【科幻科學報 No.583】活生生的量子世界─科幻科學報─智邦公益電子報
enews.url.com.tw · August 01,2017科學小視窗 ■ 日研究發現太平洋含大量稀土
▌文／科科報編輯小組
根據外電報導，日本科學家最新研究發現，太平洋海底蘊藏著大量稀土礦物，含量是陸地的1000倍。
稀土元素包括釹、鉅、釔等17種，能用來製造高科技產品，如電動車、平面電視、iPod、飛彈、風力渦輪等，中國的稀土產量佔全球97%。
這項東京大學及日本海洋研究開發機構團隊進行的研究刊登在《自然地球科學》期刊上，他們發現的稀土蘊藏量約1000億公噸，存在於海床下3500至6000公尺，但如何取出和是否符合成本效益，還需要進一步評估。
最ＩＮ話題 ■ 活生生的量子世界
▌文／費德拉（Vlatko Vedral）
▌譯／張明哲
▌提供／科學人
根據標準的物理教科書，量子力學是微觀世界的理論，用來描述粒子、原子和分子；而描述巨觀尺度的梨子、人和植物時，就得改用一般的古典物理。分子與梨子間有個邊界，在那兒量子力學的奇特行為消失，出現我們熟悉的古典物理行為。量子力學只適用於微小世界的這種印象，普遍存在於人們的科學知識裡。例如，在暢銷名著《優雅的宇宙》的第一頁，美國哥倫比亞大學的物理學家格林恩（Brian Greene）提到，量子力學「提供一個理論架構，讓我們理解最小尺度下的宇宙。」古典物理（涵蓋量子以外的所有理論，包括愛因斯坦的相對論）則負責最大尺度的世界。
然而，對世界做這種方便的切割，其實是種迷思。很少現代物理學家會認為古典物理和量子力學具有同等的地位，古典物理應該僅是具有量子本質的世界（不論大小）的一種有用的近似。雖然在巨觀世界可能比較難看到量子效應，但原因基本上跟大小無關，而是跟量子系統彼此作用的方式有關。一直到10幾年前，實驗學者仍未證實量子行為可以出現在大尺度系統，如今這已是家常便飯。這些效應比任何人所想的都還要普遍，甚至可能出現在我們身體的細胞裡。
即使是我們這些靠研究這類效應吃飯的人，也還沒完全理解它所教給我們的、關於自然運作的方式。量子行為難以視覺化，也不容易以常識理解。它迫使我們重新思考觀看這宇宙的方式，並接受一個新穎又陌生的世界圖像。
纏結難解的故事
對量子物理學家而言，古典物理是全彩世界的一個黑白影像，無法完整呈現這個豐富的世界。在舊教科書的觀點裡，當尺度一變大，色調就不再豐富。個別粒子具量子性質，一堆粒子則變為古典。然而，關於尺寸並非決定性因素的第一個線索，可以追溯到物理學最有名的思想實驗之一：薛丁格的貓。
1935年，薛丁格想出這個病態的情節來說明微觀與巨觀世界是連在一起的，我們無法畫出界線。量子力學說，放射性原子可以同時處於衰變及未衰變的狀態；若將原子與一瓶可以殺死貓的毒藥連上關係，使得原子衰變會導致貓死亡，則貓會如同原子般處於模稜兩可的量子態。怪異性質由一個感染到另一個，大小在此不重要，問題是為何貓的主人都只會看到他們的寵物非死即活？
以現代的觀點，世界看起來像古典的，是因為物體與環境間複雜的交互作用將量子效應掩藏了起來。例如，貓的生死資訊透過光子和熱交換，迅速滲漏到環境裡。量子現象會牽涉到不同古典狀態的組合（例如同時死與活），而這種組合很快會散逸掉。這種資訊的滲漏是「去同調」過程的基礎。
大的東西比小的容易去同調，這就是為什麼物理學家通常可以只把量子力學當成微觀世界的理論。但在許多例子裡，這種資訊滲漏可被減緩或停止，如此一來，量子世界就會全然顯露。纏結（entanglement）是典型的量子現象，這是薛丁格1935年在那篇將他的貓介紹給全世界的論文裡發明的名詞。纏結將幾個獨立粒子綁為不可分割的整體。一個古典系統總是可以分割的，至少原則上是如此；由個別組件集合而得的性質，在個別組件裡也會有。但是纏結的系統無法如此分割，並且會導致奇怪的結果：纏結的粒子即使互相遠離，仍會表現為單一整體，這就是愛因斯坦所稱、著名的「幽靈般的超距作用」。
物理學家通常講的是電子等基本粒子的纏結。這些粒子可粗略想像為旋轉的小陀螺，以順時針或反時針方向旋轉，轉軸指向任意給定的方向：水平、垂直、45度角等。測量其自旋時，必須選定一個方向，觀測粒子是否順著那個方向轉動。
為了方便說明，假設粒子表現的是古典行為。你可以將一個粒子沿水平軸順時針方向旋轉，另一個沿水平軸反時針方向旋轉；如此一來，兩者的總自旋為零。它們的轉動軸在空間中是固定的，測量結果會取決於你選的方向是否沿著粒子的轉動軸。如果對兩者都做水平軸的測量，則會看到兩個粒子轉動方向相反；如果都做垂直軸的測量，則完全不會偵測到這兩個粒子的轉動。
然而，如果是具有量子性質的電子，則情況會驚人的不同。你可以讓粒子的總自旋為零——即使你沒有給定個別粒子的轉動方向。測量其中一個粒子時，你會看到它隨機以順時針或反時針方向轉動，就好像粒子是自己決定要朝哪個方向轉。而且，不管你選擇測量哪個方向，只要對這兩個粒子測量同一方向，則測得的轉動方向永遠相反，一個順時針，一個反時針。它們怎麼知道要這樣做？這仍然是個極其神秘的性質。不僅如此，如果你對一個粒子做水平軸測量，對另一個做垂直軸測量，則個別仍可量到部份自旋；這就好像粒子沒有固定的轉動軸。因此，測量結果是古典物理無法解釋的。
是誰在幫助原子排列？
大部份的纏結實驗都只用到幾個粒子，因為一大群粒子不容易隔絕環境的影響，其中的粒子很容易跟無關的粒子纏結，破壞原始的內在連結。以去同調的說法，就是有太多資訊滲漏到環境裡，造成系統有古典的行為。對我們這些尋找纏結的實際用途（例如量子電腦）的研究人員來說，保持纏結是一項重要的挑戰。
2003年，有一個巧妙的實驗證實，如能減少滲漏或加以抵消，則大的系統也可以保持纏結。英國倫敦大學學院的伊普利（Gabriel Aeppli）等人將一塊氟化鋰鹽放在外加的磁場裡。鹽裡的原子就像旋轉的小磁棒，會盡量與外加磁場同向，這種反應表現為磁化率。原子間的作用力就像同儕壓力般，會讓它們更快排列整齊。研究人員改變磁場強度，然後測量原子排得多快。他們發現，原子的反應速度比彼此作用力的強度所能提供的還快。顯然有額外的效應幫助原子排列整齊，而研究人員認為這是纏結造成的。若真如此，則鹽塊裡1020個原子形成了巨大的纏結態。
為了避免熱能所造成的無序運動，伊普利的團隊是在極低的溫度下做實驗——僅千分之幾K。不過，在那之後，巴西物理研究中心的狄紹薩（Alexandre Martins de Souza）等人以室溫或更高的溫度，在銅羧酸鹽之類的材料裡發現了巨觀纏結，自旋粒子間的交互作用強到可以抗拒熱能所造成的無序。在其他例子裡，則必須用外力抵擋熱效應。物理學家在越來越大、越來越高溫的系統裡看到纏結：從以電磁場捕獲的離子到晶格裡的超冷原子，再到超導量子位元（見下方〈纏結升溫中〉）。
這些系統就像薛丁格的貓。考慮一個原子或離子，其電子可能靠近或遠離原子核——或是既靠近又遠離。這種電子就像薛丁格的思想實驗裡可能衰變、也可能沒衰變的原子。不管電子在哪兒，這整個原子是可以向左或向右移動的，運動方向是左或右就像貓是死的或活的。物理學家以雷射操控原子，可以將這兩種性質連上關係。如果電子靠近原子核，就讓原子向左移動；如果電子遠離原子核，就讓原子向右移動。如此一來，電子的狀態就跟原子的移動纏結起來，如同原子衰變跟貓的狀態纏結起來一樣。同時既向左又向右移動的原子，可以模擬既死又活的貓。
許多其他的實驗也擴展這種基本概念，使大量的原子也可以纏結，進入古典物理不可能說明的狀態。如果體積大且高溫的固體可以纏結，則只要稍用想像力就可以問：又大又暖和的特殊系統——生命，也是如此嗎？
薛丁格的鳥
歐洲知更鳥很機靈。每年牠們會從斯堪地那維亞遷徙到非洲赤道的溫暖平原，春天再返回已較溫暖的北方。這趟旅程來回約1萬3000公里，知更鳥卻能輕鬆地找到方向。
長久以來，人們一直想知道鳥類等動物是否有內建的羅盤。1970年代，德國法蘭克福大學的夫妻檔團隊：威爾希寇夫婦（Wolfgang and Roswitha Wiltschko）把要遷徙到非洲的知更鳥抓來，放在人為磁場裡。他們發現，很奇怪的，磁場反轉並不會影響知更鳥，這顯示牠們無法分辨南北。不過，這些鳥兒對地球磁場的磁傾角，也就是磁力線與地面的夾角有反應，牠們能據此找到方向。有趣的是，眼睛被遮住的知更鳥完全不會對磁場有反應，這顯示牠們多少會以眼睛來感受磁場。
2000年，熱愛研究鳥類遷徙的美國物理學家里茲（Thorsten Ritz，那時在南弗羅里達大學）等人提出，纏結可能是個關鍵。他們承接早先伊利諾大學舒爾頓（Klaus Schulten）的工作，認為鳥的眼睛裡有一種分子，其中兩個電子形成總角動量為零的纏結對，這種情形無法以古典物理模擬。分子吸收可見光後，電子因得到足夠的能量而脫離，變得容易受外界（包括地球磁場）影響。如果磁場有傾角，就會對這兩個電子造成不同的影響，這種不平衡會影響分子經歷的化學反應。眼睛裡的化學過程將此差異轉化為神經脈衝，最後在鳥兒的腦子裡形成磁場的圖像。
雖然里茲的機制只有間接證據，英國牛津大學的羅傑斯（Christopher T. Rogers）與前田公憲曾在實驗室（而非在活的動物）裡研究過類似里茲所描述的分子，發現這些分子的確會因為電子纏結而變得對磁場敏感。根據我們的計算，量子效應在鳥的眼睛裡可以持續100微秒，時間算是很長；人為製作電子自旋系統的紀錄是50微秒。我們還不知道自然的系統為何能將量子效應保持這麼久，不過答案可以讓我們知道如何避免量子電腦受到去同調的影響。
纏結在生物過程裡可能有作用的另外一個例子是光合作用。入射光將植物細胞裡的電子踢出，這些電子都要移動到同一個地方：可以儲存能量的化學反應中心，啟動反應以補給能量給植物細胞。古典物理無法解釋為何它們能以近乎完美的效率完成這件事。
許多小組的實驗，例如美國加州大學柏克萊分校的弗萊明（Graham R. Fleming）、沙若瓦（Mohan Sarovar）的團隊，以及加拿大多倫多大學的修里斯（Gregory D. Scholes），都顯示可以用量子力學解釋這種過程的高效率。在量子世界裡，一個粒子一次不只走一條路徑，它會同時走所有路徑。植物細胞裡的電磁場會讓其中一些路徑互相抵消，或讓其他路徑互相增強，使電子少走一些冤枉路，增加它直接走到反應中心的機率。
這種纏結只能持續幾分之一秒，牽涉的分子所具有的原子數不到10萬個。自然界裡，有沒有更大、更持久的纏結例子呢？我們不知道，不過這個問題足以激發出一門新學問：量子生物學。
巨觀量子世界
對薛丁格而言，貓可以同時死與活是件很無稽的事，任何做出這種預測的理論一定有問題。數十年來物理學家也有類似的不安，認為量子力學在較大的尺度終將失效。1980年代，牛津大學的彭若斯（Roger Penrose）認為，對超過20毫克的物體，重力可能會迫使量子力學讓位給古典物理。三位義大利物理學家：的港大學的吉拉地（GianCarlo Ghirardi）、韋柏（Tomaso Weber）以及巴維亞大學的里米尼（Alberto Rimini）則認為，大量的粒子會自發表現出古典的行為。但是，現在的實驗壓縮了這些過程的操作空間。量子與古典世界似乎不是本質上就有所區隔，它只是實驗精巧與否的問題，現在也不太有物理學家認為古典物理能在某個尺度下捲土重來。真要說的話，一般的信念是，如果有個更深入的理論能取代量子物理，它只會讓這個世界更違反直覺。
所以，量子力學適用於所有尺度這個事實，迫使我們面對這理論最深層的奧秘。我們不再認為它只在最小的尺度有用、過於細節，而把它棄置一旁。例如，時間與空間是最基本的兩個古典概念，但是根據量子力學，它們成了次要的概念。纏結才是首要的概念，不必借助時間與空間，就能將量子系統連結起來。如果量子與古典的世界有條界線，我們可以用古典世界的時間與空間做為框架，來描述量子過程。但是，一旦沒有了這條界線、沒有了真實的古典世界，我們就失去了這個框架。我們得從沒有空間與時間的物理基礎上，解釋空間與時間是怎麼冒出來的。
這種見解或許可以反過來幫助我們調和量子物理與另一根物理的大支柱：愛因斯坦的廣義相對論，它以時空的幾何來描述重力。廣義相對論假設物體有明確的位置，而且不會同時佔據多個位置——這和量子力學直接衝突。英國劍橋大學的霍金（Stephen Hawking）等物理學家都認為相對論會被一個更深入、不存在時空的理論取代。而透過去同調的過程，量子纏結展現出古典的時空。
一個更有趣的可能性是，重力其實不單是重力，而是源自宇宙裡別種作用力的模糊量子性質，由殘留的雜訊中衍生出來。這種「感應重力」的觀念源自於1960年代蘇聯的異議人士、核子物理學家沙卡洛夫（Andrei Sakharov）。若果真如此，則它不僅會將重力由基本作用力的地位拉下來，也表示想將重力量子化的努力是白費功夫，因為重力在量子層次可能根本就不存在。
巨觀物體（如你我）處於模稜兩可的量子態，這件事的涵義讓人想破頭，也讓我們這些物理學家一直處於困惑與驚奇的纏結狀態之中。
（本文由科學人提供，原載科學人2011年第112期6月號）
