納米尺度以下的世界是如何呢?進一步進入更微觀的原子世界內,科學家藉由量子物理,推導出多重世界存在的可能性,讓人們對於物質的組成、微觀空間的真相感到更加好奇……

在納米科技進入生活之際,試想納米尺度以下的微觀世界是如何呢?遠在希臘時代,哲學家德謨克利特就提出世界是由一種基本粒子組成的概念,他稱這種基本粒子為原子,現代科學即沿用他當時提出的名詞。

納米的尺度為10-9米,這個尺度約為一般原子半徑的十倍,也就是說納米技術的儀器工具,可以觀察物體表面的納米尺度結構,但對於更微觀的原子尺度,仍須採用其它研究方法。

經常有人誤以為原子力顯微鏡即可對原子進行觀測,然而實際上,原子力顯微鏡最佳解析度約為0.1納米,與原子直徑差不多,最多僅能對原子的外觀輪廓做觀測。而原子內部的結構又呈現出巨大的空洞,僅有原子核區域有較大的質量存在,要用現有的儀器原理進行觀察,可說是非常困難。

當尺度更縮小至原子的內部空間結構,目前尚未有任何儀器可以觀察其實際的構造,而是採用粒子撞擊的方式,根據撞擊結果,間接推測其內部狀態。一般認為,原子核集中於原子的中心,由質子和中子構成,質量幾乎等於整個原子的質量。而電子則分佈於原子核之外,質量非常小,運行軌道則以機率的方式分佈於原子核以外的區域。

物理學家的研究

受限於實驗手段與儀器,物理學家難以窺測微觀世界的實際情況,因此現有對小於原子尺寸的微觀空間的模型,都是在現有實驗數據基礎上進行的理論推測,並不能百分之百肯定,也不能保證其正確性。

二十世紀早期的研究指出,原子內部有質子、中子、電子等基本粒子。到了近期則發現,質子、中子其實也不是最基本粒子,而是由更小的夸克(quark)所組成的,電子則屬於輕子(lepton)的一種。而在比質子更微觀的尺度中,粒子則不僅僅有夸克、輕子等物質性粒子,還有能量性的粒子,稱之為玻色子(bosons)。玻色子又分為膠子、光子、W及Z玻色子、引力子等。(引力子尚未被發現,為假設性粒子)。

那麼比夸克和玻色子更小、更微觀的粒子存不存在呢?是有可能存在的。但已遠遠超出現有研究方法可偵測的範圍了,以實證的手段是很難進行研究的。

對微觀粒子的研究除了幫助人類了解物質的組成之外,由於微觀粒子具有異於宏觀粒子的特殊物理現象(量子效應),從而打開了另一道研究之門。

超弦理論的多維時空觀

在研究微觀粒子時,為了圓滿的解釋一些微觀世界的物理現象,科學家提出「超弦理論」,這個1970年代提出的理論,從數學上推論宇宙應具有多維空間,比如十維、十一維或二十六維空間,甚至還有人提出宇宙具有無窮維度的空間。

這麼多維度的空間,人類只能觸及與觀察到目前生活中的四維(三維空間加上一維時間)時空,其餘的空間維度都蜷縮在比原子還小很多的極微觀尺度當中,因此人類難以察覺。也就是說,在原子以下的微觀空間中還存在著人類所接觸不到的許多空間。

多世界理論

「多世界理論」認為,每一個人都同時存在於不同的空間中,即使我們自己意識不到這一點。(Getty Images)
「多世界理論」認為,每一個人都同時存在於不同的空間中,即使我們自己意識不到這一點。(Getty Images)

科學家在研究微觀的量子行為時驚訝的發現,諸如質子、電子等微觀粒子,都有一個奇怪的性質:在同一個時刻,它可以既在這裏又在那裏,也就是說一個微觀粒子同時存在於空間中的許多位置上,就像它們有分身術一樣。但是當我們真正去觀測它時,卻又只能在一個位置上找到它。

顯然,微觀世界的物理原理與我們日常生活的經驗有很大的差異。科學家嘗試提出許多理論來解釋這個現象,但都難以自圓其說。直到1950年代,「多世界理論」(many worlds theory)的出現,似乎才比較圓滿的解釋了這個現象。

多世界理論認為,這個宇宙中,並不僅僅只有我們看得到的這個世界。實際上宇宙中存在著無限多個世界,我們這個世界的空間中有多少個位置,就有多少個另外的世界存在。

而在這些世界的每一個當中,微觀粒子都有一個確定的位置,所以看起來就像是粒子在我們這個世界的每一個位置上都存在一樣。我們每做一次測量,就是從這無限多個世界中選擇出一個世界,粒子在那個世界中的位置就是我們測量到的位置。

對「多世界理論」有深入研究的英國牛津大學德伊池教授(David Deutsch)進一步認為:「量子力學的多世界理論不僅適用於微觀世界,而且適用於宏觀世界的每一個層面。」因為所有的宏觀物體,包括我們自己都是由這些微觀粒子構成的,既然在微觀領域,有無數的實驗證實了量子力學的可靠性,那麼在宏觀領域,它也同樣應該適用。

德伊池教授說,我們每一個人也都同時存在於不同的空間中,即使我們自己意識不到這一點。實際上不僅是每一個人,包括這個地球,都有無數的「分身」,他們同時存在於無數宏大的世界中,在每一個世界中都有其特定的演變形式,所以單一世界的概念實際上是錯誤的。(參閱莫心海,科學家談「多世界」的存在,http://big5.zhengjian.org/articles/2002/9/19/18581.html)

納米科技的發展讓科學界了解微觀物質的物理與化學特性與宏觀世界有顯著的差異,納米粒子與宏觀粒子的特性有顯著差異,自然界中,也存在著種種納米現象,讓人們對生命的奧妙感到驚嘆不已。

而進一步進入更微觀的原子世界內,「量子」效應顯現的特殊物理現象,對於人類則是更未知的領域。奇妙的是,科學家藉由量子物理,推導出多重世界存在的可能性,讓人們對於物質的組成、微觀空間的真相感到更加好奇。期盼在未來,我們能找到真正的答案。◇