發現自然之美：諾貝爾物理獎1933
- 發現自然之美：諾貝爾物理獎
- 撰文者：余海峯
- 發文日期：2019-08-20
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1933年的諾貝爾物理獎頒給兩個極端重要的量子物理概念，得主為埃爾溫．薛丁格 (Erwin Schrödinger, 1887-1961) 與保羅．狄拉克 (Paul Dirac, 1902-1984)，二人各得二分一獎金。
［埃爾溫．薛丁格的諾貝爾獎官方照片。］
薛丁格的貓 (Schrödinger’s cat) 可能是史上最著名的一個思想實驗 (Gedankenexperiment)。思想實驗指的是科學家利用符合自然法則，在腦海裡的想像世界中進行實驗，通常是用來凸顯物理定律的某種特徵。薛丁格的貓被放在一個密封的箱子內，外面的人不能觀察箱內發生了什麼事。箱裡除了貓以外，還有一個利用放射性元素衰變觸發的裝置。裝置中放了毒氣，一旦被釋放出來，貓就會被毒死。由於放射性元素的衰變是隨機的，貓的生死也不可能被預測。於是，貓的生存狀態就會是「既生且死」的50-50機率。
薛丁格的貓思想實驗，旨在凸顯量子力學的奇妙特性「量子態疊加」。在微觀的量子領域中，粒子不再擁有確切的位置和速度，這些宏觀的物理量被機率所描述。舉例來說，粒子的位置會遵守某個機率函數，在觀察該粒子之前，我們只能計算出該粒子「處於位置的機率」。而該粒子處於什麼位置，只會在觀察時才能確定。這與宏觀世界截然不同，即使我們不知情物件現在位於哪裡，我們總可以由物件的初始位置和速度計算出該物件在任何時刻的位置。
量子力學裡這種「物理量的不同的值有同的機率，只有在觀察以後才會確定」的效應，是量子力學引人入勝之處。未被觀察時，量子態不會是確定的，稱為量子態疊加。由於我們不能觀察密封在箱裡的薛丁格的貓，牠的量子態「生／死」兩種狀態就會處於疊加狀態。當然，這只是個思想實驗，貓是宏觀的動物，構成貓的大量粒子的量子力學效應互相平均掉了，亦從來沒有貓被這樣虐待過。
薛丁格獲得諾貝爾物理獎的原因是他發現了能夠描述量子態的機率函數如何隨時間和空間演化的方程，現在我們稱之為薛丁格方程 (Schrödinger equation)。雖然我們不能得知微觀世界裡的物理量的確切數值，透過薛丁格方程，我們能夠肯定地計算出「物理量等於X時的機率數值」。技術上來說，薛丁格方程描述的是物理量的機率波函數 (probability wave function) 的演化。取機率波函數的平方，就得到機率分佈，代表「物理量等於X時的機率數值」。
［保羅．狄拉克的諾貝爾獎官方照片。］
狄拉克則更進一步，把電子的薛丁格方程與狹義相對論結合。1928年，他在解這道相對論性薛丁格方程中，發現答案共有兩個解：正能量和負能量的解。問題來了：物理學有一道「神聖」規則，高能量的東西會傾向失去能量。電子擁有能量，因此它們都位於那些正能量的量子態之中。然而，我們從未觀察到電子從正能量量子態躍遷至負能量量子態 (過程中會釋放能量，即光)，代表負能量的量子態已經被佔據了。
換句話說，宇宙中應該存在一種帶有負能量的粒子，其物理性質與電子一樣。狄拉克在後續論文中表示，這種帶有負能量的粒子，可以被想像成帶有正電荷的電子。他認為，這種帶正電的粒子可能就是質子。然而，其他物理學家並不認同狄拉克的觀點，因為如果它確實是電子的話，原子根本不可能存在，因為裡面的電子就會很快碰進原子核之中 (質子為構成原子核的粒子之一)。
狄拉克於1931年再發表一篇論文，認為這是一種新的、未被發現的粒子，他稱之為「反電子 (anti-electron)」。他更發現，理論上當電子和反電子碰撞，兩者的質量就就會100%轉變為純能量，即光子。這過程就叫湮滅 (annihilation)。後來，物理學家發現，不單電子，所有粒子都有電荷相反的對應粒子，稱為反粒子 (anti-particle)。
電子的反粒子——正子 (positron)——於1929年首次被觀察到，並於1932年確認存在。關於這段故事，我們將於1936年諾貝爾物理獎文章中再續。