量子論縱覽：從量子論的基本概念到量子電腦－－人人伽利略12

推薦序

最近新冠肺炎肆虐，額溫槍是個常見的儀器，它量測及顯示體溫又快又準確，又不必接觸被測者，不會沾染病毒和細菌。在防疫工作上，健保卡是很有用的證件，透過讀卡機和網路可以得知個人的許多資料，包括何時買過口罩等等。手機可以讓監督機關了解：居家隔離與檢疫的民眾是否有逾越規範的行為。

另一方面，許多地方門口感測出入人員及車輛的裝置，能傳送開、關大門的訊息給操縱大門的儀器系統。這種裝置在平時除了方便人車出入，還能減少冷氣或暖氣外洩，為環保把關；疾病流行時，更可使出入者不必接觸門把及門鎖，減少沾汙和感染的機會。將機器人設施裝在電梯裡，人們能夠以語音操作電梯，不用接觸操作鈕，降低感染的危險性。更廣泛的現代生活中，處處有手機、電腦、影音設備、遙控器等科技產品的身影，而且它們的功能不斷地擴大和更新，例如導航、自動駕駛和物流等方面，更是人工智慧進步和茁壯的園地。

這些產品的研發及進步，是從二十世紀初開始的，因為科學界發展出相對論和量子論這兩門嶄新的學術領域，使人類得以比從前更深入地認識宇宙和物質，並運用新知識開發出種種新技術。其中，從量子論衍生出來的新知識，讓人們了解分子、原子、電子等微觀物質的現象及性質的由來，是最具關鍵性的因素。以這些知識為基礎，所研發出來的儀器和工具，促進了電子、電路元件功能的提升，使執行資訊處理與訊息交流的技術突飛猛進，則是提升工作與生活上的方便性、精確性和舒適程度的原動力。

在享受這些新科技的成果之餘，一定有不少人想了解產生量子論的背景與歷程，甚至有許多人想更進一步加入研發新知識、新技術的團隊。為了讓大眾鳥瞰新科技園地，本書的編輯群和作者群聯合製作本書，以淺顯易懂且趣味盎然的內容，帶領讀者認識「量子論全貌」，也就是了解從量子論的基本概念到量子電腦的發展過程。

在量子論誕生之前，大家都認為利用牛頓建立的「牛頓力學」就足以說明一切物體的運動。但是本書舉出許多實例，告訴讀者：到了19世紀末葉，人們發現微觀物質會表現出無法用牛頓力學說明的神奇行徑，例如第1章詳細介紹的「波與粒子的二象性」──物質粒子會呈現波的現象、光波會呈現粒子的現象。因此，我們需要一個能解釋這些行徑的新理論，量子論就是符合這個條件的理論，它把波的波長與粒子的動量(質量與速度的乘積)聯繫起來。由於波動現象(干涉、繞射、駐波等)中的波長與環境的幾何性質(形狀和大小等)有密切關係，就可以了解那些條件會使波性質明顯，什麼情況可以凸顯粒子性質，而且其推論經得起實驗的考驗。

在第13頁，作者以物質的導電性質為例，指出詮釋微觀現象固然需要量子論，但由於巨觀現象的根源，來自能量與物質的微觀性質及交互作用，所以也必須引用量子論才能完全理解。因此，我們可以說：量子論適用於自然界的一切尺度。這是我們需要認識量子論的理由，也是本書值得推薦的理由。本書以光、原子、電子等為例，介紹量子論基本觀念及應用這些觀念的成功之處，可以幫助讀者體認量子論的正確性，而探討它所引入更深層的分析與推論。本書第2章和第3章，就會引導讀者進一步探索量子論園地。

首先，我們看到：除了二象性之外，量子論還要加入一些古典物理所沒有的觀念。「狀態的並存」與「不準量關係」是最基本的兩個新觀念。基於這三個新觀念，粒子的干涉、繞射等實驗可以精確地設計並執行，如光波一般。此外，讀者還會看到許多量子效應，例如穿隧效應、微觀能量的數值不連續等。這些新觀念，使人們了解化學與凝態(液態及固態)物理學的諸多現象和過程，並促成這兩個領域的蓬勃發展。後者更是研發出新材料和新元組件的基礎，因而產生上文提及的種種新科技，讀者們會一邊讀本書，一邊讚嘆這一連串演進的美妙。

此外，量子論使人們發現：「真空」很不簡單，它居然具有能量，而這能量除了在微觀世界產生重要效應，還很可能跟宇宙創生、宇宙加速膨脹有關。

量子論也使人們在了解自然界基本交互作用力方面獲得確切的進展。將量子論應用於分析生物現象，也有許多很有意義的進展，因而形成「量子生物學」這個新興的學術領域。從量子論衍生的這些研究和發展，使人類在探索宇宙奧秘的旅途上頻添具體收穫，本書所展示的，只是其中微小的一部分，但已經可以讓大家讀得津津有味了。

第4章「量子論總結」和第5章「想要更深入了解！量子論」，將許多大科學家個別或團隊的努力，以及互相辯論切磋的場景與劇情呈現在讀者眼前。散布在各章節裡的許多專欄，是本書的特色。它們會讓有興趣細讀、肯深入思考的讀者們完整地認識「量子論全貌」，並且還會想要閱讀進階的書籍、資料。

台大物理系暨醫學院光電生物醫學中心退休教授曹培熙