再談熵減能否引發時間倒流，及「祖父悖論」與平行宇宙

——觀賞《信條》後再談熵、平行宇宙、反物質等相關問題（中）

文/陳思進

在上文《》（2020年09月25日《科普時報》第3版首發）中，我談了諾蘭的新科幻大片《信條》中最主要的科幻設定——熵會隨著時間的流逝自然增加，但並不是說，熵減會引發時間的倒流，熵和時間並不是這樣對應的。

不過，後來又了解到，諾蘭的《星際穿越》的科學顧問基普·索恩，也是《信條》科學顧問，據說，他給《信條》中時間逆行的設定推算了好幾頁公式，也就是說，就像《星際穿越》快結束時的那一幕——主人公父親跳進黑洞，穿越時空，將信息傳給遠隔萬千光年之外的地球上的女兒——一樣，（熵減引發時間的倒流）至少在理論上是可行的。

對此，讓我們從時間講起。

人，生而就能感知時間。請大家閉上眼睛，體會一下時間的流逝，問自己是怎樣感知它的，無論如何最後都將歸結於記憶。不過，作為凡人，我們只能記得過去的事情，並不能「記」起未來的事。因此，我們所感知的時間（也叫「心理時間」），具有一個天然的方向——從過去到未來。

但對於追求理性的科學家來說，這種主觀感性的時間很「糟糕」，得找到一個客觀的、不以人類意志為轉移的時間尺度。於是，出現了經典物理學上用物體的位移距離（一般用s表示）除以速度（v），就能得到經歷的時間（t=s/v）。以這種方式定義的時間，無論哪個人用哪種姿勢來記錄這個過程，都能計算出相同的時間，即客觀時間。

然而，經典物理學定義的時間有一個缺陷——沒有方向性，原因是經典物理學中的物理過程是可逆的，時間的正流或倒流都不影響牛頓定律發揮作用。而這個問題一直困擾著牛頓，最後不得不求助上帝，說時間流動方向是上帝規定的。

直到牛頓去世123年之後的1850年，科學家終於給時間找到了方向，這就是我之前（特別在上文中）多次提到的熱力學第二定律——熵增定律。

不過，熵增定律在骨子裡暗示了宇宙終極命運的一種假說——熱寂——再也沒有任何可以維持運動或是生命的能量存在，宇宙最終將一片死寂。這種預言讓很多科學家很不舒服，並試圖改變這種宿命。他們提出，熱力學第二定律看似很符合我們的常識，卻只不過是宏觀上用統計和概率建立起來的理論而已。假如我們仔細觀察教科書上的熱力學系統，就會發現這個系統的組成單元，仍然是一個個理想的小球，而且還都是遵循著經典物理學的規律。也就是說，它們沒有時間的方向性。這說明了熵增定律的時間箭頭可能也並不那麼牢靠。

法國最偉大的數學家、理論科學家和科學哲學家亨利·龐加萊甚至提出：宇宙會回到原來的一個狀態，只要時間足夠長。因為，從宇宙的尺度上來看，時間是無窮的，而宇宙中的粒子總數又是有限的，所以只要經過足夠長的時間之後，宇宙中的所有粒子總會回到以前的某一狀態。這樣一個周期就稱為一個「龐加萊回歸」。

2018年3月，維也納大學的研究人員成功地在一套多粒子量子系統中，證實了一種「龐加萊回歸」現象，其研究結果已在《科學》期刊上發表。

用一個我們可見的事件來比喻吧：一副亂序的撲克牌，重新洗牌N次（只要N足夠大），便可以整理到買回來時的順序，因為排列的數量總是有限的。有電腦程式的演示，將10張撲克牌洗牌100多萬次，就能回到最初的排序。

由此推論，儘管概率幾乎為零，時間倒流也不是100%絕對不可能的。這樣看來，諾蘭將其作為《信條》的科幻設定倒也沒毛病。

接下來，再談一下「祖父悖論」——一種時間旅行的悖論。法國科幻小說家赫內·巴赫札維勒（René Barjavel）在他1943年的小說《不小心的旅遊者》（Le Voyageur Imprudent）中，最先提出了「祖父悖論」，情景如下：

假如你回到過去，在自己父親出生前把自己的祖父母殺死，但此舉動會產生一矛盾的情況：你回到過去殺了你年輕的祖父，祖父死了就沒有父親，沒有父親也不會有你，那麼是誰殺了祖父呢？ 或者也可以看作：你的存在表示，祖父沒有因你而死，那你何以殺死祖父？

這就是祖父悖論。很顯然在《信條》中，祖父悖論的問題也沒有獲得妥善解決。

而解決祖父悖論最好的辦法，迄今為止，還只能用量子力學中的「老梗」——平行世界才能自圓其說（我在這個《超越時空》專欄之中，曾用了三篇文章《平行宇宙可成真？（上、中、下）》談了平行世界，請先回上去再看一下）。

物理學家（如大衛·多伊奇（David Deutsch））認為，也許世界是由無數個量子平行宇宙所組成，當某人回到過去殺你的祖父母時，此人殺的其實是另一個宇宙的人（或者你的這個舉動也可以創造一個新的平行宇宙），而此人的「祖父」或「祖母」的死，只會使那個平行宇宙的此人不再存在，而這個平行宇宙的此人（那個平行世界中此人的counterpart，副本）則平安無事。

在《信條》中，諾蘭顯然也知道故事線陷入了祖父悖論之中，雖然也提到並解釋了平行世界，可沒有運用平行世界來推動這個故事，可能因為不搭吧。

下文再接著談《信條》中多次提到、和時間倒流相關的反物質。

2020年10月12日寫於多倫多