「量子猫」的「超能力」
文：康乌日塔牧人（香港资优教育学苑学员）
改变现实、心灵感应、穿墙术、时间逆流······ 若我跟你说这些神奇事物都与「量子」有关，你是否感到匪夷所思？在物理学领域中，量子（quantum）是参与基本相互作用的任何物理实体的最小量。上世纪初，物理学家开始了所谓的「量子革命」的探索，发现原子世界里一个颠覆性的现象。到底量子物理是甚么呢？让我们一起来看看这些微小的「超级英雄」吧！
先搞清楚主角——薛丁格的猫到底是死是活？
根据物理学家薛丁格提出关于的「猫」的思想实验：有一只猫被关在一个有毒气瓶的箱子里（放心，这只是一个虚构的实验，现实中并没有猫受到伤害）。过一段时间后，牠还活着吗？普通人会说「死」或「活」其中一个答案。但在量子物理学中，正确答案是：「在打开箱子之前，猫同时活着，也死着。」这是1935年薛丁格和爱因斯坦讨论的思想实验。这个答案看似十分荒谬，却获得著名的电子双缝实验证实。
在这个想象实验中，一只猫被锁在一个箱子中，并有一毒气瓶。当量子粒子处于某状态下，毒气瓶会破裂，并释出毒气；但若该粒子处于另一状态，毒气瓶则会完好无缺，不会危害猫的生命。若将箱子封闭，该粒子的两种量子状态会同时并存，也就是说毒气既是从瓶中释放，又有可能被封存于瓶内。因此，箱中的猫同时既是活，也是死。当箱子打开时，这种量子迭加状态将会瓦解，瞬间我们会发现这只猫被毒死、一命呜呼，或是得以保命、存活下来。
量子物理还有许多未能介绍的有趣现象，也有很多物理学家仍然搞不清楚的地方。尽管有许多不同理论尝试去完善它，像是最著名的10维时空的超弦理论，但大部分都仍停留在理论而难以证实。相反地，量子物理正逐渐在纳米材料、超导体、量子计算器中应用。这些理论都有潜质彻底改变世界，但还要靠我们这代年轻人的努力。最后送给各位读者一句波尔的话：「如果量子物理没有震撼到你，那你肯定还没搞明白它。」
薛丁格猫引发的奇想
如果说······有两只猫？
譬如有一只白猫和一只黑猫分别被关在两个箱子里。我们若在其中一个箱子里发现了白猫，即使相隔十万八千里以外，另一个箱子里也一定是黑猫。这个情况称为量子纠缠：两个以上的量子粒子因为某些原因而产生关连，使彼此的行为互相影响。一旦观察了粒子A后，粒子B会自动根据粒子A产生反应，迭加状态则会立即塌缩并消失，有如心灵感应一样！
自然界植物的光合作用中，光子的量子纠缠有效地提高了可供吸收的光能；毫无阻力的超级流动液体和极具争议性的超级导电体都依靠量子纠缠原理，所以量子纠缠也有望构成远程通讯和「量子计算机」。量子计算器预测可以比现在最先进的计算机快1.58亿倍——对，你没有看错！
回到过去的「反骨猫」
反物质猫跟普通猫有何分别？它竟然能逆着时间走！在费曼的量子电动力学中，时间跟空间一样，是一个坐标。如是者，时间逆行就变得有可能了（唯有电荷会变相反）。运用物质/能量方程E=mc²，我们可以有足够大的能量创造普通物质和反物质——宇宙大爆炸后的物质就是这样产生的。但谁也不确定反物质去了哪里——反物质在遇到普通物质时会互相歼灭，变成巨大的纯能量。科学家现在虽然能在粒子对撞机里制造反物质，但只能少量制造，而且亦难以储存。尽管如此，基于物质高效的能量转化，我们有望未来可利用反物质作为火箭燃料，实现接近光速的跨星际旅行。
作者簡介 康乌日塔牧人（香港资优教育学苑学员） 康乌日塔牧人，蒙古族，17岁，中六学生，现就读伊利沙伯中学。2020年获学苑推荐参加全球人才指导计划（Global Talent Mentoring），2023年5月代表香港参加亚洲物理奥林匹克竞赛。初中时从网上接触到现代物理学概念，对所包涵的哲学产生浓烈兴趣，自此开始自学量子力学。作者认为近代物理学已有100多年历史，但大众认知度仍然偏低，因此希望对推广科普作出贡献。 |
曾刊载于《星岛日报》小学校园报《阳光校园》（2024年1月）
更新日期：2024-02-01