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叮噹法寶物理原理大解構(一)

2017/5/9 — 11:45

時光機/隨意門

圖擷取自 youtube《どこでもドアでアフリカに行ってみたよ》

圖擷取自 youtube《どこでもドアでアフリカに行ってみたよ》

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顧名思義,時光機就是用來任意穿越時空,去時間旅行的法寶;而隨意門就是用來進行瞬間轉移,可以隨意去任何地方(設定為只限十光年內)。這兩件法寶都是出現次數最多,最受歡迎法寶的頭幾名。

那這兩件法寶背後又靠甚麼原理運作呢?根據官方和叮噹的解釋,隨意門原理是運用蟲洞 (wormholes) ,將所在地與目的地間的時空扭曲直接令兩地靠攏(詳見下圖漫畫大長篇《大雄的宇宙開拓史》)至於時光機背後的原理就好像沒有詳細解釋過啦…不過基於蟲洞在叮噹漫畫世界裡是存在並且可以輕易製造出來,小弟斗膽推論叮噹的時光機都是用了蟲洞來進行時間旅行。

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在現實世界時間旅行、瞬間轉移又有沒有可能呢?首先談時間旅行。根據狹義相對論,基於時間是相對的,去未來這個選項其實不難,甚至連蟲洞都不需要。運用時間遲滯  (time dilation) 這個現象,我們只要加速至接近光速(亞光速)便可以輕易去到未來。現實上 1941 年已經有實驗量度地面來自宇宙射線中的 muon 數量,一種類似電子但重很多和會衰變的基本粒子,去證明這個現象(詳細關於狹義相對論的講解請重溫余海峯小弟之前的文章

那回到過去呢?其實小弟不久之前已經寫過一篇文章詳細探討過物理學上蟲洞與回到過去的可行性,雖然尚未有最終答案,但基本上小弟不認為回到過去在理論上是可行的。

那瞬間轉移呢?蟲洞或者不存在,那不用蟲洞又行不行呢?如果閣下說的瞬間是真的如字面解釋為「即時」,那理論上就沒可能。因為相對論講明無訊息的傳遞可以快過光速*,所以理論上最快的轉移速度都只有可能是光速。如果閣下接受到光速的轉移速度都可以看作瞬間,那類似叮噹的隨意門理論上是可行的。 不過根據狹義相對論要將所有組成一件物件甚至一個人的粒子加速至亞光速需要的能量與時間基本上是非常可觀甚至接近沒可能…這個問題又怎解決呢?答案是放棄直接轉移物件/人,改做傳遞物件/人本身所含的一切訊息,然後在目的地重新製造出來。

這個方法叫量子傳送 (quantum teleportation) ,原理涉及量子力學,運用了理論中一種叫量子糾纏 (quantum entanglement) 的現象。與一般人認知的複製不同,雖然目的地那東西是根據原本那件東西的資訊複製出來,但基於量子力學的不可複製原理(簡單解釋請看此 YouTube),原本那件物件在轉移過程中是無可避免被消滅掉的。這個技術在九十年代尾已經有實驗證實成功,目前一個量子位元 (quantum bits, qubits) 的量子傳送紀錄是 143km 。詳細背後原理請看這裡和下面 minutephysics 的短片:

(另有英文簡短版中文字幕簡短版

PS: 量子糾纏不涉及違反光速限制的超遠距離作用力,粒子中間無相互作用,這個現象只是如統計學上的關聯效應。請記住相關不蘊涵因果這個觀念。有關這個連愛因斯坦都理解錯,接受不到的現象的講解遲些有機會詳細寫文再談。

量子傳送雖然名義上叫「瞬間轉移」,但嚴格上來說這個技術既不是瞬間也沒有轉移過任何東西…那用這個技術做出來的「轉移」器還算不算是隨意門,在目的地「轉移」出來的「你」仲是不是你呢?這些那麼難答甚至涉及哲學層面的問題就留給 閣下自行解讀啦!

另外關於隨意門的物理討論亦可參考余海峯的文章

穿越環

穿越環(網絡圖片)

穿越環(網絡圖片)

穿越環,一件在漫畫,尤其是大長篇中出現次數頗多的法寶,在被人困住的時候用來「走佬」的神器。擁有這件法寶就有如學識忍術、特異功能般,可以輕易瞬間穿越一切牆壁與障礙物,而且還不留痕跡呢!

在經典物理學裡,穿牆術只是天方夜譚,理論上是不容許的。從日常生活經驗我們不難知道要越過一幅牆的可行辦法只有打爛幅牆或跨過去。不過在量子力學世界就不同講法啦,穿牆術在微觀世界不單止可行,而且是正常不過的現象。好像攪到人心惶惶的切爾諾貝爾與福島核事故,那些化學的有放射性位元素,衰變的背後原理其實都是「穿牆術」。

物理學上這種現象叫量子穿隧 (quantum tunnelling) 。雖然看上來好像很荒謬,但其實可以用海森堡測不準定律 (Heisenberg uncertainty principle) 輕易解釋得到。還記得小弟之前談量子力學,解釋甚麼是測不準定律篇文啊?在量子力學世界,粒子的能量與位置都不是絕對而是講機率的,所有位置與能量值都有可能。所以就算在經典物理學裡一粒粒子的能量不足以穿越一個位勢障礙,在量子力學裡都有一定的可能性那粒粒子的能量在很短時間內大過需要用來穿越障礙的能量並最後成功穿越,雖然機率或者很細。簡單解釋與比喻請看下面 sixty symbols 與 minutephysics 的短片:

不過以上講的「穿牆術」只限量子力學微觀世界。至於怎樣將這個現象放大至宏觀世界,應用在好像穿越環般的法寶叮噹就沒有說啦或者經過穿越環的時候大雄叮噹他們其實是同時間被分解成一粒粒原子,過程並不好受?

今次說到這裡,下回待續。最後送上一曲緬懷一下叮噹御用配音員林保全作結:

*蟲洞沒有違反這個限制,因為蟲洞做的是將時空扭曲,將時空上面本來很遠的兩點靠在一起,直接縮短兩地的距離。

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