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。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》。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。
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。
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。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。
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。
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。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。
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。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。
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。
2010年,E. Verlinde提出了“熵力”,用熵增加的方向来解释引力的方向。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。
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?
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)。
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。