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…)

ldvns

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/

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/

 

 

霍金O 嘴系列: 乜宇宙大爆炸論係我發表嘅咩? sosad

lego-hawking-640

適逢霍金(Stephen Hawking)75歲大壽,最近HK01出左篇「哲學」文<霍金:進退維谷的宇宙,奇點的爆炸 >[1] (文章已下架),講霍金「發表」宇宙大爆炸(big bang theory)同對量子重力(Quantum Gravity) ,即一個結合相對論同量子力學既「終極」理論,的貢獻。

作為一個宇宙學家,見到有報紙、人留意/寫下理論物理、宇宙學既野當然開心啦(雖然最後其實都係冇人理,好似係,sosad)。文章作者作為一個外行人(應該係,除非唔係),其實算寫得ok同錯唔晒,但小弟認為文章某D部份幾帶誤導成份︰

大爆炸論唔係霍金發表嘅(Big Bang was not proposed by Hawking)

無錯,霍金的確有唔少研究係關於宇宙同大爆炸理論。但如果要講邊個發表/對大爆炸理論最大貢獻既就肯定唔係霍金。大爆炸呢個理論既定立係起源於愛因斯坦(Albert Einstein)1916發表既廣義相對論(General Relativity)。發表完後,愛因斯坦首先自己嘗試應用黎研究宇宙既演進,但發現相對論中宇宙係一定會膨脹/收縮,但唔會靜止;於是加左個佢自己認為「一生人最大既錯誤(Einstein’s greatest blunder )」 – 宇宙常數(Λ, cosmological constant)入去令個宇宙靜止。但後來發現呢個得出黎既宇宙其實係唔穩定,好容易變番做膨脹/收縮中既宇宙。(不過而家睇番佢根本係先知,錯唔晒,haha)

 https://www.youtube.com/watch?v=nJsFsjSWYx0

同一時間,係1920,弗里德曼(Alexander Friedmann) 和「耶撚」勒梅特(Georges Lemaître)* 開始嘗試用廣義相對論研究膨脹中既宇宙,奠定左弗里德曼-勒梅特-羅佰臣-獲加宇宙模型( Friedmann–Lemaître–Robertson–Walker universe)[2]同弗里德曼公式(Friedman equations)[3]去解釋宇宙既演進。其後1929年哈勃(Edwin Hubble)更加發現星系光線紅移中,引證我地既宇宙係膨脹緊。兩年後,1931年勒梅特就提出大爆炸論,指宇宙係起源於一粒「太初原子」[4],之後60年代發現宇宙微波背景(cosmic microwave background, CMB)再驗證左呢個大爆炸論。

咁其實霍金對大爆炸論有乜貢獻 ?_? 佢對大爆炸論既貢獻其實都唔細架,佢仲係劍橋博士生個時就已經同潘洛斯(Roger Penrose)研究相對論中既奇點(singularity)問題。其後佢地仲證明左一個乎合相對論同弗里德曼-勒梅特-羅佰臣-獲加宇宙模型既宇宙係一定會起源於奇點[5]。而奇點,即係好似黑洞(black holes)入面最中心、質量無限大個點,係相對論失效,再唔能夠解釋到任何野既地方。所以要直正理解大爆炸起源或者黑洞,就無可避免一定要研究量子重力,依個亦係霍金窮一生精力既研究課題。

PS: 無錯,以小弟所知,霍金的確係認為大爆炸之前係冇時間,所以討論大爆炸之前係無意義的。佢仲同哈托(James Hartle)發表左Hartle-Hawking state[6],一個乎合量子力學既宇宙波函數(wavefunction),指出宇宙係可以冇邊界條件(boundary conditions)。大爆炸個刻就好似你身處喺北極/南極咁,冇邊界,得空間冇時間,所以冇必要大爆炸之前係乜。不過呢個暫時仲係理論同亦有另外其他問題未解決到。有時間再講多D 😛

 最後祝霍金生日快樂!!

(最最後學唔知邊個創科局局長講句︰有邊個見過霍金?未啊?我見過!我真係見過!)

*無錯,耶撚都會讀物理同宇宙學架! XD

[1] http://philosophy.hk01.com/%E8%B6%A3%E5%91%B3%E8%B2%BC%E5%9C%96/64248/%E9%9C%8D%E9%87%91%EF%BC%9A%E9%80%B2%E9%80%80%E7%B6%AD%E8%B0%B7%E7%9A%84%E5%AE%87%E5%AE%99%EF%BC%8C%E5%A5%87%E9%BB%9E%E7%9A%84%E7%88%86%E7%82%B8–01-08-(link已死)

[2] https://en.wikipedia.org/wiki/Friedmann%E2%80%93Lema%C3%AEtre%E2%80%93Robertson%E2%80%93Walker_metric

[3] https://zh.wikipedia.org/zh-hk/%E5%BC%97%E9%87%8C%E5%BE%B7%E6%9B%BC%E6%96%B9%E7%A8%8B

[4] http://www.pbs.org/wgbh/aso/databank/entries/dp27bi.html

[5] Hawking, Stephen; Penrose, Roger (1970). “The Singularities of Gravitational Collapse and Cosmology”. Proceedings of the Royal Society A. 314 (1519): 529–548.

[6] https://en.wikipedia.org/wiki/Hartle%E2%80%93Hawking_state

書面語版現已刊於主場新聞

https://www.thestandnews.com/cosmos/%E9%9C%8D%E9%87%91-o-%E5%98%B4-%E4%B9%9C%E5%AE%87%E5%AE%99%E5%A4%A7%E7%88%86%E7%82%B8%E8%AB%96%E4%BF%82%E6%88%91%E7%99%BC%E8%A1%A8%E5%92%A9/