叮噹法寶物理原理大解構 [六] (The Physics Behind Doraemon Gadgets VI)

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復活節快樂呀!大家假期過得開唔開心?有冇掛住小弟(嘅拙文)呢?作為2019年嘅第一炮(係,新一年過成咗4個月先出,自膠),等小弟重啟最受歡迎(?)嘅《叮噹法寶物理原理大解構》系列,再次同大家探討吓叮噹法寶運作背後(可能)嘅物理原理啦!

(PS:記住,係叮噹,唔係多啦A夢,好似係)


顛倒箭 (アベコンベ)

(圖擷取自:多啦a夢中文網chinesedora.com

 

顛倒箭,又譯做反效果針、功能反轉箭、反作用器、顛倒筆、顛倒指針,係一支有兩種唔同顏色箭頭嘅箭。畀深色嗰邊掂到,物件嘅一切特性甚至形狀、作用就會顛倒過嚟,但點樣顛倒就冇標準、好唔確定,由功能、性能、重量甚至到外形都有可能。哩樣法寶實際用途唔清楚,除左用嚟製造混亂之外,好似漫畫入面擦膠變咗塗黑嘅工具、電風扇變咗熱風機咁(睇下圖) [sosad] 雖然冇乜實際用途,但用佢嚟整蠱吓人都唔錯。咁根據現實世界嘅物理學理論又有冇可能發明出哩種咁「神奇」嘅整蠱法寶呢?

 

(圖擷取自:叮噹單行本第34卷第4話《顛倒指針》)

簡單嘅答案係冇乜可能,好似哩樣可以隨機任意改變一樣嘢形狀、大小,甚至係質量嘅工具差唔多肯定要違反唔少物理守恆定律先實現到。所以除非件法寶神奇到可以喺瞬間產生作用力破壞或改變物件同附近空間物理系統嘅對稱性,如果唔係根據諾特定理(Noether’s theorem)守恆定律仍然適用,你係冇辦法好似變魔術咁隨意改變物件嘅形狀、增加或減少佢嘅質量。詳細有關諾特定理,物理系統對稱性同守恆定律嘅關係可以睇番小弟之前嘅拙文[1]。


咁淨係顛倒物質嘅物理特性呢?淺談乜嘢係反物質、量子場論(What are anti-matter and quantum field theory?)

咁退一萬步講,如果唔改變形狀或質量,淨係顛倒一樣嘢嘅物理特性,好似電荷咁又得唔得呢?嗯…睇情況啦,不過現實物理世界的確存在住一啲「神奇物質」,佢哋嘅物理特性(除左質量、壽命、自旋之外)同我哋平日見到、接觸到嘅物質啱啱相反,比喻嚟講佢哋同普通物質嘅關係就好似磁石嘅南北兩極咁,哩樣嘢就係反物質(anti-matter)

"Dr. Sykes is our expert in anti-matter."

(Credits: S.Harris)

反物質係一樣喺唔少涉及科幻、科學題材嘅電影、小說作品入面「老是常出現」,應用異常廣泛嘅嘢,好似好多人認識《天使與魔鬼》(Angels and Demons)入面威力比核彈更勁嘅反物質炸彈或者 《星際奇遇記》(Star Trek)靠反物質推動嘅曲速引擎咁。雖然個名聽落好似好勁、好神祕,但其實反物質哩樣物理學家早喺上世紀初就已經有理論預言到佢哋存在同有實驗證據支持,而事實上反物質亦唔係好似科幻小說所FF咁萬能。


反物質哩樣嘢係量子力學(quantum mechanics)+ 狹義相對論(special relativity)+ 經典場論(classical field theory結合嘅一套理論,即量子場論(quantum field theory, QFT所衍生出嘅結果。喺過去古典物理學,一般都認為世界最基本嘅構成係粒子,而物理場(fields)就係啲粒子所衍生出嘅嘢。不過量子場論就顛覆咗哩個概念,粒子同物理場兩者其實互為因果,都係同一樣嘢,「大家不用分那麼細」。簡單嚟講,喺量子場論哩個理論入面,物理世界所有嘢其實都係由充斥住宇宙空間每個角落嘅量子版本物理場組成,而粒子就係哩啲量子場喺某局部區域地域性嘅激發態(excitation。有興趣想知多啲乜嘢係量子場論可睇下面《PBS Space Time》嘅短片:

https://www.youtube.com/watch?v=ATcrrzJFtBY

哩套理論嘅基礎最先係由小弟劍橋師兄(「自認」,好似係)狄拉克(Paul Dirac喺1928年提出,佢係第一個諗到點樣將薛丁格方程(Schrödinger’s equation改寫成能夠準確描述電子同時又乎合狹義相對論版本嘅人。哩條量子力學方程就係預言出反物質存在著名嘅狄拉克方程(Dirac equation。當時狄拉克發現哩條方程除左能夠描述量子態分別為上旋同下旋嘅電子外,仲多咗兩個好似描述𡁵負能量電子嘅自由度(degree of freedom)。於是佢就提出狄拉克之海(Dirac sea)假說,話現實世界真空其實係存在住好多負能量嘅電子,而狄拉克方程多咗嘅自由度就係描述𡁵當嗰啲真空負能量嘅電子被激發出嚟變成有正能量時,過程喺真空所做成嘅窿。雖然套假說其實係錯,哩啲負能量電子「窿」正確應該理解為物理特性同電子相反,能量係正嘅正電子(positron,不過狄拉克無疑係現代物理學提出反粒子存在嘅第一人。之後冇幾耐1932年另一位物理學家安達臣(Carl David Anderson就透過觀察宇宙射線發現咗正電子,證實咗哩啲「窿」現實真係存在,證明狄拉克公式冇錯。


反物質同反粒子係乜小弟之前喺另一篇文[2]都有講過吓,不過等小弟喺到幫大家重溫一下。除左質量、壽命、自旋之外,反粒子同我哋平時接觸到嘅普通粒子喺內部相加量子屬性(好似電荷、重子數咁)完全相反,好似電子電荷係-1e,而正電子就係+1e咁。喺物理學世界,所有嘢都有正物質同反物質版本,不過某啲粒子好似內部相加量子數為0嘅基本玻色子(fundamental bosons),例如光子(photon)咁,佢哋嘅反粒子就係自己。另外當正物質同反物質一接觸就會發生煙滅效應(annihilation,變成一堆高能量光子,哩個就係唔少科幻小說入面反物質炸彈嘅靈感來源。所以正反粒子比喻上就好似二次方程x^2=4嘅兩個解咁。詳細關於反物質嘅講解可以睇下面《minutephysics》、《PBS Space Time》同《Sixty Symbols》嘅短片(英文)

https://www.youtube.com/watch?v=Lo8NmoDL9T8

https://www.youtube.com/watch?v=wYSUchAnQfo

https://youtu.be/hYkaahzFWfo


咗咁耐,咁物理上有冇方法將正反物質瞬間互換呢?(Can we interchange matter and antimatter simultaneously?

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(Credits: S.Harris)

簡單答案係冇,至少暫時理論上做唔到,而且反物質一經製造出嚟就會同周圍環境嘅物質發生煙滅效應。物理上如果要將一樣嘢由正物質瞬間轉換成反物質或調番轉,我哋有需要理解物理世界有咩機制可以破壞正反物質嘅對稱性。喺物理學暫時證實咗嘅理論入面正反物質係接近完全對稱嘅,除左弱核力之外。咁點解現實而家宇宙剩番嘅絕大部份都係正物質,尤其係中子同質子哩啲組成原子嘅重子呢?哩個問題叫重子不對稱性(baryon asymmetry),暫時仲未有答案,係宇宙學/理論物理學嘅前沿研究課題之一,詳細討論請睇[3]

所以小弟估喺叮噹入面嘅未來世界物理學家可能已經搵到哩個謎團嘅答案,而且仲掌握到點樣運用個機制去轉換正反物質,應用喺顛倒箭哩樣整蠱法寶到。不過之於點樣避免正反物質接觸發生煙滅效應變成炸彈小弟就諗唔到啦 [sosad]

最後適逢今日係Earth day,送首名作《燕尾蝶》作結:

今次講到哩度,下次再講。


延伸閱讀:

[1] 《(理論)物理學家眼中嘅美—對稱(The beauty in physics – symmetry )》

[2] 《叮噹法寶物理原理大解構 []》

[3] 《反物质浅谈 ()(殘體勿屌),盧昌海著

https://www.changhai.org/articles/science/physics/antimatter2.php

[4] (第一章)粒子、場和量子場》,黎偉健著,刊於《物理雙月刊》

https://pb.ps-taiwan.org/catalog/ins.php?index_m1_id=5&index_id=270

 

 

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