江苏龙网

  1. 首页 > 人文 > >

科学探索|《信条》男主回到过去后，其实一秒也活不下来？

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）
科学探索|《信条》男主回到过去后，其实一秒也活不下来？
文章图片

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 。
【科学探索|《信条》男主回到过去后，其实一秒也活不下来？】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 。
科学探索|《信条》男主回到过去后，其实一秒也活不下来？
文章图片

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 。
科学探索|《信条》男主回到过去后，其实一秒也活不下来？
文章图片

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 。


    推荐阅读


    上一篇：江苏昆山：“扔证件”当事人回应，已辞职过得很惨，求放过！

    下一篇：那些年你干的沙雕事，90后印象最深，内容过于真实！你全中了？