立場新聞 Stand News

叮噹法寶物理原理大解構(四)

2017/10/3 — 12:11

正所謂「一日不見,如隔三秋」,更何況是一季?等了這麼久,終於又來到《叮噹法寶物理原理大解構》系列的時候了!今次繼續和大家探討叮噹法寶背後的物理原理與在現實世界中的可行性。

如果電話亭 (もしもボックス)

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,在《大雄的魔界大冒險》等大長篇也有登場,但這件法寶在《大雄的魔界大冒險》中被媽媽扔了後,漫畫中就好像再也沒出場過。

廣告

這個電話亭是一種類似實驗室的道具,給你體驗一下任何近乎妄想的情況甚至是幻想中的世界。只要走進電話亭對住聽筒說「如果乜乜乜」,電話亭就會帶用家去相對應的平行世界。根據網上記載,它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、能量儲藏裝置與空間防重裝置。而且內裡的電話除了裝有撥號器與聽筒外,還裝有平行計算機——全部都是不大清楚是甚麼但聽起來很有計的配件。

一件那麼神奇、頂級、超卓的法寶,在現實物理學世界究竟可不可行呢?平行世界又存不存在呢?以下等小弟幫大家解答一下啦!

廣告

平行宇宙存不存在?

取自叮噹單行本 32 卷第二話

取自叮噹單行本 32 卷第二話

要討論如果電話亭可不可行,首先當然是要弄清楚平行世界現實中存在與否啦!平行世界 (parallel universes) ,一個科幻小說老是常出現的元素,通常意指一個平行於「現實」世界,和我們身處的宇宙無關的世界,當中的歷史、物理定律可以很不同。換個簡單的說法,平行世界某程度上可以說與一個幻想出來的世界沒分別。

作為一個「認字特警」,「平行」在嚴謹字面定義上,即是指各平行宇宙間在整個時空任何時刻都沒任何交匯點。如果有方法不論自然發生抑或人為,可以在這些宇宙間穿梭,那亦即是宇宙間出現交匯點,不再是平行了!所以物理學界其實是不會用平行宇宙這詞彙,而是會用多重宇宙 (multiverse) 去形容這些宇宙或世界。

真.平行宇宙存在與否這個屬純哲學問題,不過叮噹和其他科幻小說談的很明顯是偽.平行宇宙,探討這類多重宇宙在真實世界存在的可能性仍屬物理學上有意義的範疇。

量子力學未解之謎 — 量子力學正確的詮釋

在探討多重宇宙可能性前,小弟想「離題」回帶談一點量子力學 (quantum mechanics) ,兩者當然有關係,請耐心看下去。

量子力學發表了接近一個世紀,雖然已經通過了很多嚴格的實驗驗證,好像小弟之前談過著名的雙縫實驗 (double-slits experiment) 與貝爾不等式實驗 (Bell’s inequality experiment) 等(除了那些 XX 偽科學如量子磁鐵和量子傳心外,因為那些根本不是量子力學),理論根基已經很難動搖,但很老實說,物理學家那麼多年仍還未弄清楚它真正的本質,即是究竟怎樣詮釋這套「違反常識」的理論才對。

量子力學理論中最令物理學家頭痛和費解的必定要數波函數坍塌 (wavefunction collapse) — 一個甚為詭異而且經常被外行人誤解的現象。

波函數 (wavefunction) 是量子力學中的一樣「工具」,用來描述粒子/波在量子世界的量子形態,某程度上你可以將它看成在經典牛頓力學中好像位置、動量這些用來描述粒子形態的物理數值。它會根據薜丁格方程式 (Schrodinger’s equation) 的設定隨時間演化。

為何「工具」要括住?因為波函數和大家熟識的經典物理學中描述系統形態的物理量有一點很不同,它不是直接可以被觀察或測量到的東西。它其實是一個含虛數的函數,而它絕對值 (modulus) 的平方代表著那量子系統在某形態出現的機率密度 (probability density) 。這些經運算後得出來的機率密度才是可以直接與實驗對比的。所以究竟波函數是真實存在,本身有物理意義的東西抑或真的只是物理學家為了運算而發明的數學工具這問題至今仍然未有定論。

說回波函數坍塌,這現象是指當一個處於態疊加狀態(即同一時間在「彈出彈入」)的量子系統在被「觀察」後,它的形態就會被固定下來,即使之後你再「觀察」它幾多次結果都不會改變,雖然在「觀察」前還是態疊加狀態時觀察結果是講機會率,有不同可能性。小弟特別括住「觀察」是因為物理學家說的「觀察」其實是指一個量子系統與一個宏觀世界系統間發生相互作用,而不是真的指需要一個人或有意識的物種去看那個物理系統。另外上面亦假設了那量子系統在被「觀察」後再沒被其他相互作用影響。

波函數坍塌在量子力學中就好像人大釋法,是額外另加上去的設定,本身理論如薜丁格方程式等都沒有描述這個現象。物理學家還在研究這個現象詳細理論上是怎來,而這亦是量子力學中尚未有完整定論的最大謎團之一。怎樣解釋這個現象亦和量子力學的詮釋有關,詮釋量子力學某程度上令物理學家開始認真地探討多重宇宙存在與否這個問題。

現時比較主流的量子力學詮釋有哥本哈根詮譯 (Copenhagen interpretation) 與多重世界詮譯 (many worlds interpretation) 。哥本哈根詮釋之所以以哥本哈根命名,是因為這套詮釋是上世紀量子力學理論建立初期時,最先由多位量子力學之父如波爾 (Niels Bohr) 和海森堡 (Werner Heisenberg) 在哥本哈根合作研究量子力學時提出。這套詮釋亦是歷史最悠久(歷史最悠久不代表一定對),教科書最常用的一套詮釋。它指量子系統在被「觀察」時系統的形態都會從態疊加狀態突然隨機率變成當中其中一個形態並固定下來,只有那個剩下來的固定形態是真實存在,另外那些此前同樣在態疊加狀態裡的形態會被消滅從此消失。至於為何是這樣就暫時還未有一套詳細合理的解釋,雖然可能與量子退相干 (quantum decoherence) 有關。

另外一套也屬主流的多重世界詮釋就是由艾華雷特 (Hugh Everett) 上世紀 1957 年提出。不同於哥本哈根詮釋,這套詮釋說現時的理論公式就是一切,不需要在薜丁格方程式外額外強加一套定律進去。每次「觀察」處於態疊加狀態的量子系統時,世界只是根據可能性分裂出很多不同的世界,而觀察者只是被帶往其中一個分裂出來的世界而已。如果量子力學真的如這套詮釋般運作,多重世界就有可能真實存在,如果電話亭與叮噹的(偽)平行世界論或者真的有機會是對並實現到!

或者你會問突然根據可能性多了(無限)那麼多世界出來,那多重世界不是違反了能量守恆定律嗎?多重世界詮釋其實是說這些多來的世界是從原先的世界分裂得出來的,並不是不知突然從那裡變出來。另外守恆定律在物理學中從來也不是最根本的真理,理論與公式的數學對稱性才是。能量守恆定律其實是由物理學理論在時間軸上的對稱性推論出嚟,而量子力學中「觀察」這操作違反了時間對稱性,所以亦即會違反能量守恆定律,系統變少(或多)了東西其實是沒問題的!

詳細有關量子力學的詮釋討論可以看下面短片(英文):

另外物理學上其實對多重宇宙都有很多不同的演繹與定義,甚至可以細分成幾種不同級別。不過詳細有關多重宇宙的深入討論留待下次有機會再談!

最後送首歌給大家,祝大家中秋節快樂!

今次說到這裡,下回待續。

延伸延讀︰
Youtube, The True Science of Parallel Universes 

原刊於作者博客作者 facebook 專頁

發表意見