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物理也說:「沒錯,蟻人可能會回不來。」

2015/08/01 | | 標籤:

最近有國外神人透過蟻人的動作分析,證明蟻人的動作並不符合地球上的重力加速度,來推測蟻人的動作應該要更加「奇怪」才對。朋友都說這是沒有意義的研究,畢竟這是電影,是一部科幻電影,跟它認真其中的科學成分就輸了。

不過,我還是秉持著學過物理的優良傳統(三觀盡毀與偏執),看完電影仔細思考現實中科學能解釋的部分,但還是吐槽比較多,比如當蟻人縮小的時候,腳下壓力會讓地板直接爆開才對。不過有一件事似乎沒那麼科幻……

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蟻人站在地板上(預想圖)

(已下有雷,請還沒看過電影的人直接左轉。)

 

 

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source:蟻人電影劇照。

source:蟻人電影劇照。

那就是皮姆博士警告史考特說:「當限制器失靈,你就會縮小到量子尺度,然後就永遠回不來了。」這句話不僅是全劇中最感人的哽,可能也是最貼近實際狀況的一句話。不過到底是為什麼?為什麼他不能再按下按鈕就變回去呢?讓我們回到兩百年前那個還沒有「量子」這個詞的美好年代開始說起。

崩壞的美夢:拉普拉斯妖

兩百年前,當時的數學家拉普拉斯根據當時的物理學,提出一種可以預測未來的假設,如果有「人」可以知道某一時刻全世界造成物體運動的力與位置,就可以運用古典物理公式推算至無窮遠的未來或是過去,而這個「人」,也就是現在所說的拉普拉斯妖。

在假設中,世界被當成一台大型機器,所有事情都按照古典物理公式運作,而人們只要熟讀物理課本,用心找尋身旁事物運動的原因,就可以成為預言家,一切盡在人的掌握之中。

但隨著工業革命的發展,到20世紀初物理學出現的兩朵烏雲,這個預言家的美夢被無情摧毀。從熱力學第二定律所描述的不可逆過程,到量子力學的不確定性原理,物理從「世界運作的真理」轉變成「最能說明世界的解釋」,一切都因為探索微觀世界後,所帶來的「統計力學」(量子力學)。

這邊要鎮重澄清,現實生活中所熟知的古典物理公式還是能用,而量子力學仍然承接這些古典物理公式,只是量子力學告訴我們,「等號的另一頭」不是「唯一答案」,而是「微觀世界所有可能答案的平均」。

量子撞球檯

讓我們想像在撞球檯上有兩顆白球,對其中一顆白球推桿,你可以從運動的白球路徑推斷會不會撞到另一顆白球,撞到後會變成怎樣,而最後也能明確指出哪顆白球是你當初推桿的那顆。就算我們把球臺中間用黑布遮著,也能透過當初推桿的力道、撞擊的聲音與最後出現的位置來描述兩顆白球是怎麼運動的,下圖是實際撞球臺的簡單範例。

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實際撞球檯

現在我們把這一切都縮小到一奈米的狀態,在量子撞球臺上重現上述的情況。基本上,你無法跟巨觀的時候一樣,預測推桿後球會怎麼跑,而球會不會撞到更是個難題,也不知道當初推桿的是哪顆白球,下圖是其中一種可能性的範例,紅色虛線是球的實際路徑(當然,黑色軌跡也是一種可能),可以看到運動的軌跡很奇怪,而最後到達的位子也不能用來解釋他們的過程。

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量子撞球檯

當你多撞幾次後,你就會開始覺得這個世界怎麼一點規律都沒有,球怎麼跑都可以,符合巨觀物理定律的黑色軌跡當然也可以,只是它也變成這些亂七八糟走的其中一種。

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什麼都有,什麼都不奇怪

而這就是為什麼蟻人「可能」回不來的原因,就像皮姆博士的解釋:「所有空間與時間概念都會錯亂,你會迷失在其中。」在微觀的狀態下,觀察者只能接受這種毫無章法的世界,而蟻人手中能夠改變體型的精密設備,也無法像在巨觀世界時正常運作(有人正試圖控制這混亂的局面,讓我們為10奈米製程加油);你可以想一下撞球檯上的黑線,唯有母球恰巧走在黑線上的時候,那套裝甲才能正常運作。

當史考特從量子世界回來後,皮姆博士那句:「你看到了什麼?」也是我最想知道的問題。從古至今,因為觀測上的限制,使我們只能站在巨觀角度來探討微觀世界的問題。如果人真的能縮小到量子世界再回來的話,我想問他的第一句也是:「你看到了什麼?」

參考資料:

David J. Griffiths(1995). Introduction to Quantum Mechanics(Second edition). Pearson education, Ch1.

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關於作者

PanSci 實習編輯|偏執,自以為,說話pH值偏低,常常誤傷他人,也誤傷自己。念物理系之前,曾以為米諾夫斯基粒子是真實存在,也以為自己可以去光量子研究見到魔神凱薩,念完後仍然執迷不悟的繼續幻想。