《信条》男主回到过去后,其实一秒也活不下来?

作者:赵轲昀来源:环球科学发布时间:2020-09-22

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。	

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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。


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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。


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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。

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