新知丨《信条》——熵增定律 时间倒流 做自己的“麦克斯韦妖”
2020/9/20 8:00:00 中科院之声
《信条》剧照
最近电影圈最著名的事件，莫过于著名导演克里斯托弗·诺兰的电影《信条》的热映了。小编在震撼的音画效果和虚幻的剧情设定中晕头转向，回头看到朋友圈和各大社交平台上也是一片“脑细胞耗尽”的哀嚎……
在大家“难道读书少就看不懂电影？”这种自我感叹的同时，小编拿着自己手中二刷的电影票，没有一丝丝的胆怯的情况下准备先给自己充充电。抱着要深入理解电影，体会导演的思想情感的出发点。(其实是和小伙伴炫耀我看明白了一点点……)经过了小小的文献调研与学者咨询。今天来给大家讲讲《信条》之中我们需要了解的科学知识。
一、熵增定律的世界，令人绝望的真理
电影中有一个贯彻始终的设定与理论基础。导演将“熵”这一概念与时间相结合，设定了“熵增的方向与时间流逝的方向相同”这一指导思想。提到熵增定律，我们首先要了解一下热力学的三大定律。
热力学第一定律
热力学第一定律：能量守恒定律：一个热力学系统的内能增量等于外界向它传递的热量与外界对它所做的功的和。(如果一个系统与环境孤立，那么它的内能将不会发生变化。)能量既不能凭空产生，也不能凭空消失，它只能从一种形式转化为另一种形式，或者从一个物体转移到另一个物体，在转移和转化的过程中，能量的总量不变。
能量守恒定律
在能量守恒定律提出之前，人类一直幻想着可以制造一种，不需要消耗任何能量却能源源不断对外做功的神奇机器。这种机器被称为“第一类永动机”随着热力学第一定律的提出，科学界也通过掷地有声的真理，庄严宣告了第一类永动机幻想的彻底破灭。
热力学第二定律
热力学第二定律有几种不同的表述形式：
克劳修斯表述：热量可以自发地从温度高的物体传递到较冷的物体，但不可能自发地从温度低的物体传递到温度高的物体。
开尔文-普朗克表述：不可能从单一热源吸取热量，并将这热量完全变为功，而不产生其他影响。
熵表述：随时间进行，一个孤立体系中的熵不会减小。
热力学第二定律的熵表述，也就是广为人知的熵增定律：孤立热力学系统的熵不减少，总是增大或者不变。用来给出一个孤立系统的演化方向。说明一个孤立系统不可能朝低熵的态发展即不会变得有序。
“熵”这一概念最早在1865年由德国物理学家克劳修斯提出。化学及热力学中所指的熵，是一种测量在动力学方面不能做功的能量总数。熵亦被用于计算一个系统中的失序现象。通俗来说，熵指的是一个系统的混乱程度，熵值越大，系统越混乱。
熵增定律
1881年，美国的一位海军发动机设计师设计了一种神奇的机械，该装置计划可以利用海水的热量将液氨汽化，气态的氨推动机械的运转。当设计师满心欢喜的将机器样机制造出来时，却失望的发现机器没法连续运转。其实这个机器是人类历史上第一个成型的“第二类永动机”。因为汽化后的液氨在没有低温热源存在的条件下无法重新液化，因而不能完成循环。热力学第二定律的提出同样从真理的角度，戳破了“第二类永动机”幻想的泡沫。
热力学第三定律
热力学第三定律也被称为绝对零度定律。绝对零度时，所有纯物质的完美晶体的熵值为零。或者绝对零度(T=0K即-273.15℃)不可达到。热力学第三定律的提出也在理论层面给予熵增定律最强有力的支撑。“熵”这一概念也被广泛的应用于自然科学的研究领域乃至百姓生活的方方面面。
绝对零度
热力学第零定律
在三大定律之后，人们发现三大定律的存在并没有一个稳定的地基支撑。于是科学家为了稳固热力学三大定律，定义了热力学第零定律：如果两个热力学系统均与第三个热力学系统处于热平衡，那么它们也必定处于热平衡。也就是说热平衡是传递的。这一定律定义了“温度”的概念。
热力学第二定律也是熵增定律的基础。他也被称为任何物理定律的起点。很多科学家悲观的说，熵增定律是让宇宙明晰，让万物都绝望的终极定则。古往今来，你我在内的无数人都在思考着许多人生终极问题。宇宙的外面是什么？我们为什么不能发现外星人？生命的意义又是什么？万事万物的终极时刻是什么样。回首这一切人类无厘头的思考，可能这个“熵增定律”真的能解决人类的几乎所有疑问。同时残酷的是，这个定律让人类平等，让万事万物处于同一地平线。从某种意义上来说，人类改造宇宙，征服万物的野心在这一定律下也会变得死寂。这也是最令人绝望的真理。
宇宙万物都遵循的定则
薛定谔说过：“人活着就是在对抗熵增定律，生命以负熵为生!”。也有学者说：“如果物理学只留下一条定律，我会选择熵增定律”。可见熵增定律的重要。他就像悬在人间的一把达摩克利斯剑，指导着万物向着熵增的方向发展，最终都会走向热寂。如果有一天地球毁灭了，我们怎么能在一张名片上写下地球文明的全部精华，让其他文明知道地球文明曾经的存在？有学者回答道：我只需要写下三个公式，1+1=2展示数学文明，爱因斯坦的质能方程以及熵的定义。
熵增定律包括所有生命与非生命的演化规律。大家有没有这样一种体验，办公桌如果不收拾就会越来越乱，充电线如果放在包包里就会乱作一团，电脑如果不清理垃圾文件会越来越卡，热气腾腾的卡布奇诺会越来越凉。而放眼宇宙，包括太阳在内的所有恒星都会凋亡，最后宇宙归于热寂。
生活中的熵增定律
让我们再来回顾一下这个令人绝望的熵增定律：孤立系统中，如果没有外力做工，系统的总混乱度(熵)会不断增大。
拆解这条定律，我们发现三个特别重要的关键点：一个孤立的系统、无外力做功、总混乱度。熵可以被看做一种不可利用的能量，不可逆并且会不断增加。从这里就可以推理出刚才所有问题的答案。恒星终将湮灭，生命终将消失。物体从有序慢慢变得混乱无序，这一定律，万物无一幸免。
二、克服熵增的力量，时间倒流的方向
一般情况下，封闭系统总熵总是增加。那么一个普遍的规律是，把熵增的方向定义为时间流逝的方向。也就是时间箭头。这种定义在理论上可以解释，类似于中学阶段学习过的向量映射，可以规定方向，但是物理含义尚不明晰。需要进一步的论证。
那么，《信条》中时间倒流的设定。通过外界的努力，实现“熵减”从而做到时间倒流，这种假设可行么？
时间倒流
家中灰尘越来越多，散落一地。使用吸尘器耗费电能使灰尘聚集到吸尘器的集尘盒中。熵值减小了。可是很显然，吸尘器并没有带我们回到那个热血传奇，三国分天下的东汉末年。准确来说，一个可以引起熵减的机器，不一定可以引发时间倒流。
在《信条》中，“逆向子弹”被看成了时间倒流的独立个体，而周围的所有景物的时间指向熵增的顺流方向。这里引用科学家的一个猜想：引用相对论中，在平坦的时间和空间内，每一个时空点都有上下两个光锥，上方的光锥，时间指向未来；下方的光锥，时间指向过去。而在引力的作用下，时空不再平坦，光锥发生倒转，时间线闭合形成一个圈圈。这时候，我们就可以回到过去了。
而如果将熵定义为时间箭头，就要赋予熵一个靠谱的物理意义。2010年科学家提出“熵力”的概念，熵增加的方向被定义为引力的方向。这里的引力不仅仅是一个单纯的相互作用力。把这个“熵力”假想成熵的相互作用。假想两个物体之间有一个熵的分界线，随着距离的增加，引力增加，分界线处熵值增加。两个物体的熵值则一个增加的同时，另一个因为相互作用必然减少。而系统总熵增加，当距离无限小时，熵减的模型就有存在的可能性。这样在熵减小的物体表面，也就存在着时间倒流。
电影中时空旋转门出来的人是逆着时间运动的。《信条》中设定为反物质。那反物质有什么科学基础呢？一般来说，原子中质子是带正电荷的，电子是带负电荷的，熵增方向是粒子的发展方向。而反物质带有着相反的极性电荷，电荷的相互作用使得反粒子具有熵减的可能。一般来说这种自发趋势熵减的粒子，具有逆着时间运行的趋势。这种时空倒流的粒子也是反物质假说中的反粒子。当正反粒子相互对撞，类似于高能粒子对撞产生的巨大能量足以摧毁一切。所以电影中穿梭旋转门的人穿上了厚厚的防护服，来分担粒子对撞能量所产生的爆炸冲击波。
《信条》剧照
作为一个科幻电影，利用熵增定律和时间箭头来给我们上演了一个时间倒流的奇幻戏码，在感叹导演脑洞大开，剧情天马行空，超人想象力的同时，我们回头看看所有的猜想。所有电影中关于时间倒流的猜想，都在熵增定律上戛然而止。这个令万事万物绝望的铁律，禁锢着沧海星尘的发展与运行。但是，值得庆幸的是，这一铁律禁锢不住导演的天马行空，使得我们可以看到这么脑洞大开的科幻作品，同时这一铁律禁锢不住每一个追梦人改变时间，抵抗熵增的决心与野心。就是因为这份不服输不认命，让我们人类社会的发展进步升华。
三、对抗铁律，做自己的“麦克斯韦妖”
要想克服熵增，实现熵减，就一定要支出能量，付出非常大的代价。夏天将室内的热量带走，需要耗费让无数家庭心痛的金钱才能换来的巨量电能；想在每天早上顶着刺耳的闹钟起床洗漱去上班，就要克服巨大的起床气来面对现实的冰冷和无情。似乎大多数人，都处于极度的“熵增”状态，生活也都是一地鸡毛。似乎我们长大成人的那一刻起，世界就越来越无序。
世界是残酷的，但是人是具有主观能动性的。我们每天的工作的努力，难道不也是一种很伟大的熵减运动么？每天给自己制定记得小目标，一件一件的完成，哪怕中途来了许多麻烦的事，我们也是安排时间，一个一个解决他。我们每一个人都是一个制造“熵减”的“机器”，为这个世界的熵增提供微不足道但是却充满意义的一点阻力。可能这一点阻力的实现，过程十分繁琐，体验极其痛苦。不过有时候想一想，我们的努力实现了世界的“熵减”，让宇宙的灭亡推迟了一点点呢，是不是觉得，我们的努力变得意义非凡，神圣伟大和很多？
生命以负(chi)熵(fan)为生。而我们如何做才能让熵减实现呢？我们回到熵增定律的定义中：当有外力对封闭系统做功时，熵可能会减小；当封闭系统增大时，熵值也可能减小。那么我们努力熵(zhuan)减(qian)的基本方法就是：努力开放系统，努力做对抗熵增的功。可能这个过程必定是痛苦的过程。比如说我们换了一个新的工作环境，必然会手足无措，焦虑不安。但是，这也是一个扩大封闭系统的过程。这个过程一定会导致一个熵减的趋势。我们要在新的环境中努力工作，积极学习，拓展人脉。这些努力都是在给属于你的封闭系统中做熵减的功。
鸟类长出翅膀，对抗熵增
熵减的过程，在数学上是一个非线性的过程。通俗的来说，一开始一个微小的努力可能无法造成什么明显的进步，但是多于积累，量变变成质变，慢慢的你会发现，一个微小的努力总有一天会引起指数级别的进步。也许你现在做的很多事情，对于你的生活和学习都没有明显的效果，但是别灰心，只要你保持熵减的趋势，总有一天你会迎来属于你自己的开挂人生。
回望自然界，因为有了生命的存在，自然界的熵增过程才有可能发生减缓。尤其在人类这种高智能生物出现之后。提高系统的智能化也是实现熵减的优秀渠道。可以说，宇宙的总熵还是几乎不被影响的增加的，但是如果出现智能生命有熵减的趋势，他周围的环境必然出现急剧的熵增。所以，生命就要不断的进化，优胜劣汰适者生存。鸟儿进化出飞翔的翅膀，乌龟进化出厚厚的盔甲。他们的进化也是在用自己的熵减对抗着环境的熵增。生命的进化史，也是对抗熵增的血泪史，同样是自然选择，适者生存的发展史，造就的地球的生物多样性，完善了丰富多彩的大千世界。
小到个人，大到宇宙，没有人可以逃过熵增定律。我们的宇宙因为几乎不可能出现外界的能量输入，所以总有一天，宇宙会一片死寂。但是人类文明的出现实现了熵增趋势的大减缓。在太阳熄灭之前，我们可以在科技发展的背景下实现星际移民。大胆猜想一下，英国物理学家弗里曼·戴森曾经提出一种“戴森球”系统。通过巨大的“戴森球”将恒星系彻底包裹，将恒星的所有热量锁定在球体内，能量会被星系中的文明无限利用。
麦克斯韦妖
这里，我们引用物理界的四大神兽之一——麦克斯韦妖。物理学中，假想的能探测并控制单个分子运动的“类人妖”或功能相同的机制，是1871年由英国物理学家麦克斯韦为了说明违反热力学第二定律的可能性而设想的。麦克斯韦设想了一个无影无形的精灵(麦克斯韦妖)，它处在一个盒子中的一道闸门边，它允许速度快的微粒通过闸门到达盒子的一边，而不允许速度慢的微粒通过闸门到达盒子的另一边。这样，一段时间后，盒子两边产生温差。这个妖怪虽然不能自发产生，但是我们人类早就有能力建立一个需要消耗能量的小妖精来实现熵减过程。其实，我们每个人都是自己小世界的小妖精，每天努力一点点让自己的小世界变得有序一下，也是人生的意义呀。
再回头看一看《信条》这部烧脑的电影，可能也变得稍微通俗易懂一些。熵增定律无法改变，世界变化的趋势不可逆转，我们每个人也都是茫茫宇宙中被顺水推行的一叶扁舟。但是换个角度来讲，我们的小小努力都会成为推动世界进步的一份力量。所以我们要一直加油鸭!
来源：中国科学院工程热物理研究所
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