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
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/k.
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