熵增能否确定时间的方向 ——《信条》中的科学问题
  • 来源:科普时报
  • 作者:陈思进
  • 2020-11-05 09:57

在上文《熵减会引发时间倒流吗——《信条》中的科学问题(上)》中,我谈了诺兰的新科幻大片《信条》中最主要的科幻设定——熵会随着时间的流逝自然增加,但并不是说,熵减会引发时间的倒流,熵和时间并不是这样对应的。

    不过,后来又了解到,诺兰的《星际穿越》的科学顾问基普·索恩,也是《信条》科学顾问,据说,他给《信条》中时间逆行的设定推算了好几页公式,也就是说,就像《星际穿越》快结束时的那一幕——主人公父亲跳进黑洞,穿越时空,将信息传给远隔万千光年之外的地球上的女儿——一样,熵减引发时间的倒流至少在理论上是可行的。

    对此,让我们从时间讲起。

    人,生而就能感知时间。请大家闭上眼睛,体会一下时间的流逝,问自己是怎样感知它的,无论如何最后都将归结于记忆。不过,作为凡人,我们只能记得过去的事情,并不能“记”起未来的事。因此,我们所感知的时间(也叫“心理时间”),具有一个天然的方向——从过去到未来。

    但对于追求理性的科学家来说,这种主观感性的时间很“糟糕”,得找到一个客观的、不以人类意志为转移的时间尺度。于是,出现了经典物理学上用物体的位移距离(一般用s表示)除以速度(v),就能得到经历的时间(t=s/v)。以这种方式定义的时间,无论哪个人用哪种姿势来记录这个过程,都能计算出相同的时间,即客观时间。

    然而,经典物理学定义的时间有一个缺陷——没有方向性,原因是经典物理学中的物理过程是可逆的,时间的正流或倒流都不影响牛顿定律发挥作用。而这个问题一直困扰着牛顿,最后不得不求助上帝,说时间流动方向是上帝规定的。

    直到牛顿去世123年之后的1850年,科学家终于给时间找到了方向,这就是我之前多次提到的热力学第二定律——熵增定律。

    不过,熵增定律在骨子里暗示了宇宙终极命运的一种假说——热寂——再也没有任何可以维持运动或是生命的能量存在,宇宙最终将一片死寂。这种预言让很多科学家很不舒服,并试图改变这种宿命。他们提出,热力学第二定律看似很符合我们的常识,却只不过是宏观上用统计和概率建立起来的理论而已。假如我们仔细观察教科书上的热力学系统,就会发现这个系统的组成单元,仍然是一个个理想的小球,而且还都是遵循着经典物理学的规律。也就是说,它们没有时间的方向性。这说明了熵增定律的时间箭头可能也并不那么牢靠。

    法国最伟大的数学家、理论科学家和科学哲学家亨利·庞加莱甚至提出:宇宙会回到原来的一个状态,只要时间足够长。因为,从宇宙的尺度上来看,时间是无穷的,而宇宙中的粒子总数又是有限的,所以只要经过足够长的时间之后,宇宙中的所有粒子总会回到以前的某一状态。这样一个周期就称为一个“庞加莱回归”。

    2018年3月,维也纳大学的研究人员成功地在一套多粒子量子系统中,证实了一种“庞加莱回归”现象,其研究结果已在《科学》期刊上发表。

    用一个我们可见的事件来比喻吧:一副乱序的扑克牌,重新洗牌N次(只要N足够大),便可以整理到买回来时的顺序,因为排列的数量总是有限的。有电脑程序的演示,将10张扑克牌洗牌100多万次,就能回到最初的排序。

    由此推论,尽管概率几乎为零,时间倒流也不是100%绝对不可能的。这样看来,诺兰将其作为《信条》的科幻设定倒也没毛病。

    接下来,再谈一下“祖父悖论”——一种时间旅行的悖论。法国科幻小说家赫内·巴赫札维勒在他1943年的小说《不小心的旅游者》中,最先提出了“祖父悖论”,情景如下:

    假如你回到过去,在自己父亲出生前把自己的祖父母杀死,但此举动会产生一矛盾的情况:你回到过去杀了你年轻的祖父,祖父死了就没有父亲,没有父亲也不会有你,那么是谁杀了祖父呢? 或者也可以看作:你的存在表示,祖父没有因你而死,那你何以杀死祖父?

    这就是祖父悖论。很显然在《信条》中,祖父悖论的问题也没有获得妥善解决。

    而解决祖父悖论最好的办法,迄今为止,还只能用量子力学中的“老梗”——平行世界才能自圆其说。

    物理学家大卫·多伊奇认为,也许世界是由无数个量子平行宇宙所组成,当某人回到过去杀你的祖父母时,此人杀的其实是另一个宇宙的人(或者你的这个举动也可以创造一个新的平行宇宙),而此人的“祖父”或“祖母”的死,只会使那个平行宇宙的此人不再存在,而这个平行宇宙的此人(那个平行世界中此人的counterpart,副本)则平安无事。

    在《信条》中,诺兰显然也知道故事线陷入了祖父悖论之中,虽然也提到并解释了平行世界,可没有运用平行世界来推动这个故事,可能因为不搭吧。

    下文再接着谈《信条》中多次提到、和时间倒流相关的反物质。

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