平行宇宙與量子革命 | 克里斯多夫 ‧ 卡爾伐 | TEDx

從 1929 年諾貝爾物理學獎得主路易 ‧ 德布羅意，到 2012 年的得主塞爾日 ‧ 阿羅什克，我們與克里斯多夫 ‧ 卡爾（Christophe Galfard）一同經歷一場世紀科學之旅，其中包含薛丁格貓、量子世界及平行宇宙的發現。

克里斯多夫 ‧ 卡爾伐是劍橋大學理論物理學博士，曾經是史蒂芬 ‧ 霍金的學生。他熱衷於向大眾傳播科學知識， 在 2013 年和 2015 年的夏天，他曾擔任 France Inter 頻道《三分鐘宇宙 （L’univers en trois minutes）》和《掌中的宇宙 （L’univers à portée de main）》系列的製作人，並經常在媒體上發表談話，解釋當前科學的進展。他的最新著作《宇宙在手（L’univers à portée de main）》，描述了人類如何在宇宙和量子理論間遊走，如今，這本暢銷書已經被翻譯成十四種語言。

此講座由由 TEDx 提供，使用 TED 會議格式，但是個別承辦的。
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你曾問過自己宇宙的本質是什麼嗎？

我不是在談論任何抽象的宇宙，
而是我們的宇宙，

那個你我都住在其中的，
你正在其中的那個宇宙。

你曾經想過組成你身體的是什麼嗎？

或是探討過你吸的空氣，
甚至是你坐的那張椅子的組成？

如果答案是「是」，

那你可能注意到了，

在我們身旁有一些線索
能幫助找出問題的答案。

譬如說，當我抓起我的
玻璃杯，裡面有水，

然後我把它擲向你們，

有人稍微閃開了。

在講廳裡或在地球上任何地方，

沒有人會覺得當水被翻出，
它會停留在空中，

轉一圈然後回到我的杯子裡，

為什麼呢？

因為我們直覺的知道
自然法則的存在，

也理解這些規律是不會失靈的。

理論物理學的宗旨
就是要探討這些法則，

我們必須承認
我們人類很擅長這樣做。

現在我要給你們一些概念：

從牛頓起，我們能描述
每一件發生的事物，

我們知道如何描述物體的狀態。

也從牛頓起，我們比之前更進步了，

我們進入了一個非感官的世界，

一個我們的直覺無法通行的世界。

這是一個令人驚嘆的世界，
你們將會知道為什麼。

1905 年，
亞伯特 · 愛因斯坦告訴我們

光是由相當數量的能量組成的，

「相當數量的」 在拉丁文中
叫作「量子 (quantum)」。

愛因斯坦與其他人打開了一個新世界，

一個量子力學、量子物理學的世界，

一個微觀的、充滿光亮的世界。

現在，我要邀請你們想像，

在 1924 年的巴黎，

有一位年輕的法國科學家
剛剛發表了他的論文，

他時年 32 歲，他的名字是
路易 · 德布羅意，

他發表了一些非同凡響的論述。

他向我們宣布，通過計算，
事實上在我們身旁的光

與組成我們身體的物質，

並沒有什麼不同。

物質本身由相當數量的能量組成，

所以物質會遵守量子世界的規律。

就此而言，德布羅意達成了

地球上所有博士生的夢想——

在七年後，他得了諾貝爾獎。

這相當不錯。

其中一位量子物理學奠基者

馬上接收了這個想法，
並展開了個人的研究，

靠著這個，他試著探索
一切都迷你的世界的運轉，

然後請你們想像，他也成功了，
他找到一個方程式，

名字是薛丁格方程式，

向我們描述宇宙中所有
基本粒子是如何表現的。

簡單來說，它為微觀世界做了
牛頓為我們周遭世界做的事情。

如果你射箭，

牛頓會告訴你們箭將射向哪裡

如果你投擲一粒子

薛丁格會向你描述它的動向。

不走運的是，在微觀世界中的粒子，

不會像箭，

更不會像小子彈一樣，

我們必須要把它想像成

一團由許多粒子組成的迷霧，

它們不存在也不消失，
在那兒也不在那兒，

到處都有它們的蹤跡。

薛丁格方程向我們描述

這團雲霧會怎麼隨著時間變化。

而他獲得的結果極為怪異，

為了提供一個符合現實情境概念，

他設計了一個思想實驗，

叫做「薛丁格貓」。

就像這樣：

在這個箱子中有一隻貓，

（貓叫聲）

牠可能在睡覺，無論如何有一隻貓，

但還有一樣東西，

貓大概不是很愉快，
因為在牠旁邊，

我和薛丁格一樣放置了
一個放射性物質，

什麼是放射性物質？
是一種會衰變的物質，

這是我要讓第一排

簽權利放棄書的原因，

這是一種會自行衰變的物質，

我們不能預測它什麼時候會發生。

所以裡面有一個小小的物質，

從現在起到實驗結束，

它都有 50% 的解體機率，

但薛丁格不只做了這些，

像施虐狂一般，他加入了一個裝置，

一旦物質解體，

裝置會釋放毒素，

然後殺死貓，

反之，如果物質沒有動靜，
那麼貓咪就會是安全的。

量子物理學的定律告訴我們

只要沒人看過，

沒有人打開箱子，

放射性物質將同時處在
解體也沒有解體的狀態，

這意味毒素被釋放也沒有被釋放，

因此，在裡面的貓
不會死掉也不會活著，

而是半活半死。

這聽起來非常瘋狂，我同意。

但這畢竟是數學告訴
我們的，是有根據的，

如果我們所知道的
量子物理學理論是正確的話，

那麼薛丁格和他的方程會告訴你

在這個箱子裡的貓咪
既是死的也是活的，

讓我們來看看，

（貓叫聲）

很好，至少牠還活著，

但你看到了，只有一隻貓，

就像你所期待的，

你可能有點寬慰，因為貓沒有死。

但對我來說，裡面
只有一隻貓這困擾我，

因為我相信數學
還有所有背後的物理解釋，

而如果數學告訴我們
裡面應該有兩隻貓，

那問題是死掉的那隻在哪？

牠應該在那裡，但沒有，

所以牠在哪？

就如同它聽起來的一般瘋狂，

我們支薪給科學家
讓他們試圖回答這個問題，

（笑聲）

他們花費了多年尋找問題的答案，

薛丁格在 1935 年出版這個思想實驗，

十年甚至二十年過後，

幾乎所有的科學家都在尋找死掉的貓，

直到一位名叫休 · 艾弗雷特三世
的年輕美國人

想出了一個難以置信的解答。

他想若愛因斯坦
和德布羅意都是對的，

好像是如此，

光和物質都是量子，

既然整個宇宙是由光和物質組成，

那麼，沒有理由說明

宇宙本身不是量子。

所以，宇宙化為一種疊加狀態

是十分可能的。

他的意思是當我打開箱子，

開箱前原本有兩隻貓在裡面，

當我打開，整個宇宙會分裂為二，

一個是我們居住的、
貓咪還活著的宇宙，

另一個是死貓的宇宙，

這個宇宙對我們來說是平行宇宙，

它將永遠保持下去。

在愛因斯坦量子物理課堂的最後，

他告訴學生：

「如果你們聽懂了，
那就表示我還說得不夠清楚。」

（笑聲）

休 · 艾弗雷特三世沒有因為發表論文

得到諾貝爾獎，

相反的，他放棄了物理學
並說「這什麼也不是」。

（笑聲）

然而，他可能是對的。

要在他的年代校驗，

必須要能夠看到一個個微粒，

看見它們疊加的狀態，

並對它們做實驗、觀測，

在那個年代，這是絕對不可能的。

但在我們的年代，1990 年代末期，

在巴黎高等師範學校的實驗室裡，

塞爾日 · 阿羅什教授的團隊

實現了創造類似薛丁格貓實驗的壯舉。

他們不用貓，而是用原子，
大顆的原子以及光，

他們在實驗中觀測到

原子處在疊加狀態，

等同於一隻貓同時活著也死去。

他甚至觀察到其中一種狀態消失，

以某種形式，生成我們
今天世界的樣子。

這個實驗在三年前為他
贏得了諾貝爾物理學獎。

從 1924 年德布羅意的諾貝爾獎

到 2012 年塞爾日 · 阿羅什的諾貝爾獎，

我們跟隨了一個帶我們跨越
不同時代和領土的想法。

為什麼要向你們描述這些？

為什麼我們要聽這些半瘋的科學家

論述這些半死半活的貓，

還有到處存在的平行宇宙？

它為我們提供什麼？
老實說，我很能理解

你們根本不明白我們
為什麼資助這項研究。

但你可能是錯的，

德布羅益的發現與薛丁格的方程式

創造了你們今天所使用的物品，

像是電腦、手機、雷射

還有幾乎所有你可以在醫院
見到的醫療器材，

那麼阿羅什的發現呢？

它為工業革命、
科技革命帶來可能性，

通過成功找到半死半活貓的狀態，

他為未來的計算機——

量子計算機鋪了路。

量子計算機是一種

在機內運用原子疊加狀態的機器。

你們跟得上嗎？

多虧了這些，這些小原子，

這些機器能夠做計算，
彷彿計算是同時發生

在數十億個平行宇宙中。

這意味著這樣一台電腦的效能

會等同今天無數台電腦的總和，

就是這樣。

基礎研究是非常嚴謹的學科，

有時它甚至完全沒有動靜，

但它是革命的源泉。

而背後的天才

可能在任何地方誕生。

我給你們一個例子：
塞爾日·阿羅什——

那位我剛剛提過的先生，
出生在摩洛哥的達爾貝達，

他 12 歲時來到法國，

如果那時我們關閉了我們的邊界，

我們會剝奪法國獲得
諾貝爾物理學獎的權力，

及其在應用程序的潛力，

（掌聲）

科學知識絕對屬於每一個人，

屬於你、我，以及在這裡
和其他地方出生的孩子們，

我們有義務向他們分享和傳承知識，

我這麼說是為了全體的福祉，

因為很可能，甚至非常可能，

手握我們未來鑰匙的
是一位來自外地的孩子，

而不是來其他平行宇宙的孩子，

謝謝大家。

（鼓掌）