大考中心物理科研究員／林家民 撰
化約主義
在自然科學裡面存在一個被稱為「化約主義」（Reductionism）的哲學想法，認為大的物質由小的物質所組成，小的物質由更小的物質所組成，例如我們有分子、原子、電子等等。化約主義的哲學家認為小的就是簡單的，就像每個棋子的規則雖然簡單，但整盤棋放在一起卻能產生極為複雜的棋局。同理，我們如果能夠知道組成物質的基本粒子的行為，理論上我們便能掌握所有物質世界的奧妙。所以研究基本粒子和其基本交互作用，就是在研究物理世界最基本的遊戲規則，亦即自然科學的基礎。我們在此姑且不論「化約主義」是否必然正確（在超弦理論（Superstring theory）中，「小的」東西，從數學上換個角度看，可能變成「大的」東西），但是之前我們提到過，當我們的研究越深入到基本粒子的世界時，發現這些比原子還小的小小世界的物質粒子，明顯地遵從不同的規律，這就是量子物理中的波粒二象性（wave-particle duality）和測不準原理(uncertainty principle)。我們在學習牛頓力學時，感覺一個運動中的物體，遵守著嚴格的規律。但是波動卻彷彿呼吸著自由的空氣，從任何一個波源，都想盡可能往四面八方擴散。
測不準原理
具有波粒二象性的基本粒子，遵循測不準原理。測不準原理告訴我們，你愈知道一個粒子在哪裡（位置Δx），就越不知道他將往何處衝去（動量Δp），這並不是因為我們的測量誤差或是儀器的解析度不夠，而是一個自然界的本質。數學上這可以表示成ΔxΔp≥h4π，其中h是普朗克常數。這是量子物理的一個基本原理。就像一個小孩（或大人！），如果要他乖乖待著，限制他的活動範圍（ Δx ），他便有一股想要衝破藩籬，追求自由的衝動（ Δp ）一樣。因為普朗克常數的量值（以日常生活的尺度為單位來看）非常小，所以波粒二象性在原子或更小的尺度中才會比較明顯。
波動的繞射
測不準原理這個奇妙的物理原理，感覺似乎距離我們熟悉的物理很遙遠，但其實包含了很多物理現象。例如水波的繞射。一個（向右）行進的水波，通過一個（上下方向的）單狹縫時，狹縫的寬度便是Δx，限制了波（在上下方向）的活動範圍，於是波便產生繞射，出現了（原本沒有的）上下方向的行進方向。測不準原理是一種波動的性質。
原子的穩定性
原子的結構是帶正電的原子核外面繞著帶負電的電子，那麼為什麼電子不會掉進原子核中呢？因為它像地球繞太陽一樣嗎？但是圓周運動的電子具有加速度，而具有加速度的電子會輻射出電磁波而喪失動能，最後將會掉進原子核。那為什麼原子是穩定的？因為測不準原理！電子如果要掉進原子核，我們將會知道它的位置（在靠近原子核那邊），但依照測不準原理，它會有個大的動量擾動，所以就會跑出來，所以電子可以和原子核保持距離，產生穩定的原子。還好如此，因為原子如果不穩定，人的身體也會分崩離析無法存活。
恆星的重力崩塌
當我們覺得一個東西是硬的，這個「硬」是從何而來呢？這跟測不準原理有關（實際上還跟「包利不相容原理」（Pauli exclusion principle）有關，這留待以後討論）。一個物體受壓時，組成此物體的物質活動範圍減少，而產生一個想往外衝的抵抗力。一顆恆星在燃料燃燒殆盡時，會受到自己的重力而開始崩塌，就像一隻擱淺的鯨魚會被自己的體重壓傷一樣。此時測不準原理也扮演著抵抗重力崩塌的角色。
真空妙有
測不準原理還可以理解成，小的時空尺度對應到大的能量，小尺度就是大能量，大能量就是小尺度。小尺度對應到很高的能量擾動，這被稱為量子擾動(quantum fluctuation)。愛因斯坦告訴我們質能互換，能量是可以創造物質的。以往人們以為真空是什麼東西都沒有，但其實什麼東西都沒有的真空是不存在的！如果我們能夠分析真空，看到很小很小的地方，我們會看到量子擾動使得物質在這當中生生滅滅，循環不息。真空並不是什麼都沒有，它更像是什麼都有！
宇宙的起源
我們的宇宙可能就是這樣經由量子擾動從無中生有的。
因為我們的宇宙在膨脹，時間往前回溯到創世的開始，現在可觀測到的宇宙在宇宙創生時，可能是比原子還要小很多的小不點。但這個「嬰兒宇宙」卻具備了很大的能量，足以產生大霹靂，最後造就了我們居住的宇宙。
