科学在身边：宇宙专题｜粤语

量子力学里面有一宗著名的虐猫案件：一只可怜的猫被人放到密封的箱子里，箱内有一个装置，有一半机会会放出毒气。如果毒气被放出来，猫就会被毒死，否则就能生存。科学家想知道的是，究竟这只猫是生还是死呢？

不用担心！虽然读物理的人很疯狂，但上述的只不过是一个思想实验，后世称为「薛定谔的猫」实验。不过问题又来了，物理学家为什么要进行这样一个思想实验呢？

这个故事要追溯到上世纪20年代，那是量子力学高速发展的时期。当时其中一个很重要的理论成果，就是上次讲的薛定谔方程。薛定谔方程是一条数学方程，至于它如何跟现实对应，其中一种理解叫做「哥本哈根诠释」。按照「哥本哈根诠释」，在进行观察或者量度之前，有关「粒子在哪里」、「粒子的速度有多快」这样的问题是没有意义的，因为所谓的现实，只存在于观察里，不存在于粒子里。这个问题，已经超越了物理学，进入了哲学的范畴，在科学界引起了不少争论。例如，爱因斯坦甚至薛定谔本人，都十分反对「哥本哈根诠释」。究竟争论的要点是什么呢？跟「薛定谔的猫」又有什么关系呢？这一集，张老师会为你诉说这个在虐猫之中寻找真理的故事。

【主播简介】

张浩然，香港科技大学理论物理学学士及物理学哲学硕士，英国布里斯托大学教育博士。

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https://www.zhihu.com/people/DrHaoranZhang

各位听众好：为了提升我们节目的素质，使您们有一个更好的聆听体验，我们准备了一份只有五条问题的简单问卷，希望邀请尊贵的您，给我们宝贵的意见。连结在此：

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【专辑简介】

《知道．粤语频道》是首个云集香港博士级学者的粤语频道，旨在为全球粤语听众打造一系列「生活品味」内容！

根据量子力学，微观世界的物理法则跟宏观世界不一样，有很多难以置信而又千真万确的奇怪现象。到目前为止，张老师已经讲过两个现象，一个是波粒二象性，一个是测不准原理。但是，要透过科学来理解世界，单单知道表面现象是不够的，科学家还需要追寻现象背后的原理。

在量子力学之前，科学家用牛顿定律来解释物体的运动。牛顿力学曾经被认为是宇宙中最终极的规律。知道牛顿力学，就能够解释一切，预测一切。但是量子力学的出现，令到科学家发现牛顿定律只适用于宏观世界。科学家需要一套全新的理论，解释量子力学所描述的微观世界。你可能听过「薛定谔的猫」或者「平行宇宙」，这些都是科学家关于微观世界的基本运作规律的一些讲法，但是这些讲法，背后都是基于一条数学方程：薛定谔方程 (Schrodinger's equation)。

这条主宰微观世界的薛定谔方程是怎样的呢？薛定谔的猫和平行宇宙又是什么呢？今集，张老师会先讲薛定谔方程，下一集再解释薛定谔的猫和平行宇宙。

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「测不准原理」跟上回讲的「波粒二象性」是量子力学的一体两面。「测不准原理」讲的就是鱼与熊掌的关系：你不能够同时间准确地测量微观粒子的位置与速度。如果你准确知道粒子的位置，你对它的速度就一无所知。相反，如果你准确知道粒子的速度，你对它的位置也会一无所知。又或者，位置与速度，你各自都知道一点，但是两个都测不准。测不准并不是因为量度工具不精确，也不是量度的技巧有问题，而是微观世界的物理法则使然。

「测不准原理」改写了我们对世界的认知，亦曾一度令到科学家非常苦恼。「测不准原理」的原因是什么？它又揭示了什么问题呢？今集，张老师会继续为你提供深入浅出的讲解。

【图一】我们知道粒子速度（波长），对其位置却一无所知。

【图二】我们大约知道粒子的位置，却不知它的速度（波长）。

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上回讲到，微观世界中物质的本质，跟我们习惯的不一样。这句说话是什么意思呢？

量子力学里面有一个很重要的概念，叫做「波粒二象性」。在日常观念中，波和粒子是截然不同的。以一个网球为例，网球是一个球体，我们可以把它当成为粒子。把网球丢进水里会产生涟漪，这个涟漪就是波。正常人是不会把波和粒子混淆的。

但是研究量子力学的科学家发现，在微观世界里，他们竟然不能分辨一个物质（比如是电子）究竟是粒子还是波。因为电子既是粒子，但有时也会展现出波独有的特性。不只电子，微观世界中的所有物质（包括光），都同时有波和粒子的特性，也就是「波粒二象性」。你看到哪一种特性，只不过是视乎你怎样看而已。

由于微观世界是宏观世界的基础，这也意味着，我们所熟知的宏观世界都是假的。在微观世界里面，隐藏着另外一种规律、另外一层现实。这简直是颠覆了我们对于这个世界的认识，甚至要到怀疑人生的地步了。那么，科学家是怎样知道「波粒二象性」的呢？这个问题可不简单。在这一集，张老师会以深入浅出的方式，为你介绍这个神奇的现象。

【图一】杨氏双缝实验

【图二】水波的干涉现象

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转眼间，《科学在身边．宇宙专题》推出已经接近一年了。过去一年，我们从地球讲到宇宙的宏观结构，从宇宙大爆炸讲到宇宙的结局，把宇宙的上下四方、古往今来都游历过一遍。之后我们又回到地球，探索宇宙中最复杂的结构，也就是生命。我们谈到了生命的起源与演化，亦探讨过外星生命。

讲了这么多不同范畴的话题，目的只有一个，就是让你对宇宙有一个更全面的认识。不过其实到目前为止，《宇宙专题》还欠了很重要的一环：我们一直聚焦在宏观世界，但是宏观世界中的各种现象，归根究底，都是受到微观世界的支配。无论是恒星演化也好，生命演化也好，宏观上很复杂，根本上却是一些基本粒子之间的相互作用。恒星演化中的各个阶段，只不过反映着万有引力与核聚变之间的此消彼长。生命的遗传密码，亦离不开原子之间的化学反应。

研究微观世界的领域名为量子力学。这一门学科比较艰深，若非物理专业，一般人很少有机会接触。然而，要全面了解宇宙，又不得不涉猎这个领域。所以，作为一个关于宇宙的科普专题，我决定带你到微观世界里去闯一闯，看看这个量子力学的神奇国度。如果你对这个话题有兴趣，请留意收听接下来的《宇宙专题》节目。

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你想感受拍翼傲翔的滋味吗？来泰坦吧！

上回讲到，泰坦卫星的大气层，在成分上、气压上，条件都相当不错。所以，如果说改造大气层是改造一个星球的关键，泰坦应该是太阳系之中最容易改造的了。兼且当地天然资源丰富，水、氧气、燃料、甚至肥料，都能自给自足。更好玩的是，泰坦重力低，空气密度高，靠人力就能在泰坦的天空中拍翼傲翔。衣食住行玩，应有尽有，泰坦不愧为移民外星的不二之选。身未动，心已远，快乐就是这么简单！

且慢！去之前还要告诉你，泰坦与地球之间有一个多小时的通讯迟滞，你的自拍照片要等一个多小时才能传到地球。而且泰坦路途遥远，单程最快也要两年多才到。还未说泰坦没有磁场，你要做好被太阳风打中的准备。还有吗？还有一些科学以外的问题。想知道是什么吗？请听张老师一一道来。

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要移居外星，最关键而又最困难的，就是要改造大气层。月球没有大气层，火星的大气层太稀薄，成份也不对。幸好，我们还有一个冷门的选择，就是土星的62个卫星之一、编号土卫六的泰坦卫星。

泰坦卫星是土星最大的卫星，也是太阳系里面第二大的卫星。作为土星的卫星，泰坦是围绕着土星公转的，所以中秋节时你不能赏月，但是可以「赏土」。从泰坦上面看的土星，是我们在地球上看月球的大小的11倍。加上壮丽的土星环，比起我们在地球上面赏月，实在有过之而无不及。而且泰坦拥有大气层，亦是太阳系里面，除地球之外唯一以氮气为主的大气层。事实上，有一些科学家认为，泰坦的大气层跟原始地球的大气层非常相似。

这样看来，泰坦应该是一个相当合适的移民选择。不过，你必须能够抵受极度的严寒，你必须不介意有时候空气会燃烧，而且整个星球上弥漫着一种像公厕的味道。为什么这样说呢？泰坦上面的环境是怎样的呢？今集，张老师会带你登陆泰坦，为你介绍这个卫星上的环境，坚持要移民外星的你不容错过。

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火星是人类移居外星的最热门地点。SpaceX计划最快2028年左右，在火星设立永久基地。接着再花十多年时间，建造人类第一座火星城市。然而，即使SpaceX的计划如期完成，也只能说是在火星上建立了一个据点而已。迎接首批火星移民的不是鸟语花香的新世界，而是一座座位处荒凉红色平原上的密封囚牢。因为火星的天然条件不适合地球生物生存，亦未能抵挡太阳风暴的袭击。移民们终其一生，都要在人工建筑物里度过。

若要将火星改造成真正适合移民的行星，便需要从根本上改造火星的大气层，同时建造人工磁场以抵挡太阳风。这些工程的难度，已经远远超过人类目前的技术能力。不但风险高，而且旷日待久，所费甚巨。那么，具体来说有哪些改造方案？如此劳民伤财移居火星，其意义又在哪里呢？打算移民火星的你，请继续收听张老师的《火星移民指南》！

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各位听众好，不经不觉已相处四个月了。为了提升我们节目的素质，使您们有一个更好的聆听体验，我们准备了一份只有五条问题的简单问卷，希望邀请尊贵的您，给我们宝贵的意见。连结在此：

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上次讲过移民去月球的方法。月球重力低，没有大气层，也没有磁场，加上月球的自转被地球引力锁住，月球上的一天等于地球上的半个月，这样会带来很多麻烦。结论就是：虽然月球离地球很近，但是如果要大规模移民月球，实在是不太可行。

那么作为另外一个移民热点的火星，它的条件又怎样呢？火星是太阳系的第四颗行星。科学家相信，火星过去曾经拥有像今日地球的环境。而且火星有大气层，表面重力也比月球大一些。那么，相比于月球，今天的火星又是否比较适合人类移民呢？若要把火星改造成第二个地球，又有哪些方法呢？有志到火星投资和移民的你，请留意一连两集的《火星移民指南》。

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