這裡是「沉思錄」，我們將在此進行一些學術領域的科普和介紹，科學與人文相伴，沉思以求真。我們沉思，並不僅僅是觀察各學術領域的發展，還有對學術進步下我們人類看待自己和彼此方式之變化的思考。
主角從此不再有身份，加入「信條」組織，成為無名氏，他的任務是保護全世界不要被逆時間毀滅。為了阻止政客薩特企圖毀滅人類的行為，以無名氏、尼爾和凱特為首的隊伍們來到薩特的基地，利用逆時間完成了任務，毀掉了薩特手中的時間炸彈，最終阻止了人類世界在逆時間中滅亡…
導演克里斯多福·諾蘭執導的科幻電影《信條》正在上映。對於這部情節複雜而燒腦的電影，觀眾們眾說紛紜，褒貶不一。在本期欄目，我們邀請了物理學專業的寫手Minister，他將從電影出發，深度解讀時間和熱力學熵兩個物理概念，幫助大家理解電影背後樸素的科學原理、探索我們生存的宇宙的命運。
宇宙之信條——時間與熱力學熵的故事
作者 | Minister
最近上映了一部十分熱門的科幻電影巨作：信條。看了電影的朋友們都說它十分燒腦。電影裡出現了一個很fashion，很前衛，但實際上很古老的名詞和概念，那就是「熵」。在電影中，來自未來的人們發明了一種「逆熵武器」，女科學家蘿拉負責對這種能夠逆轉時間的武器進行研究。
我們今天就來簡要地介紹一下「熵」這個玩意兒到底是什麼，以及它和時間究竟有著什麼樣的聯繫。揭開它神秘的面紗。
早在19世紀，伴隨著第一次工業革命的浪潮，以瓦特的蒸汽機為主要代表的熱機大規模地代替手工勞動，成為了歐洲的第一生產力，這也使得物理學的一個重要分支——熱力學，被那個時代的科學家們所關注。熱力學第二定律由物理學家開爾文勳爵和克勞修斯分別獨立地提出，它指出，一個孤立系統（即和外界沒有能量和物質交換的系統）的熵總是在增加。那麼，熵到底是什麼樣的物理量？
最初，克勞修斯在研究熱機的可逆過程時提出了克勞修斯不等式。可逆過程指的是熱機在循環工作一次時，熱機自身和外界環境都沒有發生任何改變的過程，也只有這樣的過程才是可逆的。克勞修斯指出，可逆過程滿足：
式中的δQ表示循環過程中熱機所獲得的熱量，δQ為正時表示熱機從環境中獲得熱量，為負時表示熱機向環境釋放熱量。對於不可逆過程，要把上式的等於號改為小於號。克勞修斯定義了一個新的物理量：ΔS = ΔQ/T ，在經過一系列的數學演算過後，他發現，對於可逆過程，ΔS = 0，而對於不可逆過程，ΔS ＞ 0。所以熱力學第二定律的數學表示就是：ΔS ≥ 0。克勞修斯將他定義的這一新物理量S稱為熵，但是當時，他還並不理解S的物理意義。
幾年後，玻爾茲曼和吉布斯等科學家發展了統計力學，玻爾茲曼首次將宏觀熱力學量與微觀粒子的運動狀態通過統計力學相聯繫，得到了一個偉大的公式：
式中，W表示的是微觀粒子運動的不同狀態數，對於通常的宏觀物體而言，由於構成物體的分子（原子）的數目多得驚人，W也是一個極其龐大的數字。這也就是說，一個系統的熵越大，微觀狀態數也就越多，這一體系也就越無序、混亂，而熱力學第二定律表明，一個孤立系統隨著時間的流逝，它總是朝著熵增大的方向演化，也就是它總會讓系統內部的微觀狀態變得更多，熱平衡即意味著微觀狀態數的最大化。這一公式讓人們更加深刻地理解了熱力學第二定律的內涵，人們為紀念玻爾茲曼所作的這一偉大貢獻，將這一公式永遠地銘刻在他的墓碑上。
熱力學第二定律也可以用來判定一個非平衡的宏觀系統隨著時間演化的方向。例如當一個高溫物體與另一個低溫物體接觸時，熱量將從高溫物體向低溫物體傳導，最終使得兩個物體溫度相同，即達到了熱平衡態，只有這個過程才滿足ΔS ≥ 0。而熱量自發地從低溫物體向高溫物體傳導，使得低溫物體變得更冷、高溫物體變得更熱的過程是不會出現的。
如果把整個宇宙看作一個孤立系統，那麼熱力學第二定律實際上規定了一條時間前進的方向，即時間的「熱力學箭頭」。當時間不斷地前進和流逝時，我們宇宙的熵也就在不斷地增加。那這是否意味著：如果我們能讓宇宙的熵減小，那麼就可以改變時間前進的方向，也就是說讓時光倒流呢？當然，現實生活中的我們將無從知曉。
回到「逆熵武器」。影片中，這種武器能讓使用它的人們沿著時間的未來向過去生活，他們同樣擁有自由意志，過的仍然是正常的生活，但在他們眼中，手錶與時鐘正在不斷地倒退，被風揚起的塵土逐漸聚成了地上的沙堆，汽車倒著前進，其他按照正常時間前進的人的生活都是反向的，果變成了因，因此他們幾乎可以肆意地改變過去從而毀滅過去的世界。而此時此刻，類似地，其他按照正常時間前進的人所看到的「逆熵人」的生活則也是正在倒退著的，例如電影中多次出現了逆向子彈，它其實就是「逆熵人」使用的槍所發射的，「逆熵人」看到子彈從槍膛射出，而我們則看到子彈從遠處的目標回到了槍膛。
電影當中還出現了一幕有趣的情節：特工男主角運用逆熵武器，穿梭回過去的時候遇到了過去的自己，並和他狠狠地掐了一架。無論是正向時間看還是反向時間看，這裡的每一處打鬥場面都能做到天衣無縫，不得不讚嘆一番諾蘭導演的電影智慧。
在熱力學第二定律被發現不久，克勞修斯和開爾文勳爵等科學家就將它推廣到全宇宙，他們認為，宇宙的最終命運是「熱寂」，即宇宙最終會趨向於熱平衡態，宇宙將會變得不再充滿生機和活力，像一團糊了的粥在一片死寂之中結束生命。「熱寂說」是熱力學第二定律的宇宙學推論，這一推論正確與否，曾引起了科學界和哲學界一百多年持續不斷的爭論。當然，在今天看來，有越來越多的觀測證據證明「熱寂說」是站不住腳的。
首先，克勞修斯和開爾文勳爵忽略了萬有引力起到的作用，而萬有引力是宇宙演化的根本動力。玻爾茲曼基於萬有引力的作用首先提出漲落理論，旗幟鮮明地反對「熱寂說」。我們知道，通常宏觀物體是由微觀的分子或原子構成的，分子、原子彼此間的相互作用是電磁相互作用，而電磁相互作用既有吸引力也有排斥力。正因電磁相互作用具有這樣的性質，使得細微的分子在運動的時候，不至於全都碰到一塊兒，也不至於永遠相互分離，這使得系統能夠達到熱平衡態。宏觀物體熵增的本質來源於電磁相互作用的這種性質。
但若我們考慮一個純粹引力系統（即每個粒子彼此之間只受到萬有引力作用），我們將會發現：系統永遠也達不到平衡態！它將在引力的作用下不斷地縮小、縮小，並將永遠縮小下去。在茫茫宇宙中，萬有引力是佔主導地位的，在宇宙裡的一些充滿了形狀不規則的星際氣體的區域，某些區域若出現了引力漲落的擾動，則氣體將會逐漸收縮，進而形成恆星、行星等形狀規則的天體。因此在通常宏觀物質上適用的結論無法簡單地推廣到宇觀物質中去。
其次，我們的宇宙正在不斷膨脹，膨脹也使宇宙永遠無法達到熱平衡態。在克勞修斯生活的19世紀，地心說和日心說的爭論早已結束，兩百多年前牛頓基於他的經典力學開創了天體物理學的先河。隨著人們對宇宙的觀測和認識不斷地深入，至19世紀時，歐洲和北美洲的科學家建立了標準宇宙模型（當時正值大不列顛女王維多利亞統治時期，故又稱為維多利亞宇宙），這就是那時候人們的宇宙觀。在維多利亞宇宙模型中，人們已經認識到了太陽系只是銀河系眾多行星系中的普通一員，地球也只是浩瀚宇宙中的滄海一粟。但是由於當時人們對星雲和其他星系的觀測能力不夠，人們認為宇宙中的恆星系只有我們的銀河系，而銀河系外是廣闊無垠的星際物質和真空。人們認為宇宙中的天體按照萬有引力定律所規定的軌道不斷地運動著，但作為背景時空的宇宙是不運動的，是靜態的。20世紀初的愛因斯坦也深受這樣的宇宙觀影響，1917年，他在發現廣義相對論兩年後提出的第一個宇宙模型就是靜態宇宙模型。
直到20世紀20年代，哈勃利用先進的高倍光學望遠鏡觀測遙遠星系的光譜時發現，遙遠的星系始終在離我們遠去，從而提出了膨脹宇宙模型。後來，膨脹宇宙模型逐漸發展成為熱大爆炸模型。這一模型認為，宇宙起源於一場大爆炸，大爆炸宣告了時空與物質的誕生，大爆炸之初的宇宙是十分高溫高熱的，且其中的所有物質均勻分布。隨後宇宙一直變冷並且膨脹至今，在膨脹的過程中，四種基本相互作用各顯神通，都不同程度地參與到了宇宙的演化過程，宇宙的物質也不再像一開始那樣均勻分布，漸漸變為今日我們仰望星空時所看到的美麗的模樣。
宇宙並不會走向「熱寂」，它在過去的150多億年裡，反而是越來越生機勃勃，它從原來的一無所有，演化到今天擁有星系群、恆星系、行星系、衛星系等多重有序而複雜的結構，還演化出了高度有序和複雜的、能夠親眼目睹和感受它的絢麗多彩的生命物質。我們人類也是宇宙演化的產物，是自然界的幸運兒，我們更應當珍惜和愛護我們現在唯一的家園——地球，愛護這個生我養我的大自然。
編輯 / Smarca
設計 / Fiore
插圖 / 由Minister提供