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时间逆转时空交错的炫酷 也掩盖不住《信条》存在的物理硬伤

来源:科技日报    时间:2020-09-28    

  电影《信条》近期在国内影院上映。被这部电影“烧糊了脑子”的观众不计其数,其实电影的故事情节并不复杂,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,时间有方向吗?电影里设定的熵减能够逆转时空,理论上真是这样的?电影里出现的单电子宇宙、祖父悖论又是怎么回事?为了让大家更好地看懂电影,科技日报记者采访了天津大学理学院量子交叉研究中心主任吕宏教授,让他谈一谈这些“高冷”的物理学概念。

  也许100年后穿越到未来并不难

  《信条》用影像呈现了时间命题。影片中的人物通过旋转门制造出的逆向时间可以让人物和未来的自己偶遇,但穿越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。

  “什么是时间?一般人们会认为时间是很容易理解的概念,因为生活中经常运用时间,但是仔细一想,又好像什么也说不清,其实就连最顶级的物理学家也说不清楚到底什么才是时间。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,但至少人们可以停留在某个地方,或者可以重复到访这个地方,概念就更直观一点,但时间连这点都做不到。

  吕宏表示,在哲学上有两种时间的概念: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,因为没办法穿越一个根本不存在的东西;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,很难说哪个对哪个错。不过,现在的时空理论,无论是狭义相对论还是广义相对论,基本上都更加支持永恒论。

  “既然是永恒的,就有时间穿越的可能性,因此有其在理论或哲学上探讨的必要性。这就涉及到时间有方向的问题。从基础物理的理论来看,时间往未来走的是一个方向,往过去走的是另外一个方向。”吕宏举例说,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:“其实,时间穿越到未来,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,根据相对论的运动物体时间延缓效应,在飞船上只过了一年,而我们在地球上可能已经过了100年。当再回到地球的时候,就相当于穿越到了未来;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,也就等于直接穿越到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。”

  电影中时间倒流情节不可能实现

  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就是“熵减”,当“熵增”变成“熵减”,神奇的时间逆转也就发生了。

  “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,每个人只能站在某个位置,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。

  在一个封闭系统中的熵必随时间而增加,这是物理学的一个基本定律。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……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中,通过进食补充负熵,使身体更有秩序。

  “在一个封闭的系统中,熵会越来越大,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。物理学告诉我们封闭系统内的熵是不能减少的。唯一能实现的途径,只能是时间反演。因此在任何封闭系统内的逆熵可以等价于该系统的时间倒流。

  但这部电影中的情节在现实是不可能实现的,因为宏观世界无法形成一个不与外界交换的封闭系统。在电影里,主人公身处正向时间,通过旋转门就来到逆向时间的熵减空间。于是汽车倒着开,子弹也是反着飞,所有的运动都是反的。吕宏质疑:“假如一个人处在那种状况,人体的新陈代谢是按正向时间进行的,但人以外的世界又处于逆向时间。人还在正常的变老,但是衣服外面的世界却越来越年轻。这样的话两种空间就会有个界面分割开,但人整体是一个多粒子系统,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回过去,要么就是穿越到未来。“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,但是现在从物理上来说不太可能实现。”吕宏说。

  单电子宇宙和祖父悖论

  单电子宇宙这个概念是物理学家约翰·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,电子沿正时间方向运动,就是普通的电子;沿逆时间方向运动,就是一个正电子,也称反电子。

  吕宏介绍,惠勒提出单电子宇宙理论,可以解释量子力学中一个奇怪的现象,即宇宙中的所有电子,除了所在位置、速度等这些外在性质不同外,都具有相同的质量、电荷数,它们的本质都是一样的,所有的电子都是全同的。但是单电子宇宙理论有一个缺陷,它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。

  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,并回到过去,见到了儿童时代的祖父,由于种种原因,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,那么你又如何在未来出生?无法在未来出生,那么又如何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,理论上可以存在一些封闭的时间曲线,但在封闭的时间曲线里,不允许有违背因果关系的存在,即使有时空穿梭,也必须要满足因果关系的对称的自洽性。”吕宏说。

  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,如果时空穿越是从一个宇宙穿越到另外一个(平行)宇宙。从这个意义上说,时间线并没有闭合,理论上有可能。

  吕宏表示,第一种理论是基于广义相对论的推论结果,而平行宇宙理论在得到实验或想象实验加以证实前,还只是一种纯猜测。

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