耍把戲的人和她那彩色的二維影像就代表了這兩種描述世界

耍

把戲的人和她那彩色的二維影像就代表了這兩種描述世界

的方式。

邊界上的定律牽涉到帶有「色」荷的量子粒子，這些粒子

會

交互作用，和基本粒子物理中的夸克與膠子非常類似。三維空間

內

部的定律則是某種弦論，很難用量子力學來描述的重力（耍把戲

的人

感受得到）定律也包括在內。儘管兩組物理定律表面上看起來

南轅北轍

，但其實邊界上和空間內

的物理是等價

用量子力學看世界

投稿類別：物理類8

篇名：

是質還是量─用量子力學看世界

作者：

蕭皓仁。高雄市立瑞祥高中。二年五班

洪璿岳。高雄市立瑞祥高中。二年五班

指導老師：

陳俊志 老師

1

用量子力學看世界

壹●前言

我們生活在我們所認知的三維空間中，所們所認知的東西皆有質量，其物理性質造就了

人類科學史上相當多的發現與理論，尤其在科學革命之後更是不斷向外擴展新知，但是到了

近代物理，人們開始探索組成我的本身的到底是什麼?質量與力其根本到底是什麼?而我們本

身的存在又在物理上具有何種價值?

我們不是只具高中物理認知的學生，而是以兩個對物理探索極有興趣的人對量子力學、

弦論、費曼物理、相對論、希格斯場甚至是全像理論等當代物理中權威性的理論做淺談與結

論，我們相信物理學最重要的是思考的新方向而不是一連串的公式和定理。從新的觀點來看

物理，可能將會發現與我們當今所認知完全不同世界。

正文中的研究與理論大致上分為個部分：

一、量子物理發展簡介

二、原子的組成與基本粒子

三、夸克、電子與超弦論

四、全像理論

五、為何具有質量

貳●正文

一、量子物理發展簡介：

1、量子物理是根據量子化的物理分支,在1900年以理論來建立。由於馬克斯‧普朗克(M.

Planck 1858~1947)解釋所謂的黑體輻射。他的工作基本上合併了量子化用同樣方式，至今它

仍被使用。但馬克斯‧普朗克嚴重地衝擊了古典物理學，需要了另外30年的研究，就是在

量子論未確立之前。直到現在一些

主張仍然不能被充分地瞭解。然而，從實驗中普郎克推算

到

h 及 k的數值。因此他在1900年12月14日的德國物理學學會會議中第一次發表能量量子

化

數值、 亞佛加厥(Avogadro-Loschmidt)數的數值、一個份子模(mole)的數值及電荷單位。這

數

值比以前更準確。這代表量子力學的誕生。

2

、量子力學是描寫微觀物質的一個物理學理論，19世紀末，古典力學和古典電動力學在描

述微

觀系統時的不足越來越明顯。量子力學是在20世紀初由上述馬克斯‧普朗克以及尼爾

斯‧

波耳( Niels Henrik David Bohr 1885~1962)、沃納‧海森堡( Werner Heisenberg 1901~1976)、

埃爾溫

‧薛丁格(Erwin Schrodiger 1887~1961)、沃爾夫岡‧包立(Wolfgang Pauli 1900~1958)、路

易

‧德布羅意(Louis Victor Pierre Raymond 1892~1987)、馬克斯‧玻恩(Max Born 1882~1970)、

恩里

科‧費米(Enrico Fermi 1901~1954)、保羅‧狄拉克(Paul Dirac 1902~1984)等一大批物理學

家共

同創立的。通過量子力學的發展人們對物質的結構以及其交互作用的見解被革命化地改

變

。通過量子力學許多現象才得以真正地被詮釋，新的、無法直覺想像出來的現象被預言，

但是

這些現象可以通過量子力學被精確地計算出來，而且後來也獲得了非常精確的實驗證明。

除通過廣義

相對論描寫的引力外，至今所有其它物理基本交互作用均可以在量子力學的框架

內描寫

，也就是量子場論(註1、註2)。

2

用量子力學看世界

二、原子的組成與基本粒子：

目

前所熟知的各種原子皆是由質子、中子以及電子所組成的，其中原子的質量大部分皆

集

中在質子與中子構成的原子核中，而在100000倍距離外的則是運動中的電子，由這三個

構

造組成了一個完整的原子，但其中僅有電子被稱為基本粒子，原因是為在1960年代末期

及

1970年代中期在SLAC(全名：Stanford Linear Accelerater Center)上所進行的一系列實驗，證

明

了夸克不只是純粹數學體，也是質子與中子實在組成的成分(註3)。由此可知，當代物理

中的

『基本粒子』應該有更深入詮釋。

上夸克 (

u)、下夸克 (d)、奇夸克 (s)、魅夸克 (c)、底夸克 (b)、頂夸克 (t)

根據

標準理論，其他有質量的非基本粒子，都有費米組成，例如中子、質子都是由三種夸克

組成，

自旋為1/2。奇數個核子組成的原子核。因為中子、質子都是費米子，故奇數個核子

組成的原子

核自旋是半整數(註4)。

(來

源：http://zh.wikipedia.org/wiki/File:Quark_structure_proton.svg)

(來

源：http://zh.wikipedia.org/wiki/File:Quark_structure_neutron.svg)

目

前在粒子物理學中，標準模型理論認為的基本粒子可以分為夸克、輕子、規範玻色子

和希格斯粒子四大類。

標準模型理論之外也有理論認為可能存在質量非常大的超粒子。

基本粒子

圖表(來源：http://zh.wikipedia.org/wiki/File:Overview_of_subatomic_particles_german.png)

以

下是基本粒子簡介：

1、

目前的實驗顯示共存在6種夸克（quark）。這6種夸克可分為3「代」。

3

用量子力學看世界

第

一代：u、d

第

二代：s、c

第

三代：b、t

另外值

得指出的是，他們之所以未能被早期的科學家發現，原因是夸克決不會單獨存在

（頂

夸克例外，但是頂夸克太重了而衰變又太快，早期的實驗無法製造）。他們總是成對的

構成介子，或者3個一起構成質子和中子這一類的重子。這種現象稱為夸克禁閉理論。這就

是為什麼早期科學家誤以為介子和重子是基本粒子。

2、輕子共存在6種輕子（lepton)和他們各自的反粒子。其中3種是電子和與它性質相似的μ

子和τ子。而這三種各有一個相伴的中微子。他們也可以分為三代：

第一代：e（電子） νe（電子中微子）

第二代：μ（μ子） νμ（μ子中微子）

第三代：τ（τ子） ντ（τ子中微子）

3、規範玻色子這是一類在粒子之間起媒介作用、傳遞相互作用的粒子。之所以它們稱為

「規範玻色子」，是因為它們與基本粒子的理論楊-米爾斯規範場理論有很密切的關係。

自然界一共存在四種相互作用，因此也可以把規範玻色子分成四類。

引力相互作用：引力子（graviton）

電磁相互作用：光子（photon）

弱相互作用（使原子衰變的相互作用）：W 及 Z 玻色子，共有3種：W + ,W

−,Z0

強相互作用（夸克之間的相互作用）：膠子（gluon）

粒子物理學已經證明電磁相互作用和弱相互作用來源於宇宙早期能量極高時的同一種相互作

用，稱為「弱電相互作用」。有很多粒子物理學家猜想在更早期宇宙更高能量（普朗克尺

度）時很可能這四種相互作用全都是統一的，這種理論稱為「大統一理論」。但是目前因為

加速器能夠

達到的能量相對普朗克尺度仍然非常的低，所以很難驗證。而大統一理論目前主

要的發展方向是超弦理論(下文探

討)。

4、膠子是強相互作用的媒介子，

帶有色與反色並由於色緊閉而從未被探測器觀察到過。不

過，像單個的夸克一樣，它們

產生強子噴注。在高能態環境下電子與正電子的湮沒有時產生

三個

噴註：一個夸克，一個反夸克和一個膠子是最先證明膠子存在的證據

5、希格斯粒子是粒子物理標準模型中

唯一還沒有在加速器上產生出來的粒子。粒子物理學

家們認為希格斯粒子與其他粒子的相互作用使其他粒子具有質量。相互作用越強質量就越大

。希格斯粒子本身質量極大，目前的加速器能量還無法

達到，而理論的計算也比較困難。物

理學家們普

遍希望能夠在2008年將要開始運行的大型強子對撞器上產生出希格斯粒子。

4

用量子力學看世界

標準模型預言存在2種希格斯粒子：H

+ 和H0，但是也有很多科學家提出其他的可能性。

三、電子與超弦論：

最近100年，

絕大多數物理學家都認為，電子是粒子，是一個點。可最近幾年，忽然有

人創造了一種新理論，

說電子不是點粒子，而是一根振動著的小弦。

說

起弦，常常會聯想到吉他、小提琴上的弦，演奏每根弦可以發出不同的聲音，演奏同

一個

音符C，胡琴和小提琴的聲音是不同的，在微觀世界裡，不僅電子是一根振動的小弦，

而且質子和夸克等微

小的粒子也都是由弦構成的。2個或3個夸克之間相互作用，就好像是

用

橡皮筋連接在一起，運動起來就像一根扭動的弦。

這些

說法來自新理論︰超弦。在這個理論中，電子、質子、夸克等等粒子都是由弦構成

的，意思是

說，構成物質的基本單元是「弦」。不存在很多種弦，只有一類弦。一類弦可以

完成不同模式的運動，就像

樂器中一根弦可以奏出不同的聲音那樣，形成了各種不同的物質。

17世紀，

牛頓發現了萬有引力，完滿地解釋了蘋果為什麼落在地上，月球為什麼會繞著地球

轉

。到了20世紀，科學研究的對象不再是看得見的蘋果、月球和地球，而是電子、中子、

質子和

眾多看不見的微小粒子，僅僅依靠萬有引力已經不夠了。於是出現愛因斯坦的相對論

和量子力學。這兩種學

說都被證明是正確的，卻又往往是各說各的，互不相容、說不到一塊。

整個20世紀，有一個

問題最讓物理學家頭痛︰如果把電子看作點粒子，認真計算它的電場

和引力場，就會計算出電場和引力場都存在

著無窮大的能量。顯然，這是不可能的。用量子

力學來計算，又看到電子的圖像有些模

糊，世界上的一切都變得模糊起來。

(上圖)電

腦繪製的一維超弦圖(來源：http://zh.wikipedia.org/wiki/File:Calabi-Yau.png)

(中上圖)弦論圖(

http://sa.ylib.com/read/readshow.asp?FDocNo=560&DocNo=906 )

(

右上圖)真正的弦論地景反0 ??映了所有的參數，因此將形成充斥著大量維度的地形。處在谷地

的

流形，傾向長時間保持該狀態。藍色區域是低於能量零點的地方。

(來源：

http://sa.ylib.com/read/readshow.asp?FDocNo=560&DocNo=907)

儘管頭痛

，物理學家還是找到了一種理論︰超弦。在超弦理論中，電子不再是點粒子，

它是一根

振動著的小弦，這解決了電子能量無窮大問題。實際上，所有的基本粒子都存在著

與電子相類似的

問題，超弦理論能夠乾淨利索地處理所有基本粒子的相互作用和無窮大問題。

許多物理學家都認為，超弦理論，實現了理論大統一，是一種包羅

萬象的理論。新聞媒體發

表

消息說︰物理學迎來了第三次大革命。

超弦理論的

問世，也給我們留下了一些難以想像的問題。生活經驗告訴我們，我們生活

在四維時空之間。時空，也就是時間和空間。

5

用量子力學看世界

計算一間

房屋的空間，只需要知道長、寬、高3個數就夠了。這是一個三維空間，大到

宇宙空間也是三維，時間算一維，就成了四維時空。可是，超弦理論要

求有一個十維時空的

背景

。你能想像得出來，那多出來的六維時空是個什麼樣子嗎？

什麼樣子

？這是目前不知道的問題。在現實生活中，我們只能感受到四維時空的4個自由度

，而

那多出來的6個自由度卷縮起來了。

怎

麼理解「卷縮」﹖有一個很好的例子。有根軟水管放在地上，遠遠看去，水管就像一條彎

彎

的曲線，P點只是一個點，它是一個自由度；走近再仔細看的時候，它卻是繞著管子的一

個

環。因此，我們在生活中看到的點，實際上是另一個空間軸上的小環。多出來的6個自由

度就

那麼自動卷縮了。再說，這些自由度都非常細微，你是看不到、感受不到的。

我們生活在三維空間之中，這是一個大而開

放的空間。超弦理論中那些多出的維數卷成的小

環

有多大呢？或者再問，既然電子是根振動的弦，這根弦又有多大呢？弦沒有任何內部結構

，科學家相信，弦的大

小是1/100,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000厘米。分子是厘米，

分

母是個33位數，我們很難想像這是多麼小，只能做一些比較。原子夠小的了吧，原子核

比原子更

小得多，弦大約是一個原子核的十萬億億分之一。拿原子核與弦相比，大約相當太

陽

系與一個原子相比。這大概是比較形象的描繪了。(註8)

十

維空間圖

(來源：

http://guoxue.zynews.com/HuangDi/UploadFiles_5569/200805/2008052314312812.jpg )

四、全像理論：

全像理論連

繫了兩組物理定律，一組是適用於某空間範圍之內的定律，另一組則適用於邊界

表

面上。

(來源：

http://sa.ylib.com/read/readshow.asp?FDocNo=771 )

圖中，

耍把戲的人和她那彩色的二維影像就代表了這兩種描述世界

的方式。

邊界上的定律牽涉到帶有「色」荷的量子粒子，這些粒子

會交互作用，和基本粒子物理中的夸克與膠子非常類似。三維空間

內部的定

律則是某種弦論，很難用量子力學來描述的重力（耍把戲

的人

感受得到）定律也包括在內。儘管兩組物理定律表面上看起來

南轅北轍

，但其實邊界上和空間內

的物理是等價的(註7)。

但是，這麼一來又

產生了另一個經典的問題了：重力是幻覺嗎?

很不可思議的，物理中

某些新理論卻預測了三維空間的其中一維可

能僅是一種

幻覺而已，而構成我們所知世界的一切粒子與場，其實都只是在一個二維的場域

中運動

罷了，這個二維世界就好似艾波特（A. Abbott）的名著《平地》（Flatland）所描述的

那

樣。在這些理論中，重力也是幻覺的一部份：

6

用量子力學看世界

二維世界中

並沒有這個力，但是當第三維的幻覺出現時，重力也跟著出現。講得更精確一點，

新理論的預

測是空間維度的數目可能會依觀點而異。換句話說，物理學家可以選擇用一組三

維空間中的定

律（包括重力定律）來描述現實世界，也可以選用另一組二維空間中的定律

（不

含重力定律）來描述，這兩種描述方式完全等價。儘管這兩種方式截然不同，兩個理論

都可以描述我們所看到的一切，以及我們所

蒐集關於宇宙如何運行的一切數據。我們根本沒

有

辦法決定哪一個理論才「真正」算是正確的理論。在新理論中，整個宇宙也可能是某種全

像圖。這些深

奧的謎題困擾我們已久，而全像理論提供了可能的解答(註7、註9)。

五、為何具有質量：

以上多種與質量

形成相關的論點下有許多種具有對質量是否存在的疑點仍未清楚解釋，

不過，上文中有一種被

提到的場粒子：希格斯粒子，一種已被認為是當今影響質量的主流將

帶

來新的詮釋。

1、希格斯玻色子（Higgs boson），別稱上

帝粒子（God particle），是粒子物理學標準模型預

言的一種自旋為

零的玻色子，至今尚未在實驗中觀察到。它也是標準模型中最後一種未被發

現的粒子。

2、

英國物理學家希格斯（P.W.Higgs）提出了希格斯機制。在此機制中，希格斯場引起自發

對稱性

破缺，並將質量賦予規範傳播子和費米子。希格斯粒子是希格斯場的場量子化激發，

它通過自相互作用而獲得質量。簡單來

說，就是讓我們所認知具有質量的物質在通過希格斯

場時如同在

液體中而非真空所以要

移

動之必須具有一定的力學能波，

所以

產生了質量。

相對於電子，光子不具有質量。而

其他粒子包

含夸克、渺子及淘粒子

等相對具有質量

(來源：

http://img.photobucket.com/albums/v156/cassiaphoto/_1-52.jpg) (來源：註7)

7

用量子力學看世界

上二圖皆是質量在希格斯場中的原理

3、最早於1995年，大強子對

撞器的計畫就已經展開；到2008年開始運轉為止，它已經花掉

了80

億美元。強子，指的就是「質子」與「中子」。科學家們期望利用這台粒子加速器，

來

尋找希格斯粒子存在的證據。

大強子對

撞器是粒子物理實驗中最野心勃勃的計畫，同時也是目前最大最長的粒子加入裝置。

它

讓次原子粒子（強子）在位於瑞士和法國交界地下27公里長的環形隧道內旋轉飛奔。另

一

台較老的加速器超級質子加入器將負責提供粒子給大強子對撞器。這項計畫有來自將近60

個國家的數

千名科學家參與，其中包括了中研院、台灣大學與中央大學的科學家們。

這

項計畫主要有四項實驗：

(1)AL

ICE是模擬宇宙大霹靂的第一步，它分析鉛核對撞來研究夸克—膠子電漿，這是緊接在

大

霹靂後宇宙的狀態。

(2)LHCb的作用在於關

注當質子互撞之後，產生出來的反物質會跑到哪裡去。這將可以解釋

為什麼現在的宇宙會充

滿了物質，卻不見反物質的蹤跡。

(3)CMS和A

TLAS雖然是兩種不同的實驗，但關注的項目卻是一樣的：那就是粒子對撞後產

生出希格斯粒子的證據。

(4)CMS

跟ATLAS就好比可口可樂跟百事可樂

的對比一樣，它們使用不同的方法來

尋找希

格斯粒子的存在證據。加速器

讓鉛核以

99.9999991

％光速的速度猛烈對撞，在那一瞬

間將會

產生出巨大的能量，並且製造機會給

希格斯粒子誕生。由於希格斯粒子的質量會

是質子的100到200倍，因此越

龐大的機器，

會希格斯粒子的生成

便越有利。

但是，因為理論上的希格斯粒子

十分不穩定，

在誕生之後的10的-25次方

秒內就會衰變為

其他粒子。因此，CMS與A

TLAS的任務，就

是要

找到希格斯粒子在衰變時，留下的螺旋

與

條紋痕跡，以顯示希格斯存在的證據。

(來源：

http://mypaper.pchome.com.tw/merlinma/post/1311010781)

参

●結論

上述許多當代量子力學權威性的理論與實驗其實已經

遠遠超過普羅大眾對於物質的認知

了，很多人

難以用三維度以外的觀點去觀察世界，在理解上述理論之後，其實我們得到了一

個結論，

那就是這個世界時在是有太多奇異變數了，有記憶以來相信大部分對科學略有興趣

的人瞭解都僅

限於第四維就是時空等等簡單的基本道理，而在藉由這個機會真正了解到另外

多出來的

六維空間其存在與價值，以及其更高更深遠的物理意義，我們相信探討最深層最根

本的組成就是通

往無限可能的出路

物理上我們也

粗略得到一些假設性的結論，那就是我們可以用N-1維的觀點去成功描述

N維的世界，也可

記成N-2維的形式訊號，原因是來自我們大腦中神經衝動傳達訊號是以一

維

形式，其來自於在視網膜上形成的二維圖像，而二維圖像又是來自我們所認知的三維世界。

上

8

用量子力學看世界

文中談到重力僅是

幻覺其實我覺得題論者本意注重在用可以被構思的方法來描述無法以目前

人

腦可以理解的世界，畢竟降了一個維度來看世界中還是要還原回來才能夠與我們所知的物

理

沾上?邊。相信許多人都曾經看過地理模型中的立體地形圖，若將其化為N-1維空間圖不就

正

好可以解釋N維中許多N+1維的物理現象了嗎?換句話說，在一個正曲率的斜邊上取不同

座

標的兩點，是為三維空間中兩點，原本以三維中的最短幾何距離是一直線也就是正曲率斜

面

上的一弧線，在四維空間的蟲洞就像是在這山坡中開一山洞由此得知歐幾里得的幾何並非

無法在四維空間中運用，只是要了解

必須到N-1維的觀點，然而我們是怎麼確定空間是曲面

呢

?很簡單，其一是因為宇宙是處在希格斯場的空間中在不平均得能態下才會產生所謂的質

量與能量，其量質與種類和其正、

負區率相關；其二則是在曲率面上的三角形內角和可以不

等於180度，所以造成了質點不統一的

情況(也就是三角形中線焦點O與3分之2中線點P不

是同一點)在質點不一的

狀況下產生不平衡而產生了一切物質能量的爆發(宇宙大爆炸)。

但是其實，三維空間也只能真的與我們認知的不同而真的只是張地

形圖，因為全像理論，從

N維中在

特定的光學條件下可形成N+1維的假象，而且弦論者所主張基本粒子是由一條極細

的弦

震動而成，儼然是二維所造成的三維假象，畢竟人對於世界的認知是來自於在視網膜上

形

成的圖像來決定，一條波動的弦必定有其動能而不可能無中生有，大爆炸中可能就是在零

點力場中一個N

∞所形成第一代初始能波而產程零維擴張、一維弦產生、二維弦震動、三維

場粒子

形成、最終達到當今所認知的世界。

到了這

裡，這些結論都不過是我們依量子力學中粒子相關定律所進行的大膽假設，而以

下是我們最獨立以這些

假設所做出的假設，我們不怕不可能，我們用新的觀點，即使有99%

的

機率是錯誤的我們仍然會做下這個動論，這已經不是一篇報告的的範疇了，我們相信在這

麼多的知

識與學習中我們得到了一些大膽的結論，毫無證據但至少是個新方向，我們決定以

研究一切可能的

心態卻面對沒有人解決的問題因而做出這個假設：

原子

形成：

空間外

零自旋→質點一瞬間的不平衡→質點分離→高低質點產生能差→弦面波動→弦論所組

張基本粒子誕生

→具質量之電子激發出希格斯場誕生→非零自旋→希格斯場引發出所有基本

粒子

→基本粒子因其能態、二維空間曲率、而對應相對應而聚合形成第二階粒子→最後完完

全全

形成原子

當然這一切都是我們自

己的假設，光是要證明這些就連粒子加速器最高能也成就不出如

此

神聖的物理環境，不過，我們是以高中所熟知的重力位能轉化成動能的概念大膽代入量子

力學中，最初的出發點是來自E

=mc平方的公式，我們不計其數學意義，這公式代表能量與

質量

息息相關，先有無形的能量與能態力場，才會有物質的產生，我相信也有許多科學家想

到了這點，只是當代的

技術仍然無法讓這理論獲得證實，不過對於物理，全人類都應該相信

大自然自有其出路，就算證實出了世界的起始與

終點也要在這有限的三維空間中創造出無限

而超越極

限才是量子物理學上最終的目標。

9

用量子力學看世界

肆

●引註資料

註1、『物理學史

講座』。關洪◎著

註2、『維基

百科』─量子力學(http://zh.wikipedia.org/zh-tw/%E9%87%8F%E5%AD%90%E5%8A

%

9B%E5%AD%A6)

註3、『從夸克到宇宙』。

諾貝爾物理學獎得主李德曼、前芝加哥大學物理學教授薛拉姆◎

合

著

註4、『維基

百科』─費米子(http://zh.wikipedia.org/wiki/%E8%B2%BB%E7%B1%B3%E5%AD

%

90)

註5、『維基

百科』─基本粒子(http://zh.wikipedia.org/wiki/%E5%9F%BA%E6%9C%AC

%

E7%B2%92%E5%AD%90)

註6、『基本粒子的物理』。

周東川◎審定

註7、『科學人

雜誌─精彩100』。台灣大學物理系教授高涌泉◎專文導讀

註8、『趣

味科學』。新疆人民出版社2001年11月出版

註9、『

The Official String Theory Web Site』(http://www.superstringtheory.com/index.html)

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