諾蘭給《信條》設(shè)了多高的認(rèn)知門檻？這里有一本“時(shí)間逆轉(zhuǎn)”說明書

武文浩

《信條》電影海報(bào)

《信條》（TENET）正在熱映中。不同于克里斯托弗·諾蘭此前的另外兩部科幻大作《盜夢空間》和《星際穿越》，前者有著精妙絕倫的場景設(shè)計(jì)和劇情安排，后者有著氣勢磅礴的宇宙觀和堅(jiān)實(shí)的科學(xué)基礎(chǔ)，同時(shí)，這兩部電影都花了很大篇幅去向觀眾說明 “穿越夢境” 與“穿越宇宙”所需具備的技術(shù)條件，所以在后面情節(jié)繼續(xù)發(fā)展時(shí)，觀眾們其實(shí)已經(jīng)做好了相應(yīng)的知識儲備，在感官上不會有太多的斷檔。

而反觀《信條》，諾蘭這次并沒有花太多的筆墨去解釋如何實(shí)現(xiàn)時(shí)間逆轉(zhuǎn)、如何通過轉(zhuǎn)換門實(shí)現(xiàn)熵增熵減、時(shí)間鉗形戰(zhàn)術(shù)如何實(shí)施、自由意志到底能不能改變因果等問題，所有這些問題都是通過片中人物的簡短對話完成的，甚至就連本片的“立足之本”——熱力學(xué)第二定律，也只是花了幾分鐘時(shí)間由一位女科學(xué)家向男主角做了簡單科普，最后扔下一句：不要嘗試去理解，感受就好……

如果看過多次《盜夢空間》和《星際穿越》后，再來看《信條》，會明顯感覺諾蘭這次是在刻意淡化對科學(xué)概念的解釋，一上來就是激烈的槍戰(zhàn)及爆破場面，甚至在電影開場的那場槍戰(zhàn)中，在毫無鋪墊的情況下，已經(jīng)出現(xiàn)了由時(shí)間逆向物質(zhì)制成的子彈。所以全片給人的感覺是導(dǎo)演在 “強(qiáng)迫” 觀眾接受影片對時(shí)間機(jī)制的設(shè)定。

很好的一個(gè)印證就是，每當(dāng)主角詢問諸如熵、時(shí)間逆行、自由意志、因果律等問題時(shí)，得到的答案往往是“無法解釋”。這屬于非常典型的諾蘭敘事風(fēng)格：我提到了，那就是說了;只要我說了，你就應(yīng)該信……而且諾蘭在《信條》中，把這種風(fēng)格發(fā)揮得更加盡致。

但在技術(shù)原理上著墨不多，并不意味著影片基礎(chǔ)科學(xué)性的缺乏，畢竟，諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)得主基普 · 索恩在出任過《星際穿越》的科學(xué)顧問后，也親自審閱了《信條》的劇本，并梳理了其中的相關(guān)科學(xué)概念。

影片的基礎(chǔ)是熱力學(xué)第二定律，即熱力學(xué)過程是不可逆的，孤立系統(tǒng)總是自發(fā)朝熱力學(xué)平衡方向演化;同理，時(shí)間也是單向流動(dòng)的，一個(gè)系統(tǒng)會隨著時(shí)間推移而熵增，系統(tǒng)也會變得越來越無序，我們可以以此來區(qū)分過去和未來。

但如果這個(gè)過程反過來呢？讓一個(gè)系統(tǒng)熵減，熱力學(xué)過程逆向，是否就意味著可以穿越回到過去（時(shí)間倒流）？電影就是基于這個(gè)假設(shè)，而影片中出現(xiàn)的那個(gè) “轉(zhuǎn)換門” 就是完成這個(gè) “逆向轉(zhuǎn)換” 的關(guān)鍵。

《信條》絕對可以算得上年度燒腦大作，雖然有一定的科學(xué)理論基礎(chǔ)，但情節(jié)都是基于假設(shè)，對一些科學(xué)概念做了天馬行空的演繹。但單說熵減（這被科學(xué)家看成是某種意義上的 “時(shí)間逆行”）這件事，一直以來就不乏頂尖學(xué)者在這方面進(jìn)行探索。雖說難以在宏觀層面實(shí)現(xiàn)，但在微觀層面，科學(xué)家們已經(jīng)開始取得一系列理論及實(shí)踐方面的重要進(jìn)展。

微觀層面的 T 對稱

我們先看下《信條》里至關(guān)重要的科學(xué)基礎(chǔ)——熱力學(xué)第二定律。實(shí)際上，這一著名定律也是物理學(xué)中，有關(guān)時(shí)間最為經(jīng)典的輔助定義。它是物理中少有的幾個(gè)涉及時(shí)間流向的定理，其中所談及的熵（Entropy，用于描述一個(gè)系統(tǒng)的混亂程度）在與外界獨(dú)立的一個(gè)系統(tǒng)內(nèi)被認(rèn)為是只增不減，對事物演變過程的 “前” 與“后”做了區(qū)分，規(guī)定了時(shí)間的流向。

盡管這一概念比較抽象，但我們通常都對此有著直覺性的認(rèn)知。舉個(gè)例子，一段記錄一團(tuán)篝火將旁邊的冰塊慢慢融化掉的視頻，正向播放的話，篝火中新添的木頭逐漸從木色變?yōu)闊购蟮暮谏?，旁邊的冰塊也會逐漸從冷得冒煙變成地上的一灘水;反向播放的話，冰塊會從一灘水慢慢回流并凝結(jié)，最終變回一開始那個(gè)冷得冒煙的冰塊，篝火中的木塊也會從黑色一點(diǎn)點(diǎn)地變回木色，恢復(fù)被燃燒前的樣子。

盡管生活經(jīng)驗(yàn)讓我們能夠輕松分辨視頻的正向播放與反向播放，但反向播放所呈現(xiàn)出的這種逆過程，其實(shí)除了熱力學(xué)第二定律外，并沒有違反太多的物理定律。實(shí)際上，基于物理中關(guān)于時(shí)間對稱的概念，也稱 T 對稱，大多數(shù)物理原理在時(shí)間倒流的情況下依然成立;但熱力學(xué)第二定律中的熵增定理，使得宏觀過程的 T 對稱成為了不可能，這也是為什么我們不會在宏觀層面看到由冰融化后的水，在室溫環(huán)境下又凝結(jié)成為原來的冰。但在《信條》中，非孤立系統(tǒng)中出現(xiàn)了熱二律逆向的子彈。

劇中時(shí)間逆轉(zhuǎn)場景

粒子狀態(tài)的“時(shí)間反轉(zhuǎn)”

然而，雖然宏觀層面上不行，但 T 對稱在微觀層面上卻是可行的，甚至堪稱常見。比如一團(tuán)煙霧被風(fēng)吹動(dòng)的過程，雖然宏觀上煙被吹成了特定形狀，但如果只從微觀層面觀察單個(gè)煙霧顆粒被吹動(dòng)的過程，我們就很難判斷這一過程究竟是在被正放，還是倒放，換句話說，熵的影響僅在我們觀察較大的系統(tǒng)時(shí)才會比較明顯，隨著我們觀測的尺度越來越小，其存在感會變得越來越微不足道。而物理學(xué)家們也正是由此，才得以在微觀層面實(shí)現(xiàn)了所謂的時(shí)間反轉(zhuǎn)。

粒子狀態(tài)的“時(shí)間反轉(zhuǎn)”

對于微觀層面的“時(shí)間反轉(zhuǎn)”，一直有科學(xué)家在開展研究。就在近日，美國阿貢國家實(shí)驗(yàn)室的瓦萊里·維諾庫和莫斯科物理技術(shù)學(xué)院的安德烈·列別杰夫取得了一項(xiàng)最新進(jìn)展。他們在2020年7月發(fā)表的論文《未知量子狀態(tài)的時(shí)間反轉(zhuǎn)》中指出，物理學(xué)中有關(guān)時(shí)間的定義與我們在日常生活中所使用的時(shí)間概念相比，盡管在哲學(xué)上有著相似之處，并存在一些共通點(diǎn)，但從細(xì)節(jié)上來說，可以是完全不同的兩種事物。或許也正是因?yàn)檫@種不同，當(dāng)今的物理學(xué)家們才得以另辟蹊徑，有可能在精心構(gòu)建的算式和量子系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)物理中的時(shí)間反轉(zhuǎn)。

這支俄美科學(xué)家團(tuán)隊(duì)，在去年春季就曾發(fā)表過一篇題為《IBM 量子計(jì)算機(jī)中的時(shí)間之箭與其逆演變》的論文，并在當(dāng)時(shí)引起了巨大轟動(dòng)，許多媒體都曾以“科學(xué)家實(shí)現(xiàn)時(shí)間倒流”為題，對該研究進(jìn)行了報(bào)道。然而，這兩項(xiàng)研究中所涉及的 “時(shí)間” 概念，其實(shí)并非我們?nèi)粘Ｉ钪兴熘捏w感時(shí)間。而是我們前面所談到的，源于熱力學(xué)第二定律的物理時(shí)間，即事物的狀態(tài)是否是在由較為有序發(fā)展為較為無序（熵增的概念）。

漢密爾頓運(yùn)算符H 與描述粒子狀態(tài)的波方程Ψ

具體來說，該團(tuán)隊(duì)早前的那次實(shí)驗(yàn)，在一個(gè)僅配置兩到三個(gè)量子比特的量子計(jì)算設(shè)備上，在已知量子比特的起始量子態(tài)和終末態(tài)（也就是當(dāng)前態(tài)）的情況下，模擬量子比特的量子態(tài)逆向發(fā)展的過程，讓其從終末態(tài)變回起始態(tài)。而在這一過程中，我們的體感時(shí)間仍是向前流動(dòng)的，時(shí)間并沒有被倒流。通俗來說，這就好比是倒放一段水從茶壺中被倒入茶杯的視頻，視頻只是看上去像是時(shí)間被倒流了，但你我都知道真正的時(shí)間流向并未發(fā)生改變，你甚至還是在正向流動(dòng)的時(shí)間中觀看了那段被倒放的視頻。

逆演變

之前提到，團(tuán)隊(duì)此前的研究是建立在 “已知量子比特的初始態(tài)和終末態(tài)” 這一條件上的，而如要將其成果應(yīng)用于量子比特糾錯(cuò)，就會因大量量子比特初始態(tài)信息的存儲問題而對設(shè)備的內(nèi)存造成負(fù)擔(dān)。

該團(tuán)隊(duì)去年的研究曾借助IBM 的量子計(jì)算機(jī)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)

根據(jù)團(tuán)隊(duì)此次在《物理通訊》上發(fā)表的新論文，他們或已成功開發(fā)出一套能將量子比特的量子態(tài)，從終末態(tài) “逆變換” 為未知初始態(tài)的算法。雖然該算法由于設(shè)備原因尚未被實(shí)際驗(yàn)證，但團(tuán)隊(duì)認(rèn)為，如果能在現(xiàn)有量子計(jì)算設(shè)備中，在其有限的運(yùn)行溫度環(huán)境下以 “熱庫（thermal reservoir，一個(gè)熱容足夠大的熱力學(xué)系統(tǒng)，對系統(tǒng)添加或抽取一定的熱量不會使系統(tǒng)的溫度發(fā)生變化）” 的形式，來分析量子比特的一個(gè)給定的量子態(tài)，并逐漸提升系統(tǒng)內(nèi)的熵值，便可使對當(dāng)前給定量子系統(tǒng)制備一個(gè)備用系統(tǒng)成為可能，進(jìn)而通過與給定系統(tǒng)相同的，負(fù)責(zé)掌管量子系統(tǒng)如何演變的漢密爾頓運(yùn)算符在數(shù)學(xué)上計(jì)算出能逆轉(zhuǎn)時(shí)間的運(yùn)算符（施加于描述粒子狀態(tài)的方程上的各種運(yùn)算符可以幫助科學(xué)家從粒子的疊加態(tài)中提取信息，在實(shí)際使用時(shí)一般采用矩陣形式），并以此使系統(tǒng)“時(shí)間倒流”。

具體來說，團(tuán)隊(duì)實(shí)際上是用量子系統(tǒng)的密度矩陣（描述了一個(gè)混合量子態(tài)）定義了一個(gè)未知量子態(tài)的 “逆演變” 過程。在將這個(gè) “逆演變” 運(yùn)算施加在備用系統(tǒng)上時(shí)，研究人員并不一定要完全知曉備用系統(tǒng)當(dāng)前所處的狀態(tài)，而系統(tǒng)即將 “逆變” 為的初始態(tài)也可是以一種 “混合態(tài)”，即一種并不需被研究人員百分之百知曉的狀態(tài)被假定存在，研究人員只需將之前所提到的“逆時(shí)間運(yùn)算符” 多次作用在系統(tǒng)的狀態(tài)方程上，就能逐漸還原出系統(tǒng)在足夠長的一段時(shí)間前的狀態(tài)。

此外，根據(jù)論文給出的計(jì)算，這種逆變運(yùn)算在高熵環(huán)境內(nèi)的執(zhí)行難度會較其它情況更低一些，而研究人員也正是因此，才在量子計(jì)算設(shè)備的設(shè)計(jì)上提出要引 “熱庫” 的概念，目的其實(shí)就是為了提升逆變運(yùn)算的成功概率，使設(shè)備的使用者能 “矛盾地” 以一個(gè)當(dāng)前處于較高溫度環(huán)境（高熵）中的系統(tǒng)狀態(tài)，獲取該系統(tǒng) “過去” 那個(gè)處于較低溫度環(huán)境中的（低熵）狀態(tài)。

對于作為普通讀者的你，上面兩段內(nèi)容或許如同天書，在此給出一個(gè)你能理解的類比以幫你認(rèn)識這種非同尋常的算法：針對一張球形分布散亂無章的球臺，計(jì)算機(jī)在做出精確計(jì)算之后，對著白球擊出一桿，這一桿的力量經(jīng)過若干次碰撞傳導(dǎo)，最終讓桌上的所有臺球恢復(fù)到了最早擺好的初始狀態(tài)。

目前，由于還沒有可以在運(yùn)行過程中構(gòu)建熱庫的量子計(jì)算機(jī)，該算法還僅停留在理論階段。但團(tuán)隊(duì)認(rèn)為，將現(xiàn)有的量子計(jì)算設(shè)備升級為實(shí)驗(yàn)所需的設(shè)備并非難事，關(guān)鍵在于如何能使一組相互關(guān)聯(lián)的量子比特在溫度可控的環(huán)境中工作。對此，團(tuán)隊(duì)論文中提出，如能將超導(dǎo)量子比特與可放出輻射的導(dǎo)線相結(jié)合，便可使量子比特可以在導(dǎo)線所放出的輻射能影響下升溫，進(jìn)而達(dá)到進(jìn)行實(shí)驗(yàn)所需的條件。有部分專家學(xué)者認(rèn)為，該算法如被證實(shí)，將有望被用于改進(jìn)量子計(jì)算機(jī)內(nèi)的 “量子比特糾錯(cuò)” 功能，使人們不需再用好幾個(gè)額外的量子比特去給一個(gè)運(yùn)算用量子比特糾錯(cuò)，而是直接通過論文所闡述的這種方式使量子比特能不斷 “往前回溯” 自己的狀態(tài)，避免錯(cuò)誤的產(chǎn)生，進(jìn)而簡化量子計(jì)算機(jī)的設(shè)計(jì)。

講完了科學(xué)家所取得的最新進(jìn)展，我們還是說回電影。平心而論，《信條》上映后盡管以 “科幻”“燒腦” 而引起熱議，但實(shí)際上這部影片中并未出現(xiàn)什么新的科學(xué)或科幻元素。違背熱二律的事，金庸《天龍八部》中的那條冰蠶做過了;《信條》影片中，那些逆向熱二律的子彈并非是在孤立的封閉系統(tǒng)中行事，我們生活中的空調(diào)、冰箱每天都在干著類似的事。關(guān)于時(shí)間倒流，前幾年各類劣質(zhì)國產(chǎn)穿越劇幾乎把這個(gè)概念玩死;至于自由意志是否能決定世界未來，周星馳在《大話西游》中也做了粗淺的探討。真正需要嚴(yán)肅對待的是因果律破缺問題，但這個(gè)問題是沒法探討的——因果律不僅是所有科學(xué)定律推演和成立的基礎(chǔ)，也是邏輯的基礎(chǔ)，如果因果律真的破缺，則任何問題都將成為偽問題，如同霍金在《時(shí)間簡史》中所言，對于 “大爆炸之前宇宙處于怎樣一副狀態(tài)”之類問題的提出者，“我給他準(zhǔn)備好了墳?zāi)埂薄?/p>

顯然，作為娛樂大眾的電影，《信條》不會如此晦澀地去折騰這些科學(xué)研究，無論多么燒腦，諾蘭終究只是借了科學(xué)的外殼，至于影片內(nèi)容，借用一句臺詞：“你不必去理解，感受就好”。（本刊綜合整理》）（編輯/多洛米）