寫在「量子足跡何處尋」專欄之前

不知從什麼時候，「量子」取代了磁場。奈米，成了時興的名詞，一堆有的沒的，全加上這個看起來陌生，但是有帶點神祕感的字眼，什麼量子水，量子皮鞋，量子速讀，量子管理，全都出籠了。這當然是因為「量子」聽起來夠酷夠炫，但是也是因為「量子」聽起來夠玄夠難懂，才能拿來唬人。的確，就算對物理系的學生而言，「量子物理」橫跨在大三那一年，擔任魔王擔當，多少英雄好漢在它面前折腰，由此可見它的難度。對於一般大眾，自然更是令人一頭霧水，成了詐騙師的起手式了。

「量子物理」的難度來自何方？追根究柢就是乍看之下，它似乎與我們的日常生活經驗完全脫鉤，所以一般要學習量子物理，得要花個兩三年，熟悉古典物理的「綿綿角角」，然後再一路從黑體輻射，原子光譜這些古典物理難以解釋的現象著手，學習隱藏在背後的奇怪理論，這就是「量子物理」讓眾多學生感到苦手的原因。我們的另一個專欄：「量子英雄傳說」就是著眼這個主題，希望將這段曲折離奇的過程，用推理小說的方式，表現出來。但是對於許多人來說，知識就是要摸得著，至少要看得到的，還要推理才能得到的知識實在太沉重了! 不要緊，我們這個專欄就是為了這些讀者而設立的！

常常有人說，量子物理是微觀世界的物理，到了日常生活世界，這些量子效應就看不到了。所以量子理論往往與光扯上邊，因為可見光的波長只有數百個奈米長，也就是約百萬分之一米，而我們日常生活相關的尺度，從幾百分之一公尺到幾百公尺之間，所以完全感受不到量子的效應。這樣講，當然也沒錯，然而為何到了巨觀尺度時，量子效應為何會隱沒不彰?這其實可真是個大哉問。要回答這個問題，最好的方法，是反問，有沒有哪些地方，可以看到巨觀世界的量子效應? 這個專欄就是從這個觀點下手，要讓各位對量子物理，有著比從一般課堂得到，更寬廣更親切的認識。所以這個專欄的名字就取作「量子足跡何處尋」。

最常見的巨觀量子效應，首推「超導體」了。「超導體」是金屬或其他一些特殊材料在非常低溫的時候，突然電阻降為零的神奇狀態。大家熟知的磁浮列車，就是利用超導體的特性才能建造車來，夠巨觀了吧？但是「超導體」不折不扣就是量子效應。「超導體」需要在低溫的條件，這是因為在較高溫度的時候，材料內部組成粒子的無序熱騷動把量子效應沖刷殆盡。沒錯，無所不在的熱騷動正是我們在平常看不到量子效應的主要原因之一。由此可以推知，在低溫的條件下，一定還有許多巨觀的量子現象，像是超導體，超流體，量子霍爾效應，乃至波色-愛因斯坦凝結態，這些自然都是我們的主題。我們會逐一將它們推上檯面，讓大家認識可以親眼看到的量子現象。

那麼，是不是除了低溫的環境下，就看不到量子效應呢？答案當然是不！事實上，正好相反，在熾熱恆星的內部也有量子效應的足跡喔！在歷史上最有名的例子莫過於恆星內部的核融合了。所謂的核融合，一般是指兩個小的原子核，透過彼此的作用力，形成了較大的原子核，過程中釋放出能量。我們地球上的動植物，都是靠著太陽內部的核融合所釋放的能量來存活。但是單純的理論推算，卻難以理解帶正電的原子核，如何克服彼此的庫倫斥力來展開核融合。關鍵就在於發生在兩個原子核之間的一個神奇效應：穿隧效應。這個效應大幅提高原子核發生反應的機會，所以就算在極高溫的恆星內部，量子效應依然扮演著吃重的腳色呢。那麼為什麼在這種高溫環境下還能讓量子效應發揮功用呢？那是因為恆星內不僅是高溫，還是高壓的環境，原子核可以靠得非常接近所致。雖然穿隧效應發生在微觀的尺度，但是它的效果，可是熱騰騰地照在我們臉上呢！

除了恆星內部核融合過程中的穿隧效應外，還有沒有什麼天文現象與量子物理有關呢？ 當然有囉。其實天文學中的緻密星體，像是白矮星與中子星，都是仰賴量子效應才能存在的！什麼是白矮星？什麼是中子星? 讓我先簡單介紹一下：

恆星演化到了末期，核心溫度無法達到合成更重原子核的高溫時，照說重力塌陷應該讓整個星體崩潰，但是由於恆星內的電子密度達到臨界值，產生的所謂簡併壓頂住了重力，這樣的星體雖然外表溫度很高，但是由於半徑很小，所以整顆星的亮度很低。這樣的星體被稱為白矮星。咱們的太陽，未來就是會變成白矮星(淚)。而關鍵的簡併壓，就是貨真價實的量子效應呀! 白矮星當然是巨觀尺度的對象。

白矮星是靠電子的簡併壓而撐住的，但是當恆星質量超過所謂的錢德塞卡上限時，電子簡併壓也hold不住了，這個時候星體還是會崩潰。這種情況被稱為是第二類超新星。超新星爆炸後，有時會留下一個非常小的殘骸，它是靠著中子的簡併壓而存在的。中子星半徑約為 10-100 km，質量約 1.4 太陽質量，密度非常地高。有些中子星會自轉。因而發出規律的無線電波，它們被稱為脈衝星。當然，它們也是巨觀的量子現象，所以我們除了低溫的環境可以看到巨觀的量子現象，高溫高壓高密度的環境，也可以發現量子的足跡，就在星空裡。

除了星體之外，還有一個神奇的量子現象，就在我們的耳邊嗡嗡叫，只是我們從沒發覺，那就是赫赫有名的宇宙微波背景輻射，簡稱CMB。它可以算是宇宙中最古老的光。我們如果用傳統的光學望遠鏡觀察恆星和星系之間的空間（背景）只是一片漆黑。但如果用的是靈敏的輻射望遠鏡就可以發現微弱的背景電磁波，且在各個方向上幾乎一模一樣，與任何恆星，星系或其他對象都毫無關係。它在微波區域最強，而且與特徵和絕對溫標2.725K的黑體輻射相同，黑體輻射是個百分百的量子效應，所以CMB可以看成是早期宇宙的量子效應，自從1964年兩位微波天文學家偶然發現之後，科學家已經用盡辦法去量測它，它是這幾十年宇宙論成為顯學的主因。這個量子效應可是宇宙級的，夠厲害吧。

除了這些天然的巨觀量子現象之外，有些雖然是微觀的量子效應，但也悄悄地出現在我們的日常生活中，只是我們渾然不知那些是量子效應。最令人吃驚的莫過於磁鐵! 因為依照古典的電磁理論，磁鐵根本不會存在呀!這個量子現象就在日常生活中，但是我們通常都沒感覺，因為你壓根沒想到，量子就在你身邊嘛。此外，像是現在非常普遍的雷射，它的原理可是愛因斯坦在1917年首先提出原子的受激輻射與自發輻射的概念發展而成的。而電腦，手機仰賴的晶片，說到底也是量子物理的產物。這陣子非常流行的石墨烯，它的各種特性也是因為量子效應而來的。這些也是我們專欄未來的主題。這些量子相關的科技其實發展行之有年，技術的細節自然非外行人所能了解，但是追根究底，它們所依據的，都是被大家視為玄妙難以理解的量子物理。你看，四處都有量子，端看有沒有人告訴你而已。

我們希望這個專欄，能夠讓一般的讀者，特別是中學生們，不只是對量子這兩個字，少幾分畏懼，多幾分親切感，也期待我們煞費苦心的介紹，能讓更多人願意來學習物理，成為未來產界學界的新血。因為量子科技一日千里，商機無限，但是需要有好人才進來，才能深耕台灣，您說，是不是呢？

圖片來源：123rf

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