 
字體：小 中 大 |
|
|
|
| 2021/11/09 14:45:10瀏覽692｜回應0｜推薦0 | |
| 本文正在構思中，提出的問題是古典文學與量子文學之我思我見，解題的切入點是從掛勾/脫勾 和 同/不同調着手，數學與文學其實是一體之兩面，大簡至美才是硬道理，隨思之所至，如定，如定，，，呵呵
量子文學初步 一支紅杏出牆來的主觀犯意如果是為了解放空間，自然就會有砸牆派要讓掛勾/脫勾自然現象除罪化的想法。物以類聚，人以群分，這些是從巨觀觀察生物及非生物掛勾/脫勾現象的自然結果。從微觀量子化觀點來看原子粒子的行為，還得加上一個解放時間的主觀犯意軸座標才能觀其全貌。只是時空一體化這概念還容易了解（物體隨時間的運動永遠伴隨著空間的移動，兩者又像層層相疊的不織布），解放時間這概念可不是把所有的計時儀器全砸了那麼簡單，時間就是運動的各種自由度（移動，轉動，振動……）集大成之基本度量軸座標，只有到達絕對溫度0度K時，各種運動自由度才會消失，同時伴隨的空間也縮小至完全消失。奇怪的是這個絕對零度的溫度，在低溫實驗室是可以無窮接近它，卻永遠也無法達到的一個狀態。在量子觀點的解釋是永遠存在著一個Zero Point Energy最低零點能（接近零但非零值的一個無限小能量）的狀態，讓乾坤大挪移解放時空軸座標讓它完全消失，這事永遠不會發生，這好比從極高速運動的相反觀點來看，當物體接近光速時，時間座標軸本身的尺度會改變，質量也會增加，讓物體永遠也無法到達光速，也只能無限接近光速C。我不C/K,故我在。其實還有其它的宇宙基本耦合常數的存在數值讓人類得以存在，姑且不論。然而人類的想像力是18無限制級的，那麼有沒有可能有些物體的零點能真是零的？就算有，咱們目前也不懂的，就叫它是暗物質。 既然是談量子文學，主旨就是要發揮一己之直覺想像力讓它進行量子躍遷，不是要搞十八歲禁。天馬行空未嘗不可，然而放浪形駭脫韁野馬也非正道。物理小識天工開物是範本，還有個叫普郎克尺度的單位，就很適合用來做從極小到極大範圍的以微塵大千須彌芥子般的方式，從空無霹靂太初的普郎克時間與溫度，到對宇宙現象的描述與解釋，再透過量子隧穿收納宇宙回歸空無。 西方猶太人是宗教天才，以數學公理化的方式發明創造了上帝這概念，Fiat Lux (let there be light)是祂最大本事，開創了亮物質的宇宙（對應前段尾文提及的暗物質）。 然而電光石火還是鑽木取火，這星星之火不但足以燎原，更重要的是驗證了人人都可成為上帝，那怕是寒夜在暗房脫掉身上毛衣，也可見霹靂啪啦的上帝之火。火花或者煙花的產生，你其實已不知不覺的將電場與磁場耦合在一起（coupling），這兩者的耦合常數就叫光速C. 讀至此，你可能已經直覺到為何會叫咱們生活隨手可得的物質叫亮物質（具有零點能）了，因為這些物質也實在太容易讓電場與磁場耦合產生電磁波了（與此相對應的’假想態’不具有零點能的暗物質則恰恰相反，完全不具備任何電磁反應也不與電磁發生任何作用），鑽木取火靠的是摩擦生熱，熱也會產生落在紅外線範圍的以振動運動型式的電磁波，微波爐加熱則是以微波範圍的電磁波讓食物內水分子激烈轉動型式來快速加熱，至於火花或煙花則是落在可見光範圍的物質原子核外的外層電子能階躍遷所產生,X光則是內層電子能階躍遷所產生，伽瑪射線則是原子核內能階躍遷所產生。這些不同波長的電磁波構成了一個完整的電磁波能譜。 既然亮物質與電磁波的作用很強，幾乎可說是如影隨行無處不在，亮物質與電磁波兩者間常處於一個動態的平衡，這動態平衡與亮物質的溫度息息相關，黑體腔的實驗就是在度量釋放出的電磁波能譜與溫度的關係。人體也是如此，一天二十四小時隨時隨地的釋放出以紅外線能譜為主的電磁波，估計平均每天釋放出紅外能譜電磁波總能量約2000大卡，與人體新陳代謝也息息相關。宇宙自從大爆炸太初的高溫膨脹，慢慢冷卻至如今，也還有瀰漫時空屬於微波範圍的均溫度是3度K的背景輻射，當年一位微波通訊大型牛角天線工程師，誤以為是鴿子糞便落在天線上造成的雜訊，清潔完天線後這雜訊還是存在，百思不解，還好微波通訊天線是種發散角度很小，具有很好的方向性。他就調整微波天線的角度，朝向天穹的各個不同方向，發現這微波雜訊分佈的很均勻，具有均向性。最後才確定了來源自宇宙的3度k溫度產生的微波背景輻射。他也因此而得了諾貝爾物理獎。 當你舉手投足，動心起念時，人體也都一直在釋出相對應於體溫所產生的紅外能譜的電磁波，其中約20w是由人腦釋出（這能量除了紅外線也包含非電磁的純靜電位的腦波）。然而這些電磁波能譜和黑體腔實驗的電磁能譜一樣，在取樣光譜儀裡顯示出的波長分佈全都是連續的曲線。然而當你用光譜儀量測元素週期表裡的從氫原子等個別原子或是衍生出的複合分子時，會觀察到非連續的線狀的能譜分佈，像指紋般每個不同的原子有它特定的線狀光譜分佈。這就是量子學說的起源。原子是由原子核與核外的電子所組成，然而這些核外電子只能在特定的像梯子般的固定能階上繞著原子核運動（嚴格說是非等間隔的梯子，越底層間隔越大，越上層間隔越小，而且這梯子更像是球狀的層層相疊的非等距俄羅斯娃娃，最內層是原子核），環繞著原子核運動。其實原子核內也存在著這些梯狀能階，姑且不論。 這些類似球狀俄羅斯娃娃般的原子核，就被一層層球狀殼層Shell表面上進行環繞運動的電子所包圍。這有點像是過去馬戲團在表演圓球狀的鐵籠子裡騎機車繞行，不過是有著很多層的圓球狀鐵籠子，而每層鐵籠子只容許兩輛機車繞行。最外層的帶負電荷電子很容易脫離帶正電荷的原子核內的質子所產生的電場吸力，越內層則越困難脫離。一旦脫離原子核的電場，我們就叫這些電子為自由電子，而無論是在殼內層做球狀運動還是殼外的自由電子都是類似陀螺儀般（但不完全一樣無法做等同類比）會自旋的。事實上每種粒子包括光子與原子核也都會自旋，這是微小粒子本身具有的內凜性質（intrinsic property），依照極強調邏輯嚴瑾性思維很敏銳Sharp的猶太裔物理學家包利，絞盡腦汁觀察分析綜合實驗數據後的分類，將自旋不同的粒子分為費米子（電子，中子，質子，中微子等等自旋1/2 波涵數有反對稱性斥力，具建構出空間能力的粒子）與波色子（光子，介子，膠子等等自旋為1，波涵數具對稱性吸力其作用類似三秒膠或快乾水泥，將費米子團結起來一起建構出空間），自旋也是量子理論的核心基礎。 小故事一則：費米是楊振寧在芝加哥大學唸博士時的老師（楊的指導教授其實是Edward Teller,李政道的指導教授才是費米，這裡講的老師是指給楊上過課），楊振寧當年取得博士學位後，在紐約州布魯克海文國家實驗室做訪問研究，收到二戰曼哈頓計劃主持人，後來到普林斯頓高等研究院擔任院長的奧本海默邀約，到普林斯頓高等研院應徵助理研究員職位給一個talk（其實只是個形式，早已決定聘請楊），普林斯頓高等研究院當時有愛因斯坦，包利，哥德爾等全聚居於此。包利打斷楊的演講提出一個問題讓楊下不了台，還好奧本海默出面打圓場。據楊振寧說事後包利還是找了楊，告訴楊演講內容很棒。 除非自由電子是處於真空的環境，否則這些個自由電子很容易又會被原子核的電場所捕獲而再落入原子核外的能階並釋放出光子。也會吸收了一個光子的能量而躍遷至更高層的能階。你可能會問如果原子核本身具放射性，發生衰變而成為另外一核種時，這些層層相疊的電子殼層Shell會怎樣？ 咱們就從一個簡單的核反應談起，非放射性的氦三Helium-3吸收一個熱中子（室溫平衡態的中子,其均能約0.025ev）發生核反應，產物為氚Tritium與高能質子（數百萬Mev）。好玩的是氚本身是放射性物質，進行自然衰變半衰期約12.5年，衰變時會放出數Kev的電子後，又變成氦三，兩者構成了一個循環。曾經美國NASA提供經費進行的研究，就是利用氦三與氚這個循環，使用核能來做為激光的激發能源。 首先咱們須要再進行一次想像力的量子躍遷，原子是由球狀殼層的電子環繞著原子核運動所組成。然而原子核本身卻未必也是球狀堅硬固體，就像地球內部的鐵核心，許多實驗證據顯示地心鐵核事實上是具有結構的液體。咱們須要先建立起一個原子核的模型，原子核本身就好比是地心的最內核，並不存在著核中還有核，實驗結果原子核的有些性質像液滴Liquid drop,卻又顯示原子核也具有殼層的結構。咱們想像力量子躍遷就叫原子核模型為Liquid drop shell model液滴殼層模型，這模型是個Hybrid將液滴與殼層兩模型進行Chimera式的嵌入混種。為幫大家了解具殼層結構的液滴這概念，一個不等同的類比就是可燃冰的結構，一個由個別水分子H2O構成的水籠子（類似馬戲團鐵籠子裡機車表演），裡邊被保護著若干個甲烷分子CH4。水籠子有不同大小，包覆不同數量的甲烷，用火點燃時甲烷會從水籠子逃脫，進行燃燒反應。或者像阿諾主演的Terminator 2,那個由液態金屬組成的變形殺手。 當氦三吸收一個中子後（這裡的中子是使用啟動核分裂反應堆的中子源，一般是位在核反應堆的底部，它的功能類似汽車或者機車的啟動馬達，只是用來啟動核反應堆，一旦核反應堆啟動後到達臨界態，就可以自我產生足夠中子維持持續運作，而無須中子源了），中子因為沒帶電荷，可以輕易進入原子核內，可以想像原子核像是個水滴，中子進入與核內後與原有的兩個質子與一個中子會進行核力交換(又叫夸克強交互作用的殘留作用，這是種原子核內部質子中子的主要作用力，將質子與中子束縛形成穩定的原子核，也是核裂變與核聚變時產生的能量來源），帶有兩個質子兩個中子的水滴會被激發至較高殼層並迅速產生形變（這種液滴形變有多種模式，振動式的延伸，轉動式或者扭動式的形變等等），這個高激發殼層的形變是不穩定的狀態。結果一個帶正電荷的高能量質子會從形變的原子核液滴釋放出來，原子核內剩下一個質子與兩個中子，核種已蛻變為氚原子核。這氚核種因為釋放出高能質子，依能量與動量守衡，氚核本身也會帶反跳的動能。然而氚核種屬非穩定態核種（穩定核種是由魔術數字magic number決定），質子內部是由強交互作用的基本粒子夸克透過強作用力組成，是非常穩定的核種。而中子並不穩定會衰變，特別是自由中子半衰期僅十幾分鐘，會進行貝他衰變成為穩定態質子。氚核裡其中的一個中子，會進行貝他衰變而放出數Kev的電子與中微子。半衰期約12.5年，衰變後又蛻變回到原來的氦三，兩者構成一個循環。貝他衰變剛被發現時，其實很困惑物理學家，他們當時無法了解為何原子核內會放出電子。 最早期物理學者（Ruthurford 盧瑟福）認為，可能是原子核內的一部份質子與電子形成很弱的結合，而呈現電中性（中子）的質子，也就是原子核是由兩種質子所組成，一種帶正電荷，另外一種因與電子微弱結合呈現電中性。而電子的來源可能是原子核外的電子殼層。但是電子殼層電子受到零點能所限制，是無法塌陷落入原子核內的，這是量子力學的基礎海森堡不確定性原理的規範。 不確定性原理是說咱們做實驗觀察時，必須用光才能看的到，但是當我們用光來看微小的粒子例如電子時，短波長的光像是粒子稱為光子，光子本身具有的線性動量，足以改變電子的方向（動量是向量），所以我們可以用高能短波長的光來精確度量電子位置時，卻無法同時精確度量其動量。如果改用紅外線等長波長的光來觀察電子，低能量長波長的光性質比較像波，例如熔融的玻璃放出的紅外光，你用棒子攪一攪熱液般玻璃，就會看到紅外光跟著熱對流被攪動，或者飛機引擎在停機坪放出的熱氣（紅外光），隨著氣流的熱對流而攪動。用紅外光來觀察電子，動量可以被精準度量，位置卻會波動而無法同時被精準度量。進一步演繹出不只用來觀察的光具有波粒二象性，會影響觀察結果，被觀察的電子本身也有波粒二象性，如果你用電子顯微鏡來觀察微小物質，也會發現電子的波粒二象性。波粒二象性其實是所有物質的本質，可以用de Broglie德布羅意的物質波公式表示。進一步深入探討不確定性與波粒二象性，演生出了對應原理，互補原理和量子糾纏等領域。從數學來看，這涉及普遍存在的對偶關係（duality）。 然而既然存在著不確定性，是否可能存在一個量子隧穿Quantum Tunneling的fluctuation， 讓原子核外殼層最近原子核的內殼層電子電子透過這個偶然中的偶而穿透零點能限制的通道，進入原子核內？ 答案是會的，自由電子比較像是水滴狀的顆粒或許可稱為點狀電子（例如電子示波器裡的電子束），然而原子裡受束縛的電子，其實更像是圍繞著原子核的帶著負電荷的一團迷霧（局部化的波函數）我們可以叫它霧狀電子，事實上這團負電荷迷霧的靜態分佈最集中在原子核的正中心（指基態原子最內層的電子），雖然如此然而除非原子核內有多餘帶正電荷的質子，才比較有機會，將這群負電荷的迷霧收納為與質子同在的共同體（中子）。否則電子迷霧與核子間毫無作用（**電子不會與強作用力起任何作用，但是會與弱作用力及電磁力起作用）。 咱們是搞量子文學，所以風雅頌，賦比興全是咱們的手法，咱們須要先整理下思緒：量子柔似水（氣態，液態，固態），簡單講：自由電子像粒帶負電小水滴（液態），經過原子化後（原子化代表束縛態，自由電子會由點狀，化為一縷霧狀），先化為被束縛聚焦在原子核中心的帶負電一團迷霧probability density function（靜止氣態迷霧，原子核心機率最大，對電子而言原子核液滴殼層模型產生的位能相當於黑洞式的量子位能稱為黑洞能階，它是一種短程強作用力，其作用範圍僅10^-15m 一個femtometer，還好電子是帶有動能，不受強作用力影響多數是位於黑洞能階的上層，不至於落入黑洞的無底深淵，否則空間恐將消失無影蹤。會影響電子的是另外一種短程核力稱為弱交互作用，其有效範圍僅10^-18m 約一個attometer），後經過球狀吐煙圈式的散播後（動態徑向分佈:是靜態般分佈乘以球面積 4 × pi × r^2 後的結果，原子核心機率因為核心位置r很小球面積很小，相乘後位於核心的機率分佈反而變很小），成為球狀煙圈殼層的分佈radial probability distribution function，這樣就與我們先前講的原子球狀殼層的模型達成了自洽，self-consistance. 現在我們可以一組量子數描述電子在原子殼層的狀態：n 主量子數，用來描述靜態位能，l 殼層動態分佈角動量子數，球狀煙圈般的圓周角動量動態分佈，會產生三個圓周運動的角動量軸向分量Lx,Ly,Lz（球狀煙圈式圓周分佈運動產生的角動量量子分佈，與不確定性原理的一個類比，因為圓周的直徑與圓周長之比pi是無理數，所以圓周長與直徑，永遠無法同時被精確度量）。磁量子數 m 指在外加磁場下，殼層動態分佈角動量量子數在磁場外加能量下，能階會進行量子化分裂的狀態。s自旋量子數1/2（費米子），描述電子內凛性質。 那麼電子到底有多大？這問題恐怕可以問倒一堆物理學家，首先我們已經知道質子的半徑約~1fm （0.87×10^-15m）,中子半徑只比質子稍微大一點點。電子半徑的估計值從3fm到10×10^-21m（10zeptometer）都有，一般是以不確定性原理的估計值10^-18m （attometer）. 那麼如果電子自旋是1（玻色子），我們熟知的元素週期表，會變成啥樣子？這其實是送分題，那表示包利互斥原理不適用於電子，所有不同原子核種的電子都將像粘蒼蠅紙上的蒼蠅，superposition在1s殼層，只是電子數目不同。我們所知的化學將不復存在。理由是化學變化就是電子分佈在不同殼層（特別是最外層殼層）的變化，當電子是玻色子時，不同核種的電子數目雖然不同，然而分佈的殼層全在1s，最穩定的最低能階。就算使用外部能源去激發1s電子至激發態，它也會很快的回到最低能階穩定態，頂多會形成高激發暫穩態,例如Ryderberg Atoms（當形成n=250的高激發態雷得堡原子時，其大小約3.3um與一般細菌大小相當，它會比較像古典力學粒子的行為，類似玻色子）的物質。其他像生命體或半生命體的病毒全都不復存在。 回到這球狀煙圈的電子迷霧，可再經質子收納成中子的一部份（固態)。而量子隧穿就像是迷霧裡的鬼打牆，有人大喊一聲Eureka!，你就腦洞大開找到了出口。這也有點像你猛然撞向一面牆，被牆強力反彈，然而你體溫及撞牆造成牆溫度微小變化所釋放的紅外線影像，卻能被牆後的熱影像儀捕捉到。 早在1930年代，人們就發現了這種原子核能夠捕獲最內殼層電子的現象，有一些原子核內質子捕獲電子後，蛻變為中子並釋放出一個中微子，轉變為另一核種。而原子核外的電子殼層，最內殼層電子跑到原子核內後形成電洞，緊鄰的外殼層能階電子可藉由放出X-光子，降層至最內殼層。還存在另一可能，不放出光子，而是直接將能量傳遞給最外殼層電子，而將最外層層電子釋放出，這叫Auger electron奧杰電子。 雖然這種原子核外電子透過量子隧穿進入原子核內，而被質子捕獲的元素在週期表裡並不多見，然而這種現象其實也是不穩定原子核進行衰變的一種，被稱為反向貝他衰變（非逆向貝他衰變）。 而量子隧穿最早其實是用來解釋原子核進行放射性衰變的主要機制：釋放出阿發粒子，貝他電子，伽瑪光子等，這些比較常見的現象。而半衰期這個巨觀的量測數值其實代表的是微觀的量子隧穿的機率。量子隧穿不僅被用來解釋屬於弱交互作用的核衰變，也被用來解釋屬於強交互作用的質子衰變。甚至於用來決定目前這種以電子遷移的半導體，能做到的critical dimension CD 最小最薄線寬的極限。利用量子隧穿也能進行在高真空中對單一原子或單一分子的操控。使用量子隧穿原理的非古典半導體其CD線寬將更小，甚至於製作出僅須操控單一電子的量子效應半導体元件。 在進入原子核內的領域前，有必要再整理一下原子核外電子的一些特性，首先是殼層能階與光譜關係，凡是30nm以內的光譜其對應的都是較內層的殼層能階，例如荷蘭ASML 13.5nm EUV光刻機裡，所使用的美國Cymer Inc.（已經被ASML併購）的脈衝激光激發錫Tin（週期表命名Sn）微液滴所放出的13.5nm就是來自4d 4f殼層電子被激發後放出的強光。一般激光實驗室裡都有的Nd:Yag脈衝激光都可以輕易產生這13.5nm的極紫外光。然而半導體業要考慮產率與良率，一般會改用Mhz脈衝率的二氧化碳激光來進行激發,激發使用的是RF功率功應器。EUV光源進入真空罩裡進行線路模板投影（Reticle projection），與全反射式鏡面的反向顯微縮影，將線路圖一步步一塊塊印製在塗滿感光顯影劑的晶圓上，基本上就是EUV光刻機台的基本架構。 而10nm~200nm的紫外光又稱為真空紫外光Vacuum UV,必須置於真空的環境裡，因為會與幾乎任何物質起作用，特別是氧氣。10nm以下是屬於X光波長範圍，通常是由最內殼層的1s或2S等釋出。某些元素的最內層電子經過有多餘質子的原子核中心時，雖然不會墬入原子核內，但會受接近質子時強大電磁作用影響，偏離原殼層速度減慢，而放出減速X光braking X Ray.而超過30nm以上至可見光的光譜範圍多數使來自於外殼層能階放出的光，例如放煙火放出姹紫嫣紅的可見光都是由外殼層電子躍遷所放出的光。 那麼自由電子會不會放光？自由電子同步輻射加速器事實上就是用來做光源使用，主要是利用電子減速放光原理。另外自由電子激光也是很好的光源。 Richard Feynman曾經說過一句名言：There are lots of stuffs down under.咱們目前還僅僅觸及內層與外層電子而已，就已經發覺電子（費米子）華麗化身，變身為波色子光源的點子，就像一切有為法，如霧亦如電，緣起緣滅，如夢幻泡影,應作如是觀。咱們還完全沒觸及費米子作為新空間材料與波色子作為緣起緣滅三秒膠，為一枝紅杏解放空間，出牆來解放全人類！將一切鋼骨水泥築成的高牆高樓水泥森林，全部打倒！咱們也只淺嚐點到為止，點子電子可透過量子隧穿，打倒台積電的點子而已。 楊振寧在芝加哥大學的指導教授Edward Teller也曾經提出了一個點子，為了這個點子美國Los Alamos國家實驗室曾經在內華達州靠近賭城拉斯維加斯北95號公路的核試爆地下實驗場，進行了上千次的小型地下核試爆，專門就是為了收集電點子在核變時went haywire的數據，如何再度雍容轉身，化作為X激光，與捕捉那如夢似幻的Gamma激光的可能機制，並透過超級電腦進行分析與模擬。目前Los Alamos僅成功的應用在可調核當量得B-61小型核武，Edward Teller的電點子量子隧穿路線圖，尚未被發現。咱們量子文學的革命大業，也尚在初試啼聲而已。 而上帝這概念被宗教天才猶太人公理化後，也是個數學概念。而Godel證明了數系如果是自洽的，它就不可能是個能演繹出全部定理的完備系統，反之亦然。這種不確定性，讓想藉由Hilbert空間完整描述所有量子態，成為泡影。然而咱們量子文學卻可藉由上帝概念的不完備性，化身為愛因斯坦的隱身變術，漫游數學物理與文學，悠遊其間而游刃有餘。 貝他衰變的費米作用模型Fermi interaction,則是認為它是一種原子核內的核子間核力作用的結果。 |
|
| ( 不分類｜不分類 ) |
