【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……」／／

MIT科技評論12/26

* 【南極古冰蓋的融化可能會再次發生，並導致新一輪全球洪水】

據phys 12月21日，科學家認為由人類活動引起的全球變暖會再次引發南極洲的巨型古冰蓋融化，從而導致全球海平面上升。該研究於12月初在華盛頓特區的美國地球物理聯盟會議上宣佈。

俄勒岡州立大學的地質學家Anders Carlsony領導的研究團隊表示，約在12.5萬年前，高溫曾引起冰蓋融化，而如今的氣候情況則與當時相似。

南極洲冰蓋融化成為引發海平面上升的重要因素。波士頓大學古氣候學家Jeremy Shakun則告訴Science雜誌，在過去的十幾年中觀察到的大規模融化可能只是一個開端 。一旦古冰蓋開始融化，全球海平面將以每世紀2.5米左右的速度上升。

（圖源：麻省理工科技評論）

* 【火星快車號傳回火星冰層照片】

據《衛報》，歐洲航天局的火星快車號探測器傳回了最新照片，火星上的Korolev隕石坑被厚厚的冰層覆蓋，總體積超過530立方英里。官方公佈的完整隕石坑圖片由5張照片組合而成。

Korolev隕石坑以俄羅斯火箭工程師Sergei Korolev命名，位於火星北部低地區域，其直徑約50英里（80.6千米），冰層厚度超過1英里（1.6千米）。隕石坑與周圍平地存在高低差，火星空氣流過冰面時會冷卻並下沈，形成冷空氣保護層，防止冰層融化。（圖片來源：Björn Schreiner/DLR/ESA）

* 【馬斯克：Starship太空船有望在明年四月前試飛】

據Engadget網站12月24日，馬斯克在推特上透露，Starship太空船原型有望在明年三、四月試飛，然後會舉辦一場技術演講。

Starship的前身是大型獵鷹火箭（BFR），但是後來馬斯克將其更名，連帶一起改名的還有火箭助推器Super Heavy。馬斯克披露的數據顯示，火箭的直徑約有30英尺，飛船本身高度約55米。

Starship原型機目前還沒有建造完成，因此沒有確鑿的技術細節和數據。（圖片來源：SpaceX）

* 【讓滑雪更輕鬆的外骨骼裝備Elevate】

據12月24日newscientist，Roam Robotics公司創造了一款名為「Elevate」的滑雪外骨骼裝置。

該設備可以通過氣墊緩衝巨大的壓力，並在轉彎時為腿部提供額外的支撐，使他們從高山上飛馳而下時，在斜坡上滑行得更遠。其機身結構為一條伸展至膝蓋、大腿和滑雪靴的機械綁帶，電池為背包式，可以支撐在滑雪道上滑行 一整天。

當有人使用「Elevate」滑雪時，Elevate會嘗試模仿他們的動作。這是為了提高穿戴者對裝置的控制力，同時能讓他們輕鬆實現轉向。其中一個零部件，閥門執行器能夠減少約佔滑雪者體重百分之三十的壓力。該公司還表示，穿戴此設備向山下滑行時，能減輕滑雪者膝蓋受到的影響。（圖片來源：Roam Robotics）

* 【FDA警告！某些抗生素可能會導致動脈瘤】

據CNN 12月21日，FDA發佈警告稱，根據最新研究表明，氟喹諾酮類抗生素可能會對導致動脈瘤 。

FDA的局長Scott Gottlieb博士在一份聲明中表示:「主動脈夾層動脈瘤是一種致命性疾病，一般情況下患病風險很低，但據觀察，當患者開始使用氟喹諾酮類藥物時，患者發生動脈瘤或夾層的可能性是前者的兩倍。」

氟喹諾酮類藥物是非常常用的抗生素，它包括：環丙沙星、左氧氟沙星和莫西沙星， 被廣泛用於治療上呼吸道感染和尿路感染。FDA要求在處方信息和患者用藥指南中添加關於動脈瘤的警告，並建議對於已患有動脈瘤或已知有動脈瘤風險的患者，應該考慮替代治療方案。

* 【世界上最大的粒子對撞機將迎來為期兩年的升級改造】

據紐約時報，歐洲核子研究中心（CERN）將對大型強子對撞機進行為期兩年的升級改造，旨在於2020年前將大型強子對撞機的生產率提高10倍。

對撞機原理是將亞原子拋擲在地下17英里的電磁跑道上，將它們粉碎後，篩選出新的粒子和自然力量。利用這台儀器，物理學家發現了希格斯玻色子，這個發現有助於解釋為什麼宇宙中存在質量、多樣性和生命等諸多問題。

大型強子對撞機第一次關閉將持續兩年，一直到2021年。期間，工程師們將改進一系列能加速質子的小型跑道，並將它們注入主對撞機。然後對撞機將運行兩年，到2024年將再次關閉兩年，工程師們將安裝新的磁鐵來加強質子束、增強碰撞效果。（圖片來源：CERN）

* 【可持續的「塑料」即將出現，或將改善海洋環境】

據12月24日eurekalert，研究人員開發出一種製作可持續生物聚合物的新技術，可以生產可生物降解的「塑料」，產生無毒性廢料並回收成有機廢料。他們的研究成果最近發表在Bioresource Technology雜誌上。

據聯合國統計，90%的海洋污染物為塑料，它們的降解十分緩慢，且制備過程中還會產生污染物。因此研究人員利用以海藻為食的微生物生產出一種叫做聚羥基鏈烷酸酯（PHA）的生物塑料聚合物。這種工藝以環境和居民友好為前提，主要利用海洋資源來生產生物塑料，不會影響人們耕地和淡水使用，有望幫助許多國家從石油衍生塑料轉向生物降解塑料。

目前，研究人員現在正在進行基礎性研究，以找到適合生產不同性質的生物塑料聚合物的最佳細菌和藻類。

* 【川普簽署立法，以12億美元推動量子計算研究】

據12月22日Geekwire，川普總統剛剛簽署了一項法案，在五年內撥款12億美元用於促進量子信息科學的發展。

該法案設立的國家量子協調辦公室（ National Quantum Coordination Office ）將成美國白宮科技政策辦公室的一部分。同時還呼籲制定一項多年的戰略計劃，以幫助美國保持在量子競賽的最前沿。

計劃的一個重要目標是建立新的研究中心，匯集來自計算機，物理學和工程學等不同學科的研究人員，幫助進行實驗和培養未來的量子研究人員。

與此同時，中國和歐盟也正在投資數十億美元用於量子計算。
（圖源：麻省理工科技評論）

先備知識：
1.同位素的概念。

影片重點：
1.因為有同位素，所以在週期表上的原子量為「平均原子量」。
2.平均原子量為每一種同位素的原子量去乘以其所佔比例，再全部加總，是一種「加權平均的概念」。
3.質量數不等於原子量。質量數一定是整數，因為它是質子數加中子數；但原子量是與碳-12比較的結果，很有可能帶有小數。不過一般來說，質量數與原子量的大小會很接近。
4.如果題目真的沒有給同位素的「原子量」，則暫且可以把質量數當作原子量來計算。例如溴-79的原子量就直接當作是79。

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