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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
・2020/08/25 ・2108字 ・閱讀時間約 4 分鐘 ・SR值 543 ・八年級

TAAi 2020 25th 人工智慧研討會

  • 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。

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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。

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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。

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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
53 篇文章 ・ 0 位粉絲
《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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《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 ・4098字 ・閱讀時間約 8 分鐘 ・SR值 534 ・七年級

TAAi 2020 25th 人工智慧研討會

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!

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《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)。

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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?

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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

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Rock Sun
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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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全球暖化的物理:金星證實,都是二氧化碳惹的禍
賴昭正
・2019/03/22 ・5633字 ・閱讀時間約 11 分鐘 ・SR值 556 ・八年級

TAAi 2020 25th 人工智慧研討會

我懷疑有些人不喜歡「自然淘汰沒有先見之明」的觀點。事實上,這個過程本身確是不知道將來往哪裡去。 正是「環境」提供了方向;從長遠來看,在很大程度上其影響是不可預測的。

──弗朗西斯・克里克,Francis Crick (1916-2004) ,1962年諾貝爾醫學獎──發現DNA雙螺旋結構

在「人體太複雜了:為何有關人體健康的研究總是充滿爭論?」一文裡(泛科學,2015/11/11),筆者談到了在研究與人體有關的問題上,因爲無法隔離各種可能的「因素」來探討直接的因果關係,因此有關人體健康的研究爭論將永無止境。

地球氣象的複雜性雖然可能比人體簡單些,但也碰到同樣的無法控制之隔離因素的問題,更糟的是世界人口有 70 多億,生物學家與醫學家可以使用統計法來研究,但地球只有一個,因此氣象學家所能使用的研究工具大受限制!故地球是否正在暖化,也像「基因改造物種(GMO)是否對人體有害」一樣,呈現兩極化的爭論。

地球是否正在暖化,目前呈現兩極化的爭論。圖/pixabay

一個極端謂全球暖化是「庸人自擾,根本沒有這種現象。」他們認為地球在過去的 70 萬年中經歷了溫暖和寒冷的時期,以百年尺度來看, 我們或許正處於溫暖時期的中間,但以十萬年尺度來看,我們事實上是正走向另一個冰河時代。理論物理及數學家 Freeman Dyson 謂:「全球變暖是世界面臨的最重要問題的想法完全是胡說八道,並且造成了很大的傷害。」

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另外一個極端則認為「氣象變化已經到了極端,我們如果不再採取行動,世界末日就在眼前。」去年 11 月 23 日,包括 300 名頂尖科學家在內的第四次全國(美國)氣候評估(Fourth National Climate Assessment)謂:「美國已經經歷了氣候變化帶來的嚴重和代價高昂的影響。」在 10 月份發布的另一份聯合國報告中,科學家們則謂:「各國需要極端的努力,才能將全球變暖限制在 1.5 攝氏度內——而且我們大約只有 12 年的時間。」

都是二氧化碳惹的禍

儘管爭論不斷,但 90% 以上的科學家均認為全球是正在暖化,雖然其中有些許認為原因不明,或現有的資料尚不足以支持是因「人類活動」造成的,但大多數都同意全球暖化的罪魁禍首是二氧化碳

二氧化碳在空氣中佔不到千分之一,怎麼竟成為全球暖化的罪魁禍首呢?在探討其原因之前,筆者必須在這裡指出,常被用來「證明」全球暖化之「90%以上的科學家均認為……」並不代表什麼!

誠如美國名作家、編劇、電影導演、和製片人(特別是在科幻小說、驚悚片、和醫學小說類型中的作品)Michael Crichton(1942–2008,哈佛醫學院高材生)所言:「科學工作與共識無關。 共識是政治事務; 相反地,科學只需要一名正確的調查員。…歷史上最偉大的科學家之所以偉大,正是因為他們打破了共識。…沒有共識科學這樣的東西。 如果達成共識,那就不是科學。 如果是科學,那就不是共識。」

科學工作與共識無關。圖/pixabay

不幸的是,如前面所提:因為複雜性及只有一個地球,這一名「正確的調查員」是永遠不會出現的。因此自圓其說的各種研究報告將繼續不斷地出現!如筆者在一些文章內所提的:讀者不能盲目地相信,必須用自己的判斷力來看所有的報告和研究!另一個讀者需要注意的是:作者的立場常有意或無意地影響了其結論!(例如今年2月底,美國白宮計劃創建由一群不認同「石化燃料的持續燃燒正在傷害地球」的特選聯邦科學家組成的特設小組,來重新評估政府對氣候科學的分析──不用等報告出爐,我們就應該已經知道結論了!)

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筆者的立場在「人體太複雜了:為何有關人體健康的研究總是充滿爭論?」一文裡已表示得非常地清楚:「你說整天將手機放在耳邊對大腦沒有影響?怎麼可能呢!只是這環境改變不夠巨大,因此到底有那些人能夠成為適者而生存下來,那可能是幾百年後才可能知道的!」人類大量地製造出二氧化碳,怎麼可能不影響自然界的平衡呢?只是這影響將不再是「有些人」而已,而是整個人類。然而人類或其他動植物是否能成為適者,那就要看破壞及進化的相對速度了!

人類大量地製造出二氧化碳,怎麼可能不影響自然界的平衡呢?只是這影響究竟為何?圖/pixabay

黑體輻射與地球表面平均溫度

因為太陽是驅動我們氣候系統的基本能源,首先讓我們來看看經過 45 億年的太陽照射,「理想」的地球溫度應該是多少。太陽的直徑約為 140 萬公里,表面溫度為絕對溫度 6000°K, 所發射出來的能量(電磁波)分布如(圖一)所示。

(圖一):太空中之太陽能分布情形。因空氣之關係,太陽能抵達地面之分布大不相同。

從(圖一)可以看到:五官中最重要的器官「眼睛」,所能感應到的電磁波範圍,正是太陽能分布中最強的部份(占 47%),我們因之稱此範圍為可見光,其波長大約在 390∼750 奈米(10-9 公尺)之間!你說這是巧合還是演化的必然結果?事實上不僅人類及大部份動物如此,大部份植物也是利用可見光來進行其生存與繁盛所必須之光合作用的!

早在十九世紀末期,物理學家便致力於分析因溫度而放射的輻射能光譜(即分析某頻率範圍內有多少輻射能)。他們發現輻射能光譜僅與放射物質的溫度有關,卻幾乎與其組成的物質無關1。近代物理中的量子力學,便是為了解釋實驗光譜而興起的。事實上波茲曼(L. Boltzmann)早在1884年,便由熱力學導出溫度為T之物質的輻射總能量為:

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ET(單位時間單位面積之總輻射能)=σT4

公式中之 σ 為史蒂芬—波茲曼常數(Stefan-Boltzmann constant),T為絕對溫度

將太陽的表面溫度代入上面公式,可以算出太陽一天所放射出的能量,足供人類一年所須,可是還好只有 21 億分之一的能量抵達地球2。當然,地球本身也會依上面的公式輻射。如果我們要求地球所吸收的能量等於它所輻射的能量,我們可以計算出地球的穩定溫度為 279°K(6°C)。信不信由你,這實際上竟然非常接近 1880 年時的地球表面平均溫度 287°K !3

經過 45 億年,地球溫度達到一個平衡值,似乎是很好的假設。圖/pixabay

經過 45 億年,地球溫度達到一個平衡值,似乎是很好的假設。因此我們不免要問:為什麼不是完全吻合呢?一個可能的解釋是:「因為大氣的關係,地球並不是一個很理想的黑體,大氣不但反射部分的太陽能,也吸收了地球往外太空輻射的部分能量。」但科學家不但未在大氣的各個層面看到更溫暖的氣溫,相反地,他們觀察到高層大氣的冷卻,以及對流層表面和下部的升溫——顯然是因為「溫室效應」在低層大氣中捕獲較多熱量之故。

什麼是「溫室效應」呢?相信許多讀者不但聽過,而且可能都親身體驗過,那就是在門窗緊閉之車子內的溫度可以比外面的溫度高出甚多4;因此在比較冷的地方,在玻璃屋內可以種一些熱帶植物。要了解玻璃屋內為什麼可以保持比較高的溫度,我們在這裡必須先溫習下電磁波(輻射能)與分子(原子)的作用。

溫室效應的物理

電磁波是一種電、磁場的振動,因此要與他作用,物體必須帶電。分子是由帶正電之原子核以及帶負電的電子組成的,因此一定可以與電磁波作用。20世紀量子物理的一大發現,就是分子本身的內在「振動」頻率,必須與電磁波頻率相同才能將它吸收。分子本身的內在「振動」大約可以分成三種:

  1. 電子在軌道中的跳動,其頻率大約都在可見光及紫外線附近;
  2. 分子的振動,其頻率大約都在紅外線附近;
  3. 分子的轉動,其頻率大約都在微波附近。

如果頻率不同,不能引起共振(吸收),那麼電磁波裡的電場就只能帶動分子內之電子,依它的頻率振動,往四面八方放出頻率相同的電磁波,造成散射(scattering)現象(如天空之所以是藍色的原因)。不管是吸收或散射,如果電磁波訊與分子繼續作用,其原來之能量最後都將被轉換改成熱能(分子之無規律運動——詳見延伸閱讀「熱力學與能源利用」)!

前面提過太陽的輻射主要是可見光,而玻璃是透明的,意即除了少數可見光被散射掉外,其他都毫無阻擋地通過,射落在地面及植物上(圖二),最後大都被吸收經由分子之間的作用改變成熱能,提高地面及植物的溫度。

因為它們的溫度比太陽低得多(室溫,大約只有 300°K 而已),故其頻率分佈與(圖一)完全不同,不但整個能量(分佈圖下的面積)少多了,其主要的輻射已不再是可見光,而是集中在紅外線區域。

電磁波的波譜與性質。圖/wikimedia

這些能量在往外輻射時,卻不幸碰到了「溫室氣體」及玻璃。這些氣體雖然不能吸收可見光,但是它們的的振動頻率正是集中在紅外區附近,因此這些輻射將大部分被吸收,使分子的振動變快。透過分子間的碰撞,這些快速的分子振動最後終被轉換成分子的動能──熱能,提高了室內空氣的溫度,造成所謂的「溫室效應」。

溫室氣體:二氧化碳與水蒸氣

地球雖然沒有玻璃罩,但是它卻被一層大氣包圍著。大氣的主要成分是氧氣(21%)、氮氣(78%)、及氬(1%),它們都是由同樣的原子組成的(氬是單一原子),因此振動不可能產生具正、負電端電偶,故不能與電磁波作用吸收紅外線。剩下的 1% 則主要是水及二氧化碳等微量氣體。水分子大都以水蒸氣形式存在,其濃度因地點和時間而異,大約在 0-4%之間變化:在寒冷乾燥的地區,水蒸氣通常佔不到大氣的 1%;而在潮濕的熱帶地區,水蒸氣幾乎佔大氣的4%。

二氧化碳分子(O=C=O)雖然因為對稱的關係不具電偶,但它的四個振動態中有三個(例如O===C=O)會破壞對稱而產生電偶,吸收同一頻率的電磁波。水分子本來就具電偶,因此與二氧化碳一樣,可以吸收從地球表面放出來的黑體輻射,造成溫室效應使地球變暖,合稱為「溫室氣體」(greenhouse gas)。

水分子與二氧化碳一樣,可以吸收從地球表面放出來的黑體輻射,造成溫室效應使地球變暖,合稱為「溫室氣體」圖/pixabay

水在大氣中的份量比二氧化碳多,因此水應是改變地球輻射平衡的最重要的分子。但大氣中水蒸氣的濃度主要取決於海洋的蒸發(和凝結),而海洋是如此巨大,人類對它的直接影響有限,不能過多地改變它,因此只能將地球變暖全部怪罪到二氧化碳,及其他一些更少的氣體如甲烷、氮化氧等。

金星提供的間接證據

我們雖然不能在地球上進行任何實驗,來直接證明現在地球變暖是因為二氧化碳的關係,但被稱為地球姐妹之金星,似乎是提供了很好的一個間接證據。

金星的密度、體積、組成均與地球差不多,顯然是因為溫室效應的關係表面溫度高達 740°K!圖/pixabay

金星的密度、體積、組成均與地球差不多,但與太陽的距離為地球的 72%。如果我們也要求它所吸收的能量等於它所輻射的能量,我們可以很容易地計算出金星的穩定表面溫度應為 538°K;5 金星的實際表面溫度不但相當均勻,且高達 740°K!其原因顯然是因為溫室效應的關係 :金星的大氣幾乎完全是由二氧化碳組成的(僅含有微量的氮和硫酸)。而比它更近太陽的水星,因為沒有大氣調節溫度,溫度變化非常地大(103°K 到 700°K),最高的溫度也只有 700°K 而已。

讀完上面的論點,讀者覺得將「地球暖化歸咎於二氧化碳」有沒有道理?筆者在親朋好友間的一句「名言」是「飯吃過量對身體也是有害」,因此不需要任何物理就已經覺得很有道理了。人類生活水平的全面提高,無可否認地是因為大量使用能源的關係;大量燃燒石化物,無可否認地將產生大量的二氧化碳,破壞了原本之地球上的二氧化碳平衡6。此一平衡的破壞一定會有影響,如果不是暖化地球,那是什麼呢?筆者去年 12 月中旬回到台灣,帶了一些冬天的衣服,卻發現台灣天高氣爽,好像春天早已光臨寶島!

比利時科學家 Christian de Duve 曾言:「我們(人類)成功的代價是自然資源枯竭、導致能源危機、氣候變化、污染、和我們棲息地的破壞。 如果你耗盡了自然資源,那麼你的孩子就沒有什麼了。 如果我們繼續朝著同一個方向前進,人類就會走向一些可怕的考驗——如果不是滅絕的話。」

或許自然淘汰本身確是不知道要將我們往哪裡推,但過去幾次的地球氣候巨變,如:二疊紀(Permian)、三疊紀(Triassic)、或甚至寒武紀(Cambrian)中期,幾乎總是對生命造成高度破壞性,導致大規模物種滅絕。

人定勝天或者作繭自縛?且待下回分解──有嗎?

註解:

  1. 如果該物質為「黑體」,則輻射能光譜便完全與物質無關。黑體是一種理想化的物理體,無論頻率或入射角如何,都能吸收所有入射的電磁輻射。許多普通物體發射的輻射可以近似為黑體輻射。
  2. 利用簡單的幾何面積計算即可:πr2/4πR2( r為地球半徑,R為地球與太陽的距離)。
  3. 事實上筆者第一次看到這個「巧合」時,是有點「震驚」,想一想地球的表面溫度變化從184°K到331°K,並不是在一個平衡狀態,而總輻射能與絕對溫度的4次方成正比(用線性平均溫度算出來的總放射能將比實際的少)。
  4. 美國每年平均大約有 37 位小孩因為父母親忘了他們還留在車後座位而被熱死。
  5. 約等於(地球穩定表面溫度 287°K)× (1/0.72)2
  6. 與此同時,人類又大量地砍採可以幫助消化、平衡二氧化碳的樹木與森林!

延伸閱讀:

  1. 賴昭正:「我愛科學」,華騰文化有限公司2017年12月出版。該書收集筆者自1970年元月至2017年8月在科學月刊及少數其他雜誌所發表之文章編輯而成。本文章所涉及到之「熱力學與能源利用」、黑體輻射、史蒂芬—波茲曼定律、分子的振動、分子與電磁波的作用等均在裡面。
  2. 黑體輻射的研究如何導致量子力學的發展,請參考賴昭正:「量子的故事」,第二版,2005年,凡異出版社。
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賴昭正
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成功大學化學工程系學士,芝加哥大學化學物理博士。在芝大時與一群留學生合創「科學月刊」。一直想回國貢獻所學,因此畢業後不久即回清大化學系任教。自認平易近人,但教學嚴謹,因此穫有「賴大刀」之惡名!於1982年時當選爲 清大化學系新一代的年青首任系主任兼所長;但壯志難酬,兩年後即辭職到美留浪。晚期曾回台蓋工廠及創業,均應「水土不服」而鎩羽而歸。正式退休後,除了開始又爲科學月刊寫文章外,全職帶小孫女(半歲起);現已成七歲之小孫女的BFF(2015)。首先接觸到泛科學是因爲科學月刊將我的一篇文章「愛因斯坦的最大的錯誤一宇宙論常數」推薦到泛科學重登。

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既然「最大亂度」是宇宙運行終點,為什麼還要整理房間?
旻諭
・2019/02/01 ・1446字 ・閱讀時間約 3 分鐘 ・SR值 530 ・七年級

TAAi 2020 25th 人工智慧研討會

最近日本收納女王近藤麻理惠和 Netflix 合作的實境節目大受好評,因為麻理惠告訴我們:「只被心動的東西所圍繞,才是你想擁有的理想人生!」因此,整理房間可謂首要之務。

但真的是這樣嗎?根據熱力學第二定律:在一密閉系統中,熵值(或說「亂度」)只會增加不會減少,宇宙的平衡也傾向於「最大亂度」。因此當房間的亂度越來越大,這個宇宙就越來越穩定呢!

柯 P 也曾說過:「最低能量,最大亂度,是宇宙運行的方向。」照這邏輯,我不整理房間,只是順著宇宙運行的方式罷了!

柯 P:「最低能量,最大亂度,是宇宙運行的方向。」圖/截圖自柯文哲 台北市長 │ 臺大演講網影片(在 44:21 講的哦 XD)

不過,有越來越多的研究發現,整理房間與否,可能和身心健康息息相關!

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房間亂跟身體健康有關係?拿 30 對夫妻來做實驗!

在 2009 年,由加州大學洛杉磯分校主持的研究團隊,以 30 對中產階級的雙薪家庭為研究對象,發現夫妻間「覺得自己家裡亂不亂」和身體健康狀況有點關係。

如何定義到底「家裡亂不亂」呢?研究團隊請夫妻兩人個別向研究人員介紹他們家的環境,並在過程中偷偷紀錄男方跟女方有哪些 murmur 都用什麼形容詞形容家裡,像是「唉呦我家很亂」、「這裡我還沒整理完」、「我人在家覺得蠻放鬆的」等等。

記錄完男女雙方各自對家裡的描述之後,研究團隊想觀察夫妻倆白天可體松 (cortisol) 濃度的上升幅度,作為夫妻倆身體健康狀況的指標。因此研究人員收集 30 對夫妻在剛睡醒、吃午餐前、正要下班前跟正要去睡覺四個時間的唾液,並計算出每個人白天可體松濃度上升幅度。

覺得房間凌亂與否,白天可體松濃度會有差

一般來說,人每天的可體松濃度變化有一定規律:早上剛睡醒的一個小時內,可體松濃度會巨幅上升,過了早上之後快速下降,到傍晚濃度緩慢降低。這樣的週期濃度變化,是因為可體松能讓身體釋放大量葡萄糖進入血液之中,讓大腦和肌肉信手拈來就有葡萄糖可以用。

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從這張圖可以看到,一般人可體松濃度最高的時候,大概在早上八點半。圖/Chan & Miguel, 2010

因此,若可體松濃度在早上剛睡醒的幾個小時內巨幅上升,代表身體已經準備好面對全新的挑戰!相反地,可體松濃度上升幅度平緩,就代表身體狀況不太理想。

而研究結果顯示,覺得自己家裡雜亂的女主人,早上可體松濃度上升幅度比較平緩;反之,覺得自己家很整齊的女主人,可體松濃度上升的幅度就比較大。這個結果說明了,女主人覺得家裡髒亂與否,跟她的身體健康狀況有點關聯性。

那家中男主人也有一樣的反應嗎?研究結果發現,不管是覺得家裡亂還不亂的男主人,剛睡醒幾小時內的可體松濃度就蠻高的了。研究者推測原因可能是,大多時候女性比男性更在意家裡到底亂不亂吧!

期待會整理書桌的哥哥出現?直接捲袖子開整理啦!

雖然這項研究是以中產階級的雙薪夫妻為研究對象,能不能推及所有人還很難說。

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不過看完這篇文章的你大概心裡有底,過年爸媽要找你大掃除的時候,如果你沒有會幫你整理書桌還能拍成三集影片的老哥,就還是摸摸鼻子捲起袖子,開始動手整理吧!

圖/截圖自桌子亂中有序的滴妹頻道影片

參考資料:

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旻諭
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PanSci 泛科學實習編輯,大學主修生科,喜歡認知神經科學。研所跳槽科學教育,目前正努力想要聰明又科學的活著。