《信條》硬核科普：在「逆時」狀態下，生命可以存在嗎？

在表述我自己的任何想法之前，請允許我向克里斯多福·諾蘭致敬！

諾蘭或許不是最偉大的電影導演之一，但一定是最偉大的科幻電影導演之一，甚至沒有「之一」。《信條》也再一次地沒有讓我失望，甚至有點超出預期，竟然讓我平生第一次在電影院裡產生了腦子不夠用的感覺。

在這部電影引發我瘋狂思考的諸多問題之中，除了物理的、時間的，也有一個問題與我的專業有關：在「逆時」狀態下，生命可以存在嗎？

深入思考之後才發現，這是一個相當有趣的問題。

《信條》劇照

《信條》與「逆時」

想來想去，我還是要先來聊聊這部電影，否則實在難以討論下去。本文中，只有這一部分會出現輕度劇透（輕到連故事和人物都不會出現），如果你很介意，那就跳過吧，或者乾脆收藏了等看完電影再來看。

不過，就像很多網評所說的那樣：即便你看過了《信條》的劇透，大概率並不會影響你在電影院裡持續懵圈。所以從這個意義上來講，《信條》很可能是電影史上最不怕劇透的電影了。

在克里斯多福·諾蘭之前，我心目中偉大的科幻電影導演有這麼「四」位：庫布裡克、盧卡斯、卡梅隆，以及勉強能算半個的史匹柏，還有加起來算半個的沃卓斯基姐妹（曾經的兄弟，後來的姐弟）。

個人以為，單就「科幻」這一點來比較的話，諾蘭超越了前面那幾位大師。

無論是《2001：太空漫遊》還是《星球大戰》，它們顛覆的只是「電影」這個概念本身，但是在科幻上並非多麼地驚豔。這些誕生於「科幻黃金年代」的科幻電影和劇集之所以能夠火爆，基礎在於當時人們對太空和機器人等科技知識的匱乏。

飛船（圖片來源：《2001：太空漫遊》）

顯然，今天的觀眾不好「騙」了。

諾蘭的科幻電影選擇了「時間」這個主題。雖然大家都說《信條》是諾蘭「時空三部曲」的終章（前兩部則是《盜夢空間》和《星際穿越》），但其實在這三部電影中，時間都是遠比空間更為重要的那個主題。

在《盜夢空間》中，時間的尺度被拉伸或壓縮，才有了「洞中方一日，世上已千年」的電影化呈現。而在《星際穿越》中，時間不僅僅在黑洞附近被質量所扭曲，甚至在玄幻的先進文明那裡變成了一個像空間一樣可以任意往來的維度。

而在《信條》中，諾蘭讓時間變得「可逆」了。

等等，這不就是時間旅行嗎？這有什麼新鮮的？

我用自己超過三十年的科幻閱歷向你保證：這太新鮮了，簡直新鮮極了！

的確，時間旅行是一個在科幻領域已經被寫爛的題材。姑且不說小說，單是電影中就有數不勝數的時間旅行橋段。從一再翻拍的經典《時間機器》到喊著「般若波羅蜜」就能穿越的《月光寶盒》，你要是沒看過一部與時間旅行有關的電影，恐怕都不好意思說自己看過電影。

但是，所有這些經典的時間旅行都有一個共同的特點：人物在各個時間線上的活動都是與時間線同向流動的，他們無非是藉助科學儀器或者某種法器在時間線之間或同一條時間線上跳來跳去而已。所以「穿越」才會如此風靡，它沒有什麼科學門檻，而只是構架或講述故事的一種方式。

《信條》如果也只是搞搞時間旅行，那就不是諾蘭的作品了。

在《信條》中，諾蘭創造性地將人物置於時間的逆向流動之中，並與其他在時間正向流動中的人物產生交互。為了敘述方便，我們姑且稱前者為「逆時者」，而後者為「正時者」。這種逆時者與正時者同場打鬥的場景，恐怕正是這部電影讓大家最難以理解，也最難以接受的部分。

在「正時者」看來，自己的行動當然是正常的，而「逆時者」卻詭異地倒退著前進，最終與自己交匯於同一個終點。在「逆時者」看來，自己的行動也是正常的，而「正時者」倒退著前進，與自己從同一個起點出發。這裡的「起點」與「終點」正是影片中那神秘的，透著工業朋克風的，最不具科幻感的轉換器。

這平平無奇的轉換器是如何實現「逆時」的呢？電影裡已經給了咱們觀影指南：「不要試圖去理解它。感受它就行了！」

本來嘛，科幻電影都是扯淡的。

時間與熵

我知道這話恐怕冒犯了不少科幻迷，但這是事實。我們的很多觀眾，甚至是資深科幻迷，都還沒有搞清楚科幻與科學的界限所在，所以才會有人去認真地給《三體》或《流浪地球》挑錯。

很多被奉為硬科幻經典的科幻作品，其實在作者自己看來，也都是建立在一些想像出來的虛幻「科學」之上，譬如《三體》（參見大劉本人的採訪）。包括我自己獲得「銀河獎」的《畫骨》，被很多讀者說成是生命科學的硬科幻，其實也是基於一些我明知道它不可能成立的「假科學」。

科幻作為一種文學和藝術體裁，它真正想要探討的是人與科技、人與自然的關係，亦或是在科技的背景之下展露出的人性。至於科學，只是供角色們表演的舞臺而已。

在這樣的意義上，《盜夢空間》是諾蘭最好的科幻作品，無論是其中寡頭父子之間的複雜情感，還是小李子對亡妻刻骨銘心的愛與悔恨，都讓人感同身受。而《信條》中的主人公卻更像是一個符號化的人物，是讓故事得以向前運轉的工具人。

當然，這也有情可原。要講述《信條》這樣一個複雜的故事，用多少時長都是不夠的。至於塑造人物這種事情，大概也只有妥協的份兒了。畢竟，為了讓「逆時」披上「硬科幻」的外衣，諾蘭甚至在一開篇就把「熵」都搬出來了。

熵是什麼？你可能不知道這個問題的準確答案，我也無法在此為你作答，因為要說清楚這個問題，本身就需要一篇長文。不過，你大概聽說過一些與熵有關的說法，比如：熵會自發地增加；熵是無序；因為熵增，宇宙最終徹底無序，歸於熱寂。

其實「熱寂」是不科學的，其中缺少了關於引力和量子力學等等因素的考慮，而僅僅是站在熱力學角度上的推測。顯然，這本身就是一個借科幻廣泛傳播的「假科學」經典案例。不過，這些關於熱寂的科幻故事的確推廣了「熵增」這個概念。

我們可以形象地理解一下這件事情。假如有一個盒子，能斷絕與外界的物質和能量交換。盒子裡分成左右兩個空間，中間是一層隔板，但隔板上有個小孔。如果在隔板左邊放上熱的氣體，右邊放上冷的氣體，那麼左邊熱的氣體分子會有一些通過小孔跑到右邊去，而右邊冷的氣體分子會有一些通過小孔跑到左邊去。最終，兩邊溫度一樣了，左熱右冷的「有序性」消失了，取而代之的是均一的無序性，熵增了。

如果換用稍稍嚴謹一些的說法就是：熱力學第二定律（以下簡稱：熱二律）的表述形式之一是，一個孤立熱力學系統內的熵是不斷增大的。

就像剛才例子裡的那些氣體分子一樣，它們的混合似乎是必然的，而熵增也就是必然的。另外，它是有方向的——增大。這種確定的有向性，恰恰就是時間的一種表現形式。

（圖片來源：維基百科）

就是在這裡，諾蘭玩了把文字遊戲，多多少少算是倒置了因果。在《信條》中，他試圖讓觀眾們相信：為什麼時間會一直向前走？因為熵總在自發地增加。

於是，自然而然地，當一個物體或生命因為接受了某種特殊的輻照而自發地熵減時，時間便逆流而上了。

完美！

但太完美的事情往往就會令人心生懷疑。就算不考慮因果的問題，將熵的變化與時間等價，那這套「逆時」理論的成立也需要一個前提：熱二律是成立的。

但是，熱二律一定成立嗎？

對於這個問題，物理學家們曾經也是心裡沒底。而困擾他們的，正是「生命」這個小妖精。

麥克斯韋的妖精

詹姆斯·麥克斯韋是一位偉大的物理學家。他所建立的麥克斯韋方程組描述了電磁波中電與磁的關係，充滿了對稱的美感。除了對稱之外，麥克斯韋方程組還在另一個問題上閃耀著理性的美，那就是光速與參照系無關的恆定性。如果說彼時越來越精確的光速測定實驗是「以太學說」的掘墓人，那麼麥克斯韋方程組就是真正把「以太學說」埋進墳墓的送葬者。

1900年4月，著名物理學家開爾文爵士在英國皇家學會月度例會上做了一場演講，題目是《在熱和光的動力理論上空的十九世紀烏雲》。這就是後世常常被人提到的物理學「兩朵烏雲」，而其中的第一朵烏雲就是指光速不變性與以太學說的衝突。

然而，這還不是麥克斯韋給開爾文爵士找的唯一麻煩。

開爾文爵士名字不叫開爾文，而是威廉·湯姆森（William Thomson）。實際上，開爾文是他在格拉斯哥大學的實驗室附近一條小河的名字。因在熱力學領域做出的重大貢獻，他被維多利亞女王授予了男爵的爵位，以「開爾文」為頭銜。如此一來，他所開創的熱力學溫度就以開爾文（Kelvin）為單位了，某種意義上成為了物理學中唯一一個以地名命名的標準單位。

開爾文爵士在研究熱力學的過程中，於1851年提出了著名的熱力學第二定律開爾文表述：「不可能以無生命的材料實現一種手段，讓物質的任何部分冷卻到比環境中最冷的物體還要低的溫度，同時產生機械運動的效果。」

有意思的是，你今天在物理學教科書上看到的開爾文表述通常只是上面這句話的殘缺形式，卻把「無生命的材料」這部分給刪掉了。換言之，在開爾文當初的認知裡，要想讓熱二律成立，必須把「生命」給排除在外。

為什麼不能包括生命呢？因為在19世紀那個時候，科學家們就已經發現：生命似乎並不遵從熱力學第二定律。

愛找麻煩的麥克斯韋在1871年提出，如果在那個氣體盒子中間隔板的小孔上坐一個小妖精，讓他對左右兩邊飛過來的氣體分子進行選擇，只讓那些熱的、飛得快的分子飛往左邊，只讓那些冷的、飛得慢的分子飛往右邊，那麼最終兩邊不但不會變得溫度一樣，反而還有可能變得左邊更熱、右邊更冷。這就意味著有序度反而增加了，無序度下降了，於是——熵減了。

事實證明，這樣神奇的事情並不需要什麼妖精才能做到，而生命就足以完成類似的事件，不顧熱二律的限制，持續實現熵減。

究竟，生命是什麼呢？

妖精的食物

生命是什麼？著迷於這個問題的物理學家不在少數，其中不乏功成名就的物理學巨匠，比如名字總是與貓聯繫在一起的埃爾溫·薛丁格。這位量子力學的奠基人應邀到愛爾蘭的「都柏林高等研究院」擔任理論物理學院院長之後，做了一系列關於生命問題的講座，並於1944年將講座內容結集出版，書名就是《生命是什麼？——活細胞的物理學面貌》

埃爾溫·薛丁格

我知道的以及我認識的很多物理學家都把這本書奉為圭臬，似乎物理學早在那個生命科學的「蠻荒時代」就已經參透了生命的本質。

然而很可惜，這只是物理學家們的一廂情願而已。

薛丁格在《生命是什麼？》這本書中主要討論了兩方面的生命問題：遺傳學和熱力學。不幸的是，在遺傳學方面，薛丁格錯得離譜，認為蛋白質是生命的遺傳物質。

不過，熱力學可是薛丁格的領域。

要知道，在開爾文爵士的時代，熱二律是無法被證明的。但是隨著統計物理被引入熱力學研究中，熱二律便成為了一個可以被證明的定理。而統計學正是薛丁格研究量子力學時的利器。

薛丁格認為，生命完全符合熱二律。

我們都知道，生命是高度有序的，個體由器官組成，器官由細胞組成，細胞又由很多不同的蛋白質和核酸等生命分子組成，而蛋白質和核酸既有三維的空間結構，也有一維的序列信息。無論從哪個角度來看，生命都是高度有序的，並且在生命活著時一直維持這種負熵的狀態。這是生命貌似違背熱二律的本質所在。

對此，薛丁格在《生命是什麼？》的第六章中給出了一個很簡單的答案：生命以負熵為食。

換句話說，薛丁格認為生命這個「小妖精」攝入的食物和其他所有物質是負熵的，於是生命自身的熵降低了，但伴隨的代價就是包含生命在內的自然界這個大系統的整體熵提高了。所以，熱二律依然成立。

原來是化學啊！

表面上來看，薛丁格一句「生命以負熵為食」，似乎成功解決了生命違背熱二律的問題。但其實他的內心也仍舊存有疑問。

就算生命真的以負熵為食，那麼為什麼生命能夠利用負熵呢？或者說，在活的生命體內，為什麼會有局部的熵減發生呢？說白了，似乎總要有那麼一隻小妖精，翹著二郎腿坐在生命體內某個隔板的小孔邊沿上，一邊隨手扒拉著飛過來的氣體分子，一邊用輕蔑的眼神睥睨著高高在上的物理學天才們。

就連薛丁格在《生命是什麼？》的第七章中也不得不承認：「我們所面對的這一機制完全不同於物理學的概率機制。它不能夠被簡化為物理學的普通法則。……活的生物雖然不能逃避物理學的法則，……但有可能涉及到迄今為止尚不知曉的其他某些物理學法則。」

究竟是什麼法則呢？對此，著名分子生物學家馬克斯·佩魯茨在1987年回應到：「那門科學就是化學。」

何謂化學？就是物質改變的科學。無論是分子的拆解還是搭建，都會涉及到化學。事實上，早在19世紀末期，著名化學家喬賽亞·吉布斯就已經提出了「親合勢」這個概念，後又稱為「自由能」，而今又改稱「吉布斯能」。我們已經知道，在一個反應體系中，只有吉布斯能降低的反應才能自發地發生。

喬賽亞·吉布斯

的確，統計物理不太考慮化學的問題。如果兩個分子能變成一個，一會兒又分成了兩個，那還怎麼準確統計啊？但在薛丁格寫作《生命是什麼？》的年代，他不可能沒有聽說過當時已經相當成熟的「自由能」理論。那麼為什麼他還覺得當時的物理和化學不夠用呢？

這是因為吉布斯能只解決了化學反應能否發生的問題，卻沒有解決化學反應發生速度的問題。

自然界中很多化學反應的確在發生著，比如鐵生鏽。但這些反應的發生速度太慢，無法滿足生命的需求。而生命之所以能夠極大地提高反應速度，靠的就是——酶。

這個「極大地」是什麼概念呢？酶可以讓化學反應的速率提高一百萬倍，甚至是一萬億億倍。

「一萬億億」仍然是個空洞的數字，不好理解。讓我們引入時間作為參照，一個在細胞內只需0.1秒即可完成的化學反應，如果放慢一萬億億倍，就將需要數千億年。這比宇宙的年齡還要長得多。

因此，我們可以說，酶能夠使得在自然界中不可能發生的化學反應轉瞬之間就反應完畢。當然，也有一些化學反應在酶的控制之下得以極大地減緩反應速率，比如各種能量分子的氧化釋能過程。

生命是什麼？

那麼，薛丁格的《生命是什麼？》是否改變了我們對於生命的認知？

在我心目中，這個答案是肯定的。最起碼，他的那本小冊子啟發了一大批年輕的物理學家，令他們投身於生命科學的研究之中。其中就包括了最終建立DNA雙螺旋結構模型的沃森和克裡克。

除了這些科學傳播方面的貢獻之外，更重要的在於，薛丁格改變了我們看待生命的方式——雖然這種方式並不能被所有生物學家接受。

地球上的生命形態多姿多彩，千變萬化。這就導致生物學家們更喜歡實證的力量，而不喜歡那些過不了多久就會被新物種的發現所打破的「定律」。然而，當生命的研究進入某些難以分辨的灰色地帶時，薛丁格的視角便顯現出了物理學作為「科學之父」那不可替代的偉大力量。

這個灰色地帶就是當下全球疫情的主角——病毒。

病毒底算不算生命？這恐怕是最讓生物學家感到頭疼的問題之一。

如果從構成成分來看，病毒似乎應該算是生命。它們由核酸充當遺傳物質，由蛋白質搭建外殼，有的還會披上磷脂膜的外衣。這些全都是在細胞裡也會使用的生命分子。

如果從能量和物質代謝的角度來看，病毒又不應該算是生命。病毒裡沒有能夠「燃燒」能量分子並釋放能量的複雜細胞器，也沒有能夠合成或分解物質的複雜酶體系。

如果從分子機器的角度來看，病毒又有生命的特點。有相當一部分病毒種類，會在包裝病毒顆粒時裝進去一些能夠利用能量完成生命活動的分子機器，只是它們在病毒裡沒有能量可用，處於停機狀態。

其實，只要以薛丁格的視角來看，病毒的問題就很簡單了：病毒這個系統不具備維持自身負熵狀態的能力。也就是說，當一個病毒處於自然界中的時候，它跟一塊石頭或一塊麵包沒什麼區別，終將隨著時間的流動而瓦解崩壞，喪失從分子層面到病毒顆粒層面的全部有序性，最終走向熵增的必然結果。

從這個意義上來講，病毒肯定不是生命。

逆時永生

下面就讓我們以薛丁格的視角來審視一下《信條》中的「逆時者」，他們有可能存活嗎？

《信條》劇照

前文已經談到，生命的關鍵在於利用各種酶極大地加快或減緩了化學反應的速度。這是一種時間尺度上的縮放，並不改變時間的流向。反過來，時間的逆流也不會改變時間尺度，也就不會影響酶的工作。

接下來是化學反應中吉布斯能的改變問題。我們都知道，有很多化學反應是可正可逆的，所以吉布斯能的變化似乎與時間的流向並非是鎖定在一起的。

但實際上，時間在這裡仍然扮演著重要的角色。試想，何謂「自發發生」？意思是說，隨著時間的前進，該事件有發生的趨勢。反之，如果它沒有發生的趨勢，也就永遠不會自發發生。正因為如此，自發發生的事情都與時間的流向有關。

在正常的世界中，吉布斯能有自發減小趨勢的化學反應才能發生。也就是說，這是時間的流向決定的。當時間逆流時，吉布斯能的變化趨勢就會變成自發增大，正如《信條》開篇那顆從桌上跳進科學家手裡，自發尋求勢能增加的子彈一樣。於是，所有化學反應也將向著反方向發展，從產物變為反應物。

在這樣一個化學反應逆向發生的「逆時」世界中會存在生命嗎？或許是可以的。但即便存在，也一定不是我們所熟知的地球生命的樣貌，而應該是基於完全不同的一套化學反應體系。也就是說，當我們穿過《信條》中的那個轉換器後，雖然組成我們身體的分子還是這些分子，但是所有生化反應都將停擺，甚至在酶的催化下加速逆向發生。

顯然，對於我們這些高度依賴化學反應的細胞生命來說，這將會是一場分子層面上的災難。

不過，對于吉布斯能在「逆時」設定下帶來的麻煩，我們大可睜一隻眼閉一隻眼。畢竟諾蘭在《信條》裡壓根就沒談過吉布斯能的問題，沒準人家逆轉熵變趨勢的操作也把吉布斯能的變化趨勢順便一起逆轉了呢？只是懶得再跟我們解釋了而已……

最後就是熵減的問題了。諾蘭在《信條》一開始就明確告訴我們，逆時狀態的物質具備了自發熵減的趨勢，將時間的流向與熵的變化牢牢地綁在了一起。

生命的本質就是維持自己的高度有序。我們區別於一塊石頭或一塊麵包的關鍵不在於我們能跑能跳、能生孩子，而是在於我們攜帶著大量有意義的信息，並且可以把這些信息傳承下去。

當時間逆流，熵減成為趨勢，有序度自發趨向於增加。我們在《信條》中看到皮開肉綻的傷口會恢復如初，我們看不見的是細胞裡崩壞瓦解的分子可以永遠保持完好的形態。於是，我們大可不必再進食，甚至不必再呼吸，哪還需要電影中那惱人的呼吸面罩或隔離艙？因為在熵減中的我們，必將向著更有序的方向前進，汲取天地之精華即可永生永存。

太美好了，是不是？可惜科幻都是扯淡的。

不過，在不扯淡的現實世界中，其實本就存在著逆時者，這一點也不科幻。你或許已經猜到了，的確，我們人類，人類身邊的動植物，以及無處不在的細菌、真菌、古菌——所有的生命都是名副其實的逆時者。只要生命活著，就在維持熵減的過程，不顧身邊宇宙的時間流動。

尾聲

其實，諾蘭除了那人盡皆知的「時空三部曲」之外，我認為他還有「隱性時空三部曲」——《記憶碎片》、《致命魔術》和《敦刻爾克》。雖然在這三個故事中沒有時空的維度扭曲或繁複交錯，但是它們的敘事結構與《信條》何其地相似，都是從不同的時間流線上最終回溯到同一個交叉點，然後讓觀眾「恍然大悟」。

設計師：Eileen Steinbach

人類作為有序的存在，進一步製造出了各種各樣「有序」的造物，並以之作為自己文明的標誌。但我們用這些有序的造物所做的最多的事情，卻是去破壞其他有序的存在，甚至包括人類自己——正如近一個世紀之前在敦刻爾克這片海灘上曾經發生過的事情那樣。

諾蘭給自己的電影取名《信條》，絕不僅僅因為它的英文單詞TENET是一個迴文序列。事實上，在我看來，生命的意義與生命的本質是一體的，那就是維持「有序」的存在——這大概才是所有生命都應遵奉的「信條」。

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本文來自微信公眾號：科學大院

作者：葉盛（北京航空航天大學教授，中國生物物理學會科普工委秘書長）