叮噹法寶物理原理大解構 [三] (The Physics Behind Doraemon Gadgets III)

(圖片來源:https://chinesedora.com)

久違了嘅《叮噹法寶物理原理大解構》返嚟啦!大家有冇掛住個系列呢?(雖然小弟都知應該冇,好似係[sosad]) 點都好,今次繼續同大家探討叮噹法寶背後嘅物理原理同喺現實世界入面嘅可行性 [yeah]

年代測定機

年代測定機,又名年代探測機,最先出現喺單刊本第44期《發現恐龍腳印》故事入面(好似係)。只要攞住佢將紙針對準目標,就可以知道嗰樣嘢出身自乜嘢年代。顯示器以類似科學記號嘅方式表示,上面嘅四位數字乘上10嘅下面一位數字嘅次方,就係該物件嘅年紀。(中學/DSE應該有教吧?)例如,測定機上方顯示「9025」、下方顯示「4」,咁年份就係9025乘以10嘅4次方,即9025萬,約九千萬年前嘅嘢。

呢件法寶睇落好似好勁,好神奇。咁現實生活我地嘅世界又有冇類似嘅法寶或者科技呢?答案係有,而且其實我地一早已經有呢種技術 — 放射性碳定年法,或者叫碳測年(carbon dating)

呢項技術係用碳-14,一種同普通喺自然世界佔大多數碳-12一樣,但有放射性(radioactive)嘅同位素。乜話?有放射性咁咪好危險?放射性/輻射呢啲詞聽落好似好危險好恐怖,令大家聯想到核輻射,癌症呢啲嘢,但現實上其實有多嘢都有放射性同輻射,包括你、小弟同自然世界入面啲花草樹木、動物咁。碳-14其實同穩定冇帶放射性嘅碳-12、碳-13一樣,以有機混合物物質嘅形式存在喺自然世界入面。地球自然世界入面嘅碳-14主要係來自宇宙射線(cosmic rays)撞擊大氣粒子後產生嘅中子同大氣層中氮嘅化學反應,詳見下圖1

呢啲化學反應產生出嚟嘅碳-14本身唔穩定,帶有放射性,一定時間內有機會有β衰變,變番做氮原子,好似上圖2。不過碳-14放射性唔強,佢嘅半衰期長達約5730年,所以自然世界仍然會有一定數量多嘅碳-14存在。由於碳本身係有機物質不可或缺嘅原素,所以任何生命體都會固定地咁同大自然交流著碳-14原子,好似植物進行光合作用吸入二氧化碳,動物進食其他生命體呢啲過程咁。而生存過程中,生命體內嘅碳-14原子數量大概會維持住一個平衡,直至生命結束不再攝取有機物為止,見上圖3。隨著生命結束,生物內嘅碳-14含量亦會因為衰變跟住減少。用儀器測量放射衰變放出嘅電子或者物件本身碳-14原子嘅數量,對比番生命體在生時嘅平衡數值,考古學家就可以推斷出有機物質本身嘅年代。

呢項技術人類早於上世紀40年代就開始研發,其後化學家拉比(Willard Frank Libby)仲喺60年代因為呢項技術獲得諾貝爾化學獎。就此睇到叮噹啲法寶其實唔係全部都真係咁先進同劃時代(好似係)…

黑洞分解液(ブラックホール分解液)

首次出現喺單刊本故事《大雄的黑洞》入面,大雄因為貪玩誤把整個迷你黑洞吞入肚,喺身體入面失控形成太大嘅黑洞,叮噹為咗救佢叫佢飲嘅法寶。飲咗呢樽嘢後,黑洞就會碎成一片片流走,而之前被黑洞吸咗去嘅物品都會復原。

黑洞(black hole)呢樣嘢現實中大家就成日聽喇,但好似呢件法寶咁可以將一個黑洞分解甚至毀滅嘅嘢又存唔存在呢?喺小弟解答呢個問題前,大家首先要了解一下黑洞係乜。黑洞簡單講就係一個密度異常大嘅物體,大到佢附近嘅重力場足以強到連光都走唔到出去 [offtopic]小學雞問題:乜光唔係冇質量咩?點解又會受重力影響?_?如果你有類似嘅問題想問,建議請先重溫同了解吓乜嘢係廣義相對論[2]。

一件物體重力場嘅強度係同距離嘅平方成反比(即inverse square law),所以離開黑洞中心越遠,重力影響亦即脫離速度就越細。當去到某一段距離,脫離速度=光速時嗰一個邊界就係黑洞嘅事件視界(event horizon),喺視界內嘅任何嘢包括光同資訊都冇辦法傳遞到出外面。從視界外面睇你唔會見到邊界內任何嘢,只會睇到黑色一片,所以啲人叫呢樣嘢做黑洞。物理學定義上事件視界先係黑洞嘅本體,唔係奇點(singularity),雖然喺上世紀60年代霍金(Stephen Hawking)同彭羅斯(Roger Penrose)理論上證明咗根據廣義相對論黑洞視界內中心必定存在奇點(此為彭羅斯霍金奇點定理Penrose–Hawking singularity theorems)。黑洞具體化嘅實驗模型請睇下面link (英文)

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

另外黑洞簡單講解同現實世界星系中黑洞點形成可以睇下面link (英文)

https://www.youtube.com/watch?v=gcsaK3QYsdo

(PS:黑洞最中心係點樣冇人知,物理學家叫中心密度無限大嗰點做奇點只係表示廣義相對論喺嗰度失效,需要用量子重力去描述。詳細關於黑洞嘅理論有機會下次寫文再講 :P)

雖然根據廣義相對論黑洞視界內的確係連光都走唔甩,黑洞就好似《鋼鍊》入面人造人桂杜尼咁會將周圍所有嘢吞噬而且「食極都唔會停」,但其實理論上黑洞會放出輻射(即係光),而呢樣嘢就係霍金輻射(Hawking radiation)。咪住,你又話冇光可以走出黑洞嘅事件視界,咁即係點?唔通黑洞入面有嘢仲行得快過光,即回到過去?_?答案當然唔係啦,霍金輻射其實係一種將量子力學理論放喺一個背景時空為黑洞嘅現象。根據量子力學測不準定律(uncertainty principle),其實所謂真空都唔係冇嘢,而係充斥住一對對虛擬粒子(virtual particles),呢個現象叫真空波動(vacuum fluctuations)。喺普通環境下呢啲虛擬粒子只會瞬間出現,而出現後又會喺瞬間內又互相碰撞、相消,所以大部份時間我地都唔會觀察到佢地。不過喺好似黑洞呢種極端時空下就唔同喇。試想像一對虛擬粒子喺黑洞嘅事件視界外附近出現。由於強大嘅重力場關係,佢地會被強行扯開。假如啲虛擬粒子有足夠動量,咁其中一粒就有機會遠離視界變成真實存在嘅粒子,而另一粒就會跌入黑洞視界內,好似下圖咁。呢個就係霍金輻射背後嘅原理,而亦因為咁黑洞其實喺真空入面都唔係完全黑暗,佢都會放出輻射同有能量損耗。小弟相信叮噹黑洞分解液應該用咗類似原理(但點樣加快呢個損耗過程小弟就唔太清楚啦…)

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不過根據貝肯斯坦(Jacob Bekenstein)同霍金嘅黑洞熱力學說(black hole thermodynamics),黑洞嘅霍金輻射強度,換句話說講亦即係溫度,係同佢嘅質量成反比。就算假設黑洞唔「食嘢」,一個太陽質量嘅黑洞要透過霍金輻射損耗晒所有能量,完全蒸發晒至少都需要1067 年,比起宇宙嘅年齡(由大爆炸Big Bang到而家)仲長,所以宇宙中由恆星演化出嚟嘅黑洞基本上係接近永遠唔會消失。唔同質量嘅黑洞,佢嘅壽命,溫度,霍金輻射強度等係幾多可以參考下面條 link

http://xaonon.dyndns.org/hawking/

至於大雄誤食嘅叮噹法寶迷你黑洞,質量應該細好多。假設迷你黑洞重最多幾kg,咁計番黑洞個壽命其實得一瞬間 ~ 10-17 秒,而且溫度仲高達1023度,仲熱過太陽好多倍 [sosad] 睇嚟點樣「分解」/ 毀滅呢啲迷你黑洞唔係問題,因為只要隔絕唔畀佢地吸入任何嘢佢地就會自己消失。反而大雄點攞上手同擺入口,叮噹點收埋呢啲迷你黑洞好似先係問題…睇嚟叮噹嘅世界隨時係一個違反廣義相對論,一個令愛因斯坦都講唔出 “Then I would feel sorry for the good Lord; the theory is correct.”嘅世界 XD

 

今次講住咁多,最後送番首Eason嘅《黑洞》x《Interstellar》MV畀大家,下回待續

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

 

引申延讀:

[1] 碳-14測定法 https://kknews.cc/zh-hk/science/k6l4br.html

[2] 重溫廣義相對論 https://godfreyleungcosmo.wordpress.com/2017/03/29/%E6%B7%BA%E8%AB%87%E7%9B%B8%E5%B0%8D%E8%AB%96%E4%BA%8C-%E7%AD%89%E6%95%88%E5%8E%9F%E7%90%86%EF%BC%8C-%E9%87%8D%E5%8A%9B%E5%85%B6%E5%AF%A6%E3%80%8C%E5%94%94%E5%AD%98%E5%9C%A8%E3%80%8D-layman-intro/

https://phycat.wordpress.com/2017/05/25/einstein_general_relativity/

[3] https://phycat.wordpress.com/2016/12/22/relativity-quantum-mechanics-black-hole-anti-matter/

[所有嘢都係量子系列] 超遠距離嘅鬼魅效應?愛因斯坦都有錯嘅時候…(Spooky Action at a Distance? Einstein can also be Wrong Sometimes…)

愛因斯坦(Albert Einstein)最為人所熟識嘅唔使講梗係佢嘅相對論啦!但其實佢對現代物理學另一個重要基本支柱—量子力學(quantum mechanics)嘅貢獻都唔少架!佢攞諾貝爾獎都係因為佢關於光電效應(photoelectric effect)嘅論文,相對論反而因為走得太前,太「極端」[adore] [adore],當時尚未有太多嚴謹實驗證明個理論真確(尤其廣義相對論,當中嘅引力波仲要到舊年先被證實),同或者基於學術界嘅黑暗同其他政治上嘅考慮所以冇獲獎[3]。

雖然因為量子力學攞到諾貝爾獎,但愛因斯坦一生都對量子力學抱有一定懷疑,認為佢係一個未完善唔完整嘅理論。始終一直以來物理學界都相信世界係確定性(deterministic)嘅,即使愛因斯坦嘅相對論都係,突然間要接受一個完全顛覆呢個傳統概念嘅理論的確唔易。始終佢唔係淨係FF嘅 X登仔,佢係一個科學家,相信「超乎尋常的宣稱,需要超乎尋常的証據。」“Extraordinary claims require extraordinary evidence” 卡爾薩根(Carl Sagan)/特魯西(Marcello Truzzi)/拉普拉斯(Pierre Simon de Laplace)。從佢嘅名言「上帝不會擲骰仔」可以睇出啲端倪

量子力學入面其中一個怪異現象—量子糾纏(quantum entanglement),亦令愛因斯坦好困擾。佢仲同其他後輩發表論文提出流傳後世嘅愛因斯坦普度斯基羅森悖論(Einstein-Podolsky-Rosen paradox, EPR paradox)*,質疑哥本哈根詮釋(Copenhagen interpretation)。論文入面佢提出量子力學相關嘅思想實驗,亦即後來薛丁格(Erwin Schrödinger)命名嘅量子糾纏,藉此指出呢個現象有如超遠距離嘅鬼魅效應 (spooky action at a distance)。由於有可能涉及超光速訊息傳遞,同佢嘅相對論(relativity)有矛盾,所以佢認為量子力學喺詮釋同理論上有「缺憾」/爭咁啲嘢,有隱藏變量(hidden variables)。論文引申對量子力學嘅爭論仲持續咗幾十年

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愛因斯坦雖然係屈機天才,不過佢呢個睇法最終喺佢死後被人推翻。量子糾纏其實唔涉及超光速訊息傳遞,隱藏變量理論(hidden variable theory)亦同後來嘅實驗結果有出入。[offtopic] 不過唔知點解好多外行人/初學者仍認為EPR悖論尚未有解答或者藉此推論量子糾纏=瞬間超光速效應 [ban] [ban] [sosad] [sosad]

*呢個普度斯基唔係踢過阿仙奴、拜仁嗰個德國球星 :O)

乜嘢係量子糾纏?(What is quantum entanglement?)

要理解愛因斯坦點解咁諗同點樣解答佢嗰EPR 悖論,首先要知道乜嘢係量子糾纏。簡單用一句話概括嘅話量子糾纏係指兩粒粒子經過某段時間一齊時嘅相互作用後,就算之後分開咗幾遠,佢地最後被觀察出嘅形態雖然根據量子力學係隨機,但兩者間永遠都有關聯。簡單描述可以睇下面段片(英文)

https://www.youtube.com/watch?v=DbbWx2COU0E

試想像一個會釋放出兩粒子嘅系統,好似一粒亞原子粒子(subatomic particle)衰變咁。根據物理模型數學上嘅對稱性,過程中要遵守守恆定律,所以衰變出嚟嘅粒子嘅狀態有好大關聯。簡單通常講嘅例子有自旋spin為零好似pion嘅中性粒子當佢衰變出一粒電子同正電子嗰情況咁。自旋同為1/2嘅電子同正電子佢地自旋嘅形態有上旋|↑> 同下旋|↓> 兩種可能性。假設粒電子同正電子衰變出嚟後各自高速向相反方向行而且冇再接觸過,然後我地各自分開觀察佢地。雖然量子力學話俾我地知各自睇粒電子同正電子量度出上旋|↑> 同下旋|↓>嘅可能性均為50%,但因為角動量守恆,如果粒電子處於上旋|↑>嘅話粒正電子就必然處於下旋|↓>,相反亦然。呢個現象後來被稱為量子糾纏。

呢個現象令愛因斯坦「好唔舒服」,因為驟眼睇兩粒粒子間好似有瞬間作用力,而且仲係無論隔幾遠都一樣,完全「違反」佢一直相信同畢生嘅傑作相對論嘅前設。不過佢嘅睇法最後被證實係錯嘅…

貝爾不等式,有關聯唔等於必然有因果關係 (Bell’s inequality, correlation does not necessarily imply causation)

要解答愛因斯坦嘅EPR悖論,首先要釐清一啲錯誤嘅概念。試想像下面個例子:夏天時比其他季節多咗好多人食雪糕;夏天同時沙灘又多咗好多鯊魚襲擊人嘅事件。咁係唔係由此我地可以推斷食雪糕會導致鯊魚襲擊人?梗係唔係啦 [sosad] (除非條鯊魚係《銀魂》嗰阿銀扮嘅?[sosad])

記住結果喺統計上有關聯唔等於事件間必然有因果關係存在。呢個係啲人成日犯嘅謬誤,就算喺大學學術界入面都有唔少 [sosad] 經典例子就好似舊年年尾中大個食早餐高分啲個研究咁[ban][ban] [1]

為咗解決量子力學究竟係確定性定係隨機性,需唔需要隱藏變量呢啲一直困擾物理學家嘅問題,物理學家貝爾(John Bell)喺愛因斯坦死後嘅1964年諗到一個聰明嘅方法點樣用實驗去解答呢啲問題。嗰方法被稱為貝爾不等式/貝爾定律(Bell’s inequality/Bell’s theorem),相關實驗其後相繼喺七十、八十年代被實現出嚟。結果最後證實量子力學根本上真係隨機,量子糾纏o緊嘅粒子只係有關聯冇相互作用,中間唔存在瞬間超光速效應,隱藏變量理論係錯嘅。詳細關於貝爾不等式同相關實驗嘅解釋可以睇下面段片

https://www.youtube.com/watch?v=kGRyHi72qvk

另外如果大家對狹義相對論有啲認識同睇過小弟之前寫嘅劣拙文,應該記得「同時」呢個概念根本就唔存在,唔同觀察者對同時嘅定義都可以唔同,所以根本唔存在瞬間作用呢樣嘢。而且雖然喺A粒子嘅角度睇好似量度A時會「瞬間」決定咗B粒子嘅形態,但換個角度喺B粒子睇你一樣可以話量度B「瞬間」決定咗A嘅形態。換句話即係其實兩個講法都講唔通,事實係A同B粒子間有統計學上嘅關聯但冇因果關係/相互作用。正確啲講,糾纏中嘅一對粒子嘅兩個量子形態其實係應該睇做「一個」單一嘅量子形態。總結一句,愛因斯坦都有錯嘅時候,量子糾纏=/=遠距離超光速瞬間效應,量子糾纏=/=遠距離超光速瞬間效應,量子糾纏=/=遠距離超光速瞬間效應(好重要所以要講三次 XD XD)

[offtopic] 數學家約翰·康威(John Conway)近年亦用比較嚴謹嘅數學邏輯發表咗自由意志理論(free will theorem)#去解釋隱藏變量理論根本上同量子力學有抵觸

#嗰理論其實同哲學成日探討嘅自由意志冇乜太大關係,好似係

 

最後送上一條幾得意嘅講霍金同飾演蟻人的保羅.路德 (Paul Rudd)捉量子西洋棋嘅短片 =)

https://youtu.be/Hi0BzqV_b44

今次講住咁多先,下次再談

 

引申延讀:

[1] https://www.thestandnews.com/cosmos/%E5%9E%83%E5%9C%BE%E7%A7%91%E5%AD%B8-%E6%B7%BA%E8%AB%87%E9%A3%9F%E6%97%A9%E9%A4%90%E9%AB%98%E5%88%86%E7%A0%94%E7%A9%B6/

https://www.thestandnews.com/cosmos/%E6%B7%BA%E8%AB%87%E7%A7%91%E7%A0%94%E6%93%8D%E5%AE%88-%E9%A3%9F%E6%97%A9%E9%A4%90%E6%9C%83%E9%AB%98%E5%88%86%E5%95%B2-%E4%BA%8C/

[2] http://pansci.asia/archives/96429

[3] https://www.theguardian.com/science/across-the-universe/2012/oct/08/einstein-nobel-prize-relativity

立場書面語版:

https://www.thestandnews.com/cosmos/%E8%B6%85%E9%81%A0%E8%B7%9D%E9%9B%A2%E7%9A%84%E9%AC%BC%E9%AD%85%E6%95%88%E6%87%89-%E6%84%9B%E5%9B%A0%E6%96%AF%E5%9D%A6%E9%83%BD%E6%9C%89%E9%8C%AF%E7%9A%84%E6%99%82%E5%80%99/

 

 

 

叮噹法寶物理原理大解構 [二] (The Physics Behind Doraemon Gadgets II)

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(圖片來源:https://chinesedora.com)

鑒於觀眾嘅支持同熱烈回應(好似係?),小弟決定延續香港空想科學系列,繼續解構叮噹法寶背後嘅物理原理 #yup# #yup#

毀滅地球炸彈(地球はかいばくだん)

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每次叮噹遇到「宿敵」老鼠發瘋時都會攞出嚟嘅終極武器。外形酷似魚雷或核武,威力不詳,因為從來都冇有過 [sosad] (好似係)。叮噹聲稱可以輕易毀滅地球,所以叫「毀滅地球炸彈」。(聲稱) 能夠輕易毀滅地球,相信呢個炸彈嘅威力應該比核彈仲強好多倍。實際上個炸彈威力又有幾大呢?理論上有冇可能做到出嚟呢?

要解答第一個問題,睇嚟只有死後去搵藤子.F.不二雄或者進入漫畫世界入面做實驗,喺叮噹面前放一大堆老鼠,等叮噹失控掟個炸彈 (此乃危險動作,叮噹漫畫有可能因為咁消失,小朋友包括大雄請勿嘗試 XD)

毀滅地球需要幾多能量? (How much energy needed to destroy the Earth?)

雖然唔知實際威力係點,但都可以用物理推測下嘅。首先假設毀滅地球嘅意思係將地球炸到完全粉碎不成球形,咁需要幾多能量呢?答案大概係地球本身嘅重力結合能量(gravitational binding energy),即係將鬆散物質透過重力相互「痴埋一齊」嘅能量,亦即「拆散」佢地最少需要嘅能量。呢個數係幾多呢?要計其實唔難(如果你識微積分嘅話) [slick]

假設地球係一個半徑為R,質量M,密度為 ρ均質嘅球體。如果將地球好似洋蔥咁拆做一層層殼睇,即下圖咁

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當中半徑為r嘅厚度為dr嘅球殼佢嘅重力勢能 dU 就係

equation1_grav

喺上面條式代番密度與球殼同內圍球體質量嘅關係,再做積分,就得到下面個答案

equation2_grav

U 就係呢個球體嘅重力結合能量。地球質量大概係5.97 x 1024 kg,半徑大概係 6.37 x 103 km,所以要將地球完全拆散大概需要 2 x 1032 J 。

毀滅地球炸彈背後原理係乜?核武?

現時人類(已知)做到威力最大嘅炸彈係核彈,原理係E=mc2,將物質嘅能量由質量形式轉換成爆炸嘅動能同熱能。最初嘅版本應用嘅係核裂變(nuclear fission),即將一啲較重嘅原子分裂成較輕嘅原子嘅一種核反應。後來同而家嘅進階版就用核裂變推動核融合(nuclear fusion),後者即調番轉,將一啲較輕嘅原子融合成較重嘅原子嘅核反應。兩者過程中整體質量都會減少。

下面條link可以俾大家喺地圖上模擬吓唔同核彈引爆後嘅影響範圍

http://nuclearsecrecy.com/nukemap/

當中威力最強嘅沙皇炸彈雖然威力大到熱風都可以覆蓋整個珠江三角洲,但距離毀滅成個地球仲差好遠,威力只得2.1 x 1017 J ,而且一個人係絕對冇可能雙手攞起沙皇炸彈嘅。所以可以推斷叮噹嗰炸彈應該唔係核武

(沙皇炸彈圖片)

核武唔得咁可以用咩?

咁點先可以製造到比核武仲勁嘅武器呢?最有效率同最大威力嘅方法應該係用反物質(anti-matter),即係好似Dan Brown《天使與魔鬼》入面嗰故仔咁 [offtopic] 但同小說唔同,現時要製造出反物質需要嘅能量係遠大過最後反物質同正常物質相消所釋放嘅能量

反物質係乜?反物質係一種由反粒子構成嘅物質,而反粒子係一啲質量、壽命、自旋(spin)*都同正常粒子一樣,但所有內部相加性量子屬性(比如電荷、重子數 baryon number、奇異數 strangeness等)都同正常粒子相反嘅粒子。好似正電子(positron),一種質量、自旋同普通電子一樣,但帶正電荷嘅粒子。有啲粒子就冇正反粒子之分,好似光子(photon)咁,佢對應嘅反粒子就係佢自己。呢度正常粒子係指構成自然世界日常生活見到嘅普通物質嘅粒子。喺物理暫時證實咗嘅理論入面正反物質係接近完全對稱嘅,理論上宇宙大爆炸應該會誕生出近乎同等數量嘅正反物質。點解現實而家宇宙淨番嘅絕大部份都係正物質,尤其係中子同質子呢啲組成原子嘅重子呢?呢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 (詳細討論請睇[3])

另外基本上反物質一被製造出嚟就會同周圍嘅正物質相消,點樣儲存同避免佢地接觸到正物質喺實行上有好大難度。目前人類能夠製造出最重嘅反物質係反氫同反氦原子。除左科幻小說入面嗰啲反物質武器/能源嘅FF應用外,現時反物質嘅應用有正電子掃描(Positron Emission Tomography,簡稱PET Scan),係醫學掃描檢查嘅一種。

*呢度自旋係粒子嘅基本屬性,用嚟描述粒子嘅內在角動量,與旋轉、粒子嘅運動冇關

詳細關於反物質嘅講解可以睇下面minutephysics同sixty symbols嘅短片(英文)

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

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

反粒子嘅存在最先係由保羅.狄拉克(Paul Dirac)提出,係將狹義相對論(special relativity)結合量子力學(quantum mechanics)#推論得出嘅結果,後來喺1932年經由發現宇宙射線中嘅正電子證實 [offtopic] 不過其實狄拉克當時提出嘅模型同現實上有啲出入

#即量子場論(Quantum Field Theory)

好啦,講返叮噹個炸彈。基於叮噹可以舉得起嗰炸彈,所以小弟估個炸彈大約重40-100 kg。再假設個炸彈成個都係由反物質組成(現實上唔可能,因為要隔開反物質同正物質)。咁當個炸彈遇到正常物質相消所釋放嘅能量就係質量嘅能量值,用E=mc2計,得出 < 1019 J , 同需要毀滅地球嘅能量仲差好遠…用相同原理,要得出可以拆散地球嘅能量,至少需要1015 kg,即大概全地球蘊藏嘅碳嘅總重量。睇嚟叮噹一係就有神力,一係就係被老鼠嚇到「發噏瘋」 [sosad] [sosad]

 

[暴露年齡系列?] 最後送番首咸豐年代嘅叮噹兒歌作結(小弟表示完全唔明跟住歌詞點畫到叮噹出嚟[sosad])

https://www.youtube.com/watch?v=JCIs0QKn-LI

今次講到呢度,下回待續 😛

 

引申延讀:

[1] http://scimonth.blogspot.hk/2016/10/blog-post_75.html

[2] https://phycat.wordpress.com/2016/12/22/relativity-quantum-mechanics-black-hole-anti-matter/

[3] https://kknews.cc/zh-hk/science/anpaeb6.html

[4] https://kknews.cc/zh-hk/science/rzgqbr.html

叮噹法寶物理原理大解構 [一] (The Physics behind Doraemon Gadgets I)

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(圖片來源:https://chinesedora.com)

時光機/隨意門 (タイムマシン/どこでもドア)

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固名思義,時光機就係用嚟任意穿越時空,去時間旅行嘅法寶;而隨意門就係用嚟進行瞬間轉移,可以隨意去任何地方(只限十光年內,好似係)。呢兩件法寶都係出現次數最多,最受歡迎嘅法寶之一。

咁呢兩件法寶背後又靠咩原理運作呢?根據官方同叮噹嘅解釋,隨意門原理係運用蟲洞(wormholes),將所在地同目的地間嘅時空扭曲直接令兩地靠攏 (詳見漫畫大長篇《大雄的宇宙開拓史》,見下圖) 至於時光機背後嘅原理就冇詳細解釋過啦(好似係)…不過基於蟲洞喺叮噹漫畫世界入面係存在而且可以輕易造出嚟,小弟斗膽推論叮噹嘅時光機都係用咗蟲洞嚟進行時間旅行。

喺現實世界時間旅行、瞬間轉移又有冇可能呢?首先講時間旅行。根據狹義相對論(special relativity),基於時間係相對嘅,去未來呢個選項其實唔難,甚至連蟲洞都唔需要。運用時間遲滯 (time dilation)呢個現象,我地只要加速至接近光速(亞光速)就可以輕易去到未來。現實上1941年已經有實驗量度地面來自宇宙射線中嘅muon數量,一種類似電子但重好多同會衰變嘅基本粒子,去證明呢個現象 (詳細關於狹義相對論嘅講解請重溫番物理喵同小弟之前啲文[1])

咁回到過去呢?其實小弟冇幾耐之前已經寫過一篇文詳細探討過物理學上蟲洞同回到過去嘅可行性,詳見[2] 雖然未有最終答案,但基本上小弟唔認為回到過去係理論上係可行

咁瞬間轉移呢?蟲洞或者唔存在,咁唔用蟲洞又得唔得呢?如果閣下講嘅瞬間係真係如字面解釋亦即係即時嘅意思,咁理論上就冇可能。因為相對論講明冇訊息嘅傳遞可以快過光速,冇訊息嘅傳遞可以快過光速,冇訊息嘅傳遞可以快過光速 (好重要所以要講三次 XD)。* 所以理論上最快嘅轉移速度都只有可能係光速。如果閣下接受到光速嘅轉移速度都可以當係瞬間,咁類似叮噹嘅隨意門理論上都係可行gei 不過根據狹義相對論要將所有組成一件物件甚至一個人嘅粒子加速至亞光速需要嘅能量同時間基本上係非常可觀甚至接近冇可能…呢個問題又點解決呢?答案係放棄直接轉移物件/人,改做傳遞物件/人本身所含嘅一切訊息,然後喺目的地重新製造番出嚟。

呢個方法叫量子傳送(quantum teleportation),原理涉及量子力學(quantum mechanics),運用咗理論中一樣叫量子糾纏(quantum entanglement)嘅現象。同一般人認知嘅複製唔同,雖然目的地件嘢係根據原本件嘢嘅資訊複製出嚟,但基於量子力學嘅不可複製原理(no-cloning theorem) {簡單解釋請睇 [3]},原本嗰件物件喺轉移過程中係無可避免被消滅。呢個技術喺九十年代尾已經有實驗證實成功咗,目前一個量子位元(quantum bits, qubits)嘅量子傳送紀錄係143km [4]。詳細背後原理請睇[5] 同下面minutephysics啲短片

https://www.youtube.com/watch?v=DxQK1WDYI_k (詳細英文版)

https://www.youtube.com/watch?v=dAaHHGHuy1c (英文簡短原版)

https://www.youtube.com/watch?v=QFWsXMd1aqo (中文字幕簡短版)

[offtopic] 量子糾纏唔涉及違反光速限制嘅超遠距離作用力,粒子中間冇相互作用,嗰現象只係如統計學上嘅關聯效應。請記住相關不蘊涵因果(correlation does not imply causation)呢個觀念。有關呢個連愛因斯坦都理解錯,接受唔到嘅現象嘅講解遲啲有機會詳細寫文再講

量子傳送雖然(英文)名義上叫「瞬間轉移」,但嚴格上嚟講呢個技術唔係瞬間又唔冇轉移過任何嘢 [sosad] 咁用呢個技術做出嚟嘅「轉移」器仲算唔算隨意門,喺目的地「轉移」出嚟嘅「你」仲係唔係你呢?呢啲咁難答甚至涉及哲學層面嘅問題就留番畀 閣下自行解讀啦![slick]

另外關於隨意門嘅物理討論亦可參考物理喵嘅文章[6]

穿越環 (通りぬけフープ)

09

穿越環,一件喺漫畫,尤其係大長篇中出現次數頗多嘅法寶,喺被人困住嘅時候用嚟「走佬」嘅神器。擁有呢件法寶就有如學識忍術、特異功能咁,可以輕易瞬間穿越一切牆壁同障礙物,而且仲不留痕跡o添 =p

真實物理世界穿牆術又有冇可能呢?喺經典物理學入面,穿牆術只係天方夜譚,理論上唔容許。日常生活經驗都話畀我地知要越過一幅牆嘅可行辦法只有一係打爛幅牆,一係跨過去。不過喺量子力學世界就唔同講法啦,穿牆術喺微觀世界唔單止可行,而且係正常不過嘅現象。好似攪到人心惶惶嘅切爾諾貝爾同福島核事故,嗰啲化學嘅有放射性位元素,衰變嘅背後原理其實都係「穿牆術」[slick]

物理學上呢種現象叫量子穿隧 (quantum tunnelling)。雖然睇落好似好荒謬,但其實可以用海森堡測不準定律 (Heisenberg uncertainty principle) 輕易解釋得到。仲記唔記得小弟之前講量子力學,解釋咩係測不準定律篇文啊[7]?喺量子力學世界,粒子嘅能量同位置都唔係絕對而係講機率,所有位置同能量值都有可能。所以就算喺經典物理學入面粒粒子嘅能量唔足以穿越一個位勢(potential)障礙,喺量子力學入面都有一定嘅可能性粒粒子嘅能量喺好短時間內大過需要用嚟穿越障礙嘅能量並最後成功穿越咗,雖然機率或者好細。簡單解釋同比喻請睇下面sixty symbols同minutephysics嘅短片(英文)

https://www.youtube.com/watch?v=qI5q6OqSo4s

https://www.youtube.com/watch?v=cTodS8hkSDg

不過以上講嘅「穿牆術」只限量子力學微觀世界。至於點樣將呢個現象放大至宏觀世界,應用喺好似穿越環咁嘅法寶叮噹就冇講啦 [sosad] 或者經過穿越環嘅時候大雄叮噹佢地其實係同時被分解成一粒粒原子,過程一啲都唔好受? XD XD

今次講住咁多先,下回待續。最後送上一曲緬懷吓叮噹御用配音員林保全作結:

https://www.youtube.com/watch?v=1o9GFHia14Q

 

*蟲洞冇違反呢個限制,因為蟲洞做嘅係將時空扭曲,將上面本來好遠嘅兩點靠埋一齊,直接縮短兩地嘅距離

引伸延讀:

[1]https://phycat.wordpress.com/2015/03/27/%E4%BD%A0%E4%B9%9F%E8%83%BD%E6%87%82%E7%9B%B8%E5%B0%8D%E8%AB%96/

https://godfreyleungcosmo.wordpress.com/tag/%E7%8B%B9%E7%BE%A9%E7%9B%B8%E5%B0%8D%E8%AB%96special-relativity/

[2] https://godfreyleungcosmo.wordpress.com/2017/04/11/%E7%89%A9%E7%90%86%E5%AD%B8%E4%B8%8A%E6%99%82%E5%85%89%E6%97%85%E8%A1%8C%E6%9C%89%E5%8F%AF%E8%83%BD%E5%97%8E-is-time-travel-ever-possible/

[3] https://www.youtube.com/watch?v=owPC60Ue0BE

[4] https://www.nature.com/nature/journal/v489/n7415/full/nature11472.html

[5] http://www.hksilicon.com/articles/1183056

[6] http://pansci.asia/archives/117890

[7] https://godfreyleungcosmo.wordpress.com/2017/02/07/%E6%89%80%E6%9C%89%E5%98%A2%E9%83%BD%E4%BF%82%E9%87%8F%E5%AD%90%E5%8A%9B%E5%AD%B8%E7%B3%BB%E5%88%97-%E5%8F%88%E4%BF%82%E7%B2%92%E5%AD%90%E5%8F%88%E4%BF%82%E6%B3%A2%E5%8D%B3%E4%BF%82%E9%BB%9E-what/

書面語版現刊於立場新聞︰

https://www.thestandnews.com/cosmos/%E5%8F%AE%E5%99%B9%E6%B3%95%E5%AF%B6%E7%89%A9%E7%90%86%E5%8E%9F%E7%90%86%E5%A4%A7%E8%A7%A3%E6%A7%8B-%E4%B8%80/

 

弦論唔可以證偽?(Is string theory really unfalsifiable? )

1+2+3+…加到無限個答案係乜?答案唔止唔係無限,仲係一個負數,係 -1/12 [slick] 呢條數小弟之前已經喺blog略略提過吓,網上亦有好多討論同youtube片解釋點解,詳見[1] (或者遲啲有機會寫番篇文解釋吓)

?_? 今次唔係講弦論(string theory)咩?點解要提呢條咁「詭異」、令人難接受、理解嘅數呢?咁係因為呢條數其實對弦論好重要,係用嚟推論出點解弦論需要一個10/11維度嘅時空 [slick] 所以呢條數唔係啲數學家得閒無事「作」出來,甚至可能係世界嘅真理 XD (至於點解小弟喺呢度就唔講啦,真係有興趣知去讀番個PhD啦 [sosad])

小弟提呢條數嘅目的係想講弦論背後所牽涉嘅數學、物理知識係深不可測,絕對唔係「凡夫俗子」可以輕易睇得明。弦論仲開埋物理學先例,入面牽涉嘅數學甚至比數學家已知嘅更深更廣,係數學嘅前沿研究課題 :O 要認真學識、明白弦論基本上冇番咁上下「痴線」或長期閉關修行係唔得架。 小弟自問入魔唔深,亦唔夠「瘋癲」,只係涉獵過最基本嘅基本,唔涉及超對稱(supersymmetry)嘅初階版玻色弦論(bosonic string theory),要用三言兩言喺blog講解乜嘢係弦論真係天方夜譚…

[offtopic]弦論,尤其最終極嗰個版本M-theory,點解咁難明?因為背後其實隱藏咗一個驚世大陰謀 — M-theory 嗰M指乜?諗到呢個終極理論嘅Ed Witten係咩人?請睇上面幅圖[sosad][sosad]

所以其實今次小弟只係想講吓一個一般人對弦論嘅誤解:弦論唔可以證偽,好似XX政府龍門任佢搬咁,係信仰多過理論呢個唔係幾啱嘅睇法。呢個觀點可能係來自大家嘅道聽塗說,亦可能因為睇過坊間一啲科普書,好似斯莫林(Lee Smolin)嗰本《The Trouble with Physics》# 或者Peter Woit嘅《Not Even Wrong》。抱有呢種睇法,個人認為或者係出於對弦論嘅錯誤解讀。小弟不才, 但下面會嘗試反駁吓弦論係唔可以證偽呢個觀點

(戴頭盔先:小弟唔算係弦論學者,亦唔識迴圈量子重力論。本文觀點係根據自己所學所聽,用比較中立嘅角度寫嘅,好似係)

 [曲線向谷阿莫”致敬”*]幾分鐘講完弦理論 (Few minutes quick explanation of string theory)

*而小弟不知谷阿莫是誰(亦冇興趣知 :P)

小弟雖然自問冇資格講解乜係弦論 [sosad] 不過循例點都要講吓gei,就用[谷阿莫 mode],用最簡短(不負責任)嘅幾句話講吓啦! (曲線抽水中)

https://www.youtube.com/watch?v=IGAgvu1HYpA

(用喵星人「解釋」弦論XD)

固名思義,弦論就係講自然世界最基本嘅組成成份唔再係一直以嚟大家所相信冇維度嘅粒子,而係一啲好似弦咁嘅一維物件。大家見到唔同嘅粒子係因為條弦振動嘅頻率唔同。就好似樂器,結他嘅弦喺振動時,唔同嘅頻率放出嘅音調都唔同咁。大自然一切嘅物理現象其實就好似一篇篇扣人心弦嘅交響樂樂章咁,由好多唔同頻率嘅音調形成。係咪突然覺得物理學、弦論好神奇、浪漫有格調呢XD

https://www.youtube.com/watch?v=PTxoM5QvruY

不過當然同樂器好似結他嘅弦有一個明顯分別,就係呢啲組成世界最基本嘅弦係細好多好多,一定要用量子力學(正確啲講係量子場學 Quantum Field Theory, QFT)描述。普利雅科夫(Alexander Polyakov)係最先研究量子力學世界入面弦係點嘅物理學家,所以背後嘅公式/理論建基於嘅基礎又叫普利雅科夫作用量(Polyakov action)

[offtopic] 理論上喺物理學入面一切嘅物理學公式都係由一樣叫作用量(action)嘅嘢推算出嚟,包括好似牛頓力學F=ma呢啲中學學嘅公式咁。作用量先係一個理論嘅根本

呢啲弦又根據兩端嘅邊界條件分開兩種:開弦(open strings)閉弦(closed strings),好似下圖咁

open_strings_closed_strings

開弦嘅兩端係「黐」喺一啲大好多叫(branes)嘅高維度(唔一定2D)嘅嘢上面,好似下圖咁。呢啲膜同閉弦都係可以隨意喺時空入面遊走,而啲膜本身亦係由大量嘅弦所組成。

弦論其實更似一個模型框架,唔係單一理論(string theory is more like a framework, not a single unique theory)

理論上弦論係得一個參數,就係弦嘅張力(string tension),所有公式/定律都係推算出嚟。好似弦論咁可以只用一個參數一樣嘢就解釋晒所有物理現象嘅模型,即萬有理論(theory of everything/unifying theory),一直都係物理學家夢寐以求想搵到嘅終極理論。

咁實際上呢?點解啲人又話弦論有「無限」咁多解、可能性,有物理學家又批評佢龍門任搬呢?無錯雖然弦論得一個參數,好似冇乜可變性,但基於弦論要存在喺10/11維時空入面,而我地又完全唔知4維時空以外嘅額外維度(記住呢度講嘅係類似3維空間嘅額外維度)係點,所以當物理學家將弦論放番喺我地認知嘅4維時空入面睇就出現好多變數、可能性。不過嗰啲額外維度嘅幾何形狀都唔係可以點就點,弦論要求佢地要係卡拉比丘流形(Calabi–Yau manifold,所以可能性係多但其實唔係無限。[offtopic] 卡拉比–丘流形就係香港(其實人地已經入籍美國)數學家丘成桐搞出嚟嘅嘢。唔好問小弟佢係乜,可以嘅話請問番丘成桐

因為額外維度存在咁多可能性,弦論唔會得出好似F=ma咁嘅單一公式或者預測,反而會得出好多變數,所以啲人會話佢好似搬龍門咁點講都啱。但其實咁嘅批評唔係幾合理,因為呢啲變數,實際上嚟講弦論其實更似一個模型框架多過一個單一理論,就好似量子場學 QFT咁。弦論就好似樂理設定、語法咁,係音樂、語言背後建基於嘅框架,所以理論上預測結果有好多可能性係好合理。正如就算語言可以表達到好多嘢同有好多種唔同嘅演繹方法,但你唔會質疑語言背後冇一套系統理論喺入面咁。

但有咁多可能性,所有嘢都好似講得通,咁弦論唔係違反咗科學界一直堅持相信科學理論必須要可證偽(falsifiable) 呢個觀點咩?咁講其實都唔啱。弘論係建基於現今物理學經過嚴格驗證嘅兩套理論,狹義相對論(special relativity)量子力學(quantum mechanics),另加上超對稱理論(但唔係必需,好似係)。如果有實驗結果同呢啲弘論嘅根本理論有出入、矛盾,咁弦論亦同時會被證偽。就好似語言嘅比喻咁,可變性係好多但唔同語言語法上嘅出入係可以睇倒出嚟嘅

至於點解弦論受咁多物理學家認同、相信,除左係因為佢係少數可以成功融合到廣義相對論(general relativity)同量子力學嘅理論外,佢仲可以應用喺其他理論物理學上面,好似AdS/CFT對偶(AdS/CFT correspondence),用嚟解釋一啲超流體/超導體異常現象,或者用喺強耦合(strong coupling)系統嘅運算上。另外弦論本身起初唔係用嚟描述量子重力(quantum gravity),反而係量子重力研究(好似黑洞咁)入面啲運算、推論指向弦論方向,詳細可以睇吓下面段片(英文)

https://www.youtube.com/watch?v=Q8ccXzM3x8A

最後請畀小弟用下面幅圖總結同利申一吓

# Lee Smolin絕對係一個出名同有料嘅物理學家, 小弟亦睇過嗰本書。雖然入面有啲睇法或者可取,好似應該諗吓弦論以外嘅可能性。但請記住佢本身係迴圈量子重力論(Loop Quantum Gravity)呢個弦論競爭者嘅其中一位創立者,所以絕對有利益衝突,觀點或帶有偏見

 

引申延讀:

[1] https://www.youtube.com/watch?v=w-I6XTVZXww

https://zh.wikipedia.org/zh-hk/1_%2B_2_%2B_3_%2B_4_%2B_%E2%80%A6

https://frankliou.wordpress.com/2014/05/18/123-112/

http://sa.ylib.com/MagArticle.aspx?Unit=featurearticles&id=3114

[2] http://sa.ylib.com/MagArticle.aspx?Unit=featurearticles&id=560

[3] http://web.mit.edu/yenjie/www/lm/physics/phys-field-string-2.htm

 

讀PhD 博士=中伏? 對最近啲人不斷勸阻、「誇大」讀博士嘅辛酸有感(PhD is a trap?)

PhD,全寫係Doctor of Philosophy (唔係Pizza Hut Delivery、Pretty Huge Dick XD 但 Permanent Head Damage係真嘅,好似係),意指「哲學」博士,包括所有學科。原意係因為所有嘢、學科去到最深入前沿嘅境界時其實都係哲學(好似係)。

香港人作為純粹嘅經濟動物,不嬲都唔重視學術研究,會考慮讀博士嘅更加少之又少 =`( 但對於最近好多人以過來人身份不斷強調讀博士嘅痛苦、難處,媒體又不斷渲染博士生=修練「葵花寶典」嘅宅男/女、活喺象牙塔搵唔到食,小弟覺得太嘩眾取寵,想寫番啲個人睇法。

讀博士= 做研究、番工,唔係讀書

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http://phdcomics.com/comics/archive.php?comicid=1286

一般人,尤其香港人,對讀博士最大誤解係當咗佢係好似中小學、大學讀學士咁,係上堂學知識,只係啲課程深啲 :O)。博士生涯其實上堂學嘢、功課考試最多只係佔一半甚至更少,唔同地區、課程、學科變化仲好大。好似英國、歐洲為例,物理系嘅博士課程大多只係3-4年,而且可能冇定時嘅堂、做卷嗰類考試,一開始已經要做研究工作,邊做邊學。美國(香港都好似係)就可能閒閒地5年以上,頭一兩年都係好似學士、碩士咁做功課、考試、上堂為主。呢個分別係因為英美歐大家大學嘅課程好唔同。英國、歐洲喺學士、碩士嘅時候已經讀得專門、深入啲;香港、美國就講通才,學士課程除左自己嗰科之外仲要讀好多林林總總嘅嘢。

另外歐美兩地博士獎學金、funding嘅系統都好唔同。英國、歐洲好多博士生都係攞full scholarship 獎學金(包生活費)讀嘅,通常攞唔到獎學金嘅係唔會考慮讀嘅。香港、美國就未必有,就算有都未必夠生活,主要靠做tutor教書出糧。*

博士生嘅生活其實似番工多過讀書。小弟為例,做博士嗰時每日嘅生活都係上網睇論文(同BBC/facebook XD),睇吓最近有乜新發現/研究突破,好似文職睇report,銀行、金融工啲人睇住個市咁。而自己研究嘅project就好似做生意、公司project咁,要定時向教授匯報同sell自己「搵客」,即係搵其他人介紹/討論研究內容同開conference present咁。所以個人覺得讀博士時心態上當自己番o緊工就「perfect池」

讀博士只係得痛苦?

近年網上好多人、媒體(好似乜嘢呢個PhD只係我的XX、HK01)好鍾意講讀博士時點辛苦、艱難,畢業之後前途又點「前途黯然」。有人講吓博士生活,畀人知道吓博士課程當中可能遇到嘅難處,制度上可能有咩問題係好事,始終讀博士係一個好特別另類、別人難以理解嘅體驗。但一味講難處、點辛苦又太偏見啦,只會畀人中伏、呻苦嘅感覺同令有意之士卻步。

無錯,讀博士前途未必有保障,但咁唔表示畢業之後一定前途黯然。大學教職、研究所職位的確僧多粥少,呢個係事實,係社會重金融、經濟輕學術嘅結果。問題其實好耐之前自從有博士後呢個「怪胎」出現之後就有,而家博士生畢業好多都未必會留喺學術界。但離開學術界=/=冇前途,亦未必做番自己讀嗰範,好似讀物理、應用數學嘅其實喺金融界投資銀行好搶手。讀博士學到嘅研究技能、soft skills其實好多,閱歷亦比其他人豐富,呢啲都係寶貴嘅財產同搵工時嘅優勢。

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http://phdcomics.com/comics.php?f=1924

另外,讀博士時都有好多歡樂時光/好處,好似唔使趕起身番工/成日OT咁 (雖然其實你可能每日24小時都諗o緊你份研究 [sosad])。平時又有好多機會去唔同地方出trip開會(順便旅行 ^3^) ,開會/seminars又可能有free lunch,又可以體驗唔同文化結交唔同地方嘅朋友(博士生/教授好多都係好玩得嘅正常人,唔好FF全部都係匿喺研究所唔social嘅怪人[sosad])。當然最重要嘅係研究過程成功時帶嚟嗰種無可比喻嘅滿足感啦

讀博士前嘅考慮

博士/學術生涯係一個好特別,唔係人人都有嘅人生體驗,某程度上就好似運動員生涯咁。未試過嘅話有時好難知道自己適唔適合同鍾唔鍾意。小弟唔會勸阻人讀博士或者不停呻讀博士嘅苦處,只係想講大家係選擇讀博士前應該先做好心理準備,當中嘅過程同你幻想嘅可能會有好大出入。最理想係喺讀學士時就嘗試喺大學搵吓暑期/短期研究工作體驗吓,報讀之前亦可以搵教授或者博士後吹下水

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http://phdcomics.com/comics/archive.php?comicid=1296

另外,點報博士課程都有學問,好似揀大學同教授咁。上面幅圖雖然係搞笑,但博士生同負責佢嘅教授嘅關係其實真係似婚姻關係。好多時讀博士讀得唔開心都係因為揀錯教授同研究部門

*獎學金系統制度上的敘述是從當地學生角度出發,並不適用於國際外地學生。不同大學不同學科亦可以有很大出入

註︰博士生/學術生涯尤如運動員生涯,競爭非常大而且前途未必有保障。本文無意淡化讀博士課程問題遇到的問題或美化博士生活。博士/學術生涯的問題絕對應該嚴謹正視並改善、給予適當支持。本文旨在指出分享經驗、給予建議與旨在令人泄氣是有分別的,後者未必對解決問題有幫助,甚至可能加深外界的誤解

立場新聞書面語版:

https://www.thestandnews.com/cosmos/%E8%AE%80phd-%E5%8D%9A%E5%A3%AB-%E4%B8%AD%E4%BC%8F-%E5%B0%8D%E6%9C%80%E8%BF%91%E4%BA%BA%E5%80%91%E4%B8%8D%E6%96%B7%E5%8B%B8%E9%98%BB-%E8%AA%87%E5%A4%A7-%E8%AE%80%E5%8D%9A%E5%A3%AB%E7%9A%84%E8%BE%9B%E9%85%B8%E6%9C%89%E6%84%9F/

物理學上時光旅行有可能嗎? (Is Time Travel Ever Possible?)

 

 

時光機、時光旅行永遠都係大家憧憬未來或者會出現嘅劃時代發明、科幻小說中接近不可或缺嘅元素。而當中對大部份人嚟講回到過去嘅時光旅行必定比較吸引。試FF你可以任意回到過去,去修補過去一啲自己(認為)錯誤/後悔嘅決定,好RPG咁restart人生,人生有take 2咁幾好呢。

事實物理學上時光旅行又可唔可行呢?雖然暫時尚未有確切答案,但小弟認為除左去未來呢個選項外,回到過去嘅時光旅行大概係不可能。霍金(Stephen Hawking)嘅睇法相似,仲提出時序保護假說(Chronology protection conjecture),認為喺宏觀世界物理定律必然會阻止時間旅行出現,仲曾經做過實驗「證明」呢個睇法

就算返到過去真係有可能都未必會好似小說/電影咁可以隨意改變任何嘢,個人傾向相信至多會好似《尋秦記》/《超時空攔截 Predestination》咁,你自以為改變o緊歷史,但其實一切一早已經整定咗。

(戴頭盔先︰以上為「個人意見,不代表所有物理學界立場」)

時光旅行悖論(time travel paradox)

點解小弟咁認為?咁係因為因果關係(causality)係理論物理學中一個好重要嘅考慮,甚至係根本嘅基礎。物理講嘅因果關係除左狹義宗教上指人嘅行為、「報應」外,仲包括自然世界萬物間嘅一切現象,探究一個現象/事件背後嘅成因係乜嘢、事物間關係係點。如果真係可以任意改變歷史,咁會產生好多邏輯悖論,好似祖父悖論 (Grandfather paradox)咁,詳細請睇

https://www.thestandnews.com/philosophy/%E6%99%82%E9%96%93%E6%97%85%E8%A1%8C-%E6%94%B9%E8%AE%8A%E6%AD%B7%E5%8F%B2%E6%8B%AF%E6%95%91%E5%A4%B1%E6%95%97%E7%9A%84%E4%BA%BA%E7%94%9F-%E5%93%B2%E5%AD%B8%E5%AE%B6-%E5%9B%9E%E5%88%B0%E9%81%8E%E5%8E%BB%E4%B8%8D%E5%8F%AF%E8%83%BD%E5%95%A6/

唔牽涉人為決定、自由意志嘅祖父悖論物理學例子就好似向蟲洞掟一個波,而個蟲洞嘅出口就係幾分鐘前嘅時空,個波出咗蟲洞之後撞番自己阻止自己跌入蟲洞咁。

廣義相對論雖然容許回到過去呢類封閉類時曲線(closed timelike curves),但所有好似改變歷史呢啲會做成悖論嘅時間旅行都係相對論理論上唔容許,呢個係諾維科夫自洽性原則(Novikov self-consistency principle)。呢個原則下只有《尋秦記》嗰類時間旅行理論上係容許嘅[1]。

平行宇宙可以解決悖論問題?(Can parallel universes solve the paradox?)

回到時空做成嘅邏輯問題,好多人會用平行宇宙(parallel universes)嚟解釋,好似下面叮噹第一幕咁([offtopic]其實大雄比大家諗聰明,佢喺小學生時已經識得問呢啲問題)。「條條大路通羅馬」咁,所謂回到過去只係去咗平行宇宙嘅另外一個時空。

首先,從字面上嚴格嚟講,平行時空嘅定義就係平行,即係宇宙間喺時空上冇任何交匯點。物理學上用多重宇宙(multiverse)呢個詞彙比較適合。(物理學上多重宇宙都分幾種,有機會再詳細講)

咁理論上呢個解答又啱唔啱呢?喺量子力學微觀世界入面呢種睇起嚟好荒謬嘅邏輯悖論的確係有可能存在,就好似薜丁格的貓咁。但咁唔一定代表宏觀世界入面都係一樣。宏觀世界係點建基於量子力學嘅詮釋,微觀世界點樣演化出宏觀日常生活見到嘅世界。呢個問題暫時仲未有答案。其中一個詮釋 —多世界詮釋(many-worlds interpretation)如果啱,咁呢個解答就有可能講得通。

 

用超光速、多維時空、蟲洞可行嗎?(Time travel via superluminal motion, extra dimensions or wormholes?)

時光旅行邏輯上可能講得通,但理論上又可唔可行呢?

將物件加速至超光速係最常見大眾認為「可行」嘅做法。但相對論中最根本嘅基礎就係時空結構中冇訊息可以以超光速傳遞,唔存在瞬間效應。唔理呢個時空結構,將相對論嘅公式放喺超光速嘅情況下推論出有回到過去呢個可能性本身就有問題。如果超光速真係有可能,咁理論上首先應該回到起步點,重新探討時空嘅因果關係結構。而唔係喺時空嘅因果關係結構不變嘅假設下做任何推論,就好似當做嘢有步驟出錯時,冇理由盲目相信最後出嚟嘅結果會冇問題。

除左「假設」相對論中超光速「成立」,用呢樣嘢嚟推論回到過去嘅可能性之外,多維時空(extra dimensions)、蟲洞(wormholes)都係啲人成日用嚟支持有回到過去可能性存在嘅理論。理論上又啱唔啱呢?

雖然物理學中一直以來都有探討4維時空以外仲存在額外維度嘅可能性,好似現時理論物理學中炙手可熱嘅弦理論(string theory),但物理學家口中講嘅額外維度絕大多數只限於類似3維空間嘅維度。之前網上好多人share同討論Rob Bryanton嗰條《Imaging the Tenth Dimension》youtube片講嗰種時空絕對唔係物理學家口中講嘅多維時空。類似時間嘅維度如果多過一個,無可避免會做成不可預測、違反因果關係呢啲問題。[2]

之於蟲洞,呢個雖然係相對論入面其中一個解,但事實上缺乏理據支持。原理上蟲洞係將一個順時嘅解同逆時嘅解,即黑洞(black hole)同白洞(white hole),結合嘅解。雖然物理學上大部份理論個別睇都係喺時間軸上對稱不變,但違反咗有關熵(entropy)嘅熱力學第二定律好似白洞呢類逆時嘅解喺現實宏觀世界上都唔存在(雖然背後理論點解仲係一個謎)。

退一步講,就算蟲洞、白洞理論上存在,自然界亦冇任何天文現象可以做出白洞。連《Interstellar》嘅Cooper都話蟲洞唔可能自然產生。個人認為人為做到出嚟嘅可能性更低,要知道宇宙中嘅自然現象可以涉及到嘅能量係遠遠超出人為可以達至嘅範圍。而且蟲洞理論上仲係一個非常唔穩定嘅系統,係任何嘢可以穿過蟲洞前佢已經魂飛魄散。詳細物理學家點睇蟲洞存唔存在可以參考Kip Thorne 為《Interstellar》出嘅科普書[3] 同《Scientific American》嘅文章[4,5]

最後個人總結係回到過去呢類時光旅行好大機會只係科幻小說/電影嘅產物,現實上可行嘅機會唔大,雖然係未有一套正確完整嘅量子重力(quantum gravity)論之前可能性仍然存在

[offtopic] RIP 黃易

引申延讀:

[1] https://lostinscience.wordpress.com/2011/03/03/is-time-travel-possible/

[2] On the dimensionality of spacetime, Max Tegmark, Class.Quant.Grav.14:L69-L75,1997

[3] 《The Science of Interstellar》, Kip Thorne, W.W. Norton & Company Ltd, 2014

[4] https://www.scientificamerican.com/article/how-to-build-a-time-machine-2006-02/

[5] https://www.scientificamerican.com/article/are-wormholes-a-dead-end-for-faster-than-light-travel/

 

 

淺談相對論[二]: 等效原理, 重力其實「唔存在」? (Layman Introduction to Relativity: Equivalence Principle)

xkcd91215

https://postils.files.wordpress.com/2016/01/xkcd91215.jpg

上回(咸豐年前[sosad])講完狹義相對論(special relativity),(概括咁)解釋咗同時/時間係相對呢啲概念(包括光年),仲有入面一啲同平時日常生活體驗有出入嘅「悖論」[1]。不過狹義相對論其實只係算相對論嘅入門初階,仲未考慮最關鍵、精髓嘅一樣嘢 —重力(gravity)喺入面。狹義相對論除左概念上比較難接受外,入面涉及嘅數學其實高中生都做到。

你可能會問︰「冇重力?就咁牛頓萬有引力加狹義相對論唔得咩?_?」答案係唔得,因為兩樣嘢根本上唔相容。狹義相對論嘅精髓唔係話光速係絕對,唔係無限,準確講係指冇任何粒子/訊息傳遞可以快過光速。換句話即係話呢個世界冇瞬間感應/作用呢樣嘢*。

但牛頓萬有引力正正就違反咗呢個概念,因為入面講一件物件對其他物件嘅重力影響係根據物件間嘅距離而定。即係當一件物件郁咗,物件間嘅距離有變時,佢地會瞬間即時感應到重力唔同咗。所以牛頓萬有引力+狹義相對論係唔可行。

咁要考慮埋重力要點做?答案當然就係用廣義相對論(general relativity)啦 =) 所以今次輪到講廣義相對論啦啩? 嗯…都算嘅…但要真係明廣義相對論,首先要知道乜嘢係等效原理(equivalence principle)[2,3]度量張量(metric tensor)[4]

等效原理,重力其實「唔存在」?(equivalence principle, gravity as a fictitious force)

https://img-9gag-fun.9cache.com/photo/awn0jqW_460sv.mp4

等效原理(equivalence principle)係乜?簡單講係指一個物件嘅慣性質量(inertial mass)重力質量(gravitational mass)係一模一樣,其實根本係同一樣嘢。如果你諗深入啲,呢兩種質量其實指o緊好唔同嘅嘢﹔一個係講o緊一件物件有幾「唔鍾意」改變自己嘅慣性,另一個係講o緊重力對一件物件嘅影響(好似電荷係電磁學入面嘅角色咁)。

你可能會問︰「咁又點呢?」定義上呢兩樣嘢係好唔同,冇原因點解佢地要一樣。佢地係完全一樣呢個事實話俾我地知其實「正確」嚟講重力唔係好似電磁力或者弱核力/強核力咁係物件間嘅直接相互作用,重力其實「唔存在」,只係假想力(fictitious force)。就好似你喺一部勻速行o緊嘅車入面,你會睇到出面所有嘢倒後行o緊咁。咁究竟係你向前行o緊定出面所有嘢倒後行o緊呢?物理學上愛因斯坦就係話你冇可能分到,兩者係冇分別。假想力係講o緊類似嘅概念,不過而家係加速度。

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

試想像你喺一個旋轉o緊系統入面,你係唔係會感覺到有離心力拉你走?呢個其實係因為你本身「唔想跟大隊轉」嘅慣性。跳出呢個系統,從靜止嘅第三者角度睇番,離心力實際上係唔存在,根本冇呢個力拉o緊你。離心力只係假想力,冇其他嘢做參考,呢個情況下物理學上你係冇辦法分辨究竟真係有一個力拉o緊你定其實你只不過身處喺一個加速中嘅系統入面。就好似特首「小圈子」選舉咁,689、689 2.0、「葡萄x淑儀」定薯片做特首其實冇分別,只睇「政綱」你唔會分到,因為決策話事人根本唔係特首。

同樣地,你「感覺」到重力其實係只不過係因為你身處喺一個加速嘅系統入面。愛因斯坦為咗表達呢個概念,佢提出一個思想實驗︰想像你身處一個遠離任何重力影響,用9.8ms^-2加速中嘅太空船入面。呢個情況其實同你身處喺地球表面冇分別,喺呢兩個系統入面任何實驗結果都會完全一樣。又或者喺一部自由落體中嘅𨋢入面,你感覺到失重,好似喺太空唔受重力影響咁嘅道理一樣。詳細可以睇物理喵嘅講解

https://www.youtube.com/watch?v=anUBii60sBg

重力只係假想力呢個事實其實話俾我地知一個受重力影響嘅物件只不過係做o緊慣性運動。但牛頓力學唔係話慣性運動係靜止或者勻速直線運動咩?喺重力影響之下物件唔係加速o緊咩?咁其實係因為你「用錯」座標,用咗一個加速中嘅座標去睇嗰件物件。物件其實仲行o緊直線運動,不過係喺一個扭曲咗嘅空間(4維時空)行直線。時空點扭曲就係根據質量(其實係所有能量)而定,所以你成日聽到啲人用保齡球同彈床去比喻重力。

https://www.youtube.com/watch?v=MTY1Kje0yLg&t=4s

你覺得唔係直線只不過係因為你錯誤假設咗時空冇扭曲到。就好似係地球表面行直線,條路徑你放喺地圖,一個冇扭曲到嘅平面上面睇會變咗曲線咁。

相對論世界嘅「尺/度量衡」(metric tensor)

喺狹義相對論入面,要計喺唔同觀察者眼中時間同物品嘅長短點唔同,可以用羅倫茲變換 (Lorentz Transformation),睇番唔同觀察者嘅座標點變換。詳細可以參考番物理喵下面條link

https://phycat.wordpress.com/2015/03/27/%e4%bd%a0%e4%b9%9f%e8%83%bd%e6%87%82%e7%9b%b8%e5%b0%8d%e8%ab%96/

雖然公式唔算長同深,但呢啲運算其實有個簡單、快捷啲方法計,就係用一種叫度量張量(metric tensor)嘅嘢度量張量簡單其實即係尺/度量衡,用嚟計喺空間入面點同點之間距離、線同線構成嘅角度嘅「工具」。

狹義相對論中,用羅倫茲變換座標嘅時空叫閔可夫斯基時空(Minkowski spacetime)。如果喺呢個4維時空入面兩點A同B嘅距離叫ds,咁ds同4維座標(t,x,y,z)嘅關係就係下面條式

metric_Minkowski

(上面個符號d其實指微分differential。唔知係乜都唔緊要,某啲情況好似狹義相對論下,好似dx咁,你可以簡單睇做兩點x座標嘅差距,dx=|x1-x2|) 希臘符號係代表座標嘅index,由0到3,分別代表4維座標(t,x,y,z)。上下重複嘅index係隱藏咗summation嘅意思。度量張量就係 g_μν,喺閔可夫斯基時空通常會寫做η_μν,係一個張量(tensor),可以用下面個矩陣(matrix)代表

metric_eta

時間同空間喺相對論入面嘅分別只不過係正負號嘅分別。唔理正負號,上面條式其實即係畢氏定理。條式左面指4維時空嘅距離,又叫原時(proper time),喺唔同座標都一樣。喺一個運動中物件嘅座標入面,你量度出嘅時間就係原時。

狹義相對論其實係話喺真空入面,時空其中一個可能性係閔可夫斯基時空。而廣義相對論就係將度量張量變做一個電場咁嘅場(field),唔同地點有唔同數值,而且會隨時間轉變。好似啲XX政府啲尺度、官員啲「龍門」咁,時時刻刻都變o緊,唔同咁。

 

今次講住咁多先,下次再講

[offtopic] 啱啱過咗嘅星期日舉行咗特首選舉,對於有好多市民擁護嘅薯片輸咗,好多人包括泛民好失望,我淨係想講democracy is never about electing the most popular candidate/policy; it is about the system behind

 

*量子力學入面有樣嘢叫量子糾纏(quantum entanglement),就咁睇好似同相對論講冇嘢包括訊息嘅傳遞可以快過光速有抵觸,但其實係冇,有機會下次再講

引伸延讀:

[1] https://godfreyleungcosmo.wordpress.com/category/%E7%9B%B8%E5%B0%8D%E8%AB%96relativity/

[2] http://highscope.ch.ntu.edu.tw/wordpress/?p=62520

[3] https://zh.wikipedia.org/zh-hk/%E7%AD%89%E6%95%88%E5%8E%9F%E7%90%86

[4] https://zh.wikipedia.org/wiki/%E5%BA%A6%E9%87%8F%E5%BC%A0%E9%87%8F

暗物質,宇宙學入面嘅毒撚/乾物女(What is dark matter?)

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自從互聯網出現咗,啲人足不出戶就可以通曉天下大事、享受各種娛樂之後,社會上就開始出現一堆隱蔽青年 (包括小弟?好似係[sosad])。呢個風氣仲愈來愈盛行,〈電車男〉、〈螢之光〉呢類講宅男/宅女/毒撚/乾物女嘅日劇、電影相繼播出。唔少專家都嘗試探討呢個現象出現背後嘅原因,坊間有好多唔同嘅觀點。

[搞爛gag中] 小弟都有自己嘅一套睇法,而原因就係因為我地嘅宇宙都充滿一樣類似、「自閉」唔鍾意social嘅物質 — 暗物質(dark matter)[1],並且佔嘅比例比普通物質(正常人)多。 [搞爛gag中]

暗物質有幾「毒」?佢地又係乜嚟?

同毒撚/宅男/乾物女一樣,宇宙中嘅「隱青」都極唔鍾意同其他「人」social,除咗某些必要無可避免嘅時候。正如其名,暗物質唔會發光,係黑暗嘅。你可能會問:「唔會發光啫,生活上好多嘢都唔會發光架啦,有咩出奇?_?」係,的確好多嘢唔會直接自己發光,但都會同光有相互作用和social,好似反射光咁。

暗物質唔同,它係極唔鍾意social到除咗重力*之外,同其他物質幾乎冇相互作用。係我地物理學上已知嘅基本粒子中,除咗微中子(neutrino)之外冇類似嘅粒子。但微中子嘅質量非常細,最多都係得1-2 electron volts/c^2,比起電子仲輕好多,冇可能解釋到宇宙演進同星系自轉曲線嘅問題(下面再詳細講)。所以一般相信暗物質係由一種或多種唔同於一般物質(包括電子、質子、中子、微中子等)的基本粒子所構成。

其中一個最受歡迎嘅侯選「佳麗」係大質量弱相互作用粒子(WIMP, weakly interacting massive particles)。呢啲尚未被發現、冇乜相互作用但質量大嘅粒子有可能性係超對稱粒子(lighest supersymmetric particle, LSP)。超對稱(supersymmetry)係一個用嚟擴充現有標準模型(Standard Model)但尚未證實嘅理論,有機會下次再詳細講 =p

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另一個唔屬於WIMP嘅可能性係軸子(axion),一種用嚟解釋強相互作用(strong interactions)中CP問題可能存在但未經證實嘅粒子。[2]

最後比較冷門嘅「佳麗」係修正牛頓重力理論 (MOND, Modified Newtonian Dynamics),即係指我地認知嘅重力理論其實唔岩,根本冇暗物質呢樣嘢。呢個理論由莫德采·米爾格若姆(Mordehai Milgrom)提出,話當一個系統嘅加速度細過 1.2×10^-10 ms^-2 時重力會變得唔同,inverse-square law唔再適用。不過呢個理論除咗星系自轉曲線外,未必如暗物質咁解釋到其他宇宙學上嘅現象,又衍生出其他問題,好似背後冇一個完整基礎理論解釋呢個「現象」點嚟。(ps: 最近好似有啲突破,不過仲喺好初步嘅階段[3])

暗物質唔鍾意social,咁我地又點知佢地存在?

上面話暗物質唔鍾意social,睇唔到,咁我地又點知佢地存在呀?答案係透過間接觀察佢地對其他物質、宇宙嘅重力影響。

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(M33 嘅星系自轉曲線圖)

其中最著名嘅就要數由「食飽飯冇嘢做」、同藝術/體育一樣「冇經濟貢獻」嘅天文學家發現嘅星系自轉曲線(galaxy rotation curves)問題[4]。呢樣亦係「證明」暗物質存在最先發現嘅證據。30年代開始天文學家相繼發現螺旋星系嘅光度同半徑關係、外圍恆星嘅速度同理論有出入。之後70-80年代隨著科技水平提升,天文望遠鏡精準度提高,岩岩冇耐之前死咗 ='(  嘅薇拉·魯賓(Vera Rubin)憑著準確量度係好多唔同螺旋星系入面恆星圍繞星系中心嘅公轉速度,得出上面嗰種星系自轉曲線圖。運用簡單嘅牛頓力學,克卜勒定律(Kepler’s laws),佢同其他科學家推斷出除咗可以觀察到嘅正常物質外,星系入面應該仲有好多觀察唔到嘅黑暗物質。(詳細公式、推論請睇[5])

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(X-ray photo by Chandra X-ray Observatory)

另外兩樣就係子彈星系團(bullet cluster)[6]/弱重力透鏡(strong/weak gravitational lensing)嘅觀察現象。呢啲同樣係透過重力透鏡(gravitational lensing)效應證明喺可見物質外仲存在睇唔到嘅暗物質。

最後除左天文學上嘅證據,仲有宇宙微波背景(cosmic microwave background, CMB)呢樣宇宙學上嘅證據。要同觀察到嘅宇宙微波背景吻合,我地嘅宇宙需要大量冷暗物質(cold dark matter, CDM)。呢個係現今嘅宇宙標準演進模型,ΛCDM 模型 (詳細可以睇番小弟嘅處子文)。

今次講住咁多先,下次再講。

*因為廣義相對論話畀我地知所有有能量(包括質量)嘅嘢都會對時空做成扭曲同受其影響,換句話即係受重力影響

引申延讀:

[1] https://zh.wikipedia.org/zh-hk/%E6%9A%97%E7%89%A9%E8%B4%A8

[2] https://en.wikipedia.org/wiki/Axion

[3]https://tomorrowsci.com/science/%E6%B2%92%E6%9C%89%E6%9A%97%E7%89%A9%E8%B3%AA%EF%BC%9F%E9%87%8D%E5%8A%9B%E6%96%B0%E7%90%86%E8%AB%96%E6%88%96%E8%A8%B1%E8%83%BD%E7%84%A1%E9%9C%80%E6%9A%97%E7%89%A9%E8%B3%AA%E5%92%8C%E6%9A%97%E8%83%BD/

[4] https://zh.wikipedia.org/zh-hk/%E6%98%9F%E7%B3%BB%E8%87%AA%E8%BD%89%E5%95%8F%E9%A1%8C

[5] http://www.astro.ncu.edu.tw/~wchen/wp_chen/essay/DarkMatter.htm

[6] https://astrobites.org/2016/11/04/the-bullet-cluster-a-smoking-gun-for-dark-matter/

https://www.youtube.com/watch?v=iu7LDGhSi1A (慎入:高手級別)

[所有嘢都係量子力學系列] 又係粒子又係波即係點? (What is wave-particle duality?)

20110421

(credit: SMBC comics)

(上回提要) 之前篇文《量子力學,真實存在的異世界》講過吓乜嘢係量子力學同入面嘅基本原則,介紹左薛丁格的貓,大家仲記唔記得? 簡單重溫吓,量子力學嘅世界就好似當勞侵同佢團隊所講「除左真相同謊言之外,仲有樣嘢叫另類真相(alternative facts)」#kill# 、仲有啲政府官員話「傾同唔傾中間有好多討論空間」咁#kill# #kill#,結果唔係絕對。雖然好似好荒謬,但唔同強國/當勞侵邏輯,呢個的確係微觀世界量子力學入面嘅真理。

用中學知識睇出點解需要量子力學

一般人第一次接觸量子力學都會覺得好奇怪,接受唔到。始終我地平時嘅宏觀世界、見到嘅野都係同牛頓力學吻合,好難一時之間改變舊有觀念。唔通量子力學真係咁難以接受? 又未必嘅 😉 其實只要用一啲中學知識,簡單推論一吓就可以睇到牛頓力學喺微觀世界係唔適用,需要用量子力學 (好似係)。

試想像一個中學喺化學/物理課堂學嘅簡單原子模型(香港而家唔知仲有冇教[sosad])

atomic_model

老師通常都會教大家個模型就好似地球圍繞太陽公轉咁,粒電子圍住原子核轉,呢個係20世紀初盧瑟福(Ernest Rutherford)提出嘅模型。但其實如果你認真諗吓,咁嘅模型係牛頓力學下係唔work架! 點解? 因為任何圓周運動都係有向心力(或者啲人成日錯誤講嘅離心力#),亦即係有加速(acceleration)。咁一粒有電荷嘅電子加速緊會點? 咪就係會釋放出電滋波,亦即係粒電子會有能量損耗。所以呢個模型係唔會穩定,而依樣就係可以簡單睇到牛頓力學喺微觀世界唔再適用嘅理據。

究竟係粒子定係波?

其實係量子力學未出現之前,遠至古希臘時代,啲人已經有討論自然界萬物既基本組成究竟係粒子(particle)抑或係波(wave),尤其係光。德謨克利(Democritus)最先提出原子論,認為宇宙萬物包括光都係由原子組成。一直去到17世紀先 出現改變。由嗰時開始,隨住科學家對光嘅認識多咗,牛頓(Issac Newton)、海更斯 (Christiaan Huygens) 、菲涅爾(Augustin-Jean Fresnel)等嘅科學家就喺到嗌究竟光係粒子定係波。呢個爭論一直持續。其後當發現咗偏振(polarisation)同出現左麥斯威爾公式(Maxwell’s equations)去形容光/電滋波,光應該係波成為主流,一切好似蓋棺定論嘅時候,個爭論突然又死灰復燃 [sosad] 因為科學家又發現咗光電效應(photoelectric effect)同黑體輻射(blackbody radiation)呢啲光波、經典物理學解釋唔到嘅嘢。於是包括愛因斯坦(Albert Einstein)、普朗克(Max Planck)、玻爾(Niels Bohr)等物理學家又開始嗌過 [sosad] 最後迪布羅意(Louis de Broglie)「睇唔過眼」,索性提出話除咗光之外,其實所有物質都有粒子同波呢兩種特性,確立咗波粒二象性(wave-particle duality)呢個概念,仲攞埋諾貝爾獎。

咁又係粒子又係波其實即係點?_? 以下係一段動畫簡單解釋點樣用雙縫實驗(double-slits experiments)睇出微觀世界量子力學入面嘅波粒二象性

https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/e/e4/Wave-particle_duality.ogv

測不準定律 (Heisenberg’s uncertainty principle)

波粒二象性呢個概念除咗顛覆人對自然界萬物嘅概念之外,仲帶嚟好多「怪異」嘅現象。其中一樣就係海森堡(Werner Heisenberg)測不準定律。簡單講即係唔同喺宏觀世界經典物理學入面,粒子嘅動量(momentum)同位置(position)係冇可能同時好準確咁量度到出來。量度時佢地夾埋永遠都有一個最少嘅不確定值;同樣地,根據狹義相對論(special relativity),量度能量(energy)同時間(time)時都會有呢種測不準定律。 簡單講解可以睇以下短片(英文)

https://www.youtube.com/watch?v=D1yb1adU2vI

理論上我地點樣推論出波粒二象性會導致測不準定律呢? 我地可以用一種數學方法叫傅立葉轉換(Fourier transform)睇出嚟。首先,根據波粒二象性,所有粒子都有波嘅特性,而波既波長(wavelength)係同動量有直接關係。所以如果你可以好準確咁量度到粒子嘅動量,亦即係話你可以準確定義到嗰粒粒子相對應嘅波嘅波長。呢個情況只有係一個連續等幅波(continuous wave)先有可能,但咁亦即係話你冇可能定義到呢個波,亦即係粒粒子係邊。相反,如果你可以準確咁量度到粒子嘅位置, 咁粒粒子相對應嘅波嘅波就只可能係一個波包(wave packet)。但傅立葉轉換話俾我地知呢種波係由無數咁多個唔同波長嘅連續等幅波組合而成,所以即係話你冇可能準確知道波長,亦即係粒子嘅動量。

實際上又點呢? 海森堡著名嘅思想實驗 – 海森堡顯微鏡實驗(Heisenberg’s Microscope)話俾我地知事實上真係存在測不準定律。詳細請睇以下段片(英文):

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

今次量子力學講到呢度,下次再講多啲。

 

# 物理學上離心力呢樣嘢唔係真實存在,你有「離心」嘅錯覺係因為慣性,向心力唔夠維持圓周運動。詳細討論請看以下關於向心力vs離心力和馬赫原理的短片(英文)

https://www.youtube.com/watch?v=cPEwkMHRjZU&t=15s

引申延讀:

測不準定律: https://zh.wikipedia.org/zh-hk/%E4%B8%8D%E7%A1%AE%E5%AE%9A%E6%80%A7%E5%8E%9F%E7%90%86

波粒二象性: https://zh.wikipedia.org/zh-hk/%E6%B3%A2%E7%B2%92%E4%BA%8C%E8%B1%A1%E6%80%A7

光電效應: https://phycat.wordpress.com/2016/11/19/photoelectric-effect-einsteins-nobel/

量子力學入門: https://phycat.wordpress.com/2015/06/05/%E4%BD%A0%E4%B9%9F%E8%83%BD%E6%87%82%E9%87%8F%E5%AD%90%E5%8A%9B%E5%AD%B8/