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物理也說：「沒錯，蟻人可能會回不來。」
2015/08/01|專欄萬物之理|標籤：蟻人量子
最近有國外神人透過蟻人的動作分析，證明蟻人的動作並不符合地球上的重力加速度，來推測蟻人的動作應該要更加「奇怪」才對。朋友都說這是沒有意義的研究，畢竟這是電影，是一部科幻電影，跟它認真其中的科學成分就輸了。
不過，我還是秉持著學過物理的優良傳統（三觀盡毀與偏執），看完電影仔細思考現實中科學能解釋的部分，但還是吐槽比較多，比如當蟻人縮小的時候，腳下壓力會讓地板直接爆開才對。不過有一件事似乎沒那麼科幻……
那就是皮姆博士警告史考特說：「當限制器失靈，你就會縮小到量子尺度，然後就永遠回不來了。」這句話不僅是全劇中最感人的哽，可能也是最貼近實際狀況的一句話。不過到底是為什麼？為什麼他不能再按下按鈕就變回去呢？讓我們回到兩百年前那個還沒有「量子」這個詞的美好年代開始說起。
崩壞的美夢：拉普拉斯妖
兩百年前，當時的數學家拉普拉斯根據當時的物理學，提出一種可以預測未來的假設，如果有「人」可以知道某一時刻全世界造成物體運動的力與位置，就可以運用古典物理公式推算至無窮遠的未來或是過去，而這個「人」，也就是現在所說的拉普拉斯妖。
在假設中，世界被當成一台大型機器，所有事情都按照古典物理公式運作，而人們只要熟讀物理課本，用心找尋身旁事物運動的原因，就可以成為預言家，一切盡在人的掌握之中。
但隨著工業革命的發展，到20世紀初物理學出現的兩朵烏雲，這個預言家的美夢被無情摧毀。從熱力學第二定律所描述的不可逆過程，到量子力學的不確定性原理，物理從「世界運作的真理」轉變成「最能說明世界的解釋」，一切都因為探索微觀世界後，所帶來的「統計力學」（量子力學）。
這邊要鎮重澄清，現實生活中所熟知的古典物理公式還是能用，而量子力學仍然承接這些古典物理公式，只是量子力學告訴我們，「等號的另一頭」不是「唯一答案」，而是「微觀世界所有可能答案的平均」。
量子撞球檯
讓我們想像在撞球檯上有兩顆白球，對其中一顆白球推桿，你可以從運動的白球路徑推斷會不會撞到另一顆白球，撞到後會變成怎樣，而最後也能明確指出哪顆白球是你當初推桿的那顆。就算我們把球臺中間用黑布遮著，也能透過當初推桿的力道、撞擊的聲音與最後出現的位置來描述兩顆白球是怎麼運動的，下圖是實際撞球臺的簡單範例。
實際撞球檯
現在我們把這一切都縮小到一奈米的狀態，在量子撞球臺上重現上述的情況。基本上，你無法跟巨觀的時候一樣，預測推桿後球會怎麼跑，而球會不會撞到更是個難題，也不知道當初推桿的是哪顆白球，下圖是其中一種可能性的範例，紅色虛線是球的實際路徑（當然，黑色軌跡也是一種可能），可以看到運動的軌跡很奇怪，而最後到達的位子也不能用來解釋他們的過程。
量子撞球檯
當你多撞幾次後，你就會開始覺得這個世界怎麼一點規律都沒有，球怎麼跑都可以，符合巨觀物理定律的黑色軌跡當然也可以，只是它也變成這些亂七八糟走的其中一種。
什麼都有，什麼都不奇怪
而這就是為什麼蟻人「可能」回不來的原因，就像皮姆博士的解釋：「所有空間與時間概念都會錯亂，你會迷失在其中。」在微觀的狀態下，觀察者只能接受這種毫無章法的世界，而蟻人手中能夠改變體型的精密設備，也無法像在巨觀世界時正常運作（有人正試圖控制這混亂的局面，讓我們為10奈米製程加油）；你可以想一下撞球檯上的黑線，唯有母球恰巧走在黑線上的時候，那套裝甲才能正常運作。
當史考特從量子世界回來後，皮姆博士那句：「你看到了什麼？」也是我最想知道的問題。從古至今，因為觀測上的限制，使我們只能站在巨觀角度來探討微觀世界的問題。如果人真的能縮小到量子世界再回來的話，我想問他的第一句也是：「你看到了什麼？」
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Q1：縮小到那個尺度，應該什麼都看不到吧？
A：要回答這個問題，我們得先想想如果眼睛變小的話會發生什麼事情，最直接就是眼睛瞳孔的孔徑勢必會縮小，而這時我們不得不討論所謂「繞射現象」。這裡容我節錄Halliday中的句子：
「繞射現象使得將電磁波以射線表示的幾何光學有所限制……只有在障礙物、狹縫或是孔徑大小不會相等或小於波長的時候，幾何光學才成立。」
也就是說，當眼睛孔徑縮小到可見光波長以下，可能會無法正常運作。
Q2：質量不變那密度不就爆增？螞蟻為什麼不會被踩死？
A：是的，按照電影中的設定的確是那樣，而且坦克車也沒辦法當作鑰匙圈。這裡不訪想想，僅是改變原子間的距離，能夠縮到無限小嗎？難道原子是不佔體積的？
Q3：為什麼縮小到一奈米後路徑會不穩定？
A：有人回答不確定性原理（曾被稱為測不準原理），的確這是目前我能想到最好的解釋。詳細解釋可以參考海森堡的測不準原理，總之，只要觀察則必然會有最小誤差。而這必然誤差，理論上非常小，巨觀世界中並不需要考慮。
Q4：如果縮到量子級數，不確定性原理還會有效於蟻人嗎？
A：不知道，但應該會吧？不過首先必須要有另外一個觀察者來證實。
Q5：在還沒縮小至量子尺寸前，該生物早已死亡。主要是因為面積與體積比已經無法達到產熱及散熱平衡。
A：不知道（真的）。如果把蟻人裝看成一個裝著人類分子的密閉容器，就可以借用理想氣體方程（PV = nRT）來模擬看看，為了維持容器內所有分子造成的壓力固定（人不會被擠爛）且總體積縮小，必須讓整體溫度降低才行……（大概吧？）。
Q6：我在想…會不會那"縮小"同時也影響到和希格斯場的互動造成質量也縮小，而體積和質量的縮小比例不太一致，可能體積縮成跟螞蟻一般但質量大概從九十公斤縮成九公斤或更小，於是造成動作不符合九十公斤重的螞蟻以及地板沒被壓爆等等怪現象？
A：實在，就是，不知道（被揍）。那不過是科幻，認真你就輸嘍（被揍飛）。這問題要問正在研究該專業領域的人才知道，我沒辦法對這方面提供任何觀點。
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想想生活周遭的事物，對幾百年前的人來說，就如同像科幻小說令人無法接受。曾經被當作瘋子的預言家，最後當然還是被當作瘋子！不過運用現有的科學，思考他們的幻想，或許可以找到一些迷人（但可能無用）的可能性。
如果您還有更多疑難雜症想要討論（不一定是蟻人），或對上述我不知道的問題有所感想，也歡迎您在下方留言跟大家一起討論喔！
海森堡不確定性原理
海森堡不確定性原理(Heinsberg's Uncertainty Principle)有時也被譯成海森堡測不准原理。是指在一個量子力學系統中，一個粒子的位置和它的動量不可被同時確定。位置的不確定性\Delta x\,! 和動量的不確定性\Delta p\,! 是不可避免的：
\Delta x \Delta p \ge \frac{\hbar}{2}\,! ；
其中\hbar\,! 是約化普朗克常數。
類似的不確定性也存在於能量和時間，角動量和角度等許多物理量之間：
\Delta A \Delta B \ge \left|\frac{\langle [A,B] \rangle}{2i}\right|\,! 。
換句話說，A\,! 的不確定性與B\,! 的不確定性的乘積至少是A\,! 與B\,! 對易算符的期望值除以2i\,! 所得到的除商的絕對值。
不確定性也是一種波的特性。在經典物理中波也有不確定性。比如波的頻率和波到達的時間之間就有不確定性。要測量頻率，就要等幾個波峰的到達，但這樣一來波到達的時間就沒法被精確地測量了。
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繞射
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紅色雷射的圓孔繞射圖樣
繞射（英語：diffraction），又稱衍射，是指波遇到障礙物時偏離原來直線傳播的物理現象。[1]:559-560
在古典物理學中，波在穿過狹縫、小孔或圓盤之類的障礙物後會發生不同程度的彎散傳播。假設將一個障礙物置放在光源和觀察屏之間，則會有光亮區域與陰暗區域出現於觀察屏，而且這些區域的邊界並不銳利，是一種明暗相間的複雜圖樣。這現象稱為繞射，當波在其傳播路徑上遇到障礙物時，都有可能發生這種現象。[1]:519除此之外，當光波穿過折射率不均勻的介質時，或當聲波穿過聲阻抗不均勻的介質時，也會發生類似的效應。在一定條件下，不僅水波、光波能夠產生肉眼可見的繞射現象，其他類型的電磁波（例如X射線和無線電波等）也能夠發生繞射。由於原子尺度的實際物體具有類似波的性質，它們也會表現出繞射現象，可以透過量子力學進行研究其性質。[2][3]:9
在適當情況下，任何波都具有繞射的固有性質。然而，不同情況中波發生繞射的程度有所不同。如果障礙物具有多個密集分布的孔隙，就會造成較為複雜的繞射強度分布圖樣。這是因為波的不同部分以不同的路徑傳播到觀察者的位置，發生波疊加而形成的現象。
繞射的形式論還可以用來描述有限波（量度為有限尺寸的波）在自由空間的傳播情況。例如，雷射束的發散性質、雷達天線的波束形狀以及超音波傳感器的視野範圍都可以利用繞射方程式來加以分析。