叮噹法寶物理原理大解構 [七] (The Physics Behind Doraemon Gadgets VII)

(圖擷取自互聯網)

久別重逢,終於番嚟《叮噹法寶物理原理大解構》系列啦!唔知大家有冇掛住哩個系列呢?雖然小弟其實唔算係叮噹fans,但都等小弟喺度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:再次強調,請記住,係叮噹,唔係多啦A夢,好似係)


進入鏡(入りこみ鏡)

進入鏡,又叫進入鏡子。嚴格講,哩塊鏡其實「唔係一塊鏡」,而係「一道門」。通過哩塊鏡,就可以到達一個左右相反,完全沒有人類嘅異世界。而且無論喺哩個世界中做乜嘢,都唔會反映出喺現實世界度,所以喺入面普通人同「白衫人」一樣,「裝修」係唔需要擔心有黑警介入(不過「宇宙級法律」國安法喺入面仍然適用,好似係)。


接近一模一樣,但左右相反嘅世界存唔存在?

(圖擷取自叮噹漫畫第33卷)

喺討論哩個法寶有冇可能實現到,或背後運用咗乜嘢物理機制之前,我哋首先要了解一下同現實世界接近一模一樣,但左右相反嘅鏡像異世界,物理學上究竟存唔存在。簡單講,即係鏡入面嘅鏡像世界,其實會唔會有可能違反咗某啲物理定律呢?

左右其實係絕對㗎!

透過日常生活嘅經驗,大家應該都會認為左同右同上下前後一樣,係一個相對概念嚟。鏡像世界除左啲文字會左右掉轉,睇落有啲奇怪之外,基本上你係唔會覺得鏡入面嘅世界係「異世界」,自然界嘅法則好似一樣適用,同現實世界冇分別。不過事實上又係唔係真係咁呢?

哩個觀念其實係錯㗎!事實上,左同右其實係絕對,係有方法可以完全客觀咁出嚟。雖然自然界絕大部分已知嘅物理法則,同基本力都係左右對稱,亦即物理學中嘅所講嘅宇稱守恆,但其實當中有一種基本力—弱作用力係左右唔對稱。哩個就係物理學中著名嘅宇稱不守恆發現,小弟之前都寫過拙文講解過[1]。 

因為宇稱不守恆(parity violation),所以從理論上,係冇可能建構出一個完全一模一樣,但左右相反嘅鏡像異世界出嚟。不過叮噹嘅鏡像異世界又唔係完全一模一樣,至少漫畫世界強調入面係冇人存在。


進入鏡「理論上」可能嘅運作原理

(credits: xkcd, #2364)

好啦,番到正題,究竟進入鏡物理上係點運作嘅呢?首先物理上,係冇可能可以輕易瞬間建構出一異空間,更加唔好講建構鏡像世界過程會有宇稱不守恆哩個限制。因為咁,小弟大膽猜測,進入鏡其實應該係類似隨意門或如果電話亭,嗰類穿梭時空或平行宇宙嘅工具,佢「唔係一塊鏡」,而係「一道門」,係通往一個同我哋宇宙宇稱相反嘅平行宇宙嘅入口嚟。

雖然我哋身處嘅宇宙而家係宇稱不守恆,有CP破缺(CP violation),但理論物理學家一般相信喺超高能量(遠超出人類實驗現時已探知嘅能量範圍)嘅物理世界,例如太初宇宙嘅環境,宇稱其實本身係守恆。宇稱不守恆好大機會只係自發對稱破缺(spontaneous symmetry breaking)嘅結果,就好似基本粒子嘅質量其實係透過希格斯機制(Higgs mechanism)而獲得咁。其他自發對稱破缺嘅例子其實仲有唔少,好似日常生活上同下之所以有分別,其實係因為我哋身處喺地球或行星,哩個上下對稱破缺嘅解上面,事實上重力理論本身係冇上下之分。

理論上,雖然我哋仲未知導致宇稱不守恆或CP破缺背後機制點嚟,但一般嚟講,我哋冇理由認為我哋而家身處嘅宇宙,係自發對稱破缺過程嘅唯一解。所以宇宙某一個地方存在一個唔同、宇稱相反嘅真空物理態,唔係一件完全冇可能嘅事。 

(Asymmetric life. Presentation of stereoisomer enantiomers with letters R and S standing for rectus (right) and sinister (left). Credit: iStock DariaRen)

不過好似上一節所講,事實上左同右係分別。而且生物學上,雖然外觀上或者左右對稱,但其實地球上所有嘅生物背後都隱含著掌性(chirality),入面所有胺基酸都係左向,而血糖就係右向。所以理論上,一個宇稱相反嘅世界,係唔會只係左右掉轉,而其他嘢完全一模一樣。或者哩個就係點解叮噹漫畫鏡像世界,入面冇人(同其他生物?)存在嘅原因啩!

所以其實叮噹嘅漫畫世界某程度上都幾「合乎科學」,而且作者甚至有宇稱不守恆、生物掌性(homochirality)哩個認知,好似係。

今次講到哩度,下次再講。


延伸閱讀:

[1] 《左右不分?讀多啲物理啦!》https://godfreyleungcosmo.wordpress.com/2018/11/22/%e5%b7%a6%e5%8f%b3%e4%b8%8d%e5%88%86%ef%bc%9f%e8%ae%80%e5%a4%9a%e5%95%b2%e7%89%a9%e7%90%86%e5%95%a6%ef%bc%81%ef%bc%88confuse-left-and-right-go-study-physics-then%ef%bc%81%ef%bc%89/

[2] 《掌性(chirality)》,胡婷嘉著 https://highscope.ch.ntu.edu.tw/wordpress/?p=57245《Biological Homochirality: One of Life’s Greatest Mysteries》(英文)by Sebastian Wellford https://medium.com/a-spoonful-of-sugar/biological-homochirality-one-of-lifes-greatest-mysteries-2031f4700c4b

[3] 《How to Tell Matter From Antimatter | CP Violation & The Ozma Problem》 by minutephysics 

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)

 

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?

 

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

 

 

叮噹法寶物理原理大解構 [五] (The Physics Behind Doraemon Gadgets V)

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事隔大半年,最受大家歡迎(?)嘅《叮噹法寶物理原理大解構》系列終於返嚟啦!唔好意思要各位等咁耐,因為小弟近一年比較忙同開始「江郎才盡」,開始諗唔到咩嘢好嘅叮噹法寶題材去講 [sosad] PS: 其實最大原因係小弟懶 [自 :O) ] 點都好,今次繼續同大家探討吓叮噹法寶運作背後(可能)嘅物理原理 🙂

隱形斗篷(隠れマント)

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隱形技術呢種科技從來都係人類一直夢寐以求想開發同操控得到嘅其中一種,係唔少漫畫、科幻小說、電影都會有嘅題材,好似《Hollow Man 透明人魔》甚至係哈利波特咁。叮噹作為嚟自先進未來世界擁有過千件法寶嘅「萬能」家用機器人,當然都有可以實現隱形技術嘅法寶,嗰件法寶就係隱形斗篷。隱形斗篷係叮噹漫畫入面常見嘅法寶之一,又叫隱形披風、隱身斗蓬、隱形布、隱身布等。外形係一般嘅披風,用法好簡單,只要將披風蓋住物體件物體就會變透明,好似披喺身上面,身體就會變透明。不過必須要完全披住身體先會完全隱身,唔係嘅話會睇到冇蓋住披風嗰一部分身體。

咁究竟隱形斗篷呢類法寶或工具我哋身處嘅現實物理世界又有冇可能實現到呢?抑或隱形技術永遠都只會係人類嘅幻想呢?答案都幾肯定係有,而且呢種技術仲已經接近面世啦!

「違反常理」、擺脫自然世界限制嘅神奇「物質」— 超材料(The “Midas” touch -metamaterials)

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(Credits: xkcd, https://xkcd.com/1351/)

喺講物理上點實現隱身技術之前,小弟想首先講吓乜嘢係超材料(metamaterials),一個同實現隱身技術好有關係嘅新興材料科學研究範疇。超材料雖然叫「超」「材料」,但佢其實唔係咩新發現或新創造嘅神奇物料。佢其實係一種透過設計同組合物理結構去令材料實現出自然世界冇嘅特殊物理性質嘅人造材料統稱。嗰統稱雖然有啲誇張,但絕唔係好似「一國兩制」咁名不符實嘅大話,超材料的確配得上「超越天然」材料呢個稱呼。超材料背後原理就好似大家聽得比較多嘅化學或生物基因改造工程,科學家可以透過排列同組合唔同嘅化學元素原子或生物基因序列去因應需求改變化合物嘅特性或操縱有機體/改變細胞嘅遺傳物質,甚至係創造新嘅化合物或物種咁,超材料呢項技術唔同嘅只係佢係用物理手段,透過設計同改物理結構去創造「新」物料,例子有好似下面幅圖嘅磁性開口諧振環(split-ring resonator)

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(Credits: NASA Glenn Research, https://en.m.wikipedia.org/wiki/File:Split-ring_resonator_array_10K_sq_nm.jpg)

話就話新興,但其實超材料呢種技術早喺幾十年前已經開始有人研究,概念甚至係始於19世紀未啲科學家希望研發出能操縱電磁波嘅人造物料呢個信念。呢項技術要去到近年先開始廣為人知同出現多方面應用只係因為之前工業技術未成熟,唔能夠好精確大規模咁打造尺寸小好精細複雜嘅結構,令唔少超材料概念停留喺理論階段。直至近年工業技術開始出現新突破,好似3D打印、納米科技(nanotechnology)呢啲技術逐漸成熟,超材料嘅研發先開始活躍起嚟同得到大幅度嘅改進,唔少理論同概念先得到實踐同驗證,尤其喺電磁波範疇。

超材料係乜? (What are metamaterials?)

超材料通常係指「超越」天然材料嘅人工材料,通常帶有週期性(periodic),擁有在自然世界唔易搵到或唔存在嘅物理特性/現象,好似負折射率或負有效慣性質量(effective inertial mass)咁,主要目標係操縱各種包括電磁波、聲波等嘅物理波,但理論上不只局限於波*。一般嚟講存在喺自然界嘅物料佢哋所展現出嘅物理性質係由組成佢嘅原子與分子結構決定,同物料本身係由乜嘢原子或分子組成冇乜太大關係。根據呢個原理,科學家可以藉住針對唔同波長嘅波去設計唔同尺寸、形狀嘅單元(unit cell)同改變佢哋嘅排列去組合有週期性嘅幾何結構物料,從而達致能夠整體咁操控唔同頻段嘅波嘅效果。呢個就係超材料背後嘅核心概念,同基因工程設計基因序列幾似。

*仲記唔記得根據波粒二像性其實所有嘢喺量子世界都有波嘅特性 🙂

超材料嘅大小通常比目標想控制嘅波長細好多,所以超材料雖然係由好多唔同嘅單元組成,但對有效目標頻段嘅波嚟講用超材料整嘅物件仍然可以被睇成一個整體,啲波係唔會「細分」倒每一個獨立單元同「睇」到每一個單位入面複雜嘅細微結構,唔會分辦到超材料本身係用咩物料整。就好似雖然日常生活中見到嘅物件係由原子組成,但因為眼睛同其他感觀嘅限制,單靠肉身我哋只會睇/感受到物件係一個整體而唔會見到一個個原子同分辦出佢哋嘅化學成分。所以只要物理結構一樣,超材料嘅物理特性都會大同小異,唔會受制於用咩材料整,呢個亦係超材料特別嘅地方同優勢。

隱形技術背後嘅物理原理(The physics behind invisible cloaking)

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上圖係超材料隱聲結構(acoustic cloaking device)例子
(Credits: Department of Electrical and Computer Engineering, Duke University, https://pratt.duke.edu/about/news/acoustic-cloaking-device-hides-objects-sound)

講咗咁耐超材料,咁究竟物理學上科學家點樣用嚟做到隱形嘅效果呢?答案就係設計出有負折射率(negative refractive index)嘅超材料去引導電磁波$繞過物體,俾佢哋喺物體嘅另一側出現,就好似穿過一個空無嘅空間,去達到令物體隱形嘅效果。負折射係指電磁波喺介質界面嗰度嘅折射方向同正常折射方向相反,即折射光線同入射光線位於法線(normal)同一邊嘅電動力學現象。

$光係一種電磁波

咩話負折射率?係呀,你冇聽錯。雖然喺自然世界絕大部分情況下物質嘅折射率只會係正數,即係折射光線同入射光線會分別喺法線嘅兩邊,而唔會喺埋同一邊,但透過設計出同時具備負介電常數ϵ(electric permittivity)同負磁導率μ(magnetic permeability)嘅超材料我哋係可以「違反常理」咁實現負折射呢個現象。通過負折射現象,科學家可以更有效咁控制同引導電磁波行走嘅方向從而最終達至隱形嘅效果,簡單原理講解可以睇下面幅圖同link。宜家喺微波同聲波範疇已經有人利用超材料實現到小規模嘅隱形技術[1,2]。

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https://futurism.com/engineering-discovery-brings-invisibility-closer-sci-fact/

除左隱形斗篷之外,超材料仲可以用嚟實現突破繞射極限嘅完美透鏡、高接收率天線、高效吸音物料,甚至係地震預警同更有效嘅抗震科技。PS: 超材料呢個範疇其實最近亦變咗小弟嘅研究同工作課題 :p

今次《叮噹法寶物理原理大解構》講到呢度,最後送個人幾鍾意兩首At17嘅歌去緬懷一下上禮拜剛去世嘅盧凱彤 RIP

https://youtu.be/838X4DZEnGQ

https://youtu.be/3AO9h2OORls

延伸閱讀:

[1] “Three-dimensional broadband omnidirectional acoustic ground cloak,” Zigoneanu L., Popa, B., Cummer, S.A. Nature Materials, March 9, 2014. DOI: 10.1038/NMAT3901

[2] https://pratt.duke.edu/about/news/first-demonstration-working-invisibility-cloak

[3]  《Metamaterials and the Science of Invisibility》by Prof John Pendry,TEDx talks,https://youtu.be/gjfYohXoiz0(英文)

[4]《超材料-光電物理》,黃家健著,刊於2014年8月《物理雙月刊》36卷4期

http://psroc.org.tw/Bimonth/images/uploafiles/files/物理雙月刊36-4_249-289.pdf

叮噹法寶物理原理大解構 [四] (The Physics Behind Doraemon Gadgets IV)

正所謂「一日不見,如隔三秋」,何況係一季?等咗咁耐,終於又嚟到《叮噹法寶物理原理大解構》系列嘅時候啦!今次繼續同大家探討叮噹法寶嘅背後物理原理同喺現實世界入面嘅可行性 [yeah]

如果電話亭 (もしもボックス)

 

(圖片來源:https://chinesedora.com)

如果電話亭,又名假如/如意/XX…電話亭,名列日本人叮噹最受歡迎法寶第八名。著名常見法寶之一,喺《大雄的魔界大冒險》等大長篇都有登場,但個電話亭喺《大雄的魔界大冒險》中被媽媽抌咗之後,漫畫中就再冇出場過,好似係。

呢個電話亭係一種類似實驗室(?)嘅道具,俾你體驗吓任何FF嘅情況甚至係幻想中嘅世界。只要走入個電話亭對住聽筒講「如果xxx」,電話亭就會帶用家去相應嘅平行世界。根據網上記載(非官方?)佢設定上裝有平行空間探測天線、次元記憶發生裝置、空間移動發生引擎、能量儲藏裝置同空間防重裝置。而且入面嘅電話除左裝有撥號器同聽筒,仲裝有平行計算機。(PS:全部都係唔太清楚係乜但聽落幾有計嘅配件,好似係[sosad])

一件咁神奇、頂級、超卓嘅道具,喺現實物理學世界究竟可唔可行呢?平行世界又存唔存在呢?以下等小弟幫大家解答吓啦!

平行宇宙存唔存在?(Do parallel universes exist? )

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(取自叮噹單行本32卷第二話)

要討論如果電話亭可唔可行,首先梗係要搞清楚平行世界現實中存唔存在先啦!平行世界(parallel universes),一個科幻小說老是常出現嘅元素,通常意指一個平行於「現實」世界,同我地身處嘅宇宙冇關嘅世界,入面嘅歷史、物理定律可以好唔同。換個簡單啲嘅講法,某程度上可以話同一個FF出嚟嘅世界冇分別。

作為一個「認字特警」,從嚴謹字面定義上講,叫得「平行」,即係各平行宇宙間喺整個時空任何時刻都冇交匯點。如果有方法(不論自然發生定人為)可以喺呢啲宇宙間穿梭,咁亦即係宇宙間出現交匯點,唔再係平行啦!所以物理學界其實係唔會用平行宇宙呢個詞彙,而會用多重宇宙(multiverse)去形容呢啲宇宙或者世界。喺數學同科學,尤其物理入面,釐清定義係好重要,始終數學家同科學家唔同XX政府官員,佢地嘅龍門係唔識郁架,好似係 [sosad] 下次同物理學家(尤其小弟)討論時記得改口用偽‧平行宇宙或者多重宇宙啦 [slick]

真‧平行宇宙存唔存在呢個係純哲學問題,不過叮噹同其他科幻小說講嘅好明顯係偽‧平行宇宙,探討呢類多重宇宙喺真實世界存在嘅可能性仲算係物理學上嘅範疇。

量子力學未解之謎—量子力學正確嘅詮釋 The missing mysterious bits in quantum mechanics, the interpretation of quantum mechanics)

喺探討多重宇宙可能性前,小弟想「離題」回帶講返少少量子力學(quantum mechanics)先 (兩者當然有關係啦,請耐心睇落去 [slick])。

量子力學發表咗接近一個世紀,雖然已經通過咗好多嚴格嘅實驗驗證,好似小弟之前提過著名嘅雙縫實驗(double-slits experiment)貝爾不等式實驗(Bell’s inequality experiment) 咁(除咗嗰啲XX偽科學如量子磁鐵同量子傳心外,因為嗰啲根本同量子力學冇關),理論根基已經很難動搖,但好老實講,物理學家咁多年都仲未搞清楚佢真正嘅本質,即係究竟怎樣詮釋呢套咁「違反常識」嘅理論先啱。

量子力學理論入面最令物理學家頭痛同費解嘅要數波函數坍塌(wavefunction collapse)—一個幾詭異而且成日被外行人誤解嘅現象。

(credit: cartoonstock.com)

波函數(wavefunction)係量子力學入面嘅一樣「工具」,用嚟描述粒子/波喺量子世界嘅量子形態,某程度上你可以將睇成喺普通經典牛頓力學入面好似位置、動量呢啲用嚟描述粒子形態嘅物理數值。佢會根據薜丁格方程式(Schrodinger’s equation)嘅設定隨時間演化。

點解要括住「工具」?因為波函數同大家熟識嘅經典物理學中描述系統形態嘅物理量有一點好唔同,佢唔係直接可以被觀察或測量到嘅嘢。佢其實係一個含虛數嘅函數,而佢絕對值(modulus)嘅平方代表住個量子系統喺某形態出現嘅機率密度(probability density)。呢啲經運算後得出嚟嘅機率密度先係可以直接同實驗對比嘅嘢。所以究竟波函數係真實存在,本身有物理意義嘅嘢定真係只係物理學家為咗運算而發明嘅數學工具呢個問題至今仍然未有定論 [banghead]  對於呢個問題,小弟會變身「騎牆派」食花生,持中立態度,始終呢個問題某程度上已經涉及哲學層面,好似係。

好啦,講返波函數坍塌。呢個現象係指當一個處於態疊加狀態 (即同一時間係到彈出彈入) 嘅量子系統喺被「觀察」後,佢嘅形態就會被固定落嚟,就算之後你再「觀察」佢幾多次結果都唔會再變,雖然喺「觀察」前仲喺態疊加狀態觀察結果係講機會率,有唔同可能性。小弟特別括住「觀察」係因為物理學家講嘅「觀察」其實係指一個量子系統同一個宏觀世界系統間發生相互作用,而唔係真係指需要一個人或有意識嘅物種去睇個系統 [banghead] 另外上面亦假設咗個量子系統喺被「觀察」後再冇其他相互作用影響佢。

波函數坍塌喺量子力學入面就好似人大釋法、搬龍門咁(#kill #kill),係額外加上去嘅設定,本身理論好似薜丁格方程式等都冇描述有呢個現象。物理學家仲研究o緊呢個現象詳細理論上係點嚟,係量子力學入面尚未有完整定論嘅最大謎團之一。點樣解釋呢個現象亦同量子力學嘅詮釋有關,而詮釋量子力學某程度上就令物理學家開始認真探討多重宇宙存唔存在呢個問題。

現時比較主流嘅量子力學詮釋有哥本哈根詮譯(Copenhagen interpretation) 多重世界詮譯 (many worlds interpretation)。哥本哈根詮釋之所以以哥本哈根命名,係因為呢套詮釋係上世紀量子力學理論建立初期時,最先由量子力學之父(s)波爾(Niels Bohr)海森堡(Werner Heisenberg)喺哥本哈根一齊研究量子力學時提出。呢套詮釋亦係歷史最悠久*,教科書最常用嘅一套詮釋。佢指量子系統喺被「觀察」時個系統嘅形態都會突然由態疊加狀態隨機率變成其中入面嘅一個形態並固定落嚟,只有嗰個剩番嘅固定形態係真實存在,另外嗰啲之前同樣喺態疊加狀態入面嘅形態會被消滅從此消失。至於點解係咁就暫時仲未有一套詳細合理嘅解釋,雖然可能係同量子退相干 (quantum decoherence) 有關。

*不過請記住科學唔係政治,唔係投票,歷史最悠久唔代表一定啱

 

另外一套都屬主流嘅多重世界詮釋就係由艾華雷特 (Hugh Everett)上世紀1957年提出。唔同哥本哈根詮釋,呢套詮釋話理論公式就係一切,冇需要「搬龍門」喺薜丁格方程式外額外強加一套定律入去。每次「觀察」處於態疊加狀態嘅量子系統時,世界只係根據可能性分裂出好多唔同嘅世界,而觀察者只係被帶往其中一個分裂出嚟嘅世界而已。如果量子力學真係好似呢套詮釋咁運作,多重世界就可能真實存在,如果電話亭同叮噹嘅(偽)平行世界論或者真係有機會係啱同實現到啦 #love#

或者你會問突然根據可能性多咗(無限)咁多個世界出嚟,咁多重世界唔係違反咗能量守恆定律咩?多重世界詮釋其實係話呢啲多出嚟嘅世界係喺原先嘅世界分裂得出嚟,唔係唔知係邊度突然變啲世界出嚟。另外守恆定律喺物理學入面從來都唔係最根本嘅真理,理論同公式嘅數學對稱性先係。能量守恆定律其實係由物理學理論喺時間軸上嘅對稱性推論出嚟,而量子力學入面「觀察」呢個操作違反咗時間對稱性,所以亦即會違反能量守恆定律,世界變少(或多)咗嘢其實係冇問題架!

詳細有關量子力學嘅詮釋討論可以睇下面短片(英文)

https://www.youtube.com/watch?v=ZacggH9wB7Y

另外物理學上其實對多重宇宙都有好多唔同嘅演繹同定義,甚至可以細分成幾種唔同級別。不過詳細有關多重宇宙嘅深入討論留番下次有機會先再講啦 [slick]

 

最後送首歌畀大家,祝大家中秋節快樂!!

https://www.youtube.com/watch?v=Pb8PyFxwmsA

今次講住咁多先,下回待續 #bye#

 

引伸延讀︰

[1] https://godfreyleungcosmo.wordpress.com/2014/09/10/%E9%87%8F%E5%AD%90%E5%8A%9B%E5%AD%B8%EF%BC%8C%E7%9C%9F%E5%AF%A6%E5%AD%98%E5%9C%A8%E7%9A%84%E7%95%B0%E4%B8%96%E7%95%8Cquantum-mechanics-a-weird-world-that-exists-in-reality/

[2] 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/

[3] https://www.youtube.com/watch?v=Ywn2Lz5zmYg

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/

[3] http://minerva.union.edu/diiorios/physics123/moreinfohawkingrad.html