Page 21 - Science Focus (Issue 016)

量子力學

By Nicole Wu 胡欣蕾
— 你的雙眼能殺死薛丁格的貓

前言

如果我們不幸中了縮小魔法，變成原子一樣的大小，我們將會看到與我們原本所處世界截然不同的、顛覆
一切常識的量子世界。這個世界會有多奇怪？讓我們拋棄所有常識，試試了解它。

雙縫實驗與波粒二象性 — 是波還是粒子？ 也就是說，這個圖案告訴我們，從槍射出及通過雙縫的是

波而非粒子。但確切地我們知道電子是一種粒子：我們每次只
每談量子力學必提著名的雙縫實驗，它簡單直接地體現了量 發射一粒電子，在牆上也只看到一粒電子；可是當牆上的光點
子力學的詭異之處。 累積，卻是一個互相干涉的圖案 — 難道電子能夠瞬間變成波，

假設我們用槍以隨機角度每次發射一顆電子，這些電子只能 通過雙縫後，再變成粒子映在牆上嗎？
穿過兩條狹窄的縫隙才能到達另一邊的牆；另一方面，牆上有一
塊屏幕，能把電子每次到達牆上的位置累積地記錄，當我們持續
地發射電子，牆上會映照出怎樣的圖案？

根據我們的直覺，理應如圖一：

射進縫內的電子在牆上形成兩道直條 — 也許我們都這樣
預測，如果我們射的是網球或子彈等大小的物件，這樣的推測還
算是正確；可是在渺小如電子或光子的情況下，現實卻並非如此。

實際形成的圖案（ 圖二）：
Figure 3 圖三

如此像霧又像花的現象確實令當時的科學家一時間不能利
用已知古典力學的原理來解釋。後來我們了解到，這些電子同
時有粒子和波的特性，亦即具有波粒二象性（wave-particle
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duality）。根據實驗設計的不同，電子或會呈現粒子的特性，或
會呈現波的特性，更甚的是我們無法在單一實驗中同時完全展
Figure 2 圖二 示其粒子和波的特性 — 即不能同時出現圖一和圖二的圖案。

更有趣的是，觀察本身足以影響實驗。 圖二的現象都是在
我們沒有「監視」時才會發生。如果我們全程追蹤著每顆電子
的軌跡，並知道電子會穿過哪一條狹縫的話，牆上就只會出現
圖一的圖案。在我們沒有「監視」時，我們不知道電子會穿過哪
電子彷彿會拐彎，跑到我們始料未及的位置上，並有規
條狹縫，結果會把所有可能性以疊加（superpose）的姿態（ 圖
律地排列出條紋形狀 — 這個圖案對於科學家來說再熟悉不
二）呈現。這就好比老師不在的教室，學生們也許在認真學習，
過，因為這是當波（例如水波）通過雙縫時，根據波會互相干涉
但更有可能在大吵大鬧，不過一察覺老師在觀察，學生就會安
（interference）的特性才會產生的圖案，比如圖三：
分做個乖孩子。

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