科學人 8月號/2018 第198期

跨越量子分界線

量子力學所描述的現象既奇異又隨機，但我們所見的現實是明確的。新的實驗想要探測量子力學與古典力學的界線。
撰文∕佛爾吉（Tim Folger）
翻譯∕張明哲

重點提要
■微觀世界與巨觀世界沒法無縫接軌：微觀世界依循量子力學的機率特性，而巨觀世界卻呈現較有邏輯的古典法則。

■物理學家一直不了解量子領域和古典領域的界線何在，但即將進行的新實驗可望檢視不同的理論。

■連續自發局域化（CSL）理論認為，量子機率會隨機塌縮到古典明確值。如果真是這樣，則宇宙裡這些塌縮產生廣泛的背景振盪，便可經由實驗測得。

戈洛巴哈（Simon Gr大部份的自製作品，我們都無法以肉眼看見。他在荷蘭德夫特科技大學實驗室設計了一項機械裝置，長度僅幾微米、比細菌大不了多少，厚250奈米、僅一張紙的千分之一。戈洛巴哈無疑能把這項裝置縮得更小，但他另有目標：他想放大裝置，而非縮小。他從電腦螢幕上點選出圖片時說：「我們想把它變得非常、非常大。」戈洛巴哈其實是實驗物理學家，「非常、非常大」指的是我們幾乎不需顯微鏡就可以看到的「一公釐乘一公釐大」。
在這不算巨大的尺度下，戈洛巴哈希望回答一個重要問題：單一巨觀物體能否同時出現在兩個地方？例如，針尖大的物品能否同時既在這裡又在那裡？這種近乎不可能發生的情況，對原子、光子或其他粒子來說卻是常態。根據神奇的量子理論，在最基礎層次的現實有違常識：粒子沒有固定的位置、能量或其他明確的性質，至少在沒有人觀看的時候是如此。粒子同時具有許多狀態。
但是我們所見的現實並非如此，物理學家仍然不清楚其中的緣由。在我們的世界中，包括肉眼無法看到的物體，似乎完全不具有量子特性。很大的物體（意指任何比病毒大的物體）永遠坐落在一處，而且僅出現在單一位置；在德夫特科技大學的實驗室裡，只有一位戈洛巴哈對著一位有時差、正在做筆記的記者說話。這件事暗藏謎團：如果所有物體都由具有量子性質的物質以及能量所組成，為什麼我們感受不到奇異的量子特性？量子世界的邊陲止於何處？而所謂牛頓物理學的古典世界又始於何處？尺度夠大時，量子效應就消失，我們所見的現實是否有界線？還是說，量子力學處處適用，只是我們感受不到？
「我們知道微觀世界是量子的，但無論如何，我們是古典的，先不提這到底是什麼意思。」義大利的港大學理論物理學家巴希（Angelo Bassi）說：「對於微觀世界與巨觀世界間物質的真實本質，我們一無所知。」自從一個世紀前量子理論誕生至今，那個無人探查的領域一直困惑著物理學家。但這幾年來，戈洛巴哈和其他科學家開始進行一些極為精巧的桌上型實驗，有一天或許能揭露物體從量子世界到古典世界的驚人轉變。這些研究會解決量子理論的謎團，還是加深謎團，沒人敢斷言。但研究人員在探索這荒蕪而混亂的量子邊陲時，有機會發現全新的物理學。

測量問題
雖然量子力學有各種弔詭，卻仍是迄今最具威力、最精準的理論，理論的預測與實驗相符的程度精準無比，在某些例子的精確度超過百萬兆分之一。這套理論顛覆我們對原子結構的了解，改變了科學的許多面向，從生物學到天文物理學。沒有量子理論，就沒有電子業、沒有手機、沒有Google。但是這套理論有個明顯的缺點，美國普林斯頓高等研究院的理論物理學家艾德勒（Stephen L. Adler）說：「量子力學裡，事情不會發生。」
艾德勒這句難懂的話指的是，量子理論的基礎方程式提到（或沒有提到）的現實本質。依據波函數，方程式給出的是物體在不同狀態下存在的機率。牛頓物理學中的蘋果、行星和其他所有物體總是有明確的性質，但量子物理不同，本質上是隨機的。在某種意義上，透過波函數所描述的粒子，甚至無法視為完整存在；粒子沒有固定的位置、速度或能量，只有機率。但是科學家一做了測量，一切就改變了。僅僅想要觀察粒子，真實而可觸及的性質似乎就會冒出來。量子理論不僅沒有說明測量為何導致這種轉變，也沒有說明在諸多可能性中為何只顯現其中一個、而非其他。量子力學描述測量可能導致什麼結果，而不說到底發生了什麼事。換句話說，這套理論沒有一個機制能夠說明，諸多可能性如何轉變成實際結果。
為了在量子力學裡「讓事情發生」，這套理論的一位傳奇建立者提出近乎形而上的論點。1920年代晚期，海森堡（Werner Heisenberg）發展並提倡一個想法：正是測量本身讓粒子的波函數「塌縮」（collapse），讓許多可能發生的結果瞬間化約成單一觀測結果。這個想法唯一的缺陷在於，量子理論的方程式裡完全沒提到塌縮會發生，也沒有一個物理過程來解釋塌縮。海森堡的「解答」基本上是把新謎團引入物理學：波函數塌縮時到底發生了什麼事？這個量子難題現在稱為「測量問題」（measurement problem）。
過去90年，或許物理學家已經習慣塌縮的概念，但是他們從未真心喜歡它。在關於宇宙如何運作的最基礎理論，人類的行為（測量）扮演著中心角色，任何一位偏好客觀實在性的人都難以接受這個想法。
「就基礎而言，關於物理理論該是怎樣，我有個理想的看法。」1979年諾貝爾物理獎得主、德州大學奧斯丁分校的物理學家溫伯格（Steven Weinberg）說：「物理理論不應該以任何特定方式提到人類。所有其他物體，包括任何能以系統化說明的化學、生物或人類事務，都應該能從物理理論衍生而出。自然律的一開頭不應該涉及人類。然而，如果不採用這種詮釋性公設來指稱人們選擇測量某物時發生了什麼事，我看不出該怎麼描述量子力學。」

最近上映的熱門漫威電影「蟻人與黃蜂女」，劇情十分吸引人，延續第一集的風格，大玩量子領域的哏。不過有些內容並非科幻故事，今日科學家正試圖〈跨越量子分界線〉，把微生物送入量子世界，想知道會看見什麼光景。微觀世界與巨觀世界是否真的有一條界線？量子世界充滿不確定性，而我們所處的巨觀世界卻如此明確，現實的真相到底是什麼？科學家能否解答近百年來的大難題？明日的人類能否進入量子領域？

不只物理學界面對挑戰，神經科學界近來也嘗試解開長達半世紀的謎團：〈神經訊號是機械波？〉，神經元以電流傳遞訊號是基本知識，但原因可能是50年前的儀器可以輕易測量電生理活動，當時有位日本科學家觀察到神經元以機械脈衝傳遞訊號的現象，現在科學家重啟這類實驗，是否會改變我們對神經傳遞的認識？讓孩子「贏在起跑線」是新手爸媽的心願，但〈全能寶寶可培養嗎？〉，許多幼教玩具都號稱可以幫助寶寶提早身心發展，也大多沒有證據支持，對寶寶來說什麼教育方法最好呢？俗話說：「太陽底下沒有新鮮事。」不過我們對太陽其實認識不多，新研究發現太陽有「母親」，而且有兄弟姊妹，科學家進行了一場〈太陽尋親記〉，描繪出太陽鮮為人知的「過去」。地球越來越熱，不僅導致海平面上升，竟然〈暖化把動物變小了？〉，動物在氣溫較高的時期，體型也較小，兩者之間是否有關聯，還是有其他因素？其他更多精采篇章，請見本期《科學人》。

於封面
【關於封面】粒子如何從量子領域「跨界」進入可觀測的現實世界？科學家欲藉由實驗探索這條界線，例如把微生物放在薄膜上並以雷射輕推，使其進入疊加態；從儀器的位移驗證塌縮理論。近百年未解的這道難題，這一次，科學家能否跨越界線？

物理學
48 跨越量子分界線
 文／佛爾吉（Tim Folger）
 量子力學所描述的現象既奇異又隨機，但我們所見的現實卻很明確。新的實驗想要探測量子力學與古典力學的界線。

神經科學
56 神經訊號是機械波？
 文／福克斯（Douglas Fox）
 物理學家重啟50年前的實驗，主張神經元傳遞訊號的方式是機械脈衝，而非電壓脈衝。

教育
64 全能寶寶可培養嗎？
 文／凡斯（Erik Vance）
 許多幼教玩具號稱可以幫助寶寶提早閱讀、學習、算術，甚至走路，但大多沒有科學根據。

生物學
70 狗與貓，誰聰明？
 文／費雪曼（Josh Fischman）
 科學家嘗試測量寵物的認知能力，結果顯示狗兒可能略勝一籌。

天文學
74 太陽尋親記
 文／波以耳（Rebecca Boyle）
 我們最熟悉的恆星― 太陽，生命史十分精采，遠超出科學家所料想。新的研究發現，太陽原來有母親，兄弟姊妹如今已流離四散。

生態學
82 暖化把動物變小了？
 文／札拉斯卡（Marta Zaraska）
 證據顯示氣溫升高可能加速某些動物的新陳代謝，導致體型縮小。隨著地球暖化加劇，科學家憂心這股趨勢將影響全球食物供給，並造成生態系失衡。
 
目錄
第198期
2018年8月號

科學人觀點　
8 悼尼安德塔人：小腦不足，大智慧不來
 文／曾志朗　

總編輯的話　
10 代代相傳　
 文／李家維　

28 讀者論壇　　　

科學人新聞　
30 太空岩石採樣任務
 數感決定觀察力？
 定位海中炸魚
 科學博物館的新力量
 簡單工程讓牆面有「智慧」
 超慢腦波
 生物始祖為何分家？
 有錢時較疼兒子？
 一覽世界科技進展

形上集
42 孔恩的立場　
 文／高涌泉

教科書之外
44 科學之道必有挫折
 文、圖／陳文盛

網上世代　
46 網路廣告跟著我，好恐怖！
 文／葉平

專家看新聞
87 放寬油耗標準，萬萬不可
 文／傑克森（Rob Jackson）

健康與科學
88 致命感染是基因突變了？
 文／華立斯（Claudia Wallis）

資訊世界
89 企業聯名白日夢
 文／波哥（David Pogue）

真真假假
90 科學無解之謎　
 文／薛莫（Michael Shermer）

反重力思考
92 揭穿動物真面目
 文／米爾斯基（Steve Mirsky）

生物手記
94 硃砂根的傳家寶　
 文／胡哲明、楊承瑞

我的Lab生活
96 研究專員的異世界冒險　
 文／劉耘非

科學人書摘
100 一把有設計功能的基因瑞士刀
 文／摘自《基因編輯大革命》

圖表會說話
104 精神疾病共同點　
 文╱菲謝蒂（Mark Fischetti）、圖表╱克爾濟文斯基（Martin Krzywinski）

《科學人》雜誌－全球科普雜誌第一品牌

自2002年創刊以來共11年榮獲出版界最高榮譽雜誌出版金鼎獎！身為全球科普雜誌的第一品牌，《科學人》一直領先報導全球最先進的科學脈動與產業趨勢，除生命演化及天文奧秘的探索外，也包括成就未來經濟創新的各種工具：「NBIC，Nano-Bio-Info-Cogno（奈米科技、生物科技、資訊科技與神經科技）」，及其聚合衍生的「長壽醫學」、「未來能源」、「淨化科技」、「即時通訊」、「人工智慧」及「前進太空」等產業趨勢內容。除了原Scientific American文章精確編譯外，台灣延伸企劃採訪篇章更佔40%以上，藉由淺顯易懂的編輯呈現方式，帶給產業精英、知識家庭、高中及大專院校師生最具未來性的知識力。

《科學人》雜誌即將於2017年2月滿15週年！15年來，在「廣」的方面，《科學人》月月帶給台灣讀者科學新知、科學新聞、重要科學研究；而在「精」的方面，《科學人》推出15週年特別獻禮：「博學誌」系列文集，滿足您在單一領域更深入、更全方位的知識渴望。

「博學誌」系列文集

問，時間為何物？（2016/9/20全新出版） 台灣大學物理系教授 高涌泉 專文導讀

窺探大腦（2016/10/20修訂版）  中央研究院院士 曾志朗 專文導讀

發現天文之美（2016/11/20修訂版） 國立自然科學博物館館長 孫維新 專文導讀

掌握數位生活（2016/12/20全新出版） 台灣大學資工系教授 林守德專文導讀 活靈活現動物行為（2017/1/20全新出版）金鼎獎科普作家 張東君 專文導讀