理論的真正含義，但目前大多數的科學家，仍一股腦兒地遵照美國物理學家戴維·梅爾曼（David Mermin, 1935~）的玩笑話：「閉嘴，快算！」埋頭於量子力學理論中，高度可預測以及高度技術性的面向。
7. 有沒有一項原則，可以讓人了解整個量子力學理論？
若只能用一項原則讓人了解量子力學理論──那就是「波粒二象性」。
可能有人會皺眉，因為其實波粒二象性並非一項原則，也不是建立理論時使用的假設，反而比較像量子力學理論的特性，而且「二象性」一詞也經常讓人誤解和誤用。
不過，波粒二象性最終仍精確說明了量子力學的重點，那就是──萬物皆為波動和振動」。所以，光和物質同時具備兩種面貌──粒子和波動的特性。這裡的波動並非實際的波動，而是抽象的波動，存在另一個數學空間中，與我們生活的真實物理空間不同。因此，我們可以用另一個原則來替換波粒二象性原則：「萬物皆可能以量子波動呈現。」
從技術層面的角度來說，其實我們說的是「量子態」，所以正確的句子應該是：「萬物皆可能以量子態呈現。」
8. 量子力學主要應用於哪些領域？
量子力學初創時，是用於描述組成物質的不同粒子的理想學科，這些粒子指的是原子、組成原子的粒子（電子、質子、中子），甚至是更小的粒子（微中子、夸克等）。這個應用領域與廣為人知的粒子物理學有關。該學科致力於理解基本粒子的性質與特性，如著名的希格斯玻色子。
結合量子力學和簡化版的愛因斯坦相對論後，科學家得出了一系列的量子場論。其中，量子電動力學處理光和物質的相互作用，而「量子色動力學」（QCD）則是關注原子核的組成結構。
另一個重要的應用領域則是「量子化學」，該領域力圖理解原子間結合、組成化學鍵和分子的方式，並建立模型。固體物理學則試圖了解物質的結構，如「為什麼某物質是固體？」「物質為何又如何傳導電力和熱能？」「有可能打造新物質嗎？」由此可見，固體物理學和微電子學、奈米科技緊密相關。
9. 量子力學跟我們有什麼關係？
首先，量子力學早已走出實驗室、走進我們的生活了！
有哪些例子呢？所有電器用品的組成元件（雷射二極體、電晶體、快閃記憶體等）都建立於一種「穿隧效應」（Quantum tunnelling effect）的量子效應上；GPS系統仰賴原子鐘提供的超精準、穩定的時間；我們使用的核能和太陽能也仰賴量子力學；雷射手術和醫學影像技術也同樣需要量子力學。簡言之，從光合作用、到手掌無法直接穿越紙張或平板電腦，在我們生活周遭，幾乎所有的物理反應都與這個奇異又迷人的量子世界有關！
在另一個生活領域中，量子力學也十分常見，那就是「文字」！一如法國前總理雷蒙·普恩加萊（Raymond Poincaré, 1860~1934）熱切地將文字形容為：「靈魂的神祕過客、大魔術師、令人生畏的人類操縱師」。事實上，「量子」一詞非常流行，文獻中也充滿了各種的量子變化。但理論上，其實這些領域和量子力學常見的應用領域並無關聯，例如：醫學、哲學、體育、藝術和各種靈修法。
雖說人們偶爾誤用量子相關詞彙，甚至經常表達相反的意思，不過一旦翻開這本書，就代表你已經決定要理解這些詞彙的真正含義了。你給了自己一個機會，能夠分辨誤用或不實的話語，以及有趣、啟發人心，但在數學或物理上不正確的說法。
最後，雖說目前量子力學只是間接介入我們的生活，但未來肯定會大幅入侵！例如：石墨烯等奈米顆粒、新的超精細材料、確保銀行和電子投票安全的「量子密碼學」、人工智慧和未來電腦、量子生物學……
10. 為什麼光在量子力學中占有重要地位？
由於種種原因，使得光在過去和未來都是量子力學中的要角。首先，量子力學的起源就是二十世紀對於光的研究。事實上，光的歷史地位之所以重要，原因可不止如此：例如，光的粒子特性帶來了非常重要的量子化概念，而後世稱為光子的小型能量粒子，與物質相互作用的隨機特質（由隨機的量子躍遷產生）更說服了科學家相信可觀測世界機率性的基本特質。最後，更因為光同時具備波動性（光波）和粒子性（光子）的二重性質，讓德布羅意和薛丁格有了結合波動與粒子的想法，也就是將波粒二象性應用到原先被視為光或物質的所有現象。
研究物質時，光也很重要；透過分析原子釋放或吸收的光，無論該原子在地球上或宇宙的盡頭，我們都能判別其來歷。由於光極度純粹，且可透過雷射光或光學儀器等方式操作，從準備、控制，到精準測量所需的物理量和系統，幾乎在所有量子力學的實驗器材中，光都不可或缺。此外，光也讓創造量子的「疊加態」和糾纏變得容易許多，而這也是光在量子資訊和量子遙傳領域中，極度重要的原因。
最後，因為光傳遞物質粒子間的電磁相互作用，所以在更廣義的量子電動力學的學科中，光也是基礎要素之一。目前，當人們在探討量子力學可能發展的領域，要測試最大膽的假說時，作為純粹能量粒子的光子，就是測試用的模擬系統。
前言
神秘的理論、離經叛道的物理學家
您即將開始的這趟旅途十分危險。
深入量子力學奇異的世界雖是趟非凡的旅程，
但沒有人可以完好如初地歸來……
在量子力學的世界中，神秘的貓可以維持半死半活、狡猾的老鼠只需看一眼月亮就能讓月亮存在、特定的作用可以在時間與空間之外進行、物體可以同時存在於兩個位置，還能從一個位置瞬間前往另一個位置，不需經過任何中介地點……在這個世界中，萬物都只是機率和想像中的波動、物質只不過是不斷重新創造的短暫振動、所謂「真空」充滿著大量能量、無限小的量和無限大糾結在一起、平行世界因為人的意志而無限增加、荒謬和命運並肩而行……
「人生中最開心的時刻，就是啟程前往未知世界的時候。」
——英國探險家理察．弗朗西斯．伯頓的日記
（Richard Francis Burton，1821-1890）
量子力學到底是什麼呢？抽象語言愛好者打造的純粹人工知識？為了解答形上學疑問提出的詭異數學算式？與哲學、瘋狂只有一線之隔的非主流科學理論？如果這個理論的預測能力並沒有被證明如革命般強大，也許很多人會回答是的。畢竟，量子力學的理論雖看似瘋狂，卻通過非常嚴謹的實驗驗證。不過，量子力學的確偶爾令人感到疑惑難懂，尤其是在討論光與物質之間的相互作用的時候。
然而，量子力學並非一位隱藏自己的美人。她並沒有將自己謎團般的精采之處隱藏起來，不讓微觀世界的探險家一探究竟。雖然難以注意到，但量子力學其實存在於我們日常生活中的每一個動作：滑智慧型手機、用手指敲鍵盤，乃至每次使用含電子元件的裝置，其實都涉及量子力學！因為，如果沒有量子力學，人類就無法理解二極體和電晶體如何運作，因而也無法製造電路、微處理器和快閃記憶體。如果沒有量子力學，就沒有物質波、原子鐘和GPS。沒有量子力學，就沒有雷射、磁浮列車、超精準醫療影像和超安全通訊工具。
未來，當我們使用電子投票、刷信用卡、使用穿戴式裝置、在地球上或太空中移動時，我們的環境已充滿人類透過量子力學，在實驗室中創造的各種裝置，例如量子電腦、使用量子遙傳的裝置，還有石磨烯和碳奈米管等新物質。
此外，如同法國廣播節目主持人阿美桑（Jean-Claude Ameisen，1951-，為免疫學家，亦主持科普節目）所說：晚期的研究顯示量子效應也存在於生物體之中，例如植物行光合作用、特定候鳥的眼睛等等。在此之前，由於生物體太過複雜、不易維持量子同調這麼細微的現象，所以學界從未討論過此領域的量子效應。現在，甚至連人類意識──或者說是傳遞人類精神所觀察到的資訊的轉變過程──看起來似乎也與量子力學有關……
的確，就如美國物理學家萬伯格（Steven Weinberg，1933-）所說：「從發現量子力學的那天起，人類便不再是相同的人類了。」這本書邀請您參與的旅程，超乎尋常。
在所有量子力學的重要探險家和學者之中，有誰比埃爾溫．薛丁格（Erwin Schrödinger，1887-1961）更適合當這趟旅程的導遊呢？他的名氣或許不如普朗克、愛因斯坦、費曼；前瞻性的視野或許不如波耳、德布羅意、包立；也並未和狄拉克、馮紐曼和海森堡等人一同名列量子力學的早期先驅（別擔心，如果沒聽過這些名字，這本書正是為您量身訂做！）但是薛丁格的一生和其著作，正象徵著量子力學的發展。
薛丁格的年紀介於兩代見證量子力學誕生的物理學家之間。他也促成了幾乎所有量子力學發展中的里程碑──建立了量子力學的核心方程式「薛丁格方程式」，這是現代許多科學技術應用原理的起源。他成功整合量子力學理論的兩大版本（海森堡、玻恩和約當的「矩陣力學」，以及他自己受法國學者德布羅意影響而發展的波動力學）。他也提出了著名的「薛丁格的貓」思想實驗，用以批評量子力學的標準詮釋，並與好友愛因斯坦一同提出「量子糾纏」的基本概念。不僅如此，他更持續研究能整合現代物理兩大支柱（量子力學和廣義相對論）的超級理論，儘管結果徒勞無功。另外，他也對哲學，還有科學和靈性間的關聯充滿熱情。最後，他為一九八〇年後全新的「量子生物學」領域打開了大門。
薛丁格不只在科學研究中拒絕墨守成規，他在感情、友誼和人生的選擇上亦如是。他擁有自由的靈魂，拒絕任何形式的傳統，儼然是當年的科學代表人物。他也大大地翻轉了許多常識。人們不斷重新發現、欣賞他的科學與哲學作品。但似乎還需要時間的沉澱，我們才能真正認識薛丁格的遠見與全貌。
愛因斯坦曾說：「發明，就是從另一個角度思考。」薛丁格的一生與作品就是最好的例子，他的每一步都為我們點亮量子力學更豐富的內容！
