上帝不擲骰子嗎
所有現象逃不出機率
作者：文晏 影像合成：鄭媛中
物理學家愛因斯坦(Albert Einstein, 1879～1955)有句名言 ──「上帝不擲骰子」，已經成為他否定量子力學把隨機性內建於物理世界的標誌。
世紀大辯論
愛因斯坦認為物理學應該能清楚的說明公式背後的真實，有如機械鐘錶環環相扣的運行，並非隨機發生，且事後也無法理論解讀！相對於愛因斯坦的極端保守，丹麥物理學家尼爾斯．波耳（Niels Bohr, 1885～1962）卻成為突破保守的改革者，他推翻古典物理因果論學說，兩人於量子理論的基本想法上展開「波耳 ──愛因斯坦世紀大辯論」（Bohr–Einstein debates），一直延續到他們離開這世界。
這個物理學史上最激烈的論戰到底誰是誰非？埃爾溫．薛丁格（Erwin Schrödinger, 1887～1961）提出的方程式，描述了物理系統隨時間變化的量子型態，成為量子力學的基石之一；「薛丁格的貓」的思想實驗，說明了在未得到證明之前，貓可以維持半死半活的狀態，也就是說在尚未得到明確答案之前，物體可以同時存在兩種狀態，如同輪軸能順時針與逆時針轉般；這個概念尤其在量子世界裡，其隨機性與不確定性已被許多實驗證實。
探究微觀世界時，量子力學是如此令人驚訝的打破了許多我們以為的確定性，時至今日英國著名物理學史蒂芬．霍金（Stephen Hawking, 1942 ～2018）說：上帝不但擲骰子，他還把骰子擲到我們看不見的地方去！親愛的上帝真的擲骰子！儘管如此，連知名的美國物理學家理察 ．費曼（Richard Feynman, 1918～1988）在《物理之美》一書都感慨道：「我想我可以有把握地說，沒有人理解量子力學！」不僅只20世紀最偉大的物理天才們費解，相信至今仍有為數不少的人們對量子力學的概念依然感到困惑。
粒子與波的特性
19世紀末，已知道並證實所有的物質都是由各種原子組成，但是對原子的內部結構還不甚瞭解，電子為什麼能保持穩定的運行？拉塞褔提出了現代我們所熟知的原子模型，但其理論有一個致命點，根據英國物理學家詹姆斯．馬克士威（James Maxwell, 1831～1879）所提的電磁波理論，電子繞著原子核加速度運動過程中，電子會因放射電磁波而釋出能量，最後必然會失去能量而墜落在原子核上；因此，電子不可能穩定地運行？電子環繞原子核所放射出的光，其頻率是不連續的任意值，沒有什麼限制，其所放射出的光譜線完全不能以古典物理解釋，儘管如此，卻提供了一條寶貴的線索，電子到底如何繞著原子核運轉？物理學家不斷為瞭解該穩定性不斷探索與實驗，許多環環相扣的實驗引導實驗的思考與規劃，但是其中的許多物理現象，真把許多物理學家逼至死角，量子力學便於此物理難題中被提出。
量子（單數為quantum，複數為quanta）是什麼意思呢？「quantum」來自拉丁文，意為有多少數量的某物質，當物體相互作用時彼此會交換物理量，將其數量表達為這最小單位物理量的倍數，即為量子化的概念。延伸到量子力學，微觀粒子能顯示出波動性與粒子性的波、粒二象性（wave-particle duality），微觀粒子在不同實驗條件下，有時顯現波動特性，有時又顯出粒子的性質。光也除了波動特性外，還具有粒子的特性，稱為光子（photon），量子係指光的能量可由一個不可分割的「能量小粒子」組成來描述粒子的特性。最新理論甚至將波動所具有的波長與頻率做延伸，這意味著光在空間與時間都具有時空因素的粒子組成，量子力學的創始人德國物理學家馬克斯．普朗克（Max Karl Ernst Ludwig Planck, 1858 ～1947）的名字經常和量子理論中的一個常數「普朗克常數」連在一起，當宇宙小到普朗克尺度時廣義相對論就不適用了。
1905年愛因斯坦運用光量子解釋光電效應，1923年德布羅意（Louis de Broglie, 1892～1987）主張物質與光一樣具有波、粒二象性，提出「物質波」的概念。1926年，薛丁格方程式問世，直到1927年10月世界著名物理學家聚於第 5屆索爾維會議（Solvay Conference）以「電子和光子」為主題討論量子力學理論，於是當時的新物理量子自此分成兩陣營，一邊陣營是哥本哈根學派（Copenhagen School），以波耳、海森堡（Werner Karl Heisenberg, 1901～1976）和馬克斯．玻恩（Max Born, 1882～1970）為首，主張粒子的運動是沒有確切狀態的；另一邊則是古典陣營（以愛因斯坦、薛丁格與德布羅意為首），相信自然界存在一種客觀規律和因果關係，宇宙是由決定論（determinism）與客觀存在支配。愛因斯坦丟出一句話：「上帝會擲骰子嗎？」而展開兩派的世紀之爭。
本文選自《生活潮藝文誌》第十六期，值得對電影、藝文有興趣的年輕人關注，各大網路書店現正販售中。