通識導賞:物理講師看《天能》 路蘭的逆行世界存在嗎?

文章日期:2020年09月20日

【明報專訊】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……」

文 // 曾曉玲

圖 // Warner Bros. Pictures

編輯 // 王翠麗

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