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《天能》與其中可能的物理學:對稱性、熵、馬克士威爾的惡魔

物理雙月刊_96
・2020/08/25 ・2106字 ・閱讀時間約 4 分鐘 ・SR值 543 ・八年級
  • 文/楊仲準

無雷,還沒上映也無從雷起

《天能》宣傳圖。圖/IMDb

克里斯多福諾蘭所執導的幾部電影中,常常使用了許多的科學理論,或者是數學原理,來增加影片的說服力。

例如《全面啟動 (Inception)》裡,大量地使用視覺錯覺、對稱性、與艾雪 (Escher) 錯視藝術來製造迷宮;在《星際效應 (Interstellar)》一片中,則使用了相對論、多維空間、蟲洞、重力場等物理元素貫穿全場;而在即將上映的最新電影──《天能 (TENET)》預告片中,隱約可以再次看出諾蘭導演對於把物理學元素,導入娛樂大片中的可能性。

編按:以下分析內容出自預告片

《全面啟動》中的艾雪階梯。圖/IMDb

《TENET》在片名就呼之欲出的對稱性

對稱性,在物理學中是一種相當重要的概念。當一個物理系統具有對稱性時,便同時會具有一個守恆量。

例如一個系統如果在空間上具有對稱性時,則此一系統也會遵守動量守恆;而系統在時間上具有對稱性時,則系統也同時會遵守能量守恆。

諾蘭導演選擇了 TENET (天能)這個英文字,出處可能來自於龐貝古城遺址中所發現的石板,稱之為薩托方塊 (SATOR SQUARE) 其中寫著如下圖中的字。相同的文字,也出現在義大利、英國、敘利亞、法國等地的教堂中。

法國 Oppede 的薩托方塊。圖/WIKI

這個薩托方塊中出現了 5 組文字:SATOR、AREPO、TENET、OPERA、ROTAS。如果由左上往右下畫出一條直線,則可以發現文字方塊在這條對角線的兩側是呈現對稱的;如果將文字旋轉 180 度,也是可以出現跟原來文字一樣的排列;再者,無論以圖中橫寫或是直寫的 TENET 為轉軸,把文字做鏡射反映的話,可以發現文字就像轉了 90 度一樣,但是那五組文字還是出現在方塊中,只是順序倒過來。

因此諾蘭導演想要玩弄對稱性與翻轉鏡射的用意,可能就呼之欲出了。

熱力學第二定律,限制了時間的方向性

在古典的力學公式中,雖然沒有限制時間與空間能不能反轉,也就是位置可以由 x 變成 -x;時間 t 也可以變成 -t。但是熱力學第二定律的出現,便限制了時間的方向性。由於一個孤立系統的熵只能不變或是增加,因此對於宇宙這一個孤力系統來說,時間上便只有往熵增加的方向演化。使得「時間」這個概念,只能往單一的方向行進。

既然時間是不可逆,那麼諾蘭導演是要玩時空旅行的老梗嗎?在預告片中顯然有了答案。連結的預告片中,1 分 04 秒到 1 分 05 秒處中似乎是否定了使用時空旅行梗的可能性。那麼還有甚麼可能玩的科學梗呢?

暗藏在背景白板上的「馬克士威爾惡魔」。圖/預告片截圖

馬克士威爾的惡魔

在天能的預告片 1 分 08 秒到 1 分 09 秒的短短一秒間,主角的背景白板上,出現了馬克士威爾的惡魔 (Maxwell’s demon) 的圖

這是馬克士威爾提出的一個想像實驗,假設有兩個裝滿相等溫度氣體的箱子,箱子之間透過一個小洞相連。假設有一個惡魔 (demon) 看守在那個相連的閥門旁。當氣體分子飛向那個閥門時,惡魔便會判定氣體分子的速度。他只讓速度較慢,也就是溫度較低的氣體分子進入左邊,而讓速度較快,也就是溫度較高的氣體分子進入右邊箱子。經過很長一段時間後,左邊的箱子內的氣體溫度就會變得比較低,而右邊箱子內的氣體則呈現較高的溫度。

這明顯的違反了熱力學第二定律。因為這樣兩側均為等溫度箱子的總熵,將比一邊是高溫而一邊是低溫氣體的總熵來的大。而自然界總是會往高熵的方向演化(時間前進),熵變小的過程就有如時間倒流。

諾蘭導演或許是想要連結這個想法,就像把墨汁滴到清水中,如果把這個過程錄影並倒著撥放,就會出現黑水變成清水這樣高熵變成低熵的過程。這個「類時間倒流」的想法,也就是物理世界中時間也是可以有對稱性的想法,或許會成為天能本片的中心科學!

《天能》海報。圖/IMDb

諾蘭導演的大篇通常需要看完整片才能知道其中的故事是如何發展連結。因此本文所有的推測都是其中一種可能而已。讓我們期待正片上映後真正的故事發展!也期待多一點這樣有科學依據的影片上映!

 

本文轉載自《物理雙月刊》,原文為〈天能與其中可能的物理學

延伸閱讀

  1. Sator Square Wikipedia
  2. 《天能》預告片
  3. 馬克士威爾惡魔 Wikipedia
  4. 為科學而生 為原子而死的波茲曼(上) 帝國的黃昏 物理雙月刊
  5. 為科學而生 為原子而死的波茲曼(下):飄泊的靈魂 物理雙月刊

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物理雙月刊_96
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《物理雙月刊》為中華民國物理學會旗下之免費物理科普電子雜誌。透過國內物理各領域專家、學者的筆,為我們的讀者帶來許多有趣、重要以及貼近生活的物理知識,並帶領讀者一探這些物理知識的來龍去脈。透過文字、圖片、影片的呈現帶領讀者走進物理的世界,探尋物理之美。《物理雙月刊》努力的首要目標為吸引台灣群眾的閱讀興趣,進而邁向國際化,成為華人世界中重要的物理科普雜誌。


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揭開人體的基因密碼!——「基因定序」是實現精準醫療的關鍵工具

科技魅癮_96
・2021/11/16 ・1998字 ・閱讀時間約 4 分鐘

為什麼有些人吃不胖,有些人沒抽菸卻得肺癌,有些人只是吃個感冒藥就全身皮膚紅腫發癢?這一切都跟我們的基因有關!無論是想探究生命的起源、物種間的差異,乃至於罹患疾病、用藥的風險,都必須從了解基因密碼著手,而揭開基因密碼的關鍵工具就是「基因定序」技術。

揭開基因密碼的關鍵工具就是「基因定序」技術。圖/科技魅癮提供

基因定序對人類生命健康的意義

在歷史上,DNA 解碼從 1953 年的華生(James Watson)與克里克(Francis Crick)兩位科學家確立 DNA 的雙螺旋結構,闡述 DNA 是以 4 個鹼基(A、T、C、G)的配對方式來傳遞遺傳訊息,並逐步發展出許多新的研究工具;1990 年,美國政府推動人類基因體計畫,接著英國、日本、法國、德國、中國、印度等陸續加入,到了 2003 年,人體基因體密碼全數解碼完成,不僅是人類探索生命的重大里程碑,也成為推動醫學、生命科學領域大躍進的關鍵。原本這項計畫預計在 2005 年才能完成,卻因為基因定序技術的突飛猛進,使得科學家得以提前完成這項壯舉。

提到基因定序技術的發展,早期科學家只能測量 DNA 跟 RNA 的結構單位,但無法排序;直到 1977 年,科學家桑格(Frederick Sanger)發明了第一代的基因定序技術,以生物化學的方式,讓 DNA 形成不同長度的片段,以判讀測量物的基因序列,成為日後定序技術的基礎。為了因應更快速、資料量更大的基因定序需求,出現了次世代定序技術(NGS),將 DNA 打成碎片,並擴增碎片到可偵測的濃度,再透過電腦大量讀取資料並拼裝序列。不僅更快速,且成本更低,讓科學家得以在短時間內讀取數百萬個鹼基對,解碼許多物種的基因序列、追蹤病毒的變化行蹤,也能用於疾病的檢測、預防及個人化醫療等等。

在疾病檢測方面,儘管目前 NGS 並不能找出全部遺傳性疾病的原因,但對於改善個體健康仍有積極的意義,例如:若透過基因檢測,得知將來罹患糖尿病機率比別人高,就可以透過健康諮詢,改變飲食習慣、生活型態等,降低發病機率。又如癌症基因檢測,可分為遺傳性的癌症檢測及癌症組織檢測:前者可偵測是否有單一基因的變異,導致罹癌風險增加;後者則針對是否有藥物易感性的基因變異,做為臨床用藥的參考,也是目前精準醫療的重要應用項目之一。再者,基因檢測後續的生物資訊分析,包含基因序列的註解、變異位點的篩選及人工智慧評估變異點與疾病之間的關聯性等,對臨床醫療工作都有極大的助益。

基因定序有助於精準醫療的實現。圖/科技魅癮提供

建立屬於臺灣華人的基因庫

每個人的基因背景都不同,而不同族群之間更存在著基因差異,使得歐美國家基因庫的資料,幾乎不能直接應用於亞洲人身上,這也是我國自 2012 年發起「臺灣人體生物資料庫」(Taiwan biobank),希望建立臺灣人乃至亞洲人的基因資料庫的主因。而 2018 年起,中央研究院與全臺各大醫院共同發起的「臺灣精準醫療計畫」(TPMI),希望建立臺灣華人專屬的基因數據庫,促進臺灣民眾常見疾病的研究,並開發專屬華人的基因型鑑定晶片,促進我國精準醫療及生醫產業的發展。

目前招募了 20 萬名臺灣人,這些民眾在入組時沒有被診斷為癌症患者,超過 99% 是來自中國不同省分的漢族移民人口,其中少數是臺灣原住民。這是東亞血統個體最大且可公開獲得的遺傳數據庫,其中,漢族的全部遺傳變異中,有 21.2% 的人攜帶遺傳疾病的隱性基因;3.1% 的人有癌症易感基因,比一般人罹癌風險更高;87.3% 的人有藥物過敏的基因標誌。這些訊息對臨床診斷與治療都相當具實用性,例如:若患者具有某些藥物不良反應的特殊基因型,醫生在開藥時就能使用替代藥物,避免病人服藥後產生嚴重的不良反應。

基因時代大挑戰:個資保護與遺傳諮詢

雖然高科技與大數據分析的應用在生醫領域相當熱門,但有醫師對於研究結果能否運用在臨床上,存在著道德倫理的考量,例如:研究用途的資料是否能放在病歷中?個人資料是否受到法規保護?而且技術上各醫院之間的資料如何串流?這些都需要資通訊科技(ICT)產業的協助,而醫師本身相關知識的訓練也需與時俱進。對醫院端而言,建議患者做基因檢測是因為出現症狀,希望找到原因,但是如何解釋以及病歷上如何註解,則是另一項重要議題。

從人性觀點來看,在技術更迭演進的同時,對於受測者及其家人的心理支持及社會資源是否相應產生?回到了解病因的初衷,在知道自己體內可能有遺傳疾病的基因變異時,家庭成員之間的情感衝擊如何解決、是否有對應的治療方式等,都是值得深思的議題,也是目前遺傳諮詢門診中會詳細解說的部分。科技的初衷是為了讓人類的生活變得更好,因此,基因檢測如何搭配專業的遺傳諮詢系統,以及法規如何在科學發展與個資保護之間取得平衡,將是下一個基因時代的挑戰。

更多內容,請見「科技魅癮」:https://charmingscitech.pse.is/3q66cw

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《科技魅癮》的前身為1973年初登場的《科學發展》月刊,每期都精選1個國際關注的科技議題,邀請1位國內資深學者擔任客座編輯,並訪談多位來自相關領域的科研菁英,探討該領域在臺灣及全球的研發現況及未來發展,盼可藉此增進國內研發能量。 擋不住的魅力,戒不了的讀癮,盡在《科技魅癮》