「量子貓」的「超能力」
文：康烏日塔牧人（香港資優教育學苑學員）
改變現實、心靈感應、穿牆術、時間逆流······ 若我跟你說這些神奇事物都與「量子」有關，你是否感到匪夷所思？在物理學領域中，量子（quantum）是參與基本相互作用的任何物理實體的最小量。上世紀初，物理學家開始了所謂的「量子革命」的探索，發現原子世界裏一個顛覆性的現象。到底量子物理是甚麼呢？讓我們一起來看看這些微小的「超級英雄」吧！
先搞清楚主角——薛丁格的貓到底是死是活？
根據物理學家薛丁格提出關於的「貓」的思想實驗：有一隻貓被關在一個有毒氣瓶的箱子裏（放心，這只是一個虛構的實驗，現實中並沒有貓受到傷害）。過一段時間後，牠還活著嗎？普通人會說「死」或「活」其中一個答案。但在量子物理學中，正確答案是：「在打開箱子之前，貓同時活著，也死著。」這是1935年薛丁格和愛因斯坦討論的思想實驗。這個答案看似十分荒謬，卻獲得著名的電子雙縫實驗證實。
在這個想像實驗中，一隻貓被鎖在一個箱子中，並有一毒氣瓶。當量子粒子處於某狀態下，毒氣瓶會破裂，並釋出毒氣；但若該粒子處於另一狀態，毒氣瓶則會完好無缺，不會危害貓的生命。若將箱子封閉，該粒子的兩種量子狀態會同時並存，也就是說毒氣既是從瓶中釋放，又有可能被封存於瓶內。因此，箱中的貓同時既是活，也是死。當箱子打開時，這種量子疊加狀態將會瓦解，瞬間我們會發現這隻貓被毒死、一命嗚呼，或是得以保命、存活下來。
量子物理還有許多未能介紹的有趣現象，也有很多物理學家仍然搞不清楚的地方。儘管有許多不同理論嘗試去完善它，像是最著名的10維時空的超弦理論，但大部分都仍停留在理論而難以證實。相反地，量子物理正逐漸在納米材料、超導體、量子計算機中應用。這些理論都有潛質徹底改變世界，但還要靠我們這代年輕人的努力。最後送給各位讀者一句波爾的話：「如果量子物理沒有震撼到你，那你肯定還沒搞明白它。」
薛丁格貓引發的奇想
如果說······有兩隻貓？
譬如有一隻白貓和一隻黑貓分別被關在兩個箱子裏。我們若在其中一個箱子裡發現了白貓，即使相隔十萬八千里以外，另一個箱子裏也一定是黑貓。這個情況稱為量子糾纏：兩個以上的量子粒子因為某些原因而產生關連，使彼此的行為互相影響。一旦觀察了粒子A後，粒子B會自動根據粒子A產生反應，疊加狀態則會立即塌縮並消失，有如心靈感應一樣！
自然界植物的光合作用中，光子的量子糾纏有效地提高了可供吸收的光能；毫無阻力的超級流動液體和極具爭議性的超級導電體都依靠量子糾纏原理，所以量子糾纏也有望構成遠程通訊和「量子電腦」。量子計算機預測可以比現在最先進的電腦快1.58億倍——對，你沒有看錯！
回到過去的「反骨貓」
反物質貓跟普通貓有何分別？它竟然能逆著時間走！在費曼的量子電動力學中，時間跟空間一樣，是一個座標。如是者，時間逆行就變得有可能了（唯有電荷會變相反）。運用物質/能量方程E=mc²，我們可以有足夠大的能量創造普通物質和反物質——宇宙大爆炸後的物質就是這樣產生的。但誰也不確定反物質去了哪裏——反物質在遇到普通物質時會互相殲滅，變成巨大的純能量。科學家現在雖然能在粒子對撞機裏製造反物質，但只能少量製造，而且亦難以儲存。儘管如此，基於物質高效的能量轉化，我們有望未來可利用反物質作為火箭燃料，實現接近光速的跨星際旅行。
作者簡介 康烏日塔牧人（香港資優教育學苑學員） 康烏日塔牧人，蒙古族，17歲，中六學生，現就讀伊利沙伯中學。2020年獲學苑推薦參加全球人才指導計劃（Global Talent Mentoring），2023年5月代表香港參加亞洲物理奧林匹克競賽。初中時從網上接觸到現代物理學概念，對所包涵的哲學產生濃烈興趣，自此開始自學量子力學。作者認為近代物理學已有100多年歷史，但大眾認知度仍然偏低，因此希望對推廣科普作出貢獻。
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曾刊載於《星島日報》小學校園報《陽光校園》（2024年1月）
更新日期：2024-02-01