電影中的穿牆術與量子穿隧

文/簡麗賢 |2021.12.29
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量子是什麼?量子穿隧又是怎麼回事?圖/樹下繪本
「穿隧效應」是指粒子可穿過比本身總能量高的能量障礙。圖/樹下繪本

文/簡麗賢

量子是什麼?量子穿隧又是怎麼回事?

臉書創辦人祖克柏(Mark Zuckerberg)曾經在臉書貼過一張,他與太太念《寶寶的量子力學》幼兒書給嬰兒聽的照片。難道量子時代已來臨,童話故事也要變化?

愛因斯坦的名言:「想像力比知識還重要。」什麼是量子?回答問題之前,先聊聊充滿想像力的科幻電影。

近年來,「量子」成為網路流行語,量子科幻電影也不遑多讓,其中情節以「量子領域」為故事元素,如《蟻人與黃蜂女》;電影中有關量子的想像,未來或許能實現,讓人穿梭於過去與未來之間。

奈米重組 難以實現



量子科幻電影是以量子科學為基底的想像情景電影。科幻片吸引人的主因不在科學本身,而是滿足觀眾的幻想。量子科幻電影採用的科學理論,並不完全依循嚴謹科學的事實,常以未來世界作為故事的敘述情境;想像在未來世界中發生,啟發觀眾想像力,期盼在現實生活中兌現。

《蟻人與黃蜂女》的科幻情節是穿牆術與量子穿隧。劇情中,主角「鬼女」愛娃在一場意外後,身體出現量子的變化狀態,竟然可以穿過各種物體。編劇以身體已成量子狀態,來合理化愛娃可以穿隧任何物體,這是科幻想像力。

依據量子物理「波粒二象性」*,這不可能發生,因為無法在巨觀中觀測到人類身體尺寸的「物質波」;除非想像把人的身體細分成無數個微小奈米級原子,然後再使這些原子同時「量子穿隧」;當無數個微小原子穿牆而過,再重新把這些原子組合成人的身體,人體或許可穿牆。然而,這樣的思惟已超越現在科學知識的理解。

質量愈大 愈難穿隧



量子是什麼?量子不像棒球、乒乓球或電子、質子的粒子,它用來描述電子或光子的能量特性。一個物理量如果存在最小且不可分割的基本單位,即稱為量子。

電子等微觀物質有時會穿透原本理應無法穿透的障礙物,把障礙物想像成一道牆壁,電子應該像棒球一樣被牆壁反彈;可是在微觀世界,電子具有波的特性。此電子波可穿越牆壁障礙物,以電子波的形式通過牆壁,這是量子穿隧效應,也是量子論神奇的性質。

量子穿隧效應其實是能量的不確定性,不是只有電子才有這種鬼魅幽靈的穿隧能力,只不過質量愈大的物體,愈不容易發生穿隧效應,所以雖然人類的身體或一顆籃球穿透牆壁的機率不是零,但與零相去不遠矣。至於質量極小的基本粒子,穿透牆壁的量子穿隧效應便大得驚人。

量子力學之父普朗克(Max Planck)利用能量不連續的概念,解決古典物理無法解釋的疑義,開啟近代物理學的大門;1905年愛因斯坦將普朗克的概念加以延伸,提出「光量子」的概念。之後在微觀尺度上,科學家發現愈來愈多的物理量有量子化的現象,並引領量子力學誕生。

*編註:聰明過人的愛因斯坦認為「光帶有粒子性,也有波動性」,只是這兩種特性很調皮,它們不會同時出現,有時候顯現「粒子」特性,有時候

顯現「波動」特性。

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