【正見網2024年08月22日】
一、古代對原子的認識
原子論（Atomism）一詞，來自古希臘語atomos，含義為「不可分割」。是一種關於世界本原的看法。在古希臘還有一種元素說，泰勒斯認為是水，阿那克西美尼認為是氣，而赫拉克利特則認為是火。後來，恩培多克勒在這幾種元素之外再加上土，發展為四元素說。畢達哥拉斯派認為是數，巴門尼德認為是永恆不變、不可分割的「一」。
留基伯（鼎盛期約公元前440年）和他的弟子德謨克利特（公元前460-前370）並稱為原子論的奠基人。德謨克利特和留基伯提出了完整且機械論性質的宇宙觀，並沒有依賴於神或眾神概念。他們認為原子是最小的、不可分割的物質粒子（「原子」這個詞本身就是不可再分割的意思）。原子之間存在著空無的虛空（void），無數原子從古以來就存在於虛空之中，既不能創生，也不能毀滅，它們在無限的虛空中運動，從而構成萬物。德謨克利特的原子論裡沒有神存在的空間，他認為除了永恆的原子和虛空外，從來就沒有不死的神靈。他甚至認為，人的靈魂也是由最活躍、最精微的原子構成的，因此它也是一種物體。原子分離，物體消滅，靈魂當然也隨之消滅。
古希臘哲學家亞裡士多德反對原子論，尤其反對虛空的存在。他在《物理學》和《論天》等著作中寫道：「不可分的東西是沒有運動和變化的。」 「充實的空間裡能夠有變化，並且，即使在物體之間沒有虛空把它們分開，他們也能夠彼此調換位置。」 相反，「虛空其實倒會把運動取消，在虛空裡面，會只有一個普遍的靜止。」因此，亞裡士多德認為，虛空是根本不存在的，空間處處為連綿不斷的物質所充滿。他認為，地上的物體包含四種原素，即土、火、氣和水。原素不呈微粒狀，而是連續的，原素也不是不可破壞，而是「從彼此產生出來的」。除此之外，還有 「看不見、摸不著」的「第五原素」—天。他說：「天與土、火、氣和水不同，天乃是古代人所稱為以太的東西。」以太是聖潔之物，它不包含任何矛盾和對立，因而是永遠不會發生變化，是永恆的。以太作為宇宙的本原物質的概念逐漸從神話走到自然哲學中來。
中國古代雖然不是物質微粒結構的這種認識，但很早就提出了物質本原的「元氣說」。例如，約在公元前400年成書的老子道德經就提出：道生一，一生二，二生三，三生萬物，萬物負陰而抱陽，沖氣以為和。後來，很多人都把氣當作充滿著宇宙的一種物質原素。例如，宋代張載（1020年-1077年）提出：太虛即氣，太虛無形，氣之本體；其聚其散，變化之客形爾。太虛不能無氣，氣不能不聚而為萬物，萬物不能不散為太虛。明代王夫之 （1619年-1692年）也指出陰陽二氣充滿太虛，此外更無它物，亦無間隙。凡虛空皆氣也，聚則顯，顯則人謂之有，散則隱，隱則人謂之無。他們認為，空間中充滿著元氣，由於陰陽二氣相互作用及其聚散變化，產生了宇宙萬物。 [1]
古希臘的原子論和中國古代的元氣說，雖然是直觀的或樸素的，是一種形而上的學說，未形成類似近代科學的理論，但同時也未受到客觀實驗條件的制約，而可能是一種更為全面和開闊的認識。在中國古代的元氣說中，這種氣或者元氣是一種連續狀態的物質，可以作為對原子論的物質離散結構的一種必要的補充。物質從宏觀到微觀的存在形式，其實是不同層的離散粒子和「虛空」的統一體。在某一層較大粒子之間的「虛空」中，可能瀰漫著微觀粒子云團，層層粒子空間皆如此。在這方面，古代的哲學思想常常會帶來有益的啟示，有待於人們在對物質及其運動的深入研究中，不斷的去探索和發現物質存在的新形式。
二、近代科學對原子和量子認識的發展
一直持續到十七世紀，才第一次有了近代科學上的論述。羅伯特．波義耳對原子的看法，跟古希臘人大同小異，但他把原子的概念僅限於物質世界，並不接受古希臘人用原子解釋形而上層面的說法。牛頓則是在波義耳的原子認知上，再加上慣性的概念；不過要注意的是，牛頓對原子的看法來自於我們的生活經驗，卻仍然沒有實證基礎。
到了19世紀初，拉瓦錫現代化學元素概念的確立和普魯斯特化合物定比定律（同一種化合物中不同元素的重量比為定值）的發現為道爾頓原子論的提出奠定了基礎。1803年道爾頓在他的筆記本中清晰的描述了他的原子理論：（1）化學元素是由不可分割的微小原子組成；（2）同一種元素的所有原子都相同，不同元素具有不同的原子，而不同原子的區別在於其不同的重量；（3）化合物中的不同元素的原子數量比為簡單的整數比。他的這個論述非常簡潔有力，也能夠用來解釋定比定律； 並在化學家中得到了迅速的普及。隨著分析化學的發展，各種原子的原子量和化合物的元素原子比例（也就是分子式）都被確定下來。然而跟牛頓一樣，道耳頓也沒有可證明原子確實存在的實證結果。
19世紀末，電子的發現使不可分割的道爾頓原子不再成立。19世紀初各種關於原子內部結構的模型被提出。1913年玻爾在盧瑟福原子核模型和普朗克量子理論的基礎上，提出了量子原子模型（見圖1）。這個模型用簡單的數學公式解釋氫原子光譜。玻爾原子模型是量子理論在20世紀初的一次重大的進展，玻爾的原子理論第一次將量子觀念引入原子領域，提出了定態和躍遷的概念，成功地解釋了氫原子光譜的實驗規律。但對於稍微複雜一點的原子如氦原子，玻爾理論就無法解釋它的光譜現象。這說明玻爾理論還沒有完全揭示微觀粒子運動的規律。它的不足之處在於保留了經典粒子的觀念，把電子的運動仍然看做經典力學描述下的軌道運動，所以仍然有許多無法解決的難題。實際上，原子中電子的坐標沒有確定的值。因此，我們只能說某時刻電子在某點附近單位體積內出現的機率是多少，而不能把電子的運動看做一個具有確定坐標的質點的軌道運動。
圖1 玻爾原子模型示意圖（維基百科）
1900年，普朗克首次提出量子概念，用來解決困惑物理界的「紫外災難」問題。普朗克假定，光輻射與物質相互作用時其能量不是連續的，而是一份一份的，一份「能量」就是所謂量子，也就是光能量的最小單元，後來稱之為「光量子」 (Light Quantum) ，或簡稱「光子」 (Photon)。 電磁波則被看作是粒子似的光量子所組成。如果電磁波的頻率為ｆ，則每一個光量子的能量就是hf。光量子的個數與電磁波振幅(即電磁場強度)平方成正比。古典理論在電磁波強度高(即光量子數目多)、頻率低時適用。但在頻率高且光量子數目小時，光的粒子特性就凸顯到無法忽略了。
那時，人們已經知道原子在高溫時會發光，而且所發出光的頻率不連續，只有某些頻率會出現。而依照古典物理，電子環繞原子核時所發出的光，其頻率可以是任意值。玻爾假設電子在這些軌道上運轉時不會放射出電磁波，但電子可以從一個軌道跳躍到另一個軌道。由於不同軌道帶有不同的能量，所以在跳躍時電子需放出(或吸收)能量，這些能量就以光量子的形式出現。從能量守恆可以算出光量子應帶有的能量大小和光量子的頻率。他發現這些頻率與測量到的氫原子放射光譜完全一致。
德布羅意於1924年提出的德布羅意假說表明，每一種微觀粒子都具有波粒二象性（Wave–Particle Duality）。電子也不例外，具有這種性質。電子是一種波動，是電子波。電子的能量與動量分別決定了它的物質波頻率與波數。他是在愛因斯坦「光子」概念的啟發下提出的，既然看似波動的光輻射，具有「粒子」特性，那麼像電子這類看似「粒子」的物質，也應具有類似正弦波的波動性（見圖2）。這就是「德布羅意物質波」的概念。
圖2 波粒二象性示意圖（維基百科）
按照物理運動規律的不同，將遵從經典運動規律（牛頓力學，電磁場理論）的那些物質所構成的世界稱為「經典世界」，而將遵從量子力學規律的那類物質所構成的世界稱為「量子世界」。「量子」就是量子世界中物質客體的總稱，它既可以是光子、電子、原子、原子核、基本粒子等微觀粒子，也可以是BEC、超導體、「薛丁格貓」等宏觀尺度下的量子系統，它們的共同特徵就是必須遵從量子力學的規律。「量子」與「經典」的本質區別在於：經典世界的特點是物體的物理量、狀態在某個時刻是完全確定的；而量子世界中，客體的物理量則是不確定的、機率性的，這種不確定性卻是量子世界的本質特徵。這個特徵體現在量子力學中量子疊加態的描述上。量子態又稱波函數或幾率幅，它沒有任何經典對應。 事實上，量子力學的所有奇異特性正是源於這個幾率幅。近百年來對量子力學爭論不休也在於這個幾率幅（量子態）。
但是，量子力學一方面可以預測出實驗的結果。可在另一方面，量子力學所呈現的世界觀是那麼的荒誕，激烈地衝擊了古典物理中形成的既有認識。這讓許多物理學家覺得很不自在。例如本世紀最著名的物理學家愛因斯坦，一輩子拒絕接受量子力學。他曾經在與別人討論量子力學時，問了一句連小學生都知道答案的問題：「是不是只有當你在看它的時候，月亮才在那兒呢?」這個奇怪的問題只有擺在量子力學框架中，才不至於顯得突兀。反過來講，愛因斯坦有此一問，十足反襯了量子力學的怪異之處。量子力學的宗師之一，薛丁諤(E. Schrodinger)曾感嘆道：「這些可惡的量子跳躍果真成立的話，我真要後悔介入量子理論了。」著名物理學家費曼(R．Feynman)在《物理定律的特性》一書中也說過：「我想我可以有把握地講，沒有人懂量子力學。」
針對這種疊加態的概念，奧地利物理學者埃爾溫·薛丁格於1935年提出「薛丁格貓」的思想實驗，指出量子力學中占主導地位的哥本哈根詮釋中波函數坍縮與物理常識之間的矛盾。貓不可能永遠處於生存與死亡的疊加態。與愛因斯坦、薛丁格和費曼一樣對量子力學感到不滿或不安的物理學家、哲學家不少。所以自量子力學誕生至今，持續不斷有人在研究量子力學的意義與詮釋。不過這一方面的研究不容易有明確的進展，一般講求成效的物理學家避之惟恐不及。嚴格講，能夠真正深入問題核心的專家並不多。但是一般讀者只要願意稍微用一點心思，了解一點量子力學的來龍去脈，依靠正確的方法論，從實驗現象和直觀邏輯的視角，就可以察看和思考量子力學中最玄虛的地方，順便了解和研判一下物理學家們的激烈爭論的意義。
三、量子的形態以及SG實驗的啟示
量子力學發展至今，一直困擾科學界的主要問題就是量子的粒子性和波動性疊加態的物理本質是什麼？由於缺少對量子形態模型的清晰建構，所以只得用疊加態這種似是而非的方式進行如此玄之又玄的表述。直到1992年， Les Allen等人證實了軌道角動量（Orbital Angular Momentum，OAM）的存在，才對粒子自旋角動量之外所具有的軌道角動量特性逐漸有所認識。
從古人的哲學認識和科學的發展角度看，原子和量子都不是客觀物質世界的最基本粒子，還可以向微觀層面繼續分解為一層又一層的粒子，也就是說，原子是一簇粒子云團，量子則可能是由更微觀的不同層粒子構成的粒子云團。是否有些類似宇宙太空中星系的形態特徵？（見圖3），遠看是一顆星星，放大後看則是一個星系。從相關視頻中可以看到，這樣的星系類似旋轉的渦旋，自旋的同時應當還有圍繞中心的公轉，是否與太極圖中的陰陽魚的迴轉圖形有些類似？當光子沿著光軸傳播移動時，粒子云團這種自旋與公轉複合而成的螺旋式行進中的不同姿態，其能量便呈現出波函數的周期性變化，並與其頻率和波長相對應。這樣的物理模型還可以解釋光的偏振特性以及半波損失等現象，同時，也使煙霧纏繞的、抽象而又玄虛的量子形態既形像直觀，又清晰明確，並且具有狀態的確定性。
圖3 NASA哈勃團隊發布的星系圖片 (Arp 273，NASA, ESA and the Hubble Heritage Team)
1922年，德國物理學家奧托·斯特恩（Otto Stern）設想了一個可以推翻玻爾原子模型理論的實驗。他想測試在磁場中是否可以定向，還是像玻爾提出的那樣只能在離散方向上定向。斯特恩-格拉赫（Stern-Gerlach）實驗是一個標誌性的、劃時代的實驗，被認為是量子力學的奠基之石和物理學史上最重要的實驗之一。斯特恩計劃蒸發一個銀樣品，並將其匯聚成原子束。然後，他將光束射入到一個非均勻的磁場，並將原子收集到一塊玻璃板上。因為單個銀原子就像小小磁鐵，磁場會根據它們不同的方向使它們發生不同角度轉。如果它們最外層的電子能像經典理論所預測的那樣任意定向，那麼被偏轉的原子將沿著探測板形成一個單一的寬軌跡，如圖4所示。實驗結果表明，銀原子沉積層被整齊地分成了兩部分，與經典預測的分布形式不一致。然而，斯特恩和格拉赫的實驗對尚處於萌芽階段的量子理論提供了有力的實驗支撐的同時，同時也引出了如何解釋這種現象的新困惑。
圖4 斯特恩-格拉赫實驗裝置圖（維基百科）
為了解釋上述斯特恩-格拉赫實驗的結果。1925年，兩位荷蘭學者烏倫貝克（G.E.Uhlenbeck）和古茲密特（S.A.Goudsmit）提出了電子自旋的假設。他們認為電子除軌道運動外，還存在著一種固有的自旋運動，具有自旋角動量以及相應的自旋磁矩。電子的自旋磁矩與自旋角動量成正比，而方向相反。上述實驗表明：自旋磁矩在外磁場中也是空間量子化的，在磁場方向上的分量只能有兩個量值；同時表明自旋角動量也是空間量子化的，在磁場方向分量也只有兩個可能的量值。所以認為：當粒子穿過非均勻磁場時，每個粒子所受到的力取決於其自旋方向。 如果粒子的自旋與磁場一致，它會受到更大的力並向上偏轉，而如果自旋與磁場相反，它會受到較小的力並向下偏轉。非均勻磁場使得粒子由不確定的疊加態坍縮到某一種確定的自旋狀態。
如果讓已經知道自旋狀態的其中一束銀原子再穿過非均勻磁場，進行多級Stern-Gerlach實驗，會是怎樣的結果呢？
（1）如果我們遮住自旋向下的那束，而使得自旋向上的原子束再通過一個磁場梯度同樣為垂直方向的SG實驗裝置，那麼出來後原子束仍然保持為一束；
（2）但如果將實驗中的第二級SG裝置的磁場梯度改為水平方向，那麼自旋向上的原子束通過這個非均勻磁場後，原子束再次在水平方向分成兩束，而且兩束強度相等；
（3）如果接著上述（2）中所述的實驗，我們再次遮住其中一束，只讓另一束通過第三級SG裝置（磁場梯度為垂直方向），這樣的銀原子束流通過第三級SG裝置後，再次得到了垂直方向上分布的兩束原子束流。
這樣的實驗結果，令科學家們感到費解，不確定的疊加態為什麼可以重複出現？確定的粒子自旋態因何而改變？如果採用「星雲渦旋」模型便很容易解釋：銀原子沿軌道旋轉會產生磁矩，磁矩的方向即「渦旋」的法線方向，當 「渦旋」以隨機狀態和姿態進入非均勻磁場時，磁場作用下會逐漸調整姿態進而達到一種吸力平衡或斥力平衡狀態， 「渦旋」與磁力線垂直，出來時，由於磁場吸力或斥力作用的不同而在磁場方向上分為兩束。多級 Stern-Gerlach 實驗亦同此理。這也說明，所謂的疊加態是不存在的，粒子本身就處於一種軌道旋轉態中，只是軌道平面方向會因磁場的作用而改變。其物理意義是非常簡明而明確的。
從古代至今，對原子和量子的認識，經過了從哲學層面認識到科學層面認識的嬗變。核心問題集中於這三個問題：（1）原子或量子是否可以再層層分割？（2）粒子間的是否有虛空存在？（3）量子是怎樣的一種物理形態？現代的科學認識主要是基於實驗，同時也受到科技測量手段的制約，越來越進入到形而下框框的局限之中，當遇到難以解釋的情況時，又會轉向玄虛或鬼魅。實際上，這也是人類發展中逐漸脫離形而上的思維方式後蛻變的必然趨勢。關於光量子的偏振、傳播和干涉方面的種種迷霧，將在後續的專題中分別加以探析。
參考文獻：
[1] 翁寶山，《原子的世界》，2006年出版。
