天能與其中可能的物理學
- 科學家隨筆
- 撰文者：楊仲準
- 發文日期：2020-08-22
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(無雷，還沒上映也無從雷起)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。
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)其中寫著如圖(一)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[1]。
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。
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[2]，1:04到1:05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?
在天能的預告片1:08到1:09秒的短短一秒間[3]，主角的背景白板上，出現了馬克士威爾惡魔(Maxwell's demon)的圖[4]。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。牠只讓速度較慢，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!
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!相關的物理知識，也可以上物理雙月刊官網，參考” 為科學而生 為原子而死的波茲曼(上) 帝國的黃昏”[5]與” 為科學而生 為原子而死的波茲曼(下): 飄泊的靈魂” [6]這兩篇文章喔!
[1] https://en.wikipedia.org/wiki/Sator_Square
[2] https://www.youtube.com/watch?v=nSJ7qPLjcQ4&t=63s
[3] https://www.youtube.com/watch?v=nSJ7qPLjcQ4&t=68s
[4]https://zh.wikipedia.org/wiki/%E9%BA%A6%E5%85%8B%E6%96%AF%E9%9F%A6%E5%A6%96#/media/File:Maxwell's_demon.svg
[5] http://pb.ps-taiwan.org/catalog/ins.php?index_m1_id=2&index_id=368
[6] http://pb.ps-taiwan.org/catalog/ins.php?index_m1_id=2&index_id=369
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)其中寫著如圖(一)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[1]。
圖(一) 法國Oppede的薩托方塊[1]。
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。
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[2]，1:04到1:05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?
在天能的預告片1:08到1:09秒的短短一秒間[3]，主角的背景白板上，出現了馬克士威爾惡魔(Maxwell's demon)的圖[4]。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。牠只讓速度較慢，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!
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!相關的物理知識，也可以上物理雙月刊官網，參考” 為科學而生 為原子而死的波茲曼(上) 帝國的黃昏”[5]與” 為科學而生 為原子而死的波茲曼(下): 飄泊的靈魂” [6]這兩篇文章喔!
[1] https://en.wikipedia.org/wiki/Sator_Square
[2] https://www.youtube.com/watch?v=nSJ7qPLjcQ4&t=63s
[3] https://www.youtube.com/watch?v=nSJ7qPLjcQ4&t=68s
[4]https://zh.wikipedia.org/wiki/%E9%BA%A6%E5%85%8B%E6%96%AF%E9%9F%A6%E5%A6%96#/media/File:Maxwell's_demon.svg
[5] http://pb.ps-taiwan.org/catalog/ins.php?index_m1_id=2&index_id=368
[6] http://pb.ps-taiwan.org/catalog/ins.php?index_m1_id=2&index_id=369