《信條》男主回到過去後,其實一秒也活不下來?

最近,著名導演克里斯托弗·諾蘭的電影《信條》上映以後,引發了很多關於時間本質的討論。諾蘭的「時間三部曲」一脈相承,其中《盜夢空間》里時間尺度的變換在廣義相對論中很常見,估計是用到了廣義相對論的思想。《星際穿越》對黑洞附近的時間變慢的處理符合現代科學。(估計是因為請了科學顧問基普·索恩的緣故)

《信條》男主回到過去後,其實一秒也活不下來?

而在《信條》中,諾蘭則玩了一把時間逆流的概念。

在此之前的科幻電影中,通過時間旅行回到過去的設定也時有出現,比如根據卡爾·薩根小說改編的《接觸》就可謂是這類電影的鼻祖。在這類電影中,時間逆流的工具往往是蟲洞。

事實上,通過蟲洞回到過去在理論上是可行的。根據廣義相對論,存在一些愛因斯坦場方程的嚴格解,這些嚴格解就是所謂的蟲洞,蟲洞的出現也使得在時空中可以存在封閉的類時曲線,也就相當於回到了過去。但蟲洞出現的條件很苛刻,一般需要負的能量密度,這種負的能量密度只能通過量子效應才能獲得,因此在現實世界中不容易得到。所以,用蟲洞來回到過去也近似於一個科幻概念。

而在最新電影《信條》中,諾蘭使用的是另一個概念——熵。這部電影的基礎設定是,熵增加的方向與時間的方向是相同的。從物理學角度,這樣的時間逆流有可能實現嗎?現在,讓我們來仔細捋一捋這背後的一些物理知識吧。

什麼是時間?

時間是一個抽象而神秘的概念。進入20世紀之前,有一些物理學家認為,時間有它的前進方向,這個方向與熵增加的方向在局部是一致的。這是在克勞修斯等人建立熱力學第二定律以後,科學界開始興起的一股思潮。當然,這個思潮本身是有缺陷的,因為這里談論的時間方向與熵增加的方向一致,卻沒有很清晰地說明「時間」到底是什麼。

當時,因為愛因斯坦的相對論還沒有誕生,所以大家心目中的時間類似於「北京時間」,是一種公共時間。也就是說,大家認為,紐約與巴黎的時間是一樣的,是可以統一的;火車上的人時間流逝的快慢,與飛機上的人時間流逝的快慢也是一樣的。而且,以上不同地點不同人物的時間方向是相同的。

隨着愛因斯坦提出相對論,我們對時間的認識有了質的變化:不同的地點因為引力場強度不一樣,時間流逝快慢是不同的;不同的人物因為速度不一樣,其時間流逝的快慢與方向也是不同的。

所以從這個意義上來說,20世紀之前用熵增方向來刻畫時間箭頭,沒有相對論的修正,是一個模糊的時間概念。

同時必須指出,並不是所有系統的熵都是單向增加的,有大量自組織的系統,其熵是減少的。比如植物吸收太陽光進行光合作用,這一過程的熵就不一定是增加的。1944年,量子力學的奠基人之一薛定諤在《生命是什麼》中直接引入「負熵」這個特殊的概念,他認為生命系統一方面存在熵增,另一方面,又不斷從環境中獲得負熵——比如我們人類要吃蔬菜,就是為了獲得相對於我們人類來說是負熵的物質,從而保持我們人類本身的低熵狀態——當然,人類排泄的糞便則是高熵的。

通過熵減實現時間倒流?

熵是一個統計物理學上的概念,它的本質由玻爾茲曼墓碑上的那個公式S=KlnW刻畫。其中W是系統所對應的微觀狀態數目。比如有三個人站成一排拍照,從熵的觀點來看,則存在一個的「微觀狀態」問題:站在C位的人有三種可能,站在兩邊的人也有多種可能,這樣一共有6種(也就是3的階乘)可能,對應的就是微觀狀態數w,所以從這里就可以計算出這張照片的熵來。

一般情況下,對於一個封閉的熱力學系統,其熵總是趨向於增加。所以,有人把這件事解讀成了時間箭頭。但是,熵增加的方向等價於時間箭頭,這只是一種類似於數學上的映射,這個映射是不是真實的物理規律,還需要進一步論證。

那麼,用熵減來實現時間逆流有沒有可能呢?

我們家里的空調,就是將高熵狀態轉變成了低熵狀態。(當然,這個過程需要消耗能量)因此如果我們認為,從高熵狀態到低熵狀態對應的就是時間逆流,那麼空調也是一種可以讓時間逆流的「時間機器」。但很明顯,空調不能幫我們穿越到清朝去與慈禧太後見面。據此,我們可以得到的結論是:一個能從高熵狀態局部產生低熵狀態的機器,不一定能引起時間倒流。要想穿越時空,還需要了解更進一步的物理考察。

引力與熵的關系

在《信條》這部電影中,我們可以看到克蕾曼絲·波西所飾演的女科學家勞拉向當時還不了解「時空逆轉」的男主人公解釋「逆向子彈」的工作原理。這個逆向子彈可以看成是其本身的時間是逆流的物體——注意,這個子彈周圍環境的時間箭頭都是指向未來的,只有子彈本身的時間箭頭是指向過去的。

《信條》男主回到過去後,其實一秒也活不下來?

指向未來與指向過去,這是相對論中的說法,我們需要用到光錐。在平坦時空每一個時空點,都有上下兩個光錐:上方的光錐內的世界線的切矢量(也就是時間箭頭)都是指向未來的,下方的光錐則是指向過去的。

有引力存在時,根據愛因斯坦的相對論,時空不再平坦,這時光錐的結構會有扭曲變形,過去與未來的區別也會變得復雜。比如在哥德爾時空中,光錐會被時空旋轉慢慢傾斜,最後倒轉過來,這時的世界線可以是一條閉合的類時曲線——也就是說,哥德爾時空中存在可以回到過去的人。

《信條》男主回到過去後,其實一秒也活不下來?

所以從相對論的角度來說,要想回到過去,最好是讓引力幫忙,因為引力可以扭曲時空。而完全依靠熵減來回到過去,則顯得很不科學。在《星際穿越》中,諾蘭已經拍攝過依靠引力回到過去的場景,這是科學的。

不過,也有物理學家提出了將熵與引力聯系起來的新設想。2010年,E。 Verlinde提出了「熵力」,用熵增加的方向來解釋引力的方向(引力只有一個方向,那就是吸引,萬有引力不會相互排斥)。Verlinde認為,兩個物體之間存在一個假想的表面,當這兩物體的距離變化時,物體表面上的熵也會改變。而系統總是趨於增加,於是引力也就體現出來了。當然在這一理論中,引力不是一個基本的相互作用。所以,如果諾蘭想把《信條》的物理邏輯弄得更清晰,他也許應該請 Verlinde當科學顧問。

沿着時間逆流等於反物質?

如果我們考慮量子力學,從《信條》那扇旋轉門中出來的人是逆着時間運動的,那麼這位「逆時者」本質上是由反物質組成的。

而組成反物質人(逆時者)的反粒子不但有正電子,也有反質子。要把這些反粒子組成一個生命體,理論上是可能的。但問題是,這樣的逆時者在現實世界中的行為是怎樣的?

正電子是由量子力學宗師狄拉克在很年輕的時候就預言的,這種粒子具有正的能量,但電荷與普通電子相反。過了若干年,另一位大物理學家費曼用「費曼圖」來計算光子與電子的相互作用,他把正電子解釋為逆着時間運動的電子,這一解釋也得到了科學界的承認。於是,在一般意義下(因為考慮的是狹義相對論,所以時空被認為是平坦的),逆着時間運動的粒子就是反粒子。

當逆時者體內的正電子與現實環境中的電子碰上,會湮滅,變成光;而逆時者的體內的反質子與現實中的正質子撞上,就如同大型強子對撞機,產生多種粒子。

顯然,對於這樣的逆時者而言,在現實世界中存活是不現實的。無論是環境中的電子還是空氣,都會轟擊人體的反粒子,並發出巨大的能量,導致逆時者死於爆炸。

電影中顯然考慮了這個問題。從旋轉門時間機器出來人需要穿防護服(不能與過去的自己接觸,因為會發生正反物質湮滅)。當然,電影做了一定的科學讓步:當反物質人與其他人或者物體接觸時,只需要戴面具就可以,不需要擔心正反物質湮滅。

總體而言,既然已經有了反物質,就不需要再引進熵減的概念,因為這樣反而會引起邏輯上的混亂。

因此,從目前的物理理論來看,逆着時間運動是完全有可能的,但對熵概念的濫用則需要警惕。熵增與時間的關系,已經是較為陳舊的物理學,也許相對論與量子力學會給我們更多的啟迪。

來源:cnBeta