科技日报记者 陈曦 

近日电影《信条》在国内上映，第二天票房过亿。被这部电影“烧糊了脑子”的观众不计其数，影迷们全被淹没在知识的海洋里不知所措。故事情节并不复杂，就是大反派想用逆转时间的杀伤性武器毁灭现世，不过一系列和时空逆行相关的科学概念以及非线性叙事，直接把观众绕懵。

在电影《信条》当中，出现了两个时间表述，分别是正向的时间和逆向的时间。什么是时间？时间是否有方向？什么是熵？熵减和熵增是怎么回事？电影里设定的熵减能够逆转时空，理论上真的是这样的吗？“单电子宇宙”、“祖父悖论”又是怎么回事？这些“高冷”的物理学概念到底讲的是什么？天津大学理学院量子交叉研究中心主任吕宏教授为大家一一进行盘点。

吕宏认为：“这个电影提及的一些概念在物理史上都存在过，通过光影艺术探讨这些概念假如实现出来会怎么样？这个世界会变成什么样？我认为这种探讨非常有意义。”

时间有方向，穿越到未来技术上并不困难

《信条》用影像呈现了时间命题。影片中人物通过旋转门制造出的“逆向时间”可以让同一人物和未来的自己偶遇，但穿越的人物的一切运动轨迹是逆向的，视觉上是倒带的效果，展示了“逆向时间”和“正向时间”交织，以及全新的时空倒错和叠加的体现。

“什么是时间？一般人听到这个问题，都会认为时间是很容易的概念，因为生活中经常运用时间，但是仔细一想，又好像怎么也说不清，哪怕最顶级的物理学家也都说不清楚。从这个意义上来说，这是一个很难的问题。”吕宏认为，之所以说不清，是因为时间这个概念，不像可以拿在手上研究的物质。空间也有相似的特质，但空间至少是人们可以停留在某个地方，或者可以再重复到访，概念就更直观一点，时间就连这都做不到。

吕宏表示，在哲学上有两种对时间的概念：一种是现实论，认为所谓的过去和未来都不存在，只有现在这个点才真实存在，从这个意义上说时间穿越不可能实现，怎么能穿越一个根本不存在的东西呢；另一种是永恒论，认为时间像空间一样永远存在，我们没法回到过去，但并不意味着它不存在。这两个只是哲学观点，很难区别哪个对哪个错，从哲学上可以无限地讨论下去。 

不过，现在的时空理论，无论是狭义相对论还是广义相对论，基本上更加支持永恒论。以狭义相对论为例，两件事是否同时发生，事实上跟观测者有关。如果有不同的观测者，一个观察者认为这两件事情同时发生，另外一个观测者认为是一前一后发生的，按现实论主张的只有一个现实，那用谁的标准来衡量？哪个是现在这个时刻点呢？“从这个意义上来说，过去和未来都确实存在，既然是永恒的，就有时间穿越的理论上或哲学上的可能性。这就涉及到时间有方向的问题。”

“以基础物理的理论探讨，‘时间有方向’应该表述为‘时间在增大’，往未来走的是一个方向，往过去走的是另外一个方向。”吕宏举例，在生活当中会发现有两种情况，观看乒乓球在空中飞行的视频，一般情况下人们无法区别视频是否倒放，但观看玻璃瓶从桌子上掉下去摔碎的视频，视频倒放时，没有人相信这是自然发生的事情。在基础物理理论中，时间完全可以像视频一样倒放，但是在现实的复杂系统中，人们没有观测到时间可以倒流的经验。

吕宏说：“事实上，古代就有时间逆转的记述，比如‘烂柯’的传说故事，就是一种向未来的时间穿越。其实，时间穿越在相对论框架下完全可以做到。比如乘坐一架足够高速的飞行器离开地球，再回到地球，等于是穿越到未来了；或者通过生物学或医学手段，把自己冷冻起来，100年以后解冻，就也等价于直接穿越到100年以后了。穿越到未来，从技术上来说并不困难，目前技术可能还做不到，但是我相信100年后完全可能做到。”

从熵增到熵减，时间逆转时空交织并不成立 

如果用一句话概括《信条》，那就是：决定人类终极命运的根本不是核战争，而是一场时间之战。电影剧情引入的第一条法则是“熵减”，当“熵增”变成“熵减”，神奇的时间逆转发生了。

“物理上用‘熵’表示一个系统的自由度和无序化程度。”吕宏介绍，比如操场上有100个人站队，站得很整齐，这就意味着系统自由度很低，每个人只能在某个位置，但是如果这些人可以随意走动，系统的自由度就越来越大，队伍肯定会越来越混乱。这就是从低自由度往高自由度发展、越来越混乱的熵增过程。一旦能够明确知道一个系统的微观自由度，熵可以用来描述微观自由度的增加，以及混乱度的增加。

熵总是在增大，但熵增需要一个封闭的系统。如果在一个开放的局部系统中，系统外面还有一个更大的系统，熵是可以减少的。这是人们能活着的原因。活着，就是保持身体的秩序，心脏跳动，大脑思考……这些都是非常有秩序的。之所以能够维持这个秩序，是因为我们处在一个开放的环境，通过进食补充负熵，以使身体更有秩序。

“在一个封闭的系统，物理规律就是秩序越来越混乱，熵越来越增大，就像时间不可逆转一样，时间的方向就是熵增加的方向，这就把时间跟熵增或者熵减概念联系起来了。”吕宏举例说，一个瓶子掉下来摔碎，变成一地玻璃碎片，这显然是一个熵增加的过程，但假如逆转，就变成熵减了。逆熵意味着时间倒流，这部电影想要通过这个方法来形成时空逆转。 

在电影里，主人公身处“正向时间”，通过旋转门就来到逆时间的熵减空间。于是，汽车倒着开，子弹也是反着飞，所有的感受都是反的。吕宏质疑：“假如一个人处在那种状况，人要正常的呼吸，呼吸的空气还是正常时空，但是氧气面罩外面又是逆时间的。这样的话两种空间就会有个界面分割开，在靠近人的一边，还在正常的变老，但是衣服外面的又会越来越年轻，这个分界线在哪？人呼出来的空气是逆时的还是的正向的？人整体是一个多肉粒子系统，怎么去分割？这种情节设计在宏观系统上不可能成立。”

不过，电影《信条》也有创新之处，跟普通穿越剧不太一样。普通穿越要么是穿越到过去，要么就是在某个点上通过某种神秘方式穿越。“这部电影的穿越是进行性穿越，过去和未来两个世界同时放在一起，这是很有意思的游戏角度，但是现在从物理现实上来说不太可能。”吕宏说。

“单电子宇宙”略显陈旧，“祖父悖论”理论上完全可能

“单电子宇宙”这个概念是物理学家惠勒最早提出来的，惠勒想象，宇宙也许只有一个电子，电子可以在时空中随意来回走动，电子沿着正时间方向运动，就是普通的电子，逆时间方向，它就是一个正电子，也就是说正电子是电子的时空反向。

吕宏介绍，惠勒提出“单电子宇宙”理论，可以解释量子力学中的一个奇怪现象。宇宙中的所有电子，除了地点、速度等这种外在的东西不一样，及最多只2个自旋态以外，所有电子都具有相同的质量，相同的电荷数，它的本质都是一模一样的，所有的电子都是全同的。但是“单电子宇宙”理论有一个缺陷，就是无法解释电子和正电子在数量上的巨大差异。显然单电子宇宙中，电子和正电子应该数量相当，但事实截然相反。正电子数量很少，根本不对称。

不过，从量子场论角度的看，世界最基本的形态是“场”，不再需要“单电子宇宙”来解释全同粒子了。比如最简单的光，这个世界上只有一种电磁场，所有激发出来的光子就必然是全同，或者整个宇宙只有一种描写电子的狄拉克场，激发出来的电子自然都是全同粒子。“单电子宇宙”已经成为一个老旧的解释全同粒子的概念。

“祖父悖论”是时空旅行中的著名理论。如果你能进行时空穿梭，并回到了过去，见到了儿童时代的祖父，由于种种的原因，你要杀死自己的祖父，这种操作是否可行？如果你能杀死自己的祖父，那么自己又如何在未来出生？无法在未来出生，那么又如何利用时空穿越回到过去杀死自己的祖父？

“在广义相对论里，由于时空弯曲等原因，理论上是可以存在有一些封闭的时间曲线，但在封闭的时间曲线里面，不允许有违背因果关系的存在，即使有时空穿梭，必须要满足因果关系的对称的自洽性。”吕宏表示，“祖父悖论”更体现了一种宿命论跟人的自由意志相违背。

“祖父悖论”还有另一种解释：进行时空穿梭，到达的其实是另一个平行宇宙，杀死的也是平行宇宙中的年轻的祖父，与自己所在的初始宇宙没有任何关联，因此祖父是可以杀死的。对此，吕宏表示，时空穿越是从宇宙穿越到另外一个宇宙。从这个意义上说，时间线并没有闭合，理论上完全可能。

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（编辑 焦德芳 全莉）