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

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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/

 

 

量子力學,真實存在的異世界(Quantum Mechanics, a weird world that exists in reality)

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小時候,有沒有FF過置身科幻、漫畫世界中,如龍珠中悟空般隨意瞬間轉移,或置身叮噹中如果電話亭和電影《連鎖蝶變》(The Butterfly Effect)中既平行世界﹖其實各位不用FF,因為我們的現實世界的確存在著如此「違反常理」的異世界。

淺談量子力學(Quantum Mechanics)

相信不少人也聽說過量子力學(Quantum Mechanics),但究竟甚麼是量子力學﹖對一般大多數人而言,量子力學的確係一個難以理解既範疇,就好似大陸、特區政府和「建制派」官員既言論一樣,令人O嘴同汗顏… (當然不同的係量子力學絕對不是歪理 😉 ) 即使如愛因斯坦也不相信量子力學(Quantum Mechanics),從他的名言「上帝不會擲骰子」(God does not play dice)可到睇到。有點諷刺的是他得到既Nobel Prize卻是因為光電效應(photoelectric effect),一個確立了波粒二象性概念(wave particle duality)的重要實驗,對量子力學的發現有重大影響。

量子力學難以理解這大多是因為所有我們中學或平常生活接觸到的物理、情況也是經典物理學(Classical Physics),亦是確定性的(deterministic)。而量子力學同經典物理學最大分別就是在於量子力學是概率性的(Probabilistic),亦即好像擲骰子一樣,同一實驗結果不是絕對而是根據機會率。(但這絕不是指量子力學是隨機、不可預測的)

「彈出彈入喎,打我吖笨」,薛定諤猫(Schrodinger’s Cat)

要理解量子力學,我們首先要認識甚麼是態疊加原理(superposition principle)。態疊加(superposition),指的是一個系統在量子世界入面是可以同時以幾種不同既形態出現。簡單講就好似波(wave)一樣,不同既形態係可以相加組成一個態疊加既形態(superposition state)。用0同1表示,即係一個系統在量子世界可以同時是0又是1,好似禁

在量子力學我們統稱這些形態做波函數(wavefunction)。

 

當然這對於身處宏觀經典物理學世界既我們是難以想像既,亦帶來邏輯詮釋上既問題。當中最經典的例子莫過於薛定諤猫(Schrodinger’s Cat)這個假想實驗。根據哥本哈根詮釋(Copenhagen interpretation),任何隔離既系統係量子世界都是處於態疊加既形態(superposition state)。只有當我們測量觀察這個系統的時候,相互作用才會將形態確立係我們最終在宏觀世界觀察到既狀態導致波函數坍縮(wavefunction collapse)。這個現象叫做量子退相干(quantum decoherence)。而之後我們無論再怎樣測量觀察個系統結果都唔會變。另外一種就是多世界詮釋(many worlds interpretation),即係假定我們世界存在無數個平行世界,每次測量觀察只是將我們帶去不同平行時空。

好啦,薛定諤猫(Schrodinger’s Cat)是指甚麼﹖薛定諤猫這個假想實驗講既就是假如有一隻猫,牠身處一間密室中,密室中有一瓶毒藥,而這瓶毒藥有一半機會放出有害氣體一半機會乜都唔會發生。咁究竟係我們打開門睇之前,隻猫是生定死呢﹖定係牠是處於superposition,即是生同時又是死呢﹖呢個「哲學」問題到而家都仲未有答案…

PS: 大家看完都仲唔明係正常的,因為即使是費曼(Richard Feymann)都講過冇人真的明白量子力學(I think I can safely say that nobody understands quantum mechanics),我這個small potato又點可能明白兼解釋得清楚呢﹖(不過我都歡迎comments同問題)

最後,祝大家中秋節快樂,下回待續。

現已刊於立場新聞(書面語版)

https://www.thestandnews.com/cosmos/%E9%87%8F%E5%AD%90%E5%8A%9B%E5%AD%B8-%E7%9C%9F%E5%AF%A6%E5%AD%98%E5%9C%A8%E7%9A%84%E7%95%B0%E4%B8%96%E7%95%8C/