二十世紀的前十年,人們開始認為「原子似乎是由原子核及電子所構成的……」,這就是開啟下一個疑問的起始。這個疑問是,以當時的物理學常識看來,這樣構造的原子能夠恆久存在,實在是很奇怪的一件事。

從艾薩克.牛頓(Isaac Newton)發展起總結到十八世紀的牛頓力學,已長時間被人們相信可以完美地說明世間所有的現象。因此在十九世紀時,甚至有人說:「物理學已經沒有什麼東西可以研究了」。

但是進入二十世紀後,阿爾伯特.愛因斯坦(Albert Einstein)發表了相對論(1905年發表狹義相對論,廣義相對論則發表於19151916年),揭示出若要能夠更巨觀(macro)地觀察自然界,就必需要超越牛頓力學的理論。但是,即使有了這套相對論,我們還是不能說明超微觀世界的原子內部狀態。

比方說像以下的現象:

 

‧根據古典物理學,繞著原子核周圍轉的電子理應會急速失去能量往原子核落去,但電子似乎都不會這樣落下。

‧當被原子核所束縛的電子掉到更低的能階時,造成的能量大小變化無論怎樣都不會是連續的。

‧無法確切標定出電子的存在位置。

‧電子同時存在於好幾處。

‧理應什麼都沒有的真空中,卻突然出現電子。

 

對過去的物理學來說,只要能知道任何「物體」現在所在的位置以及它運動的狀態,就可以明確標定出它經過特定時間後所處的位置。因此對於運用時刻表的鐵路推理小說來說,不在場證明的鋪設及解答才會是故事的重點所在。但如果是在電子的尺度的話,像是「一小時前才坐上東海道的新幹線,現在人卻出現在沖繩」的事可說是家常便飯(當然這是十分誇張的說法啦……)。

換句話說,極微世界似乎是建立在一種人類過去從來不知道的全新物理法則上。那麼,這個法則究竟是什麼?因為這樣的疑問所以量子力學因而誕生,並從1920年代起就一口氣有了長足的進步。

這可謂是一場知識的大革命。如今諾貝爾物理獎的得獎者幾乎都是由量子力學相關領域的研究學者所囊括。順帶一提,日本歷年的物理獎得獎者:湯川秀樹、朝永振一郎、江崎玲於奈、小柴昌俊、小林誠、益川敏英,也全部都是這個領域的研究學者。

量子力學足以與相對論並稱為二十世紀的物理學代表理論,但其實愛因斯坦的相對論多被視為「古典物理學」的範疇中,今後能夠期待有重大發現的還是量子力學。而且在二十一世紀中,應該可以完成將量子力學與相對論融合起來的量子重力理論,以及能更進一步發展的超大統一理論。對於廣佈在整個宇宙中、產生如「反重力」般作用的神秘暗能量(dark energy),以及在巨觀尺度中也會產生特異現象的強烈重力場等現象,是無法僅用愛因斯坦的理論就能解釋的。因此,如果能根據量子力學的概念對相對論進行修訂的話,這必定會成為地球人所創造的偉大文化之一。

 

 (以上文章節錄自《世界第一簡單量子力學》,世茂出版)

 

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