《信條》——熵增定律 時間倒流 做自己的「麥克斯韋妖」

《信條》劇照

最近電影圈最著名的事件，莫過於著名導演克里斯多福·諾蘭的電影《信條》的熱映了。小編在震撼的音畫效果和虛幻的劇情設定中暈頭轉向，回頭看到朋友圈和各大社交平臺上也是一片「腦細胞耗盡」的哀嚎……

在大家「難道讀書少就看不懂電影？」這種自我感嘆的同時，小編拿著自己手中二刷的電影票，沒有一絲絲的膽怯的情況下準備先給自己充充電。抱著要深入理解電影，體會導演的思想情感的出發點。（其實是和小夥伴炫耀我看明白了一點點……）經過了小小的文獻調研與學者諮詢。今天來給大家講講《信條》之中我們需要了解的科學知識。

一、熵增定律的世界，令人絕望的真理

電影中有一個貫徹始終的設定與理論基礎。導演將「熵」這一概念與時間相結合，設定了「熵增的方向與時間流逝的方向相同」這一指導思想。提到熵增定律，我們首先要了解一下熱力學的三大定律。

熱力學第一定律

熱力學第一定律：能量守恆定律：一個熱力學系統的內能增量等於外界向它傳遞的熱量與外界對它所做的功的和。(如果一個系統與環境孤立，那麼它的內能將不會發生變化。)能量既不能憑空產生，也不能憑空消失，它只能從一種形式轉化為另一種形式，或者從一個物體轉移到另一個物體，在轉移和轉化的過程中，能量的總量不變。

能量守恆定律

在能量守恆定律提出之前，人類一直幻想著可以製造一種，不需要消耗任何能量卻能源源不斷對外做功的神奇機器。這種機器被稱為「第一類永動機」隨著熱力學第一定律的提出，科學界也通過擲地有聲的真理，莊嚴宣告了第一類永動機幻想的徹底破滅。

熱力學第二定律

熱力學第二定律有幾種不同的表述形式：

克勞修斯表述：熱量可以自發地從溫度高的物體傳遞到較冷的物體，但不可能自發地從溫度低的物體傳遞到溫度高的物體。

開爾文-普朗克表述：不可能從單一熱源吸取熱量，並將這熱量完全變為功，而不產生其他影響。

熵表述：隨時間進行，一個孤立體系中的熵不會減小。

熱力學第二定律的熵表述，也就是廣為人知的熵增定律：孤立熱力學系統的熵不減少，總是增大或者不變。用來給出一個孤立系統的演化方向。說明一個孤立系統不可能朝低熵的態發展即不會變得有序。

「熵」這一概念最早在1865年由德國物理學家克勞修斯提出。化學及熱力學中所指的熵，是一種測量在動力學方面不能做功的能量總數。熵亦被用於計算一個系統中的失序現象。通俗來說，熵指的是一個系統的混亂程度，熵值越大，系統越混亂。

熵增定律

1881年，美國的一位海軍發動機設計師設計了一種神奇的機械，該裝置計劃可以利用海水的熱量將液氨汽化，氣態的氨推動機械的運轉。當設計師滿心歡喜的將機器樣機製造出來時，卻失望的發現機器沒法連續運轉。其實這個機器是人類歷史上第一個成型的「第二類永動機」。因為汽化後的液氨在沒有低溫熱源存在的條件下無法重新液化，因而不能完成循環。熱力學第二定律的提出同樣從真理的角度，戳破了「第二類永動機」幻想的泡沫。

熱力學第三定律

熱力學第三定律也被稱為絕對零度定律。絕對零度時，所有純物質的完美晶體的熵值為零。或者絕對零度(T=0K即-273.15℃)不可達到。熱力學第三定律的提出也在理論層面給予熵增定律最強有力的支撐。「熵」這一概念也被廣泛的應用於自然科學的研究領域乃至百姓生活的方方面面。

絕對零度

熱力學第零定律

在三大定律之後，人們發現三大定律的存在並沒有一個穩定的地基支撐。於是科學家為了穩固熱力學三大定律，定義了熱力學第零定律：如果兩個熱力學系統均與第三個熱力學系統處於熱平衡，那麼它們也必定處於熱平衡。也就是說熱平衡是傳遞的。這一定律定義了「溫度」的概念。

熱力學第二定律也是熵增定律的基礎。他也被稱為任何物理定律的起點。很多科學家悲觀的說，熵增定律是讓宇宙明晰，讓萬物都絕望的終極定則。古往今來，你我在內的無數人都在思考著許多人生終極問題。宇宙的外面是什麼？我們為什麼不能發現外星人？生命的意義又是什麼？萬事萬物的終極時刻是什麼樣。回首這一切人類無釐頭的思考，可能這個「熵增定律」真的能解決人類的幾乎所有疑問。同時殘酷的是，這個定律讓人類平等，讓萬事萬物處於同一地平線。從某種意義上來說，人類改造宇宙，徵服萬物的野心在這一定律下也會變得死寂。這也是最令人絕望的真理。

宇宙萬物都遵循的定則

薛丁格說過：「人活著就是在對抗熵增定律，生命以負熵為生！」。也有學者說：「如果物理學只留下一條定律，我會選擇熵增定律」。可見熵增定律的重要。他就像懸在人間的一把達摩克利斯劍，指導著萬物向著熵增的方向發展，最終都會走向熱寂。如果有一天地球毀滅了，我們怎麼能在一張名片上寫下地球文明的全部精華，讓其他文明知道地球文明曾經的存在？有學者回答道：我只需要寫下三個公式，1+1=2展示數學文明，愛因斯坦的質能方程以及熵的定義。

熵增定律包括所有生命與非生命的演化規律。大家有沒有這樣一種體驗，辦公桌如果不收拾就會越來越亂，充電線如果放在包包裡就會亂作一團，電腦如果不清理垃圾文件會越來越卡，熱氣騰騰的卡布奇諾會越來越涼。而放眼宇宙，包括太陽在內的所有恆星都會凋亡，最後宇宙歸於熱寂。

生活中的熵增定律

讓我們再來回顧一下這個令人絕望的熵增定律：孤立系統中，如果沒有外力做工，系統的總混亂度（熵）會不斷增大。

拆解這條定律，我們發現三個特別重要的關鍵點：一個孤立的系統、無外力做功、總混亂度。熵可以被看做一種不可利用的能量，不可逆並且會不斷增加。從這裡就可以推理出剛才所有問題的答案。恆星終將湮滅，生命終將消失。物體從有序慢慢變得混亂無序，這一定律，萬物無一倖免。

二、克服熵增的力量，時間倒流的方向

一般情況下，封閉系統總熵總是增加。那麼一個普遍的規律是，把熵增的方向定義為時間流逝的方向。也就是時間箭頭。這種定義在理論上可以解釋，類似於中學階段學習過的向量映射，可以規定方向，但是物理含義尚不明晰。需要進一步的論證。

那麼，《信條》中時間倒流的設定。通過外界的努力，實現「熵減」從而做到時間倒流，這種假設可行麼？

時間倒流

家中灰塵越來越多，散落一地。使用吸塵器耗費電能使灰塵聚集到吸塵器的集塵盒中。熵值減小了。可是很顯然，吸塵器並沒有帶我們回到那個熱血傳奇，三國分天下的東漢末年。準確來說，一個可以引起熵減的機器，不一定可以引發時間倒流。

在《信條》中，「逆向子彈」被看成了時間倒流的獨立個體，而周圍的所有景物的時間指向熵增的順流方向。這裡引用科學家的一個猜想：引用相對論中，在平坦的時間和空間內，每一個時空點都有上下兩個光錐，上方的光錐，時間指向未來；下方的光錐，時間指向過去。而在引力的作用下，時空不再平坦，光錐發生倒轉，時間線閉合形成一個圈圈。這時候，我們就可以回到過去了。

而如果將熵定義為時間箭頭，就要賦予熵一個靠譜的物理意義。2010年科學家提出「熵力」的概念，熵增加的方向被定義為引力的方向。這裡的引力不僅僅是一個單純的相互作用力。把這個「熵力」假想成熵的相互作用。假想兩個物體之間有一個熵的分界線，隨著距離的增加，引力增加，分界線處熵值增加。兩個物體的熵值則一個增加的同時，另一個因為相互作用必然減少。而系統總熵增加，當距離無限小時，熵減的模型就有存在的可能性。這樣在熵減小的物體表面，也就存在著時間倒流。

電影中時空旋轉門出來的人是逆著時間運動的。《信條》中設定為反物質。那反物質有什麼科學基礎呢？一般來說，原子中質子是帶正電荷的，電子是帶負電荷的，熵增方向是粒子的發展方向。而反物質帶有著相反的極性電荷，電荷的相互作用使得反粒子具有熵減的可能。一般來說這種自發趨勢熵減的粒子，具有逆著時間運行的趨勢。這種時空倒流的粒子也是反物質假說中的反粒子。當正反粒子相互對撞，類似於高能粒子對撞產生的巨大能量足以摧毀一切。所以電影中穿梭旋轉門的人穿上了厚厚的防護服，來分擔粒子對撞能量所產生的爆炸衝擊波。

《信條》劇照

作為一個科幻電影，利用熵增定律和時間箭頭來給我們上演了一個時間倒流的奇幻戲碼，在感嘆導演腦洞大開，劇情天馬行空，超人想像力的同時，我們回頭看看所有的猜想。所有電影中關於時間倒流的猜想，都在熵增定律上戛然而止。這個令萬事萬物絕望的鐵律，禁錮著滄海星塵的發展與運行。但是，值得慶幸的是，這一鐵律禁錮不住導演的天馬行空，使得我們可以看到這麼腦洞大開的科幻作品，同時這一鐵律禁錮不住每一個追夢人改變時間，抵抗熵增的決心與野心。就是因為這份不服輸不認命，讓我們人類社會的發展進步升華。

三、對抗鐵律，做自己的「麥克斯韋妖」

要想克服熵增，實現熵減，就一定要支出能量，付出非常大的代價。夏天將室內的熱量帶走，需要耗費讓無數家庭心痛的金錢才能換來的巨量電能；想在每天早上頂著刺耳的鬧鐘起床洗漱去上班，就要克服巨大的起床氣來面對現實的冰冷和無情。似乎大多數人，都處於極度的「熵增」狀態，生活也都是一地雞毛。似乎我們長大成人的那一刻起，世界就越來越無序。

世界是殘酷的，但是人是具有主觀能動性的。我們每天的工作的努力，難道不也是一種很偉大的熵減運動麼？每天給自己制定記得小目標，一件一件的完成，哪怕中途來了許多麻煩的事，我們也是安排時間，一個一個解決他。我們每一個人都是一個製造「熵減」的「機器」，為這個世界的熵增提供微不足道但是卻充滿意義的一點阻力。可能這一點阻力的實現，過程十分繁瑣，體驗極其痛苦。不過有時候想一想，我們的努力實現了世界的「熵減」，讓宇宙的滅亡推遲了一點點呢，是不是覺得，我們的努力變得意義非凡，神聖偉大和很多？

生命以負（chi）熵（fan）為生。而我們如何做才能讓熵減實現呢？我們回到熵增定律的定義中：當有外力對封閉系統做功時，熵可能會減小；當封閉系統增大時，熵值也可能減小。那麼我們努力熵（zhuan）減（qian）的基本方法就是：努力開放系統，努力做對抗熵增的功。可能這個過程必定是痛苦的過程。比如說我們換了一個新的工作環境，必然會手足無措，焦慮不安。但是，這也是一個擴大封閉系統的過程。這個過程一定會導致一個熵減的趨勢。我們要在新的環境中努力工作，積極學習，拓展人脈。這些努力都是在給屬於你的封閉系統中做熵減的功。

鳥類長出翅膀，對抗熵增

熵減的過程，在數學上是一個非線性的過程。通俗的來說，一開始一個微小的努力可能無法造成什麼明顯的進步，但是多於積累，量變變成質變，慢慢的你會發現，一個微小的努力總有一天會引起指數級別的進步。也許你現在做的很多事情，對於你的生活和學習都沒有明顯的效果，但是別灰心，只要你保持熵減的趨勢，總有一天你會迎來屬於你自己的開掛人生。

回望自然界，因為有了生命的存在，自然界的熵增過程才有可能發生減緩。尤其在人類這種高智能生物出現之後。提高系統的智能化也是實現熵減的優秀渠道。可以說，宇宙的總熵還是幾乎不被影響的增加的，但是如果出現智能生命有熵減的趨勢，他周圍的環境必然出現急劇的熵增。所以，生命就要不斷的進化，優勝劣汰適者生存。鳥兒進化出飛翔的翅膀，烏龜進化出厚厚的盔甲。他們的進化也是在用自己的熵減對抗著環境的熵增。生命的進化史，也是對抗熵增的血淚史，同樣是自然選擇，適者生存的發展史，造就的地球的生物多樣性，完善了豐富多彩的大千世界。

小到個人，大到宇宙，沒有人可以逃過熵增定律。我們的宇宙因為幾乎不可能出現外界的能量輸入，所以總有一天，宇宙會一片死寂。但是人類文明的出現實現了熵增趨勢的大減緩。在太陽熄滅之前，我們可以在科技發展的背景下實現星際移民。大膽猜想一下，英國物理學家弗裡曼·戴森曾經提出一種「戴森球」系統。通過巨大的「戴森球」將恆星系徹底包裹，將恆星的所有熱量鎖定在球體內，能量會被星系中的文明無限利用。

麥克斯韋妖

這裡，我們引用物理界的四大神獸之一——麥克斯韋妖。物理學中，假想的能探測並控制單個分子運動的「類人妖」或功能相同的機制，是1871年由英國物理學家麥克斯韋為了說明違反熱力學第二定律的可能性而設想的。麥克斯韋設想了一個無影無形的精靈(麥克斯韋妖)，它處在一個盒子中的一道閘門邊，它允許速度快的微粒通過閘門到達盒子的一邊，而不允許速度慢的微粒通過閘門到達盒子的另一邊。這樣，一段時間後，盒子兩邊產生溫差。這個妖怪雖然不能自發產生，但是我們人類早就有能力建立一個需要消耗能量的小妖精來實現熵減過程。其實，我們每個人都是自己小世界的小妖精，每天努力一點點讓自己的小世界變得有序一下，也是人生的意義呀。

再回頭看一看《信條》這部燒腦的電影，可能也變得稍微通俗易懂一些。熵增定律無法改變，世界變化的趨勢不可逆轉，我們每個人也都是茫茫宇宙中被順水推行的一葉扁舟。但是換個角度來講，我們的小小努力都會成為推動世界進步的一份力量。所以我們要一直加油鴨！

來源：中國科學院工程熱物理研究所