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一拳超人物理學:深不可測的是埼玉還是物理?

余海峯 David
・2017/05/24 ・1795字 ・閱讀時間約 3 分鐘 ・SR值 507 ・六年級

在《一拳超人》動畫中,在第一季的最後一集裡,埼玉與宇宙海盜「黑暗盜賊團 Dark Matter」的首領波羅斯(ボロス)戰鬥。(自稱)銀河系最強的波羅斯多次身中埼玉的普通拳和連續普通拳都仍能保持不敗,可見其實力確實在所有已出場的怪人之上。根據原作者 ONE 的說法,波羅斯的級數是「龍級以上」,不過漫畫中這種「狼、虎、鬼、龍、神」的實力定義太闊,而且缺乏實際數字支持,我們還是用已知物理定律去計算比較實際。

左邊為波羅斯,右邊為《一拳超人》的主角埼玉。source:一拳超人官網

這場戰鬥暫時是動畫之中最大規模的。我們這次就試試來計算雙方的實力(噢不對,埼玉根本沒使出真正實力),也順便來溫習一下基本物理公式的應用吧。

動能公式:波羅斯有多強?

波羅斯在戰鬥中段因為被埼玉看不起,就變身成為燃燒自身生命的終極戰鬥模式,把埼玉踢了上月球。相對地月距離約 38 萬公里,地球大氣層厚度只有約 100 公里,即地月距離的 0.02%,因此我們的計算忽略空氣阻力。在動畫之中,埼玉由中招一刻到撞上月球的時間大約為 2 秒,因此埼玉飛上月球的速率約為秒速 19 萬公里,是光速的 63%。嘩,不得鳥。

別隨便瞧不起人啊~不然會被打到外太空。圖/IMDb

我們可以使用動能公式來估計一下波羅斯的物理攻擊極限。因為埼玉達到了 63% 光速的高速,已經進入了相對論性領域,牛頓動能公式不再適用,我們需要使用愛因斯坦的相對論性動能公式。目測埼玉身高,我們可以合理地假設他的質量約為 70 公斤。如果只用牛頓動能公式「能量等於質量乘速率平方除 2」的話,埼玉飛向月球的動能就有

(70kg)(190,000,000m/s)2 / 2 = 126 億億焦耳

這是截至1996年地球上所有國家所有核測試所釋放的能量總和 60%;

果用愛因斯坦相對論性動能公式:

(質量 x 光速2){[(1 – (速率 / 光速)2]-1/2 – 1} = 181 億億焦耳

是包括 1996 年以前所有核測試能量總和的 83%,比牛頓結果多 44%。

我們在動畫中看到波羅斯首先把埼玉向下打,然後再繞到下方向上踢,所以實際上輸入埼玉體內的能量比這個數字更多。因此,波羅斯的極限物理攻擊力大概就等於包括 1996年以前所有核測試的能量總和吧。

動量守恆:埼玉會把月球撞開嗎?

埼玉的質量只有 70 公斤,而月球則重達 735 萬億億公斤,但他以 63% 光速撞上月球,這一撞足夠把月球撞開嗎?根據動量守恆定律,我們就知道

埼玉質量 x 埼玉速率 = 月球質量 x 月球速率

為方便計算,我們假設月球以正圓形軌道繞地球運行,因此月球在撞擊前的徑向速度是零。由動畫中可見埼玉撞上月球後立即停下,故這碰撞為完美非彈性碰撞。因此我們就有

月球速率 = (70)(1.9×108)/(7.35×1022) = 1.8×10-13m/s

即是這次碰撞後,月球會以每秒 0.18 皮米(picometer)的速率遠離地球。而 0.18 皮米大概約是氫原子半徑的 1/120,所以結論是埼玉不會把月球撞走。太好惹!!

好險好險,月球沒事。圖/IMDb

熱力學:埼玉會把月球表面熔化嗎?

我們可以立即看出,10-13 的平方是 10-26,比 10-22 小了一萬倍,即是埼玉這顆 63% 光速炮彈的動能會以差不多 100% 的效率轉變為月球的內能。換句話說,月球一瞬間吸收了 181 億億焦耳的能量!

埼玉撞上了月球哪個位置,在動畫或漫畫中都不太看得出來,我們就假設埼玉撞擊的是覆蓋了月球正面三分之一的月海好了。月海由玄武岩構成,是從前月球仍活躍時的火山活動形成的。玄武岩的比熱容大約為每公斤每絕對溫度 840 焦耳,即是要把一公斤玄武岩溫度提高一度的話,就需要輸入 840 焦耳。

假設 181 億億焦耳直接輸入了撞擊範圍附近 10 噸的玄武岩好了,那麼這 10 噸玄武岩提升的溫度就是

(181×1016J)/(104kgx840J/kg/K) = 2.15×1011K

相當於二千多億度!這比太陽中心溫度還要高一萬倍以上,達到了宇宙大爆炸後一秒鐘的溫度。

就算以整個月球計,其受的損傷很少,但埼玉撞擊範圍附近的玄武岩至少也應立即汽化、分解成基本粒子了吧。看來埼玉的實力比恆星級數更強上不知道多少倍,真不愧為 B 級 63 位的英雄啊(打贏波羅斯後上升至 B 級 33 位)。咦,怎麼埼玉的戰衣沒有熔化?

看來大家已經從埼玉身上溫習了不少物理學:動能公式、動量守恆律和比熱容計算。謝謝埼玉!不要忘了,對埼玉來說這只是場連「戰鬥」也說不上的運動啊。物理學和埼玉,到底哪個比較深不可測?

圖/IMDb
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余海峯 David
18 篇文章 ・ 18 位粉絲
天體物理學家。工作包括科研、教學和科學普及。德國馬克斯・普朗克地外物理研究所博士畢業。現任香港大學理學院助理講師。現為《立場科哲》科學顧問、《物理雙月刊》副總編輯及專欄作者、《泛科學》專欄作者。合著有《星海璇璣》。

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貓咪都比你懂物理!巴斯光年與他的物理喵喵
余海峯 David
・2022/06/24 ・2292字 ・閱讀時間約 4 分鐘

巴斯光年與他的物理喵喵。 圖/IMDb

1995 年《反斗奇兵》(Toy Story[註 1] 上映,當年只有八歲的我看的當然是粵語配音,「太空戰士,一飛沖天!」是電影中巴斯光年的著名台詞。這句台詞的英語原句是「To infinity and beyond!」,意思是「跨越無垠」,與粵語翻譯稍為不同,但對小朋友來說「太空戰士一飛沖天」[註 2] 卻是更加琅琅上口。

27 年後《光年正傳》(Lightyear[註 3] 正式把當年像個妄想症病人的巴斯光年背景故事放上大銀幕,再次勾起許多大人們的回憶。而這次巴斯光年是個真正穿梭宇宙的太空戰士,手上的終於不是「燈膽仔」[註 4] 而是真正的雷射槍,胸口上的按鈕亦終於不是台詞錄音機而是隱形裝置。

=============劇透警戒線=============

劇透警戒,還沒看過的趕緊撤離! 圖/IMDb

巴斯光年與伙伴們在電影中流落一顆充滿危險生物的行星 T’Kani Prime,要回到地球就必須突破光速的限制。由於飛船的引擎使用由各種不同化合物合成的結晶,巴斯光年必須親自測試不同組合,找出能讓飛船飛得比光更快的結晶。

問題來了,每次巴斯光年的試飛雖然只有 4 分鐘,但當他回到 T’Kani Prime 行星上,4 年的時間已經過去了。這是真實存在的物理效應「時間膨脹」(time dilation),當飛船以接近光速的速率航行,留在行星上的人所過的時間就會比飛船上的人過的更長。大家可能聽過的「雙生子悖論」(twin paradox)就是由此效應衍生的。

速度越接近光速,時間膨脹的效應就越大。巴斯光年花了十多次試航的時間也找不到正確的結晶(對巴斯光年來說只過了十多天,但對行星上的人來說已是 62 年),飛船一旦嘗試突破 70% 光速,結晶就會失效。

從相對論來看,巴斯光年早成功了

關於時間膨脹效應,可以參考我很久以前寫的一篇文章《你也能懂相對論》。有趣的是,電影給出了 4 分鐘和 4 年這兩個數字,我們就可以利用相對論的公式算出飛船飛得有多快。略去算式和計算步驟,假設飛船在 4 分鐘之內以全速飛行(實際上需要經歷加速和減速,因此實際計算會稍微複雜),巴斯光年的飛船速度為⋯⋯ 99.99999999999995% 光速!

咦,不是 70% 嗎?如果巴斯光年的飛船真的只以 70% 光速飛行的話,當他飛完 4 分鐘回到 T’Kani Prime 行星上時,行星上面的人過了的時間會是⋯⋯ 5 分鐘 36 秒。時間膨脹的效應仍然會是很明顯嘛,不過沒有電影裡面的戲劇性就是了。

因此,如果相對論要在電影世界中成立的話,就必須假設巴斯光年的飛船實際上飛得比 70% 光速更快。而更重要的是,喂喂巴斯光年,這不是成功了嗎?99.99999999999995% 光速也很足夠了吧,非得要 100% 才滿足嗎?難道你是個完美主義者嗎!?

巴斯光年惡補相對論。 圖/IMDb

被剝削的太空戰士

電影中的行星 T’Kani Prime 距離地球 480 萬光年,而司令要求巴斯光年保護整個星系⋯⋯咦?究竟我們的星系——銀河系(Milky Way Galaxy)——有多大呢?

銀河系是一個棒旋星系,其螺旋星盤直徑為 10 萬光年。所以,480 萬光年根本已經超越銀河系了吧好嗎!司令你是要剝削太空戰士嗎?請問有沒有太空戰士工會?

事實上,正在向銀河系衝過來的仙女座大星系(Andromeda Galaxy)也只不過距離我們 250 萬光年,所以 T’Kani Prime 恆星系統可能位於星系以外,並不屬於任何一個星系!能在廣闊的宇宙空間裡找到一個有生命存在的行星本身就是件壯舉吧!

巴斯光年的喵喵,是物理喵喵 (=ↀωↀ=)

因為巴斯光年的一句話,喵咪機械人 Sox 花了 62 年時間找出了正確的結晶合成方法。利用這個結晶,巴斯光年終於能夠突破光速進入「hyperspeed」,能夠帶所有人回到地球了。而這次成功的試飛花了 T’Kani Prime 行星上 22 年的時間。

事實上,相對論並不允許我們加速到 100% 光速,遑論超越光速。宇宙中只有沒有質量的粒子才能達到光速。如果我們是光,那麼對我們來說時間會停頓,我們可以在零時間內走完整個宇宙。

未來的巴斯光年更加利用這個結晶回到過去。實際上我們並不知道超越光速是否就能夠回到過去,因為超光速代表在相對論的公式中出現了所謂的「虛數」,沒有人明白它的物理意義是什麼。

看來,喵咪比人類更加懂物理呢!

飛向宇宙,浩瀚無垠!

然而,即使電影的物理計算有誤,那又何妨?我們是與《反斗奇兵》裡的安迪一同成長的世代,見證著安迪從第一集那位愛惜玩具的小朋友,到第三集完結時捨得把最心愛的玩具送給另一個小朋友,其實也是見證著自己的成長。

讓電影帶我們重回童年。圖/IMDb

這次 Pixar 把我們拉回到小時候,讓大人們再次變成當年的安迪,感受只有孩童能想像的那種天馬行空,重新感受一次巴斯光年,太空戰士,一飛沖天。

註解

  • 註 1:《反斗奇兵》(Toy Story)為港譯,在臺灣譯作《玩具總動員》。
  • 註 2:「太空戰士一飛沖天」為港譯,在臺灣譯作「飛向宇宙,浩瀚無垠!」
  • 註 3:《光年正傳》(Lightyear)為港譯,在臺灣譯作《巴斯光年》。
  • 註 4:「燈膽仔」在粵語中是燈泡的意思。
余海峯 David
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天體物理學家。工作包括科研、教學和科學普及。德國馬克斯・普朗克地外物理研究所博士畢業。現任香港大學理學院助理講師。現為《立場科哲》科學顧問、《物理雙月刊》副總編輯及專欄作者、《泛科學》專欄作者。合著有《星海璇璣》。

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木工之子自學成師——現代分子科學之父:凡得瓦的逆境人生
ntucase_96
・2021/12/17 ・2006字 ・閱讀時間約 4 分鐘

本文轉載自 CASE 報科學 《【物理史中的十一月】1837 年 11 月 23 日:現代分子科學之父——凡得瓦(Johannes van der Waals)的誕生

  • 文|蕭如珀、楊信男(臺灣大學物理學系)(譯自 APS News,2021 年 11 月)

1837 年 11 月 23 日:現代分子科學之父——自學成功的科學家凡得瓦(Johannes van der Waals)的誕生。

凡得瓦(Johannes Diderik van der Waals)。圖/維基百科

在《費曼物理學講義》中,廣為人知的是,費曼一開始便問,人類最應該為子孫保存的是哪一則科學知識,而他的答案是:所有物質皆由原子所組成。雖然這看起來顯而易見——事實上,原子的概念可追朔到古希臘時代——然而原子的存在直到 20 世紀一直都是科學家激烈爭辯的問題。提供世界由分子組成的觀點強而有力、令人信服證據的是凡得瓦(Johannes Diderik van der Waals),他原是一位荷蘭的小學老師,物理知識大都自學而得,然而他努力不懈,終成了現代分子科學之父。

這位後來的諾貝爾獎得主於 1837 年 11 月 23 日出生在荷蘭萊登市(Leiden, the Netherlands)一個困苦的木工家庭,是家中 10 個小孩中的老大。在當時,女孩和工人階級的男孩都無機會接受嚴謹的中等教育,因此,凡得瓦早期的教育只有閱讀、寫作和基本的算術,幾乎沒有接觸自然科學的機會。

凡得瓦 14 歲離開學校去當小學老師, 24 歲時當上小學校長。他渴望更多知識,所以利用閒暇時到當地萊登大學(Leiden University)上數學、物理和天文課程,卻因為入學許可規定要考拉丁文,數度被拒絕註冊為全職學生。後來荷蘭實施全面的教育改革,推廣中學教育制度,凡得瓦致力於要成為中學教師,終於當了 10 多年的物理老師。

隨著荷蘭教育政策進一步改革,取消大學入學考拉丁文的規定,開展了凡得瓦的世界,他很快地在萊登大學通過物理和數學的資格考試,開始他的博士學業。1873 年,他終於在 36 歲時獲得博士學位。

凡得瓦的博士論文《關於氣體和液體狀態的連續性》奠定了現代熱力學的基礎,終於讓他於 1910 年獲得諾貝爾物理獎。在論文中,他主張用一個統一的模型來說明氣體和液體的性質,後來成了知名的凡得瓦方程式:

(P + a/V2 )(V – b)= RT

在此,P, V, 和 T 代表物質的壓力、體積和溫度,a 和 b 是常數。

凡得瓦研究的重要性在於他調整理想氣體狀態方程式(PV = nRT),以涵蓋分子和分子間力,這種洞察力在當時分子的存在仍是激烈爭辯的議題來說,是很有遠見的,更不用說論及原子交互作用和彼此的施力了。為了表達對他的敬意,從那時開始,已被證明存在於分子之間的弱作用力都稱為凡得瓦力。

熱力學領域的巨人馬克士威(James Clerk Maxwell)在評論凡得瓦發表於《自然》(Nature)雜誌的論文時,很有先見地指出:「毫無疑問地,凡得瓦的名字很快地會被列在分子科學最前沿中。」雖然有這早來的讚譽,但凡得瓦成就所得到的認同卻來得緩慢,主要因為他的研究起初只以荷蘭文發表。直到 1877 年,凡得瓦的發現在廣泛流傳的德語雜誌《物理學年鑑》(Annalen der Physik)中被做了概述介紹後,物理界才完全明白此研究的創新本質,而激起一陣液體和氣體分子物理的研究熱潮。

因為此廣泛的讚譽,凡得瓦離開他中學物理老師的職位,接受了新成立的阿姆斯特丹大學(University of Amsterdam)的物理教授職。在被學術界拒於門外這麼久後,凡得瓦和他交往密切的同事凡特何夫(Henry van’t Hoff,第一屆諾貝爾化學獎得主)以及德富力(Hugo de Vries,開創性的遺傳學者)最終引領了新大學在荷蘭科學嶄新的黃金年代中脫穎而出。

凡得瓦隨後的成就包括對應狀態定律,此理論被視為氫和氦液化,以及接著於 1911 年發現超導性的基礎,還有早期的毛細管理論,以及二元混合物理論,其對於化學工程以及地球化學有著持續性的影響。凡得瓦也預見團簇化學和物理學的重要性,此領域的研究在最近數十年才漸熱門起來。

雖然有這許多成就,但凡得瓦是出了名的謙虛,這在他得諾貝爾獎演講的開幕詞時也許最為明顯:「現在我有此殊榮,在傑出貴賓雲集的場合討論我有關於氣體和液體本質的理論研究,我一定要克服我談論我自己以及我的研究時缺乏自信的狀況。」

凡得瓦很重視他的個人隱私。悲劇於 1881 年降臨他家,那年他太太安娜突然因肺結核病死,時年僅 34 歲,讓他極度心碎,爾後有十幾年沒有發表論文。他從未再婚,和 4 個小孩過著安靜的生活,女兒安妮持家,賈克琳是有名的詩人,約翰娜是老師,兒子約翰跟隨父親的腳步是當上物理教授。他有一位學生說:「名譽既未改變他的行為,也沒有改變他的習慣。」。

凡得瓦於 1923 年 3 月 8 日過世,享壽 85 歲,他的一生是面對逆境時堅毅的最佳榜樣。

「完全確定的是,在我所有的研究中,我深信分子確實存在,從未將它們視為是我想像的虛構之物,」凡得瓦曾如此說,「但是當我開始研究時,我感覺只有我有這樣的看法。」。

ntucase_96
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CASE的全名是 Center for the Advancement of Science Education,也就是台灣大學科學教育發展中心。創立於2008年10月,成立的宗旨是透過台大的自然科學學術資源,奠立全國基礎科學教育的優質文化與環境。

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《天能》裡那些有點難的物理學:一個「逆熵」的世界為何不合理?
Rock Sun
・2020/08/28 ・4112字 ・閱讀時間約 8 分鐘 ・SR值 534 ・七年級

以下文章有電影《天能》的小雷,包括電影中對天能 (TENET) 的設定解釋,和預告中沒出現的場景描述。

 

你有看過《全面啟動》嗎?電影內現實和夢境彼此交錯、互相影響的劇情,可以說是近年來燒腦科幻動作電影的翹楚,它讓我們對身邊的世界有了獨特的看法。

如果你覺得那已經夠讓人匪夷所思了,那不好意思~《天能》將再一次挑戰大家對世界的理解。

而且這一次~大家可能需要帶高中層級以上的物理大腦進去看電影,不然會滿頭問號喔!

《天能》宣傳圖。圖/IMDb

再次警告:以下文章有電影《天能》的小雷

 

 

《天能》中的時間倒轉與熱力學第二定律

預告片中就可以看到《天能》中出現了各種時間倒轉,這裡面其實是有科學知識可循的,電影中也非常明確講出產生這種奇異現象的關鍵,那就是熱力學第二定律

等等~不要看到「熱力學」三個字就放棄思考了,雖然熱力學的內容非常的深而且牽扯到宇宙萬物的運行法則,但若只是要能勉強看懂《天能》,是不需要原文書拿出來重看一遍的。(編按:看這篇文章剛好啊!)

簡單來說,熱力學第二定律是在表述熱力學過程的不可逆性:一旦發生,就無法回頭。

其中能夠量化這個過程的指標叫做「」,當一個孤立系統逐漸朝向熱力學平衡,例如冰溶化、燃燒木頭、食物煮熟、爆炸等等,熵都會變大。也就是說,隨著可作功的能量轉化為不可作功能量,熵就會增加,而系統也就越混亂,藉此測量一個封閉系統的混亂程度(亂度)。

基本上我們身處的世界,萬物都傾向朝最大熵前進。如果把宇宙視為一整個巨大的孤立系統,熵狀態永遠只會增加,不會減少,亂度也會越來越大。

因此從這個角度看,熵的測量也可以被看作是一種時間的指標,因為它永遠朝向一個目標。

既然這件事被稱為熱力學第二「定律」,代表目前為止我們無法違反這個原則,但是當代物理學家們逐漸在熱力學第二定律中發現了一個漏洞,找到了可以在孤立系統中逆轉熵的契機

這就是《天能》這部電影的核心理論:如果有一天我們能夠逆轉熵的變化,我們就可能在時間洪流中逆流而上,做出一些很炫炮的事

反正時間旅行嘛~ 別想太多?圖 Image by Genty from Pixabay

逆熵的契機:神秘的旋轉門

如果我們真的能夠逆熵會發生什麼事呢?若從時間的角度來看,這跟以前老梗的回到過去不太一樣,你不是回到以前的時間點然後再繼續向前,反而比較像逆著時間走,但是你主觀的時間依然在往前進,只是現在你會看到飯變回生米、用原子筆寫出來的字會被撤回、屎會倒流……之類的,但你人生還是在往前走。

那麼怎樣的狀態下可以逆熵呢?

根據美國歷史最悠久的阿貢國家實驗室的研究指出,他們在微觀尺度中逆熵的方法關鍵,也就是從熱力學第二定律的支柱之一:H定理 著手。

H定理說的是,理想氣體分子在一個孤立系統中如何達成熱平衡的現象。最常見的解說模式包括一個有著兩個房間的系統,一冷一熱,它們如何在連通之後達到熱平衡……很簡單嘛~冷的房間逐漸變熱、熱的房間逐漸變冷,最後溫度一樣。

但實際上,科學家無法準確的紀錄系統裡每個氣體分子的移動模式,所以之前我們都將之視為一整個系統討論,如果我們真的要知道這個系統中獨立的分子是如何運動的,科學家們得從量子的角度去理解這件事,所以他們將量子資訊學的抽象數學模式與凝態物理學結合,產生出了一個全新的H定理。

在這個全新的H定理中,當我們從量子化的角度去觀測每一個分子,在某些情況、在某些瞬間,熵是可能變小的

Argonne's researchers and facilities playing a key role in the fight against COVID-19 | Argonne National Laboratory
這個裡可能是第一個產生逆熵旋轉門的地方嗎? (圖片嵌入自 Argonne National Laboratory)

這個構想某種程度上與 1871 年英國物理學家馬克士威爾(James Maxwell)的「馬克士威爾的惡魔」假想實驗不謀而合。在這個非常原始、想要違反熱力學第二定律的假說中,馬克士威爾假設有一個很無聊、閒著沒事的熱力學惡魔,剛好看守連接兩個不同溫度房間的通道,當氣體分子飛過去的時候,惡魔無視熱力學、只讓速度較慢的氣體分子進入一個房間,讓速度較快的分子進入另一個房間。

綜合以上的假說和發現,我們可以非常大概的理解《天能》中的關鍵道具:逆轉門,到底是個怎樣的存在。

逆轉門就是這個惡魔,甚至在電影中開啟一切計畫的逆轉門,正常世界和逆熵世界分別是用紅光和藍光,就像H定理的圖示。至於使用機制是什麼,電影中只是說了使用來自未來的「反向輻射」,在無法理解這是什麼輻射的情況下,我猜逆轉門大概是能夠用量子尺度的方法操控一切吧!也就是說在《天能》的世界中,未來的科學家們發明出了有規則脈絡、穩定的產生逆熵環境的道具,來產生炫炮的特效,來「前進到過去」。

馬克士威爾的惡魔假想:如果有個惡魔能夠控制進出房間的氣體分子。圖/wiki commons

「逆熵」實際上會長怎樣呢?有待討論的燃燒現象

在《天能》中,雖然劇情很明確的說明了我們看到的現象來自於逆轉「熵」的結果,但是 80% 的天能展示,都是集中在逆行時間之箭這件事上,例如子彈倒著飛、破損的牆壁復原(還會順便把正常時間線的可憐人關在裡面)、汽車逆開……等,並沒有很明確的展示出逆轉「熱力學」。但是卻有一幕很不一樣,也讓我印象深刻。

就是在逆熵世界被火燒會發生什麼狀況!

在故事中段,主角來到了逆熵的世界,很不幸的被困在一台翻覆的車中,汽油流滿地,這時候反派很老套的點燃了打火機丟在地上,點燃了汽油希望凍死主角……

你沒看錯~在逆熵世界裡,被火燒到會被凍死。

在這裡先整理一下,從兩個世界角度看這個現象會是什麼樣子:

因為主角等人身處於逆熵世界,在這裡由他們眼中觀測到整個事情時間順序差不多是這樣:車子撞毀–>汽油流滿地–>起火–>火焰蔓延–>火車–>主角失溫、車窗結冰

除了結果有點匪夷所思之外,其他看起來還算正常。

但是如果你從正常的時間線觀看這整個逆轉過程,會變這樣:一台結冰車停在路上–>開始退冰–>出現火焰–>火焰退去–>還原成汽油

逆熵世界產生被火燒會發生會怎樣呢? 圖/ Image by Hermann Kollinger from Pixabay

在開始討論之前,想先簡簡單單引入一個吉布斯自由能的概念,幫助大家理解。

在現實世界中,一個化學反應會不會自己開始,需要參考自由能公式:

ΔG=ΔH−TΔS

其中H代表系統內的內能物理量「」;S 就是熵;T 是絕對溫度 K;G 是自由能,

一個現象能夠順理成章的開始反應,ΔG 必須要是負值。燃燒木頭就是一個例子,這是一個放熱反應,所以整體系統的內能「焓」降低(ΔH為負)。燃燒的木頭系統會產生更多分子,所以熵是增加的(ΔS為正,所以−TΔS還是負),這樣 ΔG 就會是負值。

回到電影中的畫面。首先退冰這件事,大概就是車體、人類身上的冰霜變成水蒸氣吧~這是現實世界在室溫中絕對會發生的事,但是我們要想的是……在逆熵的世界裡它們是結冰,這就是在大白天馬路上絕對不可能發生的事(除非氣溫低於冰點)。

結冰是一個有趣的熱力學現象,因為放熱所以焓降低(ΔH為負),但是同時水變冰所以熵也變小了(ΔS為負,所以−TΔS變成正值),這時候決定ΔG是否為負最大關鍵就是溫度,必須要越低才會發生。

接下來,我們就要進到下一個部分:在逆熵世界燃燒汽油

如果我們參考最單純的燃燒辛烷反應來當作參考:

2 C8H18(l) + 25 O2(g) → 16 CO2(g) + 18 H2O(g) + 10860 KJ

如果把整個式子逆轉,就是一個在現實世界完全違反熱力學定律的反應,因為它熵變小(ΔS為負,所以−TΔS變成正值),因為是吸熱反應,所以焓又變大(ΔH為正),這時候不管溫度為幾度,ΔG必定為正值,所以完全不會發生。

但是如果今天在逆向時間世界發生了這個燃燒反應,在現實世界中就會看到奇怪退冰現象之後,釋出的熱剛好把二氧化碳和水汽還原成辛烷的過程。

Tenet ending explained and all your questions answered - CNET
沙小???(圖片來源: Cnet.com)

相信看完以上幾段之後,熟悉熱力學的朋友可能會有點狐疑,如果是真正的逆熵世界,時間逆轉或許可以理解,但是燃燒這個化學反應還會如此順利的進行嗎?因為從逆轉時間的角度看,電影中還是把火焰拍出來了,但是如果燃燒這件事沒有吸熱在周遭製造出低溫,結冰是不會發生的。

我覺得以上的事情需要更多熟悉熱力學的朋友來幫忙,找出整個過程的合理性,電影畫面是正確的嗎?還是大導演想要產生炫炮特效可能漏了什麼?

說了這麼多,我只給你一句話:「不要理解它,感受它。」……好好看電影吧~

參考資料

Rock Sun
62 篇文章 ・ 586 位粉絲
前泛科學的實習編輯,曾經就讀環境工程系,勉強說專長是啥大概是水汙染領域,但我現在會說沒有專長(笑)。也對太空科學和科普教育有很大的興趣,陰陽錯差下在泛科學越寫越多空想科學類的文章。多次在思考自己到底喜歡什麼,最後回到了原點:我喜歡科學,喜歡科學帶給人們的驚喜和歡樂。 "我們只想盡我們所能找出答案,勤奮、細心、且有條理,那就是科學精神。 不只有穿實驗室外袍的人能玩科學,只要是想用心了解這個世界的人,都能玩科學" - 流言終結者