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)

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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/

 

淺談相對論 [1.1]:光年 (Layman Introduction to Relativity 1.1: light years)

高登仔月經問題: 光年(light years)究竟係時間定距離既單位呢?

每一次當新聞出現NASA字眼/天文新聞既時候,唔少時候都會出現光年呢個字眼。而當有人將呢D新聞攞上討論既時候﹐除左會有一大班人走出來講神秘學、外星人之外﹐唔知點解成日都有人係度拗光年究竟係時間定距離既單位,最後騎劫埋個post [sosad]

咁究竟光年係時間定距離既單位呢? 唔少人都會認為係後者,指既係光係真空一年走既距離﹐而呢班認為係後者既高登仔仲會笑D認為係前者既係小學雞。咁其實答案係唔係真係距離既單位呢?

其實某程度上可以話兩個講法都岩﹐嚴格黎講我更加會話光年呢個詞既定義根本有問題 (ill-defined),一開始就唔應該用添。點解?因為時間既長短同3維空間既距離其實係同一樣野黎﹐指既都係兩點A、B係一個空間(時間+3維空間)既距離﹐只係你將佢分開project係時間同3維空間上睇。

就好似係一個2D平面(x,y)上﹐A (x1,y1) 同 B(x2,y2)兩點既距離你可以分拆做x既距離﹐x1-x2﹐同y既距離﹐y1-y2﹐咁睇一樣

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而且其實時間係相對(relative)﹐你指既一年同我指既一年可以唔同﹐更加會受重力(gravity)影響﹐就好似Interstellar套戲入面咁。而係光既「視點」時間更加係靜止添[sosad]不過要明白重力點影響時間就要講埋廣義相對論(General Relativity)﹐都係有機會先再講。:P

 

狹義相對論 (Special relativity)

狹義相對論 (Special relativity)建基於兩個假定(postulates):

1. 物理係任何座標,慣性系統(reference frame)都應該一樣,所有物理定律保持不變
2. 對係任何慣性系統中既所有觀察者,光係真空行走既速度都係一樣
(其實係對應所有質量為零<massless>既粒子)

第一個假定相信大部人都會同意﹐就好似係客觀事情、物件上﹐你睇到既世界同我睇到既世界應該一樣﹐冇野唔同。而第二個假定就係由電磁場理論(electromagnetism)中既馬克士威方程組(Maxwell’s equations)同相關實驗推斷出來。

而呢個『光係真空行走既速度都係一樣』既假定就係狹義相對論 (Special relativity)中關鍵﹐E=mc^2、雙生子悖論(twin paradox)、「同時」不存在、時間係相對呢D結果全部都可以由呢個假定推論出來。

其實係狹義相對論 (Special relativity) 入面﹐時間同距離係同一樣(除左有時間流逝﹐time of flow之外)﹐時間同我地日常生活睇到既3維空間係應該夾埋睇成一個叫做時空(Spacetime)既4維空間。係忽略重力(gravity)影響下﹐物理學上呢個時空叫做洛倫茲時空(Lorentzian Spacetime)。而大家係中學學既物理,日常生活應知既世界其實都係一個4維空間,時間都係空間既其中一維﹐物理學上我地叫伽利略時空(Galilean Spacetime)。呢兩個時空唔同既只係一個時間係相對(relative)﹐一個時間係絕對(absolute)。

時間係相對即係點?簡單講就好似你平時日常生活(伽利略時空)量度速度咁﹐每個人係唔同既慣性系統中量度出既速度可以唔一樣咁。

時間/3維距離、坐標轉換係唔同時空既詳細計算過程可以參考番友人個blog post同下面D links

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://zh.wikipedia.org/zh-hk/%E4%BC%BD%E5%88%A9%E7%95%A5%E5%8F%98%E6%8D%A2

https://zh.wikipedia.org/zh-hk/%E6%B4%9B%E4%BC%A6%E5%85%B9%E5%8F%98%E6%8D%A2

Reshare:

 

點都好﹐寫咁大篇野我其實只係想講既係光年其實唔係幾好既term。正確詳細既定義應該為「光係普通地球人係地球一年時間入面行左既距離」(講完都唔知自己講左咩[sosad]) 光年只係為左比大眾易D理解究竟一D星球、星系距離地球有幾遙遠而發明既term。天文物理學家通常用既單位係秒差距(parsec)或者天文單位(AU,Astronomical Unit)。

https://zh.wikipedia.org/zh-hk/%E7%A7%92%E5%B7%AE%E8%B7%9D

https://zh.wikipedia.org/zh-hk/%E5%A4%A9%E6%96%87%E5%96%AE%E4%BD%8D

 

PS:「高登仔/香港人 mode」呢幾日天氣咪凍番囉,global warming 根本只係假像/短期波幅,用黎呃錢咋「高登仔/香港人mode」

well, i hope you at least take a look and think whether we are affecting the Earth as a whole or not

淺談相對論 [一]:狹義相對論 (Layman Introduction to Relativity I : Special Relativity)

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(PS: 上面講既只係搞gag,睇漫畫勿認真 :p)

大家知唔知今年係乜年?2015年?羊年?都岩。假普選政改方案通過,香港滅亡既重要歷史時刻?或者啦。但除左政改,大家又知唔知今年有乜咁特別?其實今年係愛因斯坦(Albert Einstein)既相對論(relativity)面世既一百週年紀念。

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(PS: 愛因斯坦係1930年時拜訪University of Nottingham俾完 public talk之後既簽名,好似係。PS既PS: 相中人當然唔係愛因斯坦啦 :o),係我老細。其實我冇問佢俾唔俾post呢張selfie架,希望佢唔介意同唔好抽後算帳啦[sosad])

1905-1916年,相對論面世到完成

愛因斯坦係一個世紀前既1905年發表左舉世震驚[shocking],連高登仔都要花D時間先明既狹義相對論(special relativity)。雖然當時大家已經O晒嘴同當佢痴左線,但佢一於少理,因為佢知道狹義相對論都唔係最終答案。世界冇理由淨係得慣性坐標(inertial reference frame),而重力(gravity)既傳遞亦冇可能快過光。終於愛因斯坦真係「痴左線」,係11年後既1916年完成左冇人睇得明既廣義相對論(General Relativity)!(曲線中)

一百年後既今日,雖然物理學家都認為相對論唔係最終答案 [因為相對論只係經典物理學(Classical Physics),而唔適用於量子世界],但相對論仍然迄立不倒,至少我地仲未搵到有實驗結果同相對論有出入(雖然物理學家有好多唔同既新重力理論),你睇下愛因斯坦個串樣就知啦 [sosad]

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雖則話相對論係冇人睇得明,仲係由「痴左線」既愛因斯坦寫既,但小弟話晒都自稱「牛河博士生」,又讀理論物理學兼學過下,就即管試吓向大家簡單講解下乜係相對論啦!(不過我仲未完全痴線,所以大家千祈唔好抱好大期望)

但始終相對論對一般人(當然包括小弟)比較難理解,所以今次就先講吓比較簡單易明既狹義相對論(special relativity)。

狹義相對論,CCTVB你真係快得過光?

相信大家第一次聽到相對論既時候,第一個接觸到既概念一定係光速係不變(CCTVB除外),永遠都係每秒3×10^8米。光速不變呢個concept大家可能都可以接受,覺得咁又點啊?聽朝唔洗番工番學咩 :o) [sosad]

但你又知唔知光速不變其實會改變我地日常生活根深蒂固一D認知既概念呢?你每日用緊問路既GPS就已經有應有到相對論。時間膨脹(Time dilation)仲有同時性(simultaneous)呢個就係其中一D好經典既例子。想知點解?睇以下既video啦!

https://www.youtube.com/watch?v=jlJNsRZ4WxI

https://www.youtube.com/watch?v=kGsbBw1I0Rg

(先自:o) 寫寫吓發覺越寫越長,停唔到[sosad]。所以都係唔翻譯啦,大家有問題真係睇唔明下次先再寫啦)

雖然小弟同段片入面都避左唔有公式,但其實你只係需要識簡單既畢氏定理就計到入面D結果架啦!請「抄」考下面另一位香港博士生既講解 ;)

https://phycat.wordpress.com/2015/03/27/你也能懂相對論/

LINKS:

http://zh.wikipedia.org/wiki/狭义相对论

 

[offtopic] 「毛記」物理學界界新聞報導:

大型強子對撞機(Large Hadron Collider, LHC)最近開番,正式入第二階段,準備挑戰自己既世界記錄同「毀滅世界」。十日前既上星期四仲成功再創粒子對撞既最高能量記錄,達13兆電子伏特(TeV)。可惜冇爆出黑洞,地球仲係到,你同我聽日訓醒都仲係要番工番學 :~( :~( (咪發夢啦,其實咁發生既可能性仲低過零)

有關呢單新聞既links:

http://www.bbc.com/news/science-environment-32809636

http://hk.apple.nextmedia.com/international/art/20150522/19156191