如何降落火星？如果恐龍復活？啟動科學探究的「想像實驗」心法

也許不是每個人都知道量子力學是什麼，但大家應該都聽過「薛丁格貓 （Schrödinger's cat）」的比喻。

薛丁格貓是奧地利物理學家薛丁格於1935年提出的「思想實驗」或「想像實驗」（Thought Experiment），用來說明「量子疊加」這個很難懂的概念。不需要真的進行實驗，只要透過想像，就能夠理解一個重要的自然現象或預測可能的結果。

在薛丁格貓這個想像的實驗中，一隻貓被鎖在一個箱子中，裡面有一個毒氣瓶，在某個量子狀態下毒氣瓶會破裂，但若處於另一個量子狀態，則毒氣瓶會完好無損。

如果箱子是封閉的，因為這兩種量子狀態可以共存，也就是所謂的量子疊加，因此貓可以同時既是活的也是死的；但當箱子打開時，由於量子疊加狀態的瓦解，因此在那瞬間，這隻貓或許被毒死、或許沒事，不可能又死又活，換句話說，觀察本身會讓量子疊加狀態瓦解，造成貓無法同時處於活的狀態與死的狀態。

除了物理學家會利用想像實驗來思考問題或解釋現象，哲學家也常用這個方式來引發思辯，例如：道德兩難的「電車問題」。假設你正駕駛一輛電車，煞車突然失靈，這輛失控的電車以最高速駛向軌道分叉路口，如果不改變行駛方向，電車將留在左邊軌道，那兒有五名維修工人正在修理軌道，五個人都會被撞死，但如果你把電車轉向右邊叉路（只需要撥一下開關即可），那麼電車將換到只有一名維修工人的右邊軌道，這時候你會怎麼做？

將想像力作為思考工具

想像實驗是一種思考工具，也就是用想像力來進行實驗，通常這些實驗都是在真實世界不會發生或發生機率很低的情況，因此可以幫助我們跳脫現實的框架去思考問題的本質，這樣往往會讓我們更清楚問題的核心，甚至找到新的研究方向。

例如：

1. 當我們在公園看到一隻蝴蝶飛翔，父母可以試著問孩子：如果這隻蝴蝶長得跟鳥一樣大隻，那牠會遇到什麼樣的挑戰？蝴蝶的飛行方式需要改變嗎？毛毛蟲也會變得很大隻嗎？
2. 如果孩子喜歡恐龍，你也可以問他，如果恐龍沒有滅絕，人類有可能會出現嗎？或是，如果恐龍復活，哪些生物會受到最大的影響？

用What if（如果...會怎樣？）在生活情境中提問，或是針對孩子正在學習的主題發想，就可以激發他們的想像力。

當然有時候想像實驗也會出現在真實生活中，例如：電腦科學中的「圖靈測試」。這是英國電腦科學家圖靈在1950年提出的一個思想實驗，他是研究AI人工智慧的始祖，他想知道機器是否能夠思考？因此他設計了一個「模仿遊戲」（Imitation game）。

由一位詢問者寫下自己的問題，隨後將問題傳送給在另一個房間中的一個人與一台機器，請人與機器分別回答這些問題，如果那位詢問者不能區分哪個答案是人回答、哪個答案是機器回答，那就表示機器能夠模仿人類的思考模式，因此可以推論機器是有智慧的。

雖然這在70年前是一個想像實驗，但今天的生成式人工智慧ChatGPT或聊天機器人已經可以輕鬆通過圖靈測試，這也說明了思想實驗不僅能激發人的想像力，也能開啟人的創造力。

用探究力思考如何移居火星？

連續9年科博館與東海大學共同舉辦的「火星任務競賽」（Mission Mars）就是一個結合想像實驗與解決真實問題的科學探究活動。人類想要移居其他星球的想法一直存在，雖然月球離我們很近，但火星總是科學家們的適居星球首選。

如果人類要移居火星，那我們要如何到達火星、登陸火星、探索火星、甚至在火星上生存並建立社會組織呢？這些問題雖然不是現在的真實議題，但思考這些問題的答案需要想像力，也需要結合現代的知識與觀念，因此是一項非常適合孩子參與的競賽活動。

我們離火星的最近距離是5400萬公里，因為軌道運行的關係，地球離火星最遠可達4億公里，當然太空任務會選擇最適合的時間點來發射火星探測器，利用地球較接近火星時來登陸，但最快也需要半年以上的時間才能到達火星。

火星上的重力只有地球上的0.38倍，換句話說，一個體重80公斤的人在火星上只有30公斤。另外，火星也幾乎沒有大氣層，主要的空氣組成是二氧化碳，不像地球的大氣組成是以氮與氧為主。

讓天馬行空的點子成為創造力的起點

在一年一度的火星任務中，我們設計了三種競賽，分別是：火星車降落賽、火星車避障賽與火星科展。

參與火星任務競賽的學生們既要發揮想像力，也要試著解決真實問題。圖片來源：全國火星任務競賽

火星探測車的降落一直是真實火星任務重要的過程，在降落的過程約有7分鐘是充滿不可知的變數，無法及時在地球上修正操控，因此這個競賽雖然是一個想像實驗，但卻是一個真實的議題。

高中生的參賽團隊必須設計適合的降落設備及載具，主辦單位會利用無人機在20公尺的高處釋放這些設備及載具，他們必須成功降落並安全著地才能獲得高分。

另外，火星車避障賽則是要求參賽團隊必須設計適合的火星智能車，在模擬火星表面的地形環境上進行測試，不但要避開障礙物，還要能持續往終點邁進。

火星科展也要發揮參賽團隊的想像力，利用火星上的環境條件，設計出能解決在火星上遇到的各種生存問題。

雖然火星任務競賽是為高中生舉辦的活動，但若是孩子對太空探險有興趣、喜歡自己組裝機械裝置或設計工具解決問題，無論他的年紀大小，父母都可以鼓勵他們去想像要移居火星的各種挑戰，任何天馬行空的想法都值得肯定，也跟孩子一起思考是否可行，透過思想實驗，一定可以激發孩子的想像力、提升他們的創造力。

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