踏進多啦A 夢的任意門，你其實是回到過去？ - 泛科學

多啦A 夢的任意門卻能夠打破愛因斯坦設立的速度限制。

根據漫畫中多啦A 夢的講解，只要事先輸入目的地資料，任意門就能即時穿越最遠10 光年的距離 ... 140文字分享友善列印140萬物之理電影中的科學踏進多啦A夢的任意門，你其實是回到過去？余海峯David・2017/04/14・1840字・閱讀時間約3分鐘・SR值546・八年級＋追蹤多啦A夢的百寶袋中各種神奇法寶，你最想要哪一樣？根據日本朝日電視台的統計結果，多啦A夢的法寶之中最受歡迎的是任意門，第二名是時光機。

不管這兩名是不是你的最愛，對於經常睡到日上三竿、遠離家鄉在外國居住的我，這兩件法寶可是大有用處，可以幫助我多賺一點賴床時間，節省回香港的機票錢。

不過，大家又可知道，任意門的功能其實就是一部時光機？圖／擷取自youtube《どこでもドアでアフリカに行ってみたよ》穿越廣闊空間的工具從前，沒有機器的幫助，人類只能在很細小範圍內的二維表面——前後左右——移動。

這個二維表面指的就是居所的附近。

發明了汽車和輪船以後，我們的活動範圍大大提升了，擴展到整個地球的表面。

而直到近期陸續發明了飛機、潛艇、火箭、太空穿梭機，我們才得到在第三維——上下——自由移動的能力。

然而，這些都只是理論上的成就。

實際上，因為現今科技所限，遑論寬廣無垠的太空，我們對地球上的深海和地底世界，都仍所知甚少。

而且，即使人類能造出可以到達深海任何地方的潛艇、無堅不摧的鑽地機，或者能高速飛行的太空船，我們穿越三維空間的能力，依舊受限於物理定律的速度上限：光速，每秒30萬公里。

愛因斯坦的相對論說，在我們的宇宙之中，沒有任何東西可以超越光速。

多啦A夢的任意門卻能夠打破愛因斯坦設立的速度限制。

根據漫畫中多啦A夢的講解，只要事先輸入目的地資料，任意門就能即時穿越最遠10光年的距離，立即帶我們到達目的地。

10光年，即是光線要花10年才能走完的距離，而任意門在一瞬間就接通了。

由此可見，光速這個限制任意門根本不當成一回事啊，22世紀的科技實在太厲害了。

超越光速等於回到過去？愛因斯坦為什麼說，沒有東西能傳遞得比光更快呢？其中一個原因是能量守恆。

根據相對論能量方程式，當質量非零的物體速度趨向光速，其能量就趨向無限大。

換句話說，我們的太空船永遠不可能加速到光速，因為這樣做需要輸入無窮無盡的能量。

太空船總不能帶著無限能源吧。

然而，任意門突破光速限制的方法，並非依靠速度。

就好像上次我們討論的四度空間百寶袋，任意門是直接把宇宙之中的兩個地方接通，好像理論中的蟲洞一樣。

不過，這樣做雖然沒有加速的能源問題，卻會導致一個不可意義的結果。

踏進任意門的一刻，其實等於回到過去。

蟲洞（wormhole），是宇宙中可能存在的連接兩個不同時空的狹窄隧道。

圖／由Panzi–EnglishWikipedia，創用CC姓名標示-相同方式分享3.0為什麼呢？原因非常簡單，光線需要時間才能穿越空間。

我們來想像一下：假設大雄想使用任意門走到對面馬路，在他踏進任意門之前，已經有光線從他身上出發並開始飛越馬路。

因為大雄穿過任意門並不需要時間，而光線橫越馬路卻需要時間，如果大雄穿過任意門後回頭一看，他就會看到他踏進任意門之前從他自己身上出發的光線。

換句話說，大雄會看見仍在對面、還未踏進任意門的自己！回到過去可能發生的矛盾多啦A夢曾經解釋過，只要調節任意門把手上的刻度，任意門就可以接通不同地點的不同時間。

所以，實際上使用任意門不單可以回到過去，更能夠穿越未來，不過能夠選擇的時間好像沒有時光機那樣長？這樣想，任意門應該是個輕便版本的時光機吧！然而，任意門和時光機之類能夠穿梭時空的法寶，會為我們帶來邏輯困局。

舉例說，如果回到過去阻止自己的父母生出自己，那麼自己究竟有沒有出生？如果沒有，那自己就不會回到過去阻止自己出生，所以自己就會出生，所以自己就會回到過去阻止自己出生，所以自己就不會出生⋯⋯。

電影《超時空攔截》就是一個不斷循環「自己」的故事。

多啦A夢的作者藤子．F．不二雄肯定是知道這個邏輯悖論的。

漫畫中很多個故事都涉及穿越時空改變歷史、與不同時間的自己相遇，甚至大雄與多啦A夢的整個故事都是基於「要改變大雄的命運」這個前提上。

至於在現實世界之中，自然定律是否允許時空穿梭？就現代物理學來看，答案似乎是否定的。

縱使愛因斯坦的廣義相對論在理論上允許蟲洞存在，從來沒有證據顯示它們真的存在於我們的可見宇宙之中。

即使如此，物理學仍然無阻任意門、時光機等等神奇的道具出現在漫畫和電影之中，激盪著人類的想像力。

想像力是科學家的超能力，可惜現實裡沒有時光機，不然我們就可以去未來看看，小時候坐在電視機前看多啦A夢的孩子，有多少個成為未來的科學家？你是其中一個嗎？我要跟泛科學說「　　　」！參加泛科學網站體驗調查，提供意見還能拿禮卷！如何打造科學家的房間！科學實驗室EP.6—會動的AR繪本利用阿基米德浮力原理，當玻璃小球浮起時測量氣溫～伽利略溫度計交換禮物大賞！QUALY醉愛北極熊酒瓶塞數學好無聊、不實用，到底為什麼要學數學？給大人玩的理財桌遊，從此航向財富自由！交換禮物首選、推理迷必買！台灣推理作家協會20週年限定週邊相關標籤：任意門光速動漫物理學多啦A夢時光機熱門標籤：量子電腦諾貝爾獎前列腺勃起人工智慧文章難易度剛好太難所有討論 1登入與大家一起討論#1windmill2021/04/12回覆萬能的小叮噹啊，開啟你的任意門，讓我飛到桃花源去做一名與世無爭的山頂洞人吧！余海峯David16篇文章・ 15位粉絲＋追蹤天體物理學家。

工作包括科研、教學和科學普及。

德國馬克斯・普朗克地外物理研究所博士畢業。

現任香港大學理學院助理講師。

現為《立場科哲》科學顧問、《物理雙月刊》副總編輯及專欄作者、《泛科學》專欄作者。

合著有《星海璇璣》。

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譯者／蔡蘊明｜台大化學系名譽教授化學反應以閃電的速度進行著；電子在原子核間跳躍，閃避著化學家們虎視眈眈的雙眼。

2013年的諾貝爾化學桂冠得主們利用電腦，讓化學的神祕路徑得以現形。

對於化學運作的細部暸解，使得催化劑、藥物以及太陽能電池的最佳化變得更有效率。

將實驗帶入網際空間全世界的許多化學家幾乎每天在電腦上設計以及執行實驗，透過馬丁．卡普拉斯（MartinKarplus）、麥可．李維特（MichaelLevitt）以及艾瑞．瓦歇爾（AriehWarshel）於1970年代所發展的方法，化學家們檢視著用肉眼無法看到的複雜化學過程之中的每一個小小的步驟。

爲了讓讀者感受到人類如何因此而受惠，讓我們用一個例子來開頭。

請穿上你的實驗衣，因為我們要給你一個挑戰：創造人工光合作用。

這個在綠葉中進行的化學反應，讓大氣充填了氧氣，也是地球上有生命存在的必要條件之一。

但是從環境的角度來看，這是很有意義的，因為如果你能夠模擬光合作用，就能創造更有效率的太陽能電池。

當水分解時會產生氧氣，但隨伴產生的氫氣則可以用於驅動我們的車輛。

因此你有十足充分的理由參與這個計畫，假若你成功了，對解決溫室效應的問題，你也會有所貢獻。

一張圖超過千言萬語──但並非全部做為第一步，你應該會上網去找尋那些控制光合作用的蛋白質的三維結構圖像。

這些圖像均可從網路裡自由的取得，你可將圖像在電腦上隨意旋轉和扭曲，它揭露了巨大的蛋白質分子裡數以萬計的原子。

在其中心某處，有一個小小的區域，被稱為反應中心，這就是水分子被裂解的地方。

不過只有幾個原子是直接參與這個反應的。

圖像很清楚的顯示了原子與離子相互坐落的位置，但卻無法說出這些原子與離子如何運作，這就是你需要搞清楚的。

不知如何地，電子必須從水分子中取出，另有四個質子（H+）必須處理，這到底如何發生呢？現在的化學家在電腦上做實驗幾乎與在實驗室做實驗一般頻繁，從電腦上得到的計算結果經由真實的實驗得到證實後，讓我們對原子的世界如何運作得到新的線索。

此可謂理論與實踐相輔相成。

圖／諾貝爾化學獎專題系列這個過程用傳統的化學方法基本上是無法弄清楚的，有太多的事情發生在一個毫秒（10-3秒）之內，這種速度排除了用試管實驗來研究之可能。

從你的電腦圖像也仍然很難猜測反應的過程，因為圖像是在靜態取得的，然而當太陽照射在綠葉上時，那些蛋白質充滿了能量，而整個分子的結構改變了。

為了瞭解這個化學反應，你需要知道充填了能量的分子結構是什麼樣子。

這就是需要召喚電腦程式來幫助你的時刻，而這些電腦程式就是基於2013年的諾貝爾化學獎得主們所奠定的基石。

理論與實踐──一個成功的相輔相成利用這種電腦程式，你可以計算各種可能的反應路徑，這被稱為模擬（simulationormodeling），此法讓你對那些原子在化學反應的不同階段扮演的角色有些概念，而當你有一個可能的反應路徑時，會較容易執行真實的實驗，來證實電腦的對錯，這些實驗反過來提供了新的線索，以導致更好的電腦模擬結果；理論與實踐達到相輔相成的效果。

結果是，化學家們花在電腦前面的時間，與花在試管之間的時間幾乎一樣多！那麼這次諾貝爾化學獎得主們發展的電腦程式，到底有何神奇之處呢？將兩個世界最好的整合起來過去，當科學家們要在電腦上模擬分子時，他們擁有的程式不是基於古典牛頓物理，就是基於量子物理，二者各有其長處與短處。

基於古典物理的程式能計算與處理大的化學分子，它們只能顯示靜態的分子，給予化學家們關於分子內的原子的相對位置很好的圖像，可是你無法用這些程式去模擬化學反應。

在化學反應時，分子是充滿能量的，處在激發的狀態，古典物理就是無法理解這些狀態，而這就成為一個嚴重的限制。

牛頓與薛丁格的貓：從前，古典物理與量子化學分屬兩個相互對抗的世界，2013年的諾貝爾化學獎得主們替這兩個世界打開了一扇大門，帶來了暢旺的合作。

圖／諾貝爾化學獎專題系列當科學家們要模擬化學反應時，他們需要轉而求助量子物理；其二元理論（dualistictheory）將電子視為同時具有粒子與波動的雙重性質，其中著名的「薛丁格的貓」，藏在盒中，可能是活的也可能是死的。

量子物理的強項在於它是沒有偏見的，其模型不包括科學家們的預測，因此這樣的模擬較為真實。

但其缺點在於計算需要耗費龐大的電腦資源，因為電腦需要處理分子中的每一個電子以及原子核。

這就好像一張數位圖像的像素（pixel）數目，像素越多，解析度越佳，但是需要較多的電腦空間。

類似地，透過量子物理的計算，雖然可以描繪化學反應中的詳細過程，但是需要強大的電腦。

在1970年代，這意味著科學家們只能對小分子進行計算。

在模擬時，他們被迫忽略分子與周遭環境的作用，雖然真實世界中的化學反應大都在某些溶液中進行，但是假若科學家們計算時，要電腦將溶劑也一併考慮的話，他們將需要等待個幾十年才能得到結果。

所以古典物理與量子化學是兩個本質上不同，而且在某些方面相互衝突的世界。

但是2013年的諾貝爾化學獎得主們，替這兩個世界打開了一扇大門。

在他們的模型裡，牛頓與他的蘋果，跟薛丁格和他的貓合作。

量子化學與古典物理合作在1970年代，在美國劍橋哈佛大學卡普拉斯的實驗室裡，開展了合作的第一步。

卡普拉斯具有深厚的量子背景，他的研究小組發展的電腦程式，藉著量子物理的幫助可以模擬化學反應。

他也發展了所謂的「卡普拉斯方程式」應用於核磁共振（NMR），那是一個化學家熟知的方法，乃基於分子的量子化學性質所建立的。

當瓦歇爾完成他的博士學位後，在1970年進入了卡普拉斯的實驗室。

他的博士學位是在以色列Rehovot的Weismann科學研究院所獲得的，該研究院擁有一台能力強大的電腦，被稱為Golem，那是取自猶太傳說中的一位有生命的泥人的名字。

透過Golem的幫助，瓦歇爾與李維特基於古典理論，發展了一個突破性的電腦程式，此程式能夠模擬各種分子，甚至於真正很大的生物分子。

當瓦歇爾加入卡普拉斯在哈佛大學的研究小組時，帶著他那古典的電腦程式，以這個程式為起點，他與卡普拉斯發展了一個新的程式，以不同的方式計算不同的電子。

在大部分的分子中，每一個電子繞著特定的原子核運行，但是在某些分子中，某些電子可以毫無阻礙的在數個原子核間移動，這些「自由電子」可以存在於像是視網醛（retinal）這個分子中，此分子是嵌在眼睛的視網膜上。

卡普拉斯對於視網醛有著長期的興趣，因為這個分子的量子化學性質，影響了某些生物的功能；當光照射在視網膜上，視網醛的自由電子就會得到能量，因此改變了分子的形狀，這是人類視覺的第一步。

最後，卡普拉斯與瓦歇爾終於能夠處理視網醛，不過他們是從具有簡單結構的類似分子開始的。

他們發展了一個電腦程式，運用量子物理來處理自由電子的計算，但是用簡單的古典理論來處理其它的電子以及所有的原子核。

在1972年，他們發表了研究結果，這乃是第一次有人能夠透過古典與量子物理的合作來處理化學相關的問題，但是此法僅能處理具有鏡面對稱性的分子（像人一般有一面鏡子在身體正中央而左右對映）。

一個萬用程式來計算生命的化學在哈佛大學待了兩年之後，瓦歇爾又與李維特合作。

此時李維特已經完成了英國劍橋大學的博士訓練，正值全球尖端的研究都在於探討像是DNA、RNA以及蛋白質這類的生物分子。

他企圖用他的古典電腦程式，來對生物分子的結構做進一步的瞭解，然而限制仍然存在，僅能觀察靜態的分子。

李維特與瓦歇爾瞄準了一個很高的目標，他們想要發展一個程式用來研究酵素；也就是生命活體中，控制與催化化學反應的許多蛋白質。

早在瓦歇爾還是一位年輕的學生時，他就對於酵素如何運作很好奇。

透過酵素間的相互合作，生命才可能存在，它們控制了基本上所有生命體內的各種化學，如果你想要瞭解生命，你就必須瞭解酵素。

爲了能夠模擬酵素的反應，李維特與瓦歇爾必須讓古典與量子物理的合作更為順暢，這花了他們許多年去克服各種障礙。

他們的探索始於Weismann科學研究院，但是當李維特在數年後完成了他的博士後研究的訓練，他回到了劍橋，在那裡瓦歇爾也來加入。

在1976年，他們達成了目標，並發表了第一個酵素反應的電腦模擬，他們的程式是革命性的，因為它可以用在各種分子上，在模擬化學反應時，大小已經不成問題。

聚焦於運作的心臟現在當化學家模擬化學反應時，他們需要時就會運用這種力量。

他們對每一個直接影響化學過程的電子與原子核，進行吃力的量子物理計算，這樣，他們取得關鍵所在儘可能最佳的解析，分子其他的部分則用古典的方程式來模擬。

爲了不浪費電腦的能力，李維特與瓦歇爾將計算的負載進一步修減，電腦不需要一直處理分子中不重要部分的每一個原子，他們展示了可以將多個原子合併計算。

現在的計算中，科學家還在模擬時加入了第三個層次。

簡單的來說，電腦可將離化學反應中心很遠的原子們包裹在一起，成為一個均勻的質體。

在科學圈內，這被稱為介電介質（dielectricmedium）。

現今化學家們模擬分子的運作時，若有需要就會運用電腦的力量。

量子物理的計算成為了此一系統的核心，其外則是基於古典物理的處理，而在最外層的原子和分子則視為聚集在一起的一團均勻物質，這種簡化的方式，讓我們能用計算來處理那些巨大的化學體系。

圖／諾貝爾化學獎專題系列模擬將帶我們進展至多遠決定在未來因為現今的科學家可以用電腦來進行實驗，這讓我們對化學反應如何的進行得到了更深的理解。

卡普拉斯、李維特以及瓦歇爾發展的方法的強度在於它們是萬用的，它們可以用來研究各種化學；從生命的分子到工業上的化學反應，科學家可以將太陽能電池、汽車用的催化劑或甚至於藥物最佳化，而這僅是舉幾個例子而已。

不過進展不會停在那裡，在李維特的一篇論文中，寫到了他的夢想：在分子的層次模擬生命體，那真是個極為誘人的想法。

由2013年的諾貝爾化學獎得主們發展的電腦模擬，是極為有力的工具，到底它可將我們的知識推進到多遠，只有未來才能決定。

參考資料本文譯自諾貝爾化學獎委員會公佈給大眾的新聞稿，原文可自以下官方網站取得：http://www.nobelprize.org/nobel_prizes/chemistry/laureates/2013/popular-chemistryprize2013.pdf若有興趣閱讀進階的資料，請由下列網址取得：http://www.nobelprize.org/nobel_prizes/chemistry/laureates/2013/advanced-chemistryprize2013.pdf我要跟泛科學說「　　　」！參加泛科學網站體驗調查，提供意見還能拿禮卷！如何打造科學家的房間！科學實驗室EP.6—會動的AR繪本利用阿基米德浮力原理，當玻璃小球浮起時測量氣溫～伽利略溫度計交換禮物大賞！QUALY醉愛北極熊酒瓶塞數學好無聊、不實用，到底為什麼要學數學？給大人玩的理財桌遊，從此航向財富自由！交換禮物首選、推理迷必買！台灣推理作家協會20週年限定週邊相關標籤：古典物理諾貝爾化學獎酵素量子化學電腦模擬熱門標籤：量子電腦諾貝爾獎前列腺勃起人工智慧所有討論 0登入與大家一起討論諾貝爾化學獎譯文56篇文章・ 23位粉絲＋追蹤「諾貝爾化學獎專題」系列文章，為臺大化學系名譽教授蔡蘊明等譯者，依諾貝爾化學獎委員會的新聞稿編譯而成。

泛科學獲得蔡蘊明老師授權，將多年來的編譯文章收錄於此。

原文請參見：諾貝爾化學獎專題系列RELATED相關文章【2013諾貝爾化學獎】用程式計算化學：電腦模擬催化知識發展！都是尼古丁惹的禍？——戒菸後變胖，與腸道菌叢代謝物有關？【2018諾貝爾化學獎】化學的革命性進化：酵素定向演化威而鋼不只能幫你重振雄風，還能避免阿茲海默症？TRENDING熱門討論即時熱門人見人愛的「歐派」如何發育？——關於乳房隆起，人人都該提早知道的三兩事113小時前英國「流浪貓口普查」發現：社經條件較差、人口密度高的區域有較多流浪貓420小時前女性為何會有性高潮？性高潮之謎有新解12天前喝醉為何令人飄然微醺？淺談酒醉的腦部神經變化——《文豪酒癮診斷書》22天前偉大科學家，假若是渣男？117天前核廢料放我家？高階核廢料的危險性與處理方式82021/12/20當AI的「深度學習」形成偏見，法規該如何遏止傷害？56天前電子貨架標籤真的比紙本商品價格卡划算嗎｜2021數感盃｜高中專題｜優選32021/12/27