最近，著名導演克里斯托弗·諾蘭的電影《信條》上映以後，引發了很多關於時間本質的討論。諾蘭的“時間三部曲”一脈相承，其中《盜夢空間》裡時間尺度的變換在廣義相對論中很常見，估計是用到了廣義相對論的思想。《星際穿越》對黑洞附近的時間變慢的處理符合現代科學。（估計是因為請了科學顧問基普·索恩的緣故）

而在《信條》中，諾蘭則玩了一把時間逆流的概念。

在此之前的科幻電影中，通過時間旅行回到過去的設定也時有出現，比如根據卡爾·薩根小說改編的《接觸》就可謂是這類電影的鼻祖。在這類電影中，時間逆流的工具往往是蟲洞。

事實上，通過蟲洞回到過去在理論上是可行的。根據廣義相對論，存在一些愛因斯坦場方程的嚴格解，這些嚴格解就是所謂的蟲洞，蟲洞的出現也使得在時空中可以存在封閉的類時曲線，也就相當於回到了過去。但蟲洞出現的條件很苛刻，一般需要負的能量密度，這種負的能量密度只能通過量子效應才能獲得，因此在現實世界中不容易得到。所以，用蟲洞來回到過去也近似於一個科幻概念。

而在最新電影《信條》中，諾蘭使用的是另一個概念——熵。這部電影的基礎設定是，熵增加的方向與時間的方向是相同的。從物理學角度，這樣的時間逆流有可能實現嗎？現在，讓我們來仔細捋一捋這背後的一些物理知識吧。

什麼是時間？

時間是一個抽象而神秘的概念。進入20世紀之前，有一些物理學家認為，時間有它的前進方向，這個方向與熵增加的方向在局部是一致的。這是在克勞修斯等人建立熱力學第二定律以後，科學界開始興起的一股思潮。當然，這個思潮本身是有缺陷的，因為這裡談論的時間方向與熵增加的方向一致，卻沒有很清晰地說明“時間”到底是什麼。

當時，因為愛因斯坦的相對論還沒有誕生，所以大家心目中的時間類似於“北京時間”，是一種公共時間。也就是說，大家認為，紐約與巴黎的時間是一樣的，是可以統一的；火車上的人時間流逝的快慢，與飛機上的人時間流逝的快慢也是一樣的。而且，以上不同地點不同人物的時間方向是相同的。

隨著愛因斯坦提出相對論，我們對時間的認識有了質的變化：不同的地點因為引力場強度不一樣，時間流逝快慢是不同的；不同的人物因為速度不一樣，其時間流逝的快慢與方向也是不同的。

所以從這個意義上來說，20世紀之前用熵增方向來刻畫時間箭頭，沒有相對論的修正，是一個模糊的時間概念。

同時必須指出，並不是所有系統的熵都是單向增加的，有大量自組織的系統，其熵是減少的。比如植物吸收太陽光進行光合作用，這一過程的熵就不一定是增加的。1944年，量子力學的奠基人之一薛定諤在《生命是什麼》中直接引入“負熵”這個特殊的概念，他認為生命系統一方面存在熵增，另一方面，又不斷從環境中獲得負熵——比如我們人類要吃蔬菜，就是為了獲得相對於我們人類來說是負熵的物質，從而保持我們人類本身的低熵狀態——當然，人類排泄的糞便則是高熵的。

通過熵減實現時間倒流？

熵是一個統計物理學上的概念，它的本質由玻爾茲曼墓碑上的那個公式S=KlnW刻畫。其中W是系統所對應的微觀狀態數目。比如有三個人站成一排拍照，從熵的觀點來看，則存在一個的“微觀狀態”問題：站在C位的人有三種可能，站在兩邊的人也有多種可能，這樣一共有6種（也就是3的階乘）可能，對應的就是微觀狀態數w，所以從這裡就可以計算出這張照片的熵來。

一般情況下，對於一個封閉的熱力學系統，其熵總是趨向於增加。所以，有人把這件事解讀成了時間箭頭。但是，熵增加的方向等價於時間箭頭，這只是一種類似於數學上的映射，這個映射是不是真實的物理規律，還需要進一步論證。

那麼，用熵減來實現時間逆流有沒有可能呢？

我們家裡的空調，就是將高熵狀態轉變成了低熵狀態。（當然，這個過程需要消耗能量）因此如果我們認為，從高熵狀態到低熵狀態對應的就是時間逆流，那麼空調也是一種可以讓時間逆流的“時間機器”。但很明顯，空調不能幫我們穿越到清朝去與慈禧太后見面。據此，我們可以得到的結論是：一個能從高熵狀態局部產生低熵狀態的機器，不一定能引起時間倒流。要想穿越時空，還需要了解更進一步的物理考察。

引力與熵的關係

在《信條》這部電影中，我們可以看到克蕾曼絲·波西所飾演的女科學家勞拉向當時還不了解“時空逆轉”的男主人公解釋“逆向子彈”的工作原理。這個逆向子彈可以看成是其本身的時間是逆流的物體——注意，這個子彈周圍環境的時間箭頭都是指向未來的，只有子彈本身的時間箭頭是指向過去的。

指向未來與指向過去，這是相對論中的說法，我們需要用到光錐。在平坦時空每一個時空點，都有上下兩個光錐：上方的光錐內的世界線的切矢量（也就是時間箭頭）都是指向未來的，下方的光錐則是指向過去的。

有引力存在時，根據愛因斯坦的相對論，時空不再平坦，這時光錐的結構會有扭曲變形，過去與未來的區別也會變得複雜。比如在哥德爾時空中，光錐會被時空旋轉慢慢傾斜，最後倒轉過來，這時的世界線可以是一條閉合的類時曲線——也就是說，哥德爾時空中存在可以回到過去的人。

所以從相對論的角度來說，要想回到過去，最好是讓引力幫忙，因為引力可以扭曲時空。而完全依靠熵減來回到過去，則顯得很不科學。在《星際穿越》中，諾蘭已經拍攝過依靠引力回到過去的場景，這是科學的。

不過，也有物理學家提出了將熵與引力聯繫起來的新設想。2010年，E。Verlinde提出了“熵力”，用熵增加的方向來解釋引力的方向（引力只有一個方向，那就是吸引，萬有引力不會相互排斥）。Verlinde認為，兩個物體之間存在一個假想的表面，當這兩物體的距離變化時，物體表面上的熵也會改變。而係統總是趨於增加，於是引力也就體現出來了。當然在這一理論中，引力不是一個基本的相互作用。所以，如果諾蘭想把《信條》的物理邏輯弄得更清晰，他也許應該請Verlinde當科學顧問。

沿著時間逆流等於反物質？

如果我們考慮量子力學，從《信條》那扇旋轉門中出來的人是逆著時間運動的，那麼這位“逆時者”本質上是由反物質組成的。

而組成反物質人（逆時者）的反粒子不但有正電子，也有反質子。要把這些反粒子組成一個生命體，理論上是可能的。但問題是，這樣的逆時者在現實世界中的行為是怎樣的？

正電子是由量子力學宗師狄拉克在很年輕的時候就預言的，這種粒子具有正的能量，但電荷與普通電子相反。過了若干年，另一位大物理學家費曼用“費曼圖”來計算光子與電子的相互作用，他把正電子解釋為逆著時間運動的電子，這一解釋也得到了科學界的承認。於是，在一般意義下（因為考慮的是狹義相對論，所以時空被認為是平坦的），逆著時間運動的粒子就是反粒子。

當逆時者體內的正電子與現實環境中的電子碰上，會湮滅，變成光；而逆時者的體內的反質子與現實中的正質子撞上，就如同大型強子對撞機，產生多種粒子。

顯然，對於這樣的逆時者而言，在現實世界中存活是不現實的。無論是環境中的電子還是空氣，都會轟擊人體的反粒子，並發出巨大的能量，導致逆時者死於爆炸。

電影中顯然考慮了這個問題。從旋轉門時間機器出來人需要穿防護服（不能與過去的自己接觸，因為會發生正反物質湮滅）。當然，電影做了一定的科學讓步：當反物質人與其他人或者物體接觸時，只需要戴面具就可以，不需要擔心正反物質湮滅。

總體而言，既然已經有了反物質，就不需要再引進熵減的概念，因為這樣反而會引起邏輯上的混亂。

因此，從目前的物理理論來看，逆著時間運動是完全有可能的，但對熵概念的濫用則需要警惕。熵增與時間的關係，已經是較為陳舊的物理學，也許相對論與量子力學會給我們更多的啟迪。