黃昱銘｜特約編輯
量子現象
要認識量子，我們必須先認識原子，在很久以前，科學家就發現一切的物質都是由原子所組成的。原子有多小呢? 看看你的手，它就包含了好幾兆個好幾兆的原子，小到眼睛看不見，而在原子尺度下的微觀世界，和我們日常生活中所看到的世界完全不同，而微觀世界中所產生的現象，我們稱為量子現象。
為了解釋量子現象，而發展出新的物理理論—量子力學，常常令人感到神秘難懂，但其實它是主宰世界萬物性質的基本原理，在我們的生活中，量子力學的應用無所不在。
生活中的量子現象
量子力學主要在闡述微觀世界，所描繪的量子特性，與我們習以為常的物理現象大不相同，常讓人覺得難以理解。但在日常生活中，許多我們常用的物品，都是基於量子力學相關技術應用研發出來的。
1. 螢光燈(fluorescent light)：
在我們的日常生活中，螢光燈的發明對我們有著不可言喻的重要性，而螢光燈的操作原理是利用螢光燈管在接通電流時，管內的汞蒸氣會被激發產生紫外線，而管壁的螢光物質吸收後就會放出可見光，那我們要如何知道哪種螢光物質會放出可見光呢？這個問題的解答就是量子力學最初想要解釋的現象，事實上因為原子或分子中的電子只能吸收或放出特定頻率的光，不同的物質會放出不同頻率區段的光，有了這個重要的概念後，科學家就能找出適當的發光材料，至於我們瞭解物質發光的本質後，是不是也能體會量子力學對於我們生活中的重要性了呢？
2. GPS導航系統(global positioning system)：
當我們出門在外時，GPS導航系統是我們生活中非常重要的工具，而導航系統中的定位接收器之所以能接收到極精確的時間並計算出兩個地方之間的最短距離，其實是歸功於衛星上原子鐘(atomic clock)的功能。從量子力學的理論中我們知道原子中的電子在改變能階時會釋放出電磁波，儘管在量子力學告訴我們原子的能量是不連續的，但同一種原子中電子在特定能階轉移的能量差是固定的，因此能產生固定的電磁波頻率，原子鐘就是藉由電子吸收和放出的特定電磁波頻率來計算時間的。有了如此精準的時間測量機器，才能讓導航系統成為我們生活中不可或缺的部分吧。
3. 核磁共振成像(Magnetic resonance imaging)：
在醫學上，核磁共振成像是一種常見的影像檢查技術，透過核磁共振成像就能找出人體內病變的位置，然而核磁共振背後的應用原理其實跟量子力學有著密不可分的關係呢！在解釋核磁共振的原理之前，我們要先知道人體內的組織是由微小的原子跟分子構成，原子又由原子核及電子組成，而量子力學的理論讓我們知道粒子都具有自旋(spin)的性質，由於原子核及電子帶電的關係，當物質處在一個外加磁場中，原子核會因為自旋的性質以特定的頻率繞著磁場的方向旋轉，此時若再加入一個外加電磁波，原子核就會吸收特定頻率的電磁波，進而發生磁共振現象。實際上，人體是由約70%的水分子所組成，其中水分子在體內各個組織的含量也不同，而核磁共振成像法就是基於上述的原理讀取體內水分子中氫原子的磁場變化，並推測各個組織中水分子的分布，進一步得知人體內的結構成像，同時組織病變的位置也能顯示的非常清楚。在我們的生活中即使是如此強大的技術，都跟量子現象息息相關，是不是開始對量子力學的奧妙給吸引了呢？
4. 半導體(semi-conductor)：
在現今的社會中，半導體的應用無遠弗屆，不管是生活常見的3C產品或遠至太空的航太科技都能見到半導體的身影，然而這跟量子力學又有什麼關聯呢？事實上，半導體是一類導電性介於導體跟絕緣體的固態材料，而導電性的差異其實是源自於固體內部不同的電子結構，而量子力學的基礎理論告訴我們電子能階並不會是連續的，但我們知道在固體中原子的數量非常非常多，因此這些不連續的能階最終會形成一條一條的能帶，最終能階形成的能帶分布就表示了電子的能量分布，因此能描述電子的運動行為。由此可見，如果沒有量子力學的理論模型幫助我們研究半導體材料的電子性質，我們可能就無法享受科技帶來的便捷了！
5. 電腦(computer)與量子電腦(quantum computer)：
電腦的發明對於我們的科技扮演非常重要的角色，而組成電腦的關鍵硬體元件「電晶體」(transistor)其實是根據量子力學的原理而被研發出來的，因為電晶體實際上是由半導體材料組成的，沒錯這又是半導體的貢獻！所以說如果沒有量子力學的基礎促使電晶體的問世，或許每個人還需要一間倉庫去存放你家的電腦吧！由於現在科技發展的日新月異，不僅僅是傳統電腦的發展，目前科學家正積極發展量子電腦，是一種依循量子物理的特性進行計算的計算機(computer)，不同於傳統電腦的限制，量子電腦的極快運算速度或許能讓某些難以解決的問題得到解答。儘管目前的量子電腦仍有許多困難需要被解決，但我們可以看到量子力學的應用或將讓我們當前的科技擁有再一次突破的巨大潛力。
除了上述提到的應用外，從日常3C產品、醫療雷射手術，到太陽產生能量的過程，甚至人類的嗅覺能力，其實都與量子力學有關。下次享受科技產品帶來的便利時，試著思考一下它們跟量子力學的關聯吧！
