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November 8, 2020
魔法少女小圓Q比之科學科想-增修版
Dark Duck 在 YLib Blog 發表於 15:44:57
「魔法少女小圓」是奇幻故事吧?怎麼會跟科學扯上關係?實在是因為Q比提到了一個物理理論,所以就可以來做篇文章啦。

咱們直接看到「魔法少女小圓」第九話。小圓得知沙耶香變成魔女之後非常傷心,深夜Q比跑到小圓的房間解釋牠為什麼要這樣做。恕我翻譯一下Q比的話(當時自行翻譯):

「我們對人類絕對沒有惡意,這一切都是為了延長宇宙的壽命。
妳知道所謂的Entropy焓(ㄟㄢˊ)嗎?
能量在轉換成不同形式的時候,會發生耗損。
因此整個宇宙的能量也不斷地在減少當中,所以我們才在找尋不受能量法則制約的力量。
而我們找到的,就是魔法少女的魔力。
我們發明了一種科技,能讓理性生命體的感情化為能量。
但可惜的是,我們早就失去了這種所謂的感情。
所以我們調查了存在於宇宙中的各類種族,最後找到了你們人類。
考慮到人類的數量和繁殖能力,一個人所付出的感情能量的產生,就是這個人從出生、到成長的能量所需。如果把你們的靈魂運用在Entropy焓中,也能成為能量來源了。
而在這其中,轉換效率最高的,就是處在第二生長期,將希望轉換成絕望的少女。
在妳們的靈魂轉變而成的靈魂之石徹底燃盡,變為哀歎之種的一瞬間,能夠產生無比巨大的能量。
我們Incubator(孵化者)的職責,就是負責回收這份能量。」

為什麼宇宙的能量不斷在減少?焓(entropy)的能量法則是什麼?這故事得從宇宙誕生之初,不,之前講起。

照史蒂芬 霍金的說法,宇宙在誕生之前是虛數(i)的宇宙。從虛無中突然出現一個奇異點,接著產生大爆炸,這就是我們從小聽到大的大霹靂理論。大霹靂發生以後,時間與空間向四面八方擴散,物質(說原子會比較恰當)互相碰撞結合,誕生了現在的銀河系及其他星系。接下來是教科書上必寫的歷史:

美國天文學家哈伯有系列地研究遙遠的星系,發現星系離我們愈遠,移走的速度也愈快。這就是宇宙的擴張。

宇宙膨脹的發現,使得大霹靂理論成形,但早期科學家一直提不出證據證明這個理論。

有一次兩個美國通訊工程師在測試巨型無線電天線時,發現一直有雜訊干擾,怎麼打掃鳥大便和落葉灰塵都沒有用。於是發現雜訊是來自天空四面八方的模糊微波(microwave)信號,他們發現了大霹靂的特徵,「宇宙微波背景幅射」。彭齊亞斯和威爾森這兩位工程師也因此得到了諾貝爾獎。

想要研究宇宙的模樣,就像是瞎子摸象一樣,這還是一隻超超超級巨大的象啊!以「宇宙微波背景幅射」為基礎,2001年發射的衛星WMAP(威金森微波異向性探測器)仔細探測宇宙背景幅射,證明了宇宙是「大霹靂」產生的。 時間從大霹靂中向四面八方均勻擴散,在這裡要進到正題,熱力學第二定律:Entropy焓的概念。

還記得小時候要算一杯熱水加入冷水之後,溫度變成幾度,這是熱力學第一定律。

熱力學第二定律是這樣的:密閉系統中秩序失調的量(焓的量)永遠無法減少,過一段時間一定會增加,充其量只能保持原狀。

很難懂對吧?舉個經典例子來說明:把牛奶加到咖啡裡,牛奶會跑到咖啡中,咖啡也會進到牛奶裡,再過幾分鐘就完全混合,卻無法恢復原狀。這個過程只有一個走向,這兩個成份無法「解除混合」,全混在一起分不開了。而這「混合」的量被稱為「焓」。所以混亂(混合)的量只會愈來愈多,不會愈來愈少。

大霹靂發生,時間之箭向四面八方均勻擴散,焓應該是愈來愈多,而不是愈來愈少。Q比說錯了嗎?這還是可以解釋的。

理科的同學可能比較能理解這個。推一台裝滿新刊的推車前進,除了往前跑的動能之外,由於地面產生磨擦力,車輪將我們推的力量轉變成熱能消散在空氣中,所以動能愈來愈少。我們以為動能耗損就是能量消失,其實消失的動能只是轉換成其他形式的能量而已,所以能夠使用的能量愈來愈少,能量的總和並沒有改變。

大霹靂發生之後的宇宙,逐漸形成許多星系與恆星,整個宇宙的結構更加複雜了,星系之間有著黑暗空曠的區域,星系內部則有明亮緻密的區域,星系密布著物質與能量,在星系裡大片及絲狀聚集,更像蜘蛛網的絲線。倘若仔細觀察能量流,就會看到恆星之類的複雜結構為了它們的複雜性付出重大代價。

核融合產生的一切能量,第一個作用是撐起行星,不讓它崩解。這多少像是支付焓的一筆費用,也可說是某種複雜稅。當恆星不再產生能量,它就會崩解。複雜稅的概念有助於解釋天文學家艾瑞克伽森(Eric Chaisson)提到的一個重要現象:大致說來,更多的複雜現象需要更緻密的能量流,每克每秒更多能量。他估計過現代人類社會的能量流密度,大約是流過太陽能量密度的一百萬倍。一個實體若是試圖變得更複雜,焓就向它索取更多能量;更複雜的實體必須找到及管理更大也更複雜的自由能流動。難怪創造及維持更複雜的事物更加困難,也難怪它們通常比簡單的事物更快崩壞。

在眾多科學家的努力之下,現在我們知道宇宙「是平的」,恆星和宇宙等「普通物質」只占全宇宙3%,23%是神秘的「暗物質」,更神秘的「暗能量」占了73%。

「暗能量」有一個特質,傳送出額外的「推動力」確保開闊的宇宙會繼續膨脹。宇宙膨脹速度不斷加快,宇宙的巨大結構會慢慢瓦解,恆星燃料耗盡變成中子星或黑洞,進入「黑洞時期」。

物理學家克勞斯和史達克曼研究暗能量,發現生命的問題。生命需要能量,在不斷加速的宇宙中,集中和控制那股能量就會變得愈來愈困難,因為我們所在和宇宙的其他部份愈隔愈遠,能用的資源也受到嚴格的限制。

再回到Q比的話,「整個宇宙的能量不斷地在減少當中」。其實不是減少,而是可以使用的能量因為宇宙膨脹離我們愈來愈遠,所以我們覺得能量減少了。可以解決的方式一個是想辦法阻止宇宙加速膨脹吧?期待科學家有解決能量不足的方案了。應用這個物理理論,動畫設定了Q比所提的「不受能量法則制約的力量」,而魔法少女的魔力就是「不受能量法則制約的力量」。這樣的科幻設定很有趣不是嗎?原來奇幻作品也可以做得像科幻作品一樣,不得不佩服創作者的創意哦。


參考資料

1.《探索時間之謎:宇宙最奇妙的維度》,佛克著,貓頭鷹出版
2.《摩根費里曼之穿越蟲洞》,Discovery頻道
3.《霍金大師特輯》,Discovery頻道
4. 《起源的故事》,大衛克里斯欽著,馬可波羅文化出版

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