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費曼的奇思妙想:量子迷宮中的電子

107/04/09 瀏覽次數 2398
不管年紀多大,費曼總像個小孩般好奇,因此碰到科學上的難題時,經常蹦出獨特的點子。當大家開始以為瞭解量子力學時,費曼試著用自己的邏輯,解釋電子到底如何穿過雙狹縫:是穿過第一個狹縫嗎?還是另一個呢?說不定閒來沒事,在兩個狹縫繞來繞去嗎?看來電子在量子迷宮裏鑽不出來了。沿著量子迷宮的思緒推衍,電子還能逆著時間跑呢!費曼的腦子裏,總有讓人嘖嘖稱奇的點子。
 

講演綱要(整理撰文|高英哲)

 
跳脫框架的思考,科學頑童費曼
 

以別出機杼著稱的費曼,對於他為什麼經常會嘗試跳脫框架思考,曾經有過一段很精彩的說明。「對於同一個理論,只要是優秀的理論物理學家,都知道六、七種不同的表述方式。從科學的角度來說,這些表述方式都是等價的,但是從心裡的角度來看,它們就有兩點不同。其一是出於哲學上的考量,你可能特別偏愛某一種說法;更重要的是,當你在猜想新定律的時候,這些表述方式帶來的啟發,也會大不相同。」

 

以原子模型為例,湯姆笙的葡萄乾模型雖然簡陋,卻是一個很容易讓人理解的說法;相對來說,拉塞福跟波耳提出的行星模型,雖然比較精緻,卻無法解釋電子在發射出電磁輻射,損失能量之後,最終會塌陷到原子核裡,無法維持原子的矛盾。這個矛盾一直到海森堡跟薛丁格等人,提出量子力學的概念之後,才獲得解決,但這又引發了新的矛盾:電子在微觀尺度下的性質,有時像粒子,有時又像波,它到底是波還是粒子呢?當時的主流看法認為是波,薛丁格方程式就用波函數來描述電子,只要你接受電子是波的前提,這個方程式幾乎可以完美地解釋一切。

 

但是費曼並不接受這些在關鍵之處打迷糊仗的解釋。「對於我想要解決的問題,既然他們都沒能給出一個令人滿意的答案,我就不必去管他們說了什麼。」他提出「最小行動原理」,指出粒子行進的每條路徑,對應的作用量不同,正確的路徑是對應作用量最小的路徑,並且藉此導出薛丁格方程式。他也不把自己困在「電子到底是波還是粒子」的二分法窠臼裡,他把每條路徑積分全部加總起來,結果恰足以解釋電子在微觀尺度下,既像粒子又像波的波粒二象性。

 

當其他物理學家一本正經,在爭論雙狹縫實驗裡的電子,什麼情況會走第一個,什麼情況會改走第二個時,費曼已經在想像電子在這個「量子迷宮」裡繞來繞去,鑽不出來的調皮情境。這個跳脫框架的思考模式,甚至讓他想出了「時光旅行」的可能性。量子力學對於電子運動的解釋,是認為電子放出光子後,會改變運動方向;費曼順著這個思路做延伸,提出電子若是「轉彎過頭」,逆著時間運動,就會變成正子,正好可以解釋電子與正子對生對滅的現象。這樣的思路乍看匪夷所思,但就如同他「科學頑童」的稱號,也許你我所需要的,也就只是多一點點的玩心而已。

 
資料來源
  • 原標題:費曼的奇想:量子迷宮裡的電子
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