【明報訪問】通識導賞：物理講師看《天能》 路蘭的逆行世界存在嗎？

感謝明報星期日副刊訪問🙇🏻‍♂️
成個訪問傾咗三個鐘，傾得好開心😆

／／港大理學院助理講師、港台《五夜講場》「真係好科學」主持余海峯（David）這陣子常被朋友催促去看基斯杜化路蘭新戲《天能》，「叫我睇完解畀佢哋聽」。戲中羅拔柏迪臣飾演的Neil chok晒咁講時間如何逆行，咩逆熵，咩逆電子理論，聽David解畫後，理清一點點路蘭用科學概念施的戲法，看你會不會同意他的觀後感，「難明其實與物理學無關」？嗱，純學術討論，爛片好片不屬本文討論範圍，只能夠講科學有趣不輸電影，super。

熵是什麼？

將桌面一粒子彈吸上手掌，戲中科學家沒解釋太多未來科技如何做到「逆熵」，只說「不必試着明白，感受就可以了」。主角試了試，似懂非懂明白動作怪異倒帶，就是逆熵，即時間可以倒流。故事簡單而言就是未來的人想用逆熵在他們的「過去」毁滅世界，主角亦利用時光倒流阻止這個圖謀，而他回到過去的方法，是進入旋轉門逆轉時間方向，即像影片倒帶般，逐秒倒回某時間點行動，所以看到鳥倒後飛，也要戴口罩以免吸入逆流氧氣，再入旋轉門的話，就可把時間扭成順向，如常行動，從過去又逐秒回到現在。

停一停，在你的回憶按個pause。David說：「路蘭蠱惑地混淆了觀眾。」

定義時間的方法

物理上如何定義時間？熵是其中一個方法。「熵（entropy）是一個概念，即這個宇宙會愈來愈凌亂，熵代表有幾凌亂，就像我們面前的辦公桌，不執拾會愈來愈亂，而不會愈來愈整齊，有條法則是熵在封閉的系統不會減少，只會增加，所以物理學家說這是時間的箭頭。如我每隔一段時間為辦公桌拍一張照，即使沒表明時間，你也能排列到哪張是先哪張是後，愈亂就是愈後。」

才不是，你會說，我的桌子每天都很整齊。對，這個法則有個前提，是在封閉的系統裏才會愈來愈亂，一旦清潔阿姐開門執房，就是逆熵。難道阿姐已逆行時空？﹗宇宙冷笑一聲，當然不。「她收拾時也有消耗能量，呼吸、消化食物，會變熱能散失，熱能散失的熵（增）是多於收拾房間的熵（降），所以整體對於宇宙而言，熵仍是增加中。」

執房只是局部的逆熵，「生命亦是逆熵的最好證據，生命是高度複雜而有秩序的排列。有人會說達爾文是錯的，物種不會演化，因為生命突然存在，便違反熵增這個物理定律，這聽上去已不太合理，就如執房，以整個系統而言，熵的總和仍是增加，不會減少，如人死後化為塵土，熵亦會增多」。

熵值減少 時間可逆行？

如此，「子彈回頭，人倒轉行，物理上冇話唔得，局部的熵降低，整個宇宙熵增加都沒有問題」。局部逆熵，不代表時間逆行。但如果整個宇宙熵值減少呢？時間理論上便會逆行。在上世紀90年代以前，科學家確曾為此很苦惱。「宇宙大爆炸的理論說宇宙是無中生有，本身連時間空間都不存在，是突然出現的。科學家曾以為宇宙膨脹會減慢，最後會倒過來塌縮，像氣球不吹就會變小。膨脹時東西愈來愈分散，熵便愈來愈高；宇宙收縮，東西會聚集，熵愈來愈低，如果以熵定義時間，就是在未來某一刻，時間會倒轉方向走。」不過科學家後來發現，宇宙膨脹是加速的，永遠不會返轉頭。

終極武器：反物質炸彈

戲中角色Neil隨口提及一堆物理學名詞，睿智說完Richard Feynman的逆電子理論，又說正反電子相撞會導致「湮滅」（annihilation），實際上是兩種概念。先來點科學ABC：物質由各種元素構成，元素的最基本單位是原子，原子由更基本的粒子組成，即中子、質子、電子。中子與質子組成原子核， 電子則圍繞原子核，形成原子。

逆電子理論描述的是「一粒電子順時間向前行，就等於一粒反電子逆時間向後行」。而湮滅就如其名，「一粒正常的粒子，跟反粒子接觸時會湮滅，變成能量」。但要搞清楚，湮滅所形容的與時間逆行無關，「它是講順行的電子與反電子接觸。而我們的世界沒有逆行的反電子，因為這不是路蘭世界」。

電影內常常提及「鈈」與核武，如果要比較毁滅世界的威力，David說，若利用湮滅製造反物質炸彈，「會勁過所有炸彈，包括核彈、氫彈」。正所謂「核爆都唔割」，核彈被視為終極武器，原理是靠核分裂（nuclear fission）產生能量，「將原子分裂後，原子本身一些質量會不見了，碎片加起來會比原本輕，不見了的質量會變成能量，原子彈就靠這些能量造成爆炸」。而另一種威力強勁的氫彈，則相反靠核融合（nuclear fusion）過程中散失的質量取得能量，即前者是分，後者為合。

核分裂要用比鐵更重的元素，核武國常因各自收起幾多鈾起爭端，鈾與鈈都是會被用作製造核武的元素，「二戰掉在日本的兩個核彈，廣島的用鈾，長崎的用鈈」。至於核融合要用比鐵輕的元素，「宇宙有七成以上元素是氫，地球上最多氫是大海」，因此氫就被用來製核融合彈。

製造反物質彈可行嗎？

但核分裂彈，鈾的原子分裂過程只有0.1%質量轉為能量；氫核融合亦有0.7%。如果是湮滅呢？100%。「湮滅可提取的能量是100%，因為兩粒粒子完全消失，即所有質量消失。」

在現實世界，我們與萬物都由正常粒子組成，反粒子並不存在，但有科學家製造過。那豈不是很危險？另一電影《天使與魔鬼》（Angels & Demons）裏湯漢斯救世界，就是制止那一小瓶反物質碰到正常物質，保護梵蒂岡不被炸掉，「反物質不能碰到容器（正常物質）本身，要用磁場定在中間，所以湯漢斯要在容器無電之前找到它，在天空爆炸」。現實中科學家成功製造過反氫原子（由反電子+反質子組成，氫是最輕元素，沒有中子）及在實驗中發現過反氦核，但反粒子碰到空氣（正常粒子組成）都會湮滅，所以要製造殺傷力大的「反物質彈」，在研究如何砌出質量夠大的反物質前，先要解決儲存問題，「人類的科技還不足以抽出所有空氣造成真空」。有沒有國家在研究，就不得而知了。

祖父悖論

假如時光倒流，過去可被改變？

這個悖論好簡單，假設人類真的有時光機，我回去殺了祖父，我便不會存在，那麼又如何會有去殺祖父的我？「科學家爭論已久，如果人類科技夠進步，是否可以發明時光機？」不止祖父悖論，還有費米悖論（Fermi Paradox），「如果真有時光機，為何我們沒見到在時間旅行的人？」David笑言：「至少我一定會回到過去搞搞震，也有陰謀論說是美國政府掩藏這些人，乜都係話美國政府。」

《天能》裏的金句，What's happened, happened，妄圖改變過去是不可能的，這也有科學家猜想過，如物理學家諾維科夫提出的自洽性原則（Novikov self-consistency principle）：「發明時光機之後，如何避免祖父悖論？其中一個想法跟路蘭說的一致，設想這個宇宙有安全機制，令已發生的事無論如何都會發生，你拿刀想插阿爺也會突然跣倒。」。但這樣想，除了殺阿爺，你甚至不能回到過去踩碎一塊落葉，每一件已發生的事都不能改變的話，即時光機亦是不可能出現的東西。「如果時空旅行可以存在，而宇宙有機制保護阿爺，這機制亦會同時否定時空旅行的存在。」另外又有另一套講法，「如果允許時光機出現，是像隨意門可以行入去的話，科學家計算出可以開到這個洞，但開的時間非常短，沒可能穿過」。再來一個比較不犯駁的科幻電影路數，便是《復仇者聯盟4：終局之戰》的平行時空了，每改變一個決定，都分裂出另一個時空，回過去殺阿爺會分裂出一個沒有「我」的時空，但與本身那個「我」身處的已非同一時空。

相對論、量子力學 界線在哪裏？

話說回頭，逆電子理論不是說同一粒電子順時向前行，同時就會有反電子逆時向後行？電影彷彿將這個情况放大，放在人身上，拍成主角逆時會見到人倒後行的畫面。不過這種「粒子如何，人也必如何」的聯想，科學上其實未解決。這又回到物理學的千古難題，宏觀描述宇宙運行的相對論與微觀粒子特性的量子力學，至今未有人想到兩者如何能夠相容結合。東西有多細才夠微觀，可用量子力學解釋？多大就會跌入相對論的範疇？沒人知道界線劃在哪，如果說有條明確界線也很奇怪，合理設想應是量子力學的效應會逐漸過度至相對論的世界，反之亦然，但說到底，兩者如何相接還是未解得通的問題。

科學未解的難題，正給予路蘭想像空間創作逆行世界，不過David說，「在我們這樣的大尺度，量子效應不存在，因為每粒粒子有量子效應，加在一起會平均了，數學上計得到平均後便沒有量子效應」。科學家仍在繼續研究多「小」才進入量子力學的世界，「有研究量子論的科學家做實驗，將粒子愈砌愈大粒，看什麼時候才沒有量子效應，發現以60個碳原子砌出來的『足球』（Fullerene）都有量子效應」。

電影有無破綻？

David走出戲院，花了些時間想把情節想通，「複雜是因為戲拍得緊湊，剪接多，沒時間讓人細想。車戰那場很複雜很多人，會去想誰向前誰向後，但物理真係唔關事。好多觀眾看科幻電影覺得自己看不明白，以為是不明白科學，其實明物理都不明齣戲」。例如「未來」的主角倒帶退到過去，駛另一架車至車戰現場，反車、起火，主角被救回後，可入旋轉門再把自己的時間扭回順行，但車的殘骸沒人處理，是否一直留到原地，留到馬路都未起好的過去？「這是不是一個bug呢？」但他好像無意為此「燒腦」，反而滿懷興致與記者研究Inception結局那個陀螺，「有篇文話陀螺其實唔係男主角個圖騰，是他老婆的，他的圖騰是戒指﹗」「吓真係？」「你記唔記得老婆在夢中……」／／

2018week 19學習心得

延續上周說要多看科普和心理學，這周看了霍金的"時間簡史"，這本是科普神書，銷售了幾千萬冊，但我有超過七成看不懂...
後來霍金又出了一本"新時間簡史"，是上一本的簡單版。

講了宇宙觀，相對論、量子力學、蟲洞、時間旅行...
我已經感受的到霍金盡量講的淺顯了，但我還是很多地方看不太懂，之前著名的傳記作者Isaacson寫的那本愛因斯坦傳，我看到一半就看不下去，裡面太多相對論了，搞得我好糊塗...之後有時間再來看國家地理頻道的紀錄片，看有沒有親民一點...

我整理一些重點：

西元前300多年前的宇宙觀，亞里斯多德主張地球靜止不動，日月星辰皆繞著地球轉，地球是宇宙的中心。西元二世紀托勒密更進一步延伸其說法，並獲得教會認可，認為這模型更符合聖經說法。
到了15世紀，哥白尼發現地球繞著太陽轉，卻只敢匿名提出，怕被教會抓起來。近百年後，克卜勒和伽利略才公開支持哥白尼，這惹惱了亞里斯多德派的學者，教會命令伽利略永遠不得再提出該學說，並判伽利略終身軟禁。事實上，伽利略一直是虔誠的天主教徒，但他仍堅持科學獨立，直到過世前4年，將著作偷偷給出版社，這部"新科學對話"促成了現代科學的誕生。

現在已知太陽只是銀河系一千億個恆星之一，銀河系只是本星系群眾多星系之一，本星系群又只是數千個星系群團組成宇宙中的一個星系群而已。(太陽有壽命的，不過燒完還要幾十億年)

要討論宇宙的本質，是否有開始與結束，要先了解科學理論的意義。一個好的理論，須符合兩項要求：
(1)以幾項要素的模型為基礎，對一大類觀察做出正確描述。
(2)並能對未來的觀察做準確預測。
例如亞里斯多德的萬物由水火土氣四大元素理論，雖然看似簡單，卻不能準確預測未來。而牛頓的重力理論，就能對日月星辰的運動做高精準預測。
任何理論都是暫時的，永遠無法證明，不管多少次實驗與理論符合，只要產生一個反例，就會把理論打破，必須修正。一個好的理論要提出預測，以供檢驗。
新理論往往是舊理論的延伸，例如在地球日常生活的現象用牛頓重力都可解釋，但到了水星軌道的預測，就發現愛因斯坦的廣義相對論才說得通。(不能只考慮物理的質量，還要考慮星體的成份結構)

相對論指出要放棄絕對時間的概念，這讓牛頓很難接受，因為與他"絕對上帝"的信仰有衝突。兩人在不同的速度下或在不同的高度下，會有不同的時間(住在山上的人會老的比較快呢)，這點已經實驗得出。(科學家在水塔的頂端和底部各擺一具時鐘)

現在，我們又發現量子力學跟廣義相對論產生了一些衝突，於是再修正。量子力學發現永遠無法準確測量一個粒子的位置與速度，每次都會發現有一些結果是A，一些結果是B，這個重要理論來自測不準原理，因為光子會影響觀測粒子的運動，使物體在一個震動的狀態，這使的物體必定會存在隨機性與不可預測性。愛因斯坦對此非常排斥，說了一句名言："上帝不會擲骰子！"。
但量子力學成為了現代科技的重要基礎，支配了電晶體的運作。

連牛頓還有愛因斯坦這麼牛的人都無法擺脫意識形態，我這種凡夫俗子就更難做到事事客觀了，繼續努力...

目前已知共有四種作用力，重力、電磁力(電子與夸克)、弱核力(原子的衰變)、強核力(質子與中子結合)
電磁力比重力強上許多(兩個電子之間的電磁力與比重力強上1後面42個零倍)，這是為何電子會繞著原子核轉的原因。

原來沒有查克拉跟念能力啊...我的小小童心被抹滅了...

目前科學家正在尋找將量子力學跟重力結合的新理論，"量子重力理論"。
物理的終極目標，在於提出一個能描述整個宇宙的理論。包含宇宙如何隨時間演變，以及宇宙一開始的狀態。(有些人不準談論後者，任何那是上帝創造的)
目前無論是相對論或量子力學等...理論，都能解釋宇宙大部分的狀況，那一直繼續追尋終極理論有用嗎？(不過以前大家也認為相對論跟量子力學沒有用，但這些理論後來帶來了核能與微電子革命)
可能發現終極理論無助於提升人類生存的機率，但至少能滿足人類求知的天性。

在牛頓的時代，一個受教育的人士自認為掌握人類全部的知識，然而，後來理論不斷更新，一般人很難消化，目前大眾對於科學進展所知寥寥無幾，即便是專家，也只能了解一小部分。學校學的東西多半過時，只有極少數科學家能掌握最先進知識，但這些人必須全力投入，也只能專精極小領域。

古代為了解釋宇宙，往往認為是具有人類七情六慾的神靈所控制，其行事作風就像一個無法預測的人類，人類必須敬畏供奉神靈，以求風調雨順。後來，人類慢慢注意到這些現象有跡可循，發現了許多理論。到目前為止，科學家都忙著繼續發展新理論來解釋宇宙如何運作，卻沒有去問"為什麼"。另一方面，應該研究"為什麼"的哲學家，卻跟不上科學的腳步，在18世紀前，哲學家仍把人類所有知識納入自己的研究範圍，但之後科學變的相當技術化和數學化，除了少數科學家，哲學家和一般人都難以掌握，使的哲學家不斷縮小自己的範圍，讓20世紀最著名的哲家學維根斯坦感嘆："哲學剩下的唯一任務是分析語言"。這對亞里斯多德到康德傳下來的偉大哲學思想，無疑是一大打擊。

不過，若是未來發現完整的統一理論，經過普羅大眾的消化，那大家就能開始討論為什麼我們和宇宙會存在的問題，若是真能找到答案，將是人類理性的最終勝利，因為我們將會明白神的心意。

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書裡有談蟲洞和時空扭曲的問題，但超出我理解範圍...有興趣的朋友可以去翻翻，有空歡迎指導小弟<_ _>
不過還真是佩服這些科學家，探究這些理論超級困難，用各種複雜的科學測量方式去理解比銀河系還遠的東西，比質子還小的東西...
探究這些沒什麼錢賺，只是為人類的知識天花板再突破...更佩服像伽利略那樣，就算被關起來，還是要講自己認為對的事，令人敬佩！

清華攜手柏克萊 再探宇宙伽瑪射線
國立清華大學天文研究所研究團隊與美國柏克萊加州大學太空科學實驗室團隊合作研製的康普頓成像光譜儀 (Compton Spectrometer and Imager, COSI)，在台灣時間17日上午7點36分於紐西蘭瓦納卡，由美國太空總署最新研發的超壓力氣球搭載升空，進入離地面約40公里的高空，偵測來自宇宙深處的伽瑪射線。新式氣球飛行高度更穩定，飛行時間也可能持續超過兩個月，讓COSI在近似外太空的環境中收集數據，是新一代康普頓望遠鏡研發的重要里程碑。
台美合作研製的康普頓成像光譜儀以12片高純度鍺偵測器為核心，利用光子與偵測器材料中電子的康普頓散射，來測量光子能量為百萬電子伏特範圍的伽瑪射線。
COSI跨國合作團隊的台灣計畫主持人、清華天文所教授張祥光表示，來自外太空的伽瑪射線雖然極其微弱，但蘊含了許多豐富的現象與未解的謎題。以這次高空氣球飛行偵測為例，主要觀測目標是銀河系的中心，那裡有很強的電子正子對湮滅輻射，其輻射光子的能量大約是0.5百萬電子伏特左右。
電子正子對湮滅輻射中的大量正子（也就是電子的反粒子）的來源，是天文學界在過去近半個世紀來一直未解的難題，它可能和銀河中心的超大質量黑洞有關，或者是其他中子星及黑洞的系統，甚或是和假設中的低質量暗物質有關。張祥光說，COSI如能在這次高空飛行蒐集到更多數據，將是解開這天文界世紀之謎的一大助力。
康普頓成像光譜儀是新一代的康普頓望遠鏡，相較於舊的技術，它的特點是以較小的體積與質量，達到更高的靈敏度。張祥光指出，提高靈敏度非常重要，例如一般相信超新星爆炸造成重元素的形成，但卻因靈敏度關係，無法明確觀測到其所伴隨發出的伽瑪射線輻射。COSI可以精確測量散射事件在偵測器中發生的位置，並且能記錄同一光子在偵測器中的多次散射事件，因此可以大幅提高儀器的靈敏度。
張祥光表示，由天文研究需求所驅動發展的高靈敏度伽瑪射線偵測器，未來在一般輻射偵測上也會有很好的應用，如在醫學成像技術上，因為靈敏度高，病患所需使用的輻射追蹤劑劑量就可大幅降低。
全球有數個團隊在開發新技術，製作高靈敏度的新一代康普頓望遠鏡。COSI團隊是這所有團隊中進展最快的。伽瑪射線和X射線一樣，都無法穿透地球的大氣層。要觀測外太空來的伽瑪射線，必須將儀器搭載在人造衛星或太空船上。在進行這樣的太空任務之前，必須先用高空氣球飛行來檢視所發展的新儀器與新技術。COSI在2009年曾在美國本土進行了一次約40小時的成功飛行，2014年在南極洲有一次約44小時的飛行。
COSI團隊2月中就已進駐美國太空總署在紐西蘭瓦納卡機場的高空氣球基地。經過了大約3個月的儀器系統整合測試與適當天候的等待，COSI終於在台灣時間17日上午順利升空。COSI的性能將在這次的飛行中得到充分的驗證，為未來的衛星任務做準備。COSI台灣團隊的核心成員還包括中央大學物理系張元翰教授以及中央研究院物理研究所林志勳博士。COSI台灣團隊早期由國家太空中心所支持，目前則是由科技部資助。

https://www.youtube.com/watch?v=BwovEcdjS0M&feature=youtu.be