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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

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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

文章難易度
Rock Sun
62 篇文章 ・ 589 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

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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

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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。」。

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末日般的「鑀」情:科學家終於解開了氫彈試爆裡的週期表謎團
linjunJR_96
・2021/03/12 ・1708字 ・閱讀時間約 3 分鐘 ・SR值 507 ・六年級

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氫彈試爆遠圖。圖/Pixabay

1952 年 11 月 1 日,美軍在太平洋中央的一座小島上,進行第一次大規模氫彈試爆,猛烈的核融合反應留下了許多難得一見的超重元素。加州的柏克萊實驗室就是在這次的爆炸殘骸中發現了第 99 號元素「鑀」(Einsteinium)。70 年後的今天,同樣來自柏克萊的實驗室團隊首次成功量測到鑀元素,發表在 Nature 期刊。

鑀元素位於元素週期表的邊疆,儘管科學家曾確實觀測到它,直至今日人們對鑀的理解仍然只有一絲絲(連屑屑都沒有),這是因為鑀原子超不穩定,沒多久就會衰變成原子序較小的其他元素,於是鑀元素不能像鈾礦那般由自然物質裡萃取,鑀的人工合成製程也十分困難。標準的合成作法是使用大量中子轟炸鋦原子,再雙手合十,耐心等待一連串核融合反應發生。

1960 年代的首次合成嘗試中,只成功產出 10-8 克(10 奈克)的鑀原子。儘管往後產量有緩慢進步,但在這種亂槍打鳥的過程中,許多不同的核反應都會參一腳,所以收集到的原子產物往往參雜許多其他元素,加上鑀易輻射衰變的特性,以至於一直沒有實驗團隊能得到足夠量的鑀元素以進行其化學性質的測量。

寫黑板的愛因斯坦。圖/Pixabay

鑀元素聽來也許陌生,然而它的英文名字「Einsteinium」可是來自家喻戶曉的愛因斯坦本人(Albert Einstein),字源揭露了鑀的重要地位。鑀元素屬於週期表最後一列的錒系元素,這列沒人會背的元素其實一點兒也不無關緊要,在駕馭了它們的放射性質後,錒系元素有能耐成為左右文明的重大角色。除了最常聽到的鈾之外,釷(Thorium)和鉲(Californium)等元素都有廣泛的工業及醫學應用;鈽(Plutonium)是核武器和核能源的必須要素,因此成為冷戰時期眾人爭奪的資源,也曾在電影「天能」裡面客串出場。

週期表中每一直行(稱為族)及每一橫列(稱為週期)的元素的化學性質都存在特定規律;例如第一行的鹼金屬族,越往下脾氣就越暴躁;第二列越往右原子就越小顆等等。每一個新元素的發現,對鄰近的元素親戚而言,都是再重要不過的資訊。研究鑀元素能使我們理解整排錒系元素的模式規律,對各種放射性元素和同位素的個性特質也能有更完整的圖像。

所以囉,打從元素週期表的概念被建立以來,往週期表的邊疆探索,就是核子物理和化學的重大目標,這目標也不停為科學帶來技術和觀念上的突破。今年 2 月,柏克萊實驗室的 Rebecca Abergel 所帶領的團隊發表了最新的實驗結果,為鑀元素的化學性質探測寫下里程碑。

因為蒐集足量的純鑀金屬太困難了,實驗團隊乾脆丟棄傳統的 X 光晶體學方法,反而選用有機分子夾住鑀元素,再透過吸收光譜等方法探測鑀原子的鍵結長度和其物理化學性質。Rebecca Abergel 表示:「鍵結的長度也許聽起來沒多有趣,但它其實是重要的初步資訊,它能使我們了解這個元素和其他原子連結的型態,並預測它可能和其他原子產生何種反應。」

要完成這項測量並不容易,除了要合成夠多的鑀原子,打造出合適的測量樣本,還得趕在鑀元素衰變前進行所有實驗。儘管團隊選用的鑀-254 有兩百多天的半衰期,先前的研究計畫卻被疫情無情打斷。隔離期間不能進行實驗,製備好的鑀樣本也就慢慢地在實驗室中衰變死掉。當實驗重啟時,絕大部分的樣本都已無法使用。所幸隔離前完成的結果夠完整,團隊才能整理並發表階段性的研究結果。

「鑀」是通往週期表未知區域的重大關鍵。圖/Pixabay

先前提到可以用中子束轟炸較輕的元素來合成鑀原子;同樣的,若能聚集到足量的純鑀,就能以中子束轟炸純鑀,合成出更重的原子。巨大的鑀原子握有通往週期表未知邊緣的秘密,若能將其完全馴服,就能往週期表的更遠處推進,解開更多超重元素的謎團。現在我們的科學家有了「鑀」,科學於焉展開。

參考資料

  1. Lawrence Berkeley National Laboratory. (2021, February 6). Discoveries at the edge of the periodic table: First ever measurements of einsteinium: Experiments scientists on this highly radioactive element reveal some unexpected properties. ScienceDaily.
  2. Mysterious Element ‘Einsteinium’ Measured by Scientists For The First Time
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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

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  • 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
物理雙月刊_96
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