量子電腦 Quantum Computing

量子力學是二十世紀初發展起來與相對論力學並列的兩大近代物理理論之一。量子力學描述原子世界的物理特性，而相對論力學則描述高速（接近光速）粒子的物理現象，二十世紀物理科學完全建立在這兩大理論上。它們為人類認識自然界──從小至構成物質最基本的夸克到大至整個宇宙的產生及演變──奠定了基礎，而量子力學對過去半個世紀的工業技術發展也發揮了不可忽視的作用。從半導體技術的發展，各種新材料的發現到最近奈米技術的產生，無一不是以量子力學為其基石。 

如果說二十世紀是電子技術的全盛時期，則二十一世紀將會是量子技術創造成果的世紀。然而，當前支配高科技發展的資訊處理及電腦運算仍以古典物理法則為基礎。毫無疑問，資訊科學的進一步發展必須借助於量子力學的原理和方法，而量子力學究竟會對資訊處理和電腦運算速度產生什麼樣的影響呢？ 

直觀地想像，電腦和各種數位影音設備能展現如此複雜的影像世界和動聽的音樂，其內部資訊處理一定非常複雜。但事實上，在電腦及數位器材內構成各種資訊的基本單位─位元，卻極為簡單，是用二進位制中的０和１表示。所有的信號都是由０與１來組成、儲存、運算及傳遞。物理上，位元是用一個實際物理系統來實現。以開關為例，「關」代表０，「開」代表１；也可以用光纖中的光脈衝，磁帶中的磁化性質等來實現。在傳統的電腦裡，０與１是由電位的高低來表示，這種用傳統位元存儲和處理資訊的手法稱為古典資訊。如果我們用量子力學中光子的兩個極化狀態，或電子、核子自旋的兩個自旋狀態，或原子的基態和激發態來實現資訊中０與１的兩個狀態（記為│0＞ 和│1＞），這樣的位元稱為量子位元，用量子位元來存儲和處理資訊，則稱為量子資訊。 

波爾與愛因斯坦的分歧

愛因斯坦所認為的量子力學，和以波爾為首的哥本哈根詮釋有不同。

簡單來說，波爾那派的想法，是比較屬於"機率"、"不確定的"；而愛因斯坦的想法顯然和他們有分歧。

以量子糾纏來講，波爾所支持的，像是2個紅藍兩色的羅盤，當一個指向紅，另一個必會指向藍，即使兩者距離極遙遠。更大膽的說法是，這兩者間有著特殊的關係，比如說對一個粒子的測量，可以導致整個系統的波包立刻塌縮，因此也影響到另一個、遙遠的、與被測量的粒子糾纏的粒子，也就是愛因斯坦所說的"超距幽靈作用"，但他卻不支持這樣的說法。愛因斯坦的想法比較像是把一雙手套左右手分別放進不同箱子，並拿到不同地方(距離多遠都可)，當你打開其中一個(若是右手)，那你必會知道另一個裡頭裝的是甚麼(就是左手啦!)，愛因斯坦的結論就是，在你去觀察這個糾纏現象時，他們早就已經決定了彼此的關係，更不可能有甚麼"超距幽靈作用"。

愛因斯坦也為此說了一句很有名的話：「上帝不玩弄骰子」

但波爾也反駁說 ： 「別再告訴我上帝該怎麼做了!」

在日後的實驗中，似乎證明了愛因斯坦的想法(他認為構成自然世界的粒子，不應該是建立在機率以及不確定上)可能是錯的。例如有名的"'雙縫實驗"。

在這個實驗中，我們無法預側，在什麼時刻，在偵測屏的什麼位置，會有一個粒子抵達。這麼一個無可爭議的結果，是經過多次重複地實驗而得到的。同時也給予了科學家極大的困惑。因為粒子抵達順序的無法預測，意味著沒有任何原由，而發生的事件，這是科學家非常不願意接受的事實。

目前，我們只能算出粒子發射後，所落在哪個位置的機率是多少。

這也是德國物理學家海森堡於1927年所提出的"不確定性原理（Heisenbergyuncertaintyprinciple）"，具體指在一個量子力學系統中，一個粒子位置和其動量不可被同時確定。

(圖片來自維基百科)

圖 (11) ，經過一段時間，電子的累積顯示出干涉圖案

(以上為本人整理及解釋，如有誤或有問題，歡迎提供寶貴意見)

補充(引述自維基百科)

哥本哈根詮釋包含了幾個重要的點子。

1. 一個量子系統的量子態可以用波函數來完全地表述。波函數代表一個觀察者對於量子系統所知道的全部資訊。
2. 基本上，量子系統的描述是機率的。一個事件的機率是波函數的絕對值平方。（馬克斯·玻恩）
3. 不確定性原理闡明，在量子系統裏，一個粒子的位置和動量無法同時被確定。（海森堡）
4. 由於物質具有波粒二象性，根據互補原理（Complementarity principle），一個實驗可以展示出物質的粒子行為，或波動行為；但不能同時展示出兩種行為。（尼爾斯·波耳）
5. 測量儀器是經典儀器，只能測量經典性質，像位置，動量等等。
6. 對應原理：大尺度宏觀系統的量子物理行為應該近似於經典行為。（尼爾斯·波耳與海森堡）

何謂量子力學?

量子力學（英語：Quantum Mechanics，或稱量子論）是描寫微觀物質 （原子，亞原子粒子）行為的物理學理論 ，與相對論一起被認為是現代物理學的兩大基本支柱，許多物理學理論和科學如原子物理學、固體物理學、核物理學和粒子物理學以及其它相關的學科都是以量子力學為基礎。

簡單來說，量子力學是我們理解除萬有引力之外的所有基本力（強交互作用，電磁交互作用，弱交互作用，引力交互作用）的基礎。

19世紀末，古典力學和古典電動力學在描述微觀系統時的不足越來越明顯。量子力學是在20世紀初由馬克斯·普朗克、尼爾斯·波耳、沃納·海森堡、埃爾溫·薛丁格、沃爾夫岡·包立、路易·德布羅意、馬克斯·玻恩、恩里科·費米、保羅·狄拉克等一大批物理學家共同創立的。 因其成功的解釋了古典力學無法解釋的實驗現象，並精確地預言了此後的一些發現，物理學界開始廣泛接受這個新理論。量子力學早期的一個主要成就是成功地解釋了波粒二象性，此術語源於亞原子粒子同時表現出粒子和波的特性 。除通過廣義相對論描寫的引力外，至今所有其它物理基本交互作用均可以在量子力學的框架內描寫（量子場論），比如微觀領域（原子或亞原子），高能或低能狀態以及超低溫狀態。

"我在MIT燃燒物理魂"---Walter Lewin

離心力是真是假?

離心力(centrifugal force)  一個旋轉或繞轉物體明顯的向外拉力。從某種意義來說，它是虛擬力。它不是交互作用的一部分，而是由於運動中的物體傾向於保持直線運動而產生的。
(引述自休伊特的觀念物理2)

圓周運動是因指向中心的力所造成的，也就是向心力。
相對轉動的非慣性系中的物體，所受向心力與離心力大小，與作圓周運動物體的質量m、切線速度v和曲率半徑r有關，其關係式為F=mv² /r 。
但離心力是轉動的效應，它不是交互作用中的一部分，所以不能算是真正的力，所以物理學家將它歸為虛擬力，有別於一般的接觸力與超距力。

一般常誤解的是，是"離心力"把正在作圓周運動的物體拉離圓週軌道，但必非如此。假設用繩子綁著一顆球，甩動繩子使球開始做圓周運動，(唯一作用在球上的力，是來自繩子把球向內拉的力，而向外的力，是作用在繩子上，而不是在球上)，當繩子斷裂時，球會沿圓周的切線方向直線飛出，已經沒有任何力在作用了，而是因為"慣性"，讓物體維持直線運動的頃向。












(畫力圖，可以很簡單的說明一切^^)



想像你現在坐在車上，又忘了繫安全帶，你瘋狂的司機突然向右來個急轉彎(像我哥就常做這種事)，你可能就會撞到左邊的門(我試過，很痛)。這並不是因為甚麼某個向外的離心力，反而是因為沒有甚麼向心力能讓你跟著車子一起做圓周運動，所造成的。

下次和你朋友手拉手轉圈(我常常玩這個遊戲)，你朋友突然把手放開，你被甩出去，而你朋友說是因為離心力的關係，這時候你就可以大膽的指正他囉!:P




(寫於2012.5.26)

THE UNIVERSE - Beyond the Big Bang

(來自國家地理頻道)

大爆炸是描述宇宙誕生初始條件及其後續演化的宇宙學模型，這一模型得到了當今科學研究和觀測最廣泛且最精確的支持^[1][2]。宇宙學家通常所指的大爆炸觀點為：宇宙是在過去有限的時間之前，由一個密度極大且溫度極高的太初狀態演變而來的（根據2010年所得到的最佳觀測結果，這些初始狀態大約存在於133億年至139億年前^[3][4]），並經過不斷的膨脹到達今天的狀態。

比利時神父、物理學家喬治·勒梅特首先提出了關於宇宙起源的大爆炸理論，但他本人將其稱作「原生原子的假說」。這一模型的框架基於愛因斯坦的廣義相對論，又在場方程式的求解上作出了一定的簡化（例如空間的均勻和各向同性）。1922年，蘇聯物理學家亞歷山大·弗里德曼用廣義相對論描述了流體，從而給出了這一模型的場方程式。1929年，美國物理學家埃德溫·哈柏通過觀測發現，從地球到達遙遠星系的距離正比於這些星系的紅移，從而推導出膨脹宇宙的觀點。1927年時勒梅特通過求解弗里德曼方程式已經在理論上提出了同樣的觀點，這個解後來被稱作弗里德曼－勒梅特－羅伯遜－沃爾克度規。哈柏的觀測表明，所有遙遠的星系和星團在視線速度上都在遠離我們這一觀察點，並且距離越遠退行視速度越大^[5]。如果當前星系和星團間彼此的距離在不斷增大，則說明它們在過去曾經距離很近。從這一觀點物理學家進一步推測：在過去宇宙曾經處於一個密度極高且溫度極高的狀態^[6][7][8]，大型粒子加速器在類似條件下所進行的實驗結果則有力地支持了這一理論。然而，由於當前技術原因，粒子加速器所能達到的高能範圍還十分有限，因而到目前為止，還沒有證據能夠直接或間接描述膨脹初始的極短時間內的宇宙狀態。從而，大爆炸理論還無法對宇宙的初始狀態作出任何描述和解釋，事實上它所能描述並解釋的是宇宙在初始狀態之後的演化圖景。當前所觀測到的宇宙中輕元素的丰度，和理論所預言的宇宙早期快速膨脹並冷卻過程中，最初的幾分鐘內通過核反應所形成的這些元素的理論丰度值非常接近，定性並定量描述宇宙早期形成的輕元素丰度的理論被稱作太初核合成。

大爆炸一詞首先是由英國天文學家弗雷德·霍伊爾所採用的。霍伊爾是與大爆炸對立的宇宙學模型——穩恆態理論的倡導者，他在1949年3月BBC的一次廣播節目中將勒梅特等人的理論稱作「這個大爆炸的觀點」。雖然有很多通俗軼事記錄霍伊爾這樣講是出於諷刺，但霍伊爾本人明確否認了這一點，他聲稱這只是為了著重說明這兩個模型的顯著不同之處^[9][10][11]。霍伊爾後來為恆星核合成的研究做出了重要貢獻，這是恆星內部通過核反應利用輕元素製造出某些重元素的途徑。1964年發現的宇宙微波背景輻射是支持大爆炸確實發生的重要證據，特別是當測得其頻譜從而繪製出它的黑體輻射曲線之後，大多數科學家都開始相信大爆炸理論了。

(詳細請見http://zh.wikipedia.org/wiki/%E5%A4%A7%E7%88%86%E7%82%B8#.E5.8A.A8.E6.9C.BA.E5.92.8C.E5.8F.91.E5.B1.95)

科學想知道什麼？

堆積如山的事實，反而會掩蓋更深層的問題。

撰文／菲爾史坦（Stuart Firestein）
翻譯／涂可欣

多數學者都同意：1600年代末期，一邊計算力學與重力定律、一邊發明微積分的牛頓，對當時所有科學都瞭若指掌。在接下來350年，約有5000萬篇研究論文發表，無數自然與數學書籍出版，現在高中生知道的科學知識恐怕還比牛頓還多，然而對許多人來說，科學看來只是堆積如山的事實。

科學家應付這座知識山的一個辦法，是分科越來越精細，但成效卻有限。我是生物學家，當我讀一篇物理論文時，我猜我大概看完頭兩句就不行了；免疫學、細胞生物學或甚至我自己領域的神經生物學論文，有時讀來都還真玄奧，我專精的領域似乎一天比一天窄小。科學家只好使用另一個策略：對這龐大的資訊大多視而不見。

這應該不會太讓人驚訝吧！當然，你必須要學識淵博才能成為科學家，但學識淵博並不一定能造就一名科學家，要成為科學家的條件是無知。這話聽起來好像有些荒謬，但對科學家來說，事實只是個起點，如同劇作家蕭伯納在某個晚宴上向愛因斯坦舉杯敬酒時諷刺的宣告，在科學範疇裡，每個新發現都會再引出10個新問題。

按照這算法，無知增加的速度永遠超越知識累積的速度，科學家和一般人都會同意：我們所知道的遠不及不知道的。更重要的是，我們每天都知道自己不懂的東西越來越多。科學知識的重要成果之一，就是產生較佳、較新的無知方法。這裡所說的無知不是指缺乏好奇心或教育，而是一種經過琢磨的高品質無知。這就帶我們回到了科學家工作的精髓：在申請經費的過程和會議的杯觥交錯中，去區別無知的品質。馬克士威可能是從牛頓到愛因斯坦之間最偉大的物理學家，他說：「徹底而有意識的無知是所有真正科學知識進展的前奏。」

從「科學的本質是問題、而不是解答」的角度來看科學的話，我們就可稍微鬆口氣。科學看起來將不那麼具威脅性，會更容易親近，事實上是好玩極了。科學成為一連串精密的拼圖和謎中謎，誰不喜歡解謎遊戲呢？而科學問題也將變得較容易，通常也比答案更有趣。答案像是一個過程的結束，問題則讓你埋首其中。雖然我有博士頭銜，卻無法掌握大部份的免疫學知識，但美妙的是，多數免疫學家也一樣，再也沒有人通曉一切知識。儘管如此，我卻可以了解是什麼問題驅策免疫學家的研究；雖然我不能假裝我懂量子力學，卻明白這領域的問題是如何產生的，為什麼這些問題如此根本且重要。強調無知是包容，它讓每個人都更為平等，就像無垠的太空讓每個人都變得渺小。

科學的這一面最近往往被大眾拋在腦後，我們的眼中只有累積知識這一面，而累積的事實龐大到我們已沒有征服的希望。但如果科學家談的是問題，而不是一堆無聊乏味的專門術語；如果媒體報導的不只是新發現，還有科學家回答的問題和他們創造的新謎題；如果教育工作者能停止填鴨那些在維基百科都可查到的事實，或許我們會發現，大眾對持續了450年的偉大科學探險會重燃興趣。

所以如果你遇到一位科學家，別問他知道什麼，而是他想知道什麼，這會讓你們有個愉快的對話。

【欲閱讀更豐富內容，請參閱科學人2012年第123期5月號】http://sa.ylib.com/MagCont.aspx?Unit=columns&id=1972

2012年第13屆亞洲物理奧林匹亞競賽我國學生榮獲6金1銀1銅

我國參加2012年第13屆國際物理奧林匹亞競賽傳回捷報，在21個國家及地區、156名參賽學生中，共獲得6金1銀1銅，國際排名第2名，成績優異！ 

張永欽 簡介

在前幾篇文章中分享"演奏樂器與力學關係"的作者,就是這位大師所寫的。

撥彈演奏之力學分析 5. 從力學分析的結論看演奏法（上）

寫「撥彈演奏之力學分析」主要的目的，是希望從古典力學的角度來探討撥彈演奏法的需求。撥彈演奏法發展至今，尚缺乏一套客觀的系統，可以作為演奏法研究的基礎，讓演奏的狀況能夠提昇。描述撥彈演奏發聲的原理，構建一個撥彈演奏的模型，是為了讓演奏者對於樂器的發聲，除了「知其然」，進而「知其所以然」，以確立演奏法的操作對於樂器發聲之間的關連，最後期望撥彈演奏的技術與聲音的美感得以提升。

撥彈演奏之力學分析 4. 撥彈樂器發聲的模型

撥彈樂器發聲的模型

從物理的角度來看，撥彈樂器的演奏發聲，是將演奏運動的動能轉換為聲波震動能量的過程。藉由觸絃系統，將運動系統所產生的動能轉換成琴弦與共鳴箱的彈性位能後，釋放琴弦，將所累積的彈性位能轉換為琴弦與共鳴箱震動的動能，進而使震動共鳴箱周圍的空氣而發聲。

撥彈演奏之力學分析 3.碰撞

在撥彈演奏當中，運動的目的，是將運動所產生的動能，傳遞轉換為使樂器發聲的能量。這個傳遞的過程，相當於兩個物體的碰撞。由於琴絃本身屬於彈性物質，也因此觸絃的過程可視為彈性碰撞。而使樂器發聲的能量，便是琴絃與面板在觸絃時碰撞所產生的彈性位能。而這個儲存琴絃、琴碼與面板間的彈性位能，在撥片釋放琴絃之後，便釋放出來使樂器發聲。

撥彈演奏之力學分析 2. 運動

撥彈演奏的運動方式，是以肢體通過腕關節、肘關節，肩關節、前臂、或大臂的轉動軸心，做一個往覆的轉動。而經常被使用的運動方式有：

牛頓三大運動定律與演奏的關係

牛頓三大運動定律：

牛頓第一運動定律：當物體不受外力作用，或所受淨力為零時，原先靜止者恆靜止，原先運動者恆沿著直線作等速度運動。這定律又稱為「慣性定律」。

牛頓第二運動定律：物體受力後其動量變化率，和其所受的淨力（即淨力）成正比，及處於同一方向。

牛頓第三運動定律：當兩物體交互作用時，彼此互以力作用於對方，兩者大小相等，方向相反，但作用在不同的物作用體上。這定律又稱為「作用與反作用定律」。

與演奏的關係

撥彈演奏之力學分析 1. 靜力

樂器演奏需要肢體的運動，樂器發聲所需要的能量是藉由肢體運動所產生，因此討論演奏運動體的力學分析有助於了解演奏運動的過程，進而尋找更適當的演奏方式。試將撥彈演奏的力學分析分成兩個部分，第一個是靜力分析，另外一個是運動分析。雖說實際演奏時肢體維持靜止的機會是很少，但可作為運動分析時的一個基礎。

羽毛和榔頭,誰會先落地?

大家一定都有聽過伽利略在比薩斜塔上做的自由落體實驗,拿著兩個質量不同的東西,往下丟,結果同時著地,推翻了亞里斯多德所結論的"重的物體比輕的物體先落地"的說法。

(以上為太空人史考特,在月球上所作的實驗,至於掉落的速度會如此緩慢,原因是在月球上,這兩種物品的重量只有地球地表上的六分之一)

Astor Piazzolla Tango《Fuga y Misterio》柳阮合奏

不同的樂曲移植在不同的樂器是很常見的,
這次要介紹的是Astor Piazzolla 的曲子移植在中國樂器阮咸和柳琴上。


簡單介紹一下這位偉大的作曲家:
阿斯托爾·潘塔萊昂·皮亞佐拉（西班牙文：Ástor Pantaleón Piazzolla，1921年3月11日－1992年7月4日），是阿根廷作曲家以及班多紐手風琴（Bandoneon）獨奏家。作為作曲家的皮亞佐拉，以全方位系統的古典音樂訓練為基礎，創造性地融合傳統古典音樂與爵士樂的作曲風格，將探戈音樂從通俗流行的舞蹈伴奏音樂提升為可以單獨在舞台上展示的具有高度藝術性，並能表達深刻哲理的純音樂形式，並由此創立了「新探戈音樂」（Tango Nuevo）樂派，成為阿根廷文化的代表人物之一，以及南美音樂史上的重要人物。在阿根廷，皮亞佐拉被尊稱為「了不起的皮亞佐拉」（el gran Piazzolla）。

(詳細請見:http://zh.wikipedia.org/zh-tw/%E9%98%BF%E6%96%AF%E6%89%98%E5%B0%94%C2%B7%E7%9A%AE%E4%BA%9A%E4%BD%90%E6%8B%89#.E9.9F.B3.E4.B9.90.E9.A3.8E.E6.A0.BC )


中阮圓潤的音色,可以完美呈現出探戈音樂的特色,柳琴高亢的聲音剛好可以和中阮配的俏到好處。替這首探戈音樂又多增添了東方色彩。

高鐵上的小科學家

今天偶然在YOUTUBE上看到了這位國中生,
像我雖然非常喜歡自然科學,卻沒他這樣的衝力,
或許每個人成功都是有原因的。

手機測高鐵沉陷　國中生國際科展獲獎 陳祥麟／臺北報導 　新北市國中九年級學生吳承儒向父母借貸近十萬元，買電腦及高鐵票 ，搭了兩百次高鐵，研究用手機及筆電測量高鐵軌道高低變化，他以「 高速鐵路差異沉陷的新測量方法」，勇奪今年臺灣國際科學展覽會地球 科學科二等獎，他昨天領獎後說：「做研究比讀書快樂，尤其假設得到 證實時很開心。」 　臺灣國際科展昨天頒獎，有十七國、兩百四十四名中外學生、一百三 十五件作品參賽，國內作品共有二十五件獲獎，國外十二件獲獎。馬英 九總統致詞表示，政府重視科學教育，中學科學教育更是國家發展的基 礎，國際科展提供參賽學生競爭又合作的平臺，希望與會的臺灣學生不 僅能交朋友，還要學習外國學生長處，未來政府也會提高教育預算，並 加強校園國際化。 　地球科學科二等獎得主、新北市南山中學國中部九年級學生吳承儒， 家裡沒有電視也沒電腦，小學時，他的休閒活動就是閱讀，他說：「看 書很好玩，我什麼書都看，尤其科普類書籍是我的最愛。」他在新聞上 看到雲林縣地層下陷問題嚴重，又在網路上找到國外大學測量地震的程 式，就想搭高鐵測試。 　每逢假日他就帶著筆電等工具，搭高鐵測試振動幅度。八年級時，光 是臺中及嘉義就搭了五十次，測出的「差異層陷」約為零點六公分，研 究獲得全國中小學科展第一名及最佳創意獎。去年十月為了參加國際科 展，買高鐵月票來回搭乘新竹到臺中之間多達一百五十次，甚至曾經從 早上七點坐到晚上七點，來回搭了十二次。 　地科評審、中央大學教授林沛練表示，吳承儒能把生活中可得的工具 應用在不同領域，發揮更大功能，相當難得；他原本有機會得到一等獎 ，但受限於名額，很可惜。 　另外，大會還從一等獎作品中加權「創意」和「應用表現」，選出最 高榮譽「青少年科學獎」，臺灣有兩件作品獲獎，分別是北一女中王品 涵、許嘉容的「探討在不同組織表現LWD1／2基因對阿拉伯芥生物時鐘 的影響」，以及臺中女中王顥蓁、陳韻竹的「利用福衛三號氣溫數據觀 測北半球平流層急劇增溫現象」。 　圖說：新北市南山中學國中部九年級學生吳承儒，研究高鐵差異沉陷 的新測量方法，獲臺灣國際科學展覽會二等獎。攝影／陳壁銘 新聞網址： http://www.mdnkids.com/info/news/content.asp?Serial_NO=77108