諾蘭給《信條》設了多高的認知門檻？這有一本「時間逆轉」說明書

《信條》（TENET）正在熱映中。不同於克里斯多福 · 諾蘭此前的另外兩部科幻大作《盜夢空間》（Inception）和《星際穿越》（Interstella），前者有著精妙絕倫的場景設計和劇情安排，後者有著氣勢磅礴的宇宙觀和堅實的科學基礎，同時，這兩部電影都花了很大篇幅去向觀眾說明 「穿越夢境」 與「穿越宇宙」所需具備的技術條件，所以在後面情節繼續發展時，觀眾們其實已經做好了相應的知識儲備，在感官上不會有太多的斷檔。

而反觀《信條》，諾蘭這次並沒有花太多的筆墨去解釋如何實現時間逆轉、如何通過轉換門實現熵增熵減、時間鉗形戰術如何實施、自由意志到底能不能改變因果等問題，所有這些問題都是通過片中人物的簡短對話完成的，甚至就連本片的「立足之本」——熱力學第二定律，也只是花了幾分鐘時間由一位女科學家向男主角做了簡單科普，最後扔下一句：不要嘗試去理解，感受就好……

圖 | 《信條》電影海報

如果看過多次《盜夢空間》和《星際穿越》後，再來看《信條》，會明顯感覺諾蘭這次是在刻意淡化對科學概念的解釋，一上來就是激烈的槍戰及爆破場面，甚至在電影開場的那場槍戰中，在毫無鋪墊的情況下，已經出現了由時間逆向物質製成的子彈。所以全片給人的感覺是導演在 「強迫」 觀眾接受影片對時間機制的設定。

很好的一個印證就是，每當主角詢問諸如熵、時間逆行、自由意志、因果律等問題時，得到的答案往往是「無法解釋」。這屬於非常典型的諾蘭敘事風格：我提到了，那就是說了；只要我說了，你就應該信…… 而且諾蘭在《信條》中，把這種風格發揮得更加盡致。

但在技術原理上著墨不多，並不意味著影片基礎科學性的缺乏，畢竟，諾貝爾物理學獎得主基普 · 索恩（Kip Thorne）在出任過《星際穿越》的科學顧問後，也親自審閱了《信條》的劇本，並梳理了其中的相關科學概念。

影片的基礎是熱力學第二定律，即熱力學過程是不可逆的，孤立系統總是自發朝熱力學平衡方向演化；同理，時間也是單向流動的，一個系統會隨著時間推移而熵增，系統也會變得越來越無序，我們可以以此來區分過去和未來。

圖 | 劇中時間逆轉場景

但如果這個過程反過來呢？讓一個系統熵減，熱力學過程逆向，是否就意味著可以穿越回到過去（時間倒流）？電影就是基於這個假設，而影片中出現的那個 「轉換門」 就是完成這個 「逆向轉換」 的關鍵。

《信條》絕對可以算得上年度燒腦大作，雖然有一定的科學理論基礎，但情節都是基於假設，對一些科學概念做了天馬行空的演繹。但單說熵減（這被科學家看成是某種意義上的 「時間逆行」）這件事，一直以來就不乏頂尖學者在這方面進行探索。雖說難以在宏觀層面實現，但在微觀層面，科學家們已經開始取得一系列理論及實踐方面的重要進展。

微觀層面的 T 對稱

我們先看下《信條》裡至關重要的科學基礎——熱力學第二定律。

實際上，這一著名定律也是物理學中，有關時間最為經典的輔助定義。它是物理中少有的幾個涉及時間流向的定理，其中所談及的熵（Entropy，用於描述一個系統的混亂程度）在與外界獨立的一個系統內被認為是只增不減，對事物演變過程的 「前」 與「後」做了區分，規定了時間的流向。

圖 | 《信條》電影海報

儘管這一概念比較抽象，但我們通常都對此有著直覺性的認知。舉個例子，一段記錄一團篝火將旁邊的冰塊慢慢融化掉的視頻，正向播放的話，篝火中新添的木頭逐漸從木色變為燒焦後的黑色，旁邊的冰塊也會逐漸從冷得冒煙變成地上的一灘水；反向播放的話，冰塊會從一灘水慢慢回流並凝結，最終變回一開始那個冷得冒煙的冰塊，篝火中的木塊也會從黑色一點點地變回木色，恢復被燃燒前的樣子。

儘管生活經驗讓我們能夠輕鬆分辨視頻的正向播放與反向播放，但反向播放所呈現出的這種逆過程，其實除了熱力學第二定律外，並沒有違反太多的物理定律。

實際上，基於物理中關於時間對稱的概念，也稱 T 對稱，大多數物理原理在時間倒流的情況下依然成立；但熱力學第二定律中的熵增定理，使得宏觀過程的 T 對稱成為了不可能，這也是為什麼我們不會在宏觀層面看到由冰融化後的水，在室溫環境下又凝結成為原來的冰。

但在《信條》中，非孤立系統中出現了熱二律逆向的子彈。

然而，雖然宏觀層面上不行，但 T 對稱在微觀層面上卻是可行的，甚至堪稱常見。比如一團煙霧被風吹動的過程，雖然宏觀上煙被吹成了特定形狀，但如果只從微觀層面觀察單個煙霧顆粒被吹動的過程，我們就很難判斷這一過程究竟是在被正放，還是倒放，換句話說，熵的影響僅在我們觀察較大的系統時才會比較明顯，隨著我們觀測的尺度越來越小，其存在感會變得越來越微不足道。而物理學家們也正是由此，才得以在微觀層面實現了所謂的時間反轉。

粒子狀態的「時間反轉」

圖 | 粒子狀態的「時間反轉」（來源：Michigan State University）

對於微觀層面的「時間反轉」，一直有科學家在開展研究。就在近日，美國阿貢國家實驗室的瓦萊裡 · 維諾庫（Valerii Vinokur）和莫斯科物理技術學院的安德烈 · 列別傑夫（Andrey Lebedev）取得了一項最新進展。他們在 2020 年 7 月發表的論文《未知量子狀態的時間反轉》（Time-reversal of an unknown quantum state）中指出，物理學中有關時間的定義與我們在日常生活中所使用的時間概念相比，儘管在哲學上有著相似之處，並存在一些共通點，但從細節上來說，可以是完全不同的兩種事物。或許也正是因為這種不同，當今的物理學家們才得以另闢蹊徑，有可能在精心構建的算式和量子系統中實現物理中的時間反轉。‬‬‬‬‬

這支俄美科學家團隊，在去年春季就曾發表過一篇題為《IBM 量子計算機中的時間之箭與其逆演變》（Arrow of time and its reversal on the IBM quantum computer）的論文，並在當時引起了巨大轟動，許多媒體都曾以 「科學家實現時間倒流」 為題，對該研究進行了報導。

圖 | 論文中的時間逆轉態

然而，這兩項研究中所涉及的 「時間」 概念，其實並非我們日常生活中所熟知的體感時間。而是我們前面所談到的，源於熱力學第二定律的物理時間，即事物的狀態是否是在由較為有序發展為較為無序（熵增的概念）。

具體來說，該團隊早前的那次實驗，在一個僅配置兩到三個量子比特的量子計算設備上，在已知量子比特的起始量子態和終末態（也就是當前態）的情況下，模擬量子比特的量子態逆向發展的過程，讓其從終末態變回起始態。而在這一過程中，我們的體感時間仍是向前流動的，時間並沒有被倒流。

通俗來說，這就好比是倒放一段水從茶壺中被倒入茶杯的視頻，視頻只是看上去像是時間被倒流了，但你我都知道真正的時間流向並未發生改變，你甚至還是在正向流動的時間中觀看了那段被倒放的視頻。

圖 | 一段倒放的 「倒水」 視頻（來源：騰訊視頻「AI 智能科技生活 」）

逆演變

之前提到，團隊此前的研究是建立在 「已知量子比特的初始態和終末態」 這一條件上的，而如要將其成果應用於量子比特糾錯，就會因大量量子比特初始態信息的存儲問題而對設備的內存造成負擔。

根據團隊此次在《物理通訊》上發表的新論文，他們或已成功開發出一套能將量子比特的量子態，從終末態 「逆變換」 為未知初始態的算法。

雖然該算法由於設備原因尚未被實際驗證，但團隊認為，如果能在現有量子計算設備中，在其有限的運行溫度環境下以 「熱庫（thermal reservoir，一個熱容足夠大的熱力學系統，對系統添加或抽取一定的熱量不會使系統的溫度發生變化）」 的形式，來分析量子比特的一個給定的量子態，並逐漸提升系統內的熵值，便可使對當前給定量子系統製備一個備用系統（auxiliary system）成為可能，進而通過與給定系統相同的，負責掌管量子系統如何演變的漢密爾頓運算符在數學上計算出能逆轉時間的運算符（施加於描述粒子狀態的方程上的各種運算符可以幫助科學家從粒子的疊加態中提取信息，在實際使用時一般採用矩陣形式），並以此使系統「時間倒流」。

圖 | 漢密爾頓運算符 H 與描述粒子狀態的波方程 Ψ（來源：Georgia State University）

具體來說，團隊實際上是用量子系統的密度矩陣（描述了一個混合量子態）定義了一個未知量子態的 「逆演變」 過程。

在將這個 「逆演變」 運算施加在備用系統上時，研究人員並不一定要完全知曉備用系統當前所處的狀態，而系統即將 「逆變」 為的初始態也可是以一種 「混合態」，即一種並不需被研究人員百分之百知曉的狀態被假定存在，研究人員只需將之前所提到的「逆時間運算符」 多次作用在系統的狀態方程上，就能逐漸還原出系統在足夠長的一段時間前的狀態。

圖 | 該團隊去年的研究曾藉助 IBM 的量子計算機進行實驗（來源：IBM）

此外，根據論文給出的計算，這種逆變運算在高熵環境內的執行難度會較其它情況更低一些，而研究人員也正是因此，才在量子計算設備的設計上提出要引 「熱庫」 的概念，目的其實就是為了提升逆變運算的成功概率，使設備的使用者能 「矛盾地」 以一個當前處於較高溫度環境（高熵）中的系統狀態，獲取該系統 「過去」 那個處於較低溫度環境中的（低熵）狀態。

對於作為普通讀者的你，上面兩段內容或許如同天書，在此給出一個你能理解的類比以幫你認識這種非同尋常的算法：針對一張球形分布散亂無章的球檯，計算機在做出精確計算之後，對著白球擊出一桿，這一桿的力量經過若干次碰撞傳導，最終讓桌上的所有撞球恢復到了最早擺好的初始狀態。

目前，由於還沒有可以在運行過程中構建熱庫的量子計算機，該算法還僅停留在理論階段。但團隊認為，將現有的量子計算設備升級為實驗所需的設備並非難事，關鍵在於如何能使一組相互關聯的量子比特在溫度可控的環境中工作。對此，團隊論文中提出，如能將超導量子比特與可放出輻射的導線相結合，便可使量子比特可以在導線所放出的輻射能影響下升溫，進而達到進行實驗所需的條件。

目前，有部分專家學者認為，該算法如被證實，將有望被用於改進量子計算機內的 「量子比特糾錯」 功能，使人們不需再用好幾個額外的量子比特去給一個運算用量子比特糾錯，而是直接通過論文所闡述的這種方式使量子比特能不斷 「往前回溯」 自己的狀態，避免錯誤的產生，進而簡化量子計算機的設計。

講完了科學家所取得的最新進展，我們還是說回電影。

平心而論，《信條》上映後儘管以 「科幻」「燒腦」 而引起熱議，但實際上這部影片中並未出現什麼新的科學或科幻元素。

違背熱二律的事，金庸《天龍八部》中的那條冰蠶做過了；《信條》影片中，那些逆向熱二律的子彈並非是在孤立的封閉系統中行事，我們生活中的空調、冰箱每天都在幹著類似的事。

關於時間倒流，前幾年各類劣質國產穿越劇幾乎把這個概念玩死；至於自由意志是否能決定世界未來，周星馳在《大話西遊》中也做了粗淺的探討。

真正需要嚴肅對待的是因果律破缺問題，但這個問題是沒法探討的——因果律不僅是所有科學定律推演和成立的基礎，也是邏輯的基礎，如果因果律真的破缺，則任何問題都將成為偽問題，如同霍金在《時間簡史》中所言，對於 「大爆炸之前宇宙處於怎樣一副狀態」 之類問題的提出者，「我給他準備好了墳墓」。

顯然，作為娛樂大眾的電影，《信條》不會如此晦澀地去折騰這些科學研究，無論多麼燒腦，諾蘭終究只是借了科學的外殼，至於影片內容，借用一句臺詞：「你不必去理解，感受就好」。