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《信条》男主回到过去后，其实一秒也活不下来？

晰数塔互联网快讯
2020-09-09 18:02

本文来自微信公众号：环球科学（ID：huanqiukexue），作者：赵轲昀，编辑：吴非，题图来自：《信条》

最近，著名导演克里斯托弗·诺兰的电影《信条》上映以后，引发了很多关于时间本质的讨论。

诺兰的“时间三部曲”一脉相承，其中《盗梦空间》里时间尺度的变换在广义相对论中很常见，估计是用到了广义相对论的思想。《星际穿越》对黑洞附近的时间变慢的处理符合现代科学。（估计是因为请了科学顾问基普·索恩的缘故）

而在《信条》中，诺兰则玩了一把时间逆流的概念。

在此之前的科幻电影中，通过时间旅行回到过去的设定也时有出现，比如根据卡尔·萨根小说改编的《接触》就可谓是这类电影的鼻祖。在这类电影中，时间逆流的工具往往是虫洞。

事实上，通过虫洞回到过去在理论上是可行的。根据广义相对论，存在一些爱因斯坦场方程的严格解，这些严格解就是所谓的虫洞，虫洞的出现也使得在时空中可以存在封闭的类时曲线，也就相当于回到了过去。但虫洞出现的条件很苛刻，一般需要负的能量密度，这种负的能量密度只能通过量子效应才能获得，因此在现实世界中不容易得到。所以，用虫洞来回到过去也近似于一个科幻概念。

而在最新电影《信条》中，诺兰使用的是另一个概念——熵。这部电影的基础设定是，熵增加的方向与时间的方向是相同的。从物理学角度，这样的时间逆流有可能实现吗？现在，让我们来仔细捋一捋这背后的一些物理知识吧。

什么是时间？

时间是一个抽象而神秘的概念。进入20世纪之前，有一些物理学家认为，时间有它的前进方向，这个方向与熵增加的方向在局部是一致的。这是在克劳修斯等人建立热力学第二定律以后，科学界开始兴起的一股思潮。当然，这个思潮本身是有缺陷的，因为这里谈论的时间方向与熵增加的方向一致，却没有很清晰地说明“时间”到底是什么。

当时，因为爱因斯坦的相对论还没有诞生，所以大家心目中的时间类似于“北京时间”，是一种公共时间。也就是说，大家认为，纽约与巴黎的时间是一样的，是可以统一的；火车上的人时间流逝的快慢，与飞机上的人时间流逝的快慢也是一样的。而且，以上不同地点不同人物的时间方向是相同的。

随着爱因斯坦提出相对论，我们对时间的认识有了质的变化：不同的地点因为引力场强度不一样，时间流逝快慢是不同的；不同的人物因为速度不一样，其时间流逝的快慢与方向也是不同的。

所以从这个意义上来说，20世纪之前用熵增方向来刻画时间箭头，没有相对论的修正，是一个模糊的时间概念。

同时必须指出，并不是所有系统的熵都是单向增加的，有大量自组织的系统，其熵是减少的。比如植物吸收太阳光进行光合作用，这一过程的熵就不一定是增加的。1944年，量子力学的奠基人之一薛定谔在《生命是什么》中直接引入"负熵"这个特殊的概念，他认为生命系统一方面存在熵增，另一方面，又不断从环境中获得负熵——比如我们人类要吃蔬菜，就是为了获得相对于我们人类来说是负熵的物质，从而保持我们人类本身的低熵状态——当然，人类排泄的粪便则是高熵的。

通过熵减实现时间倒流？

熵是一个统计物理学上的概念，它的本质由玻尔兹曼墓碑上的那个公式S=KlnW刻画。其中W是系统所对应的微观状态数目。比如有三个人站成一排拍照，从熵的观点来看，则存在一个的“微观状态”问题：站在C位的人有三种可能，站在两边的人也有多种可能，这样一共有6种（也就是3的阶乘）可能，对应的就是微观状态数w，所以从这里就可以计算出这张照片的熵来。

一般情况下，对于一个封闭的热力学系统，其熵总是趋向于增加。所以，有人把这件事解读成了时间箭头。但是，熵增加的方向等价于时间箭头，这只是一种类似于数学上的映射，这个映射是不是真实的物理规律，还需要进一步论证。

那么，用熵减来实现时间逆流有没有可能呢？

我们家里的空调，就是将高熵状态转变成了低熵状态。（当然，这个过程需要消耗能量）因此如果我们认为，从高熵状态到低熵状态对应的就是时间逆流，那么空调也是一种可以让时间逆流的“时间机器”。但很明显，空调不能帮我们穿越到清朝去与慈禧太后见面。据此，我们可以得到的结论是：一个能从高熵状态局部产生低熵状态的机器，不一定能引起时间倒流。要想穿越时空，还需要了解更进一步的物理考察。

引力与熵的关系

在《信条》这部电影中，我们可以看到克蕾曼丝·波西所饰演的女科学家劳拉向当时还不了解“时空逆转”的男主人公解释“逆向子弹”的工作原理。这个逆向子弹可以看成是其本身的时间是逆流的物体——注意，这个子弹周围环境的时间箭头都是指向未来的，只有子弹本身的时间箭头是指向过去的。

指向未来与指向过去，这是相对论中的说法，我们需要用到光锥。在平坦时空每一个时空点，都有上下两个光锥：上方的光锥内的世界线的切矢量（也就是时间箭头）都是指向未来的，下方的光锥则是指向过去的。

有引力存在时，根据爱因斯坦的相对论，时空不再平坦，这时光锥的结构会有扭曲变形，过去与未来的区别也会变得复杂。比如在哥德尔时空中，光锥会被时空旋转慢慢倾斜，最后倒转过来，这时的世界线可以是一条闭合的类时曲线——也就是说，哥德尔时空中存在可以回到过去的人。

所以从相对论的角度来说，要想回到过去，最好是让引力帮忙，因为引力可以扭曲时空。而完全依靠熵减来回到过去，则显得很不科学。在《星际穿越》中，诺兰已经拍摄过依靠引力回到过去的场景，这是科学的。

不过，也有物理学家提出了将熵与引力联系起来的新设想。2010年，E. Verlinde提出了“熵力”，用熵增加的方向来解释引力的方向（引力只有一个方向，那就是吸引，万有引力不会相互排斥）。Verlinde认为，两个物体之间存在一个假想的表面，当这两物体的距离变化时，物体表面上的熵也会改变。而系统总是趋于增加，于是引力也就体现出来了。当然在这一理论中，引力不是一个基本的相互作用。所以，如果诺兰想把《信条》的物理逻辑弄得更清晰，他也许应该请 Verlinde当科学顾问。

沿着时间逆流等于反物质？

如果我们考虑量子力学，从《信条》那扇旋转门中出来的人是逆着时间运动的，那么这位“逆时者”本质上是由反物质组成的。

而组成反物质人（逆时者）的反粒子不但有正电子，也有反质子。要把这些反粒子组成一个生命体，理论上是可能的。但问题是，这样的逆时者在现实世界中的行为是怎样的？

正电子是由量子力学宗师狄拉克在很年轻的时候就预言的，这种粒子具有正的能量，但电荷与普通电子相反。过了若干年，另一位大物理学家费曼用“费曼图”来计算光子与电子的相互作用，他把正电子解释为逆着时间运动的电子，这一解释也得到了科学界的承认。于是，在一般意义下（因为考虑的是狭义相对论，所以时空被认为是平坦的），逆着时间运动的粒子就是反粒子。

当逆时者体内的正电子与现实环境中的电子碰上，会湮灭，变成光；而逆时者的体内的反质子与现实中的正质子撞上，就如同大型强子对撞机，产生多种粒子。

显然，对于这样的逆时者而言，在现实世界中存活是不现实的。无论是环境中的电子还是空气，都会轰击人体的反粒子，并发出巨大的能量，导致逆时者死于爆炸。

电影中显然考虑了这个问题。从旋转门时间机器出来人需要穿防护服（不能与过去的自己接触，因为会发生正反物质湮灭）。当然，电影做了一定的科学让步：当反物质人与其他人或者物体接触时，只需要戴面具就可以，不需要担心正反物质湮灭。

总体而言，既然已经有了反物质，就不需要再引进熵减的概念，因为这样反而会引起逻辑上的混乱。

因此，从目前的物理理论来看，逆着时间运动是完全有可能的，但对熵概念的滥用则需要警惕。熵增与时间的关系，已经是较为陈旧的物理学，也许相对论与量子力学会给我们更多的启迪。

本文来自微信公众号：环球科学（ID：huanqiukexue），作者：赵轲昀，编辑：吴非