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《信条》硬核科普：在“逆时”状态下，生命可以存在吗？

来源：晰数塔互联网快讯时间：2020年09月10日 10:01

本文来自微信公众号：科学大院（ID：kexuedayuan），作者：叶盛（北京航空航天大学教授，中国生物物理学会科普工委秘书长），题图来自：《信条》

在表述我自己的任何想法之前，请允许我向克里斯托弗·诺兰致敬！

诺兰或许不是最伟大的电影导演之一，但一定是最伟大的科幻电影导演之一，甚至没有“之一”。《信条》也再一次地没有让我失望，甚至有点超出预期，竟然让我平生第一次在电影院里产生了脑子不够用的感觉。

在这部电影引发我疯狂思考的诸多问题之中，除了物理的、时间的，也有一个问题与我的专业有关：在“逆时”状态下，生命可以存在吗？

深入思考之后才发现，这是一个相当有趣的问题。

《信条》剧照

《信条》与“逆时”

想来想去，我还是要先来聊聊这部电影，否则实在难以讨论下去。本文中，只有这一部分会出现轻度剧透（轻到连故事和人物都不会出现），如果你很介意，那就跳过吧，或者干脆收藏了等看完电影再来看。

不过，就像很多网评所说的那样：即便你看过了《信条》的剧透，大概率并不会影响你在电影院里持续懵圈。所以从这个意义上来讲，《信条》很可能是电影史上最不怕剧透的电影了。

在克里斯托弗·诺兰之前，我心目中伟大的科幻电影导演有这么“四”位：库布里克、卢卡斯、卡梅隆，以及勉强能算半个的斯皮尔伯格，还有加起来算半个的沃卓斯基姐妹（曾经的兄弟，后来的姐弟）。

个人以为，单就“科幻”这一点来比较的话，诺兰超越了前面那几位大师。

无论是《2001：太空漫游》还是《星球大战》，它们颠覆的只是“电影”这个概念本身，但是在科幻上并非多么地惊艳。这些诞生于“科幻黄金年代”的科幻电影和剧集之所以能够火爆，基础在于当时人们对太空和机器人等科技知识的匮乏。

飞船（图片来源：《2001：太空漫游》）

显然，今天的观众不好“骗”了。

诺兰的科幻电影选择了“时间”这个主题。虽然大家都说《信条》是诺兰“时空三部曲”的终章（前两部则是《盗梦空间》和《星际穿越》），但其实在这三部电影中，时间都是远比空间更为重要的那个主题。

在《盗梦空间》中，时间的尺度被拉伸或压缩，才有了“洞中方一日，世上已千年”的电影化呈现。而在《星际穿越》中，时间不仅仅在黑洞附近被质量所扭曲，甚至在玄幻的先进文明那里变成了一个像空间一样可以任意往来的维度。

而在《信条》中，诺兰让时间变得“可逆”了。

等等，这不就是时间旅行吗？这有什么新鲜的？

我用自己超过三十年的科幻阅历向你保证：这太新鲜了，简直新鲜极了！

的确，时间旅行是一个在科幻领域已经被写烂的题材。姑且不说小说，单是电影中就有数不胜数的时间旅行桥段。从一再翻拍的经典《时间机器》到喊着“般若波罗蜜”就能穿越的《月光宝盒》，你要是没看过一部与时间旅行有关的电影，恐怕都不好意思说自己看过电影。

但是，所有这些经典的时间旅行都有一个共同的特点：人物在各个时间线上的活动都是与时间线同向流动的，他们无非是借助科学仪器或者某种法器在时间线之间或同一条时间线上跳来跳去而已。所以“穿越”才会如此风靡，它没有什么科学门槛，而只是构架或讲述故事的一种方式。

《信条》如果也只是搞搞时间旅行，那就不是诺兰的作品了。

在《信条》中，诺兰创造性地将人物置于时间的逆向流动之中，并与其他在时间正向流动中的人物产生交互。为了叙述方便，我们姑且称前者为“逆时者”，而后者为“正时者”。这种逆时者与正时者同场打斗的场景，恐怕正是这部电影让大家最难以理解，也最难以接受的部分。

在“正时者”看来，自己的行动当然是正常的，而“逆时者”却诡异地倒退着前进，最终与自己交汇于同一个终点。在“逆时者”看来，自己的行动也是正常的，而“正时者”倒退着前进，与自己从同一个起点出发。这里的“起点”与“终点”正是影片中那神秘的，透着工业朋克风的，最不具科幻感的转换器。

这平平无奇的转换器是如何实现“逆时”的呢？电影里已经给了咱们观影指南：“不要试图去理解它。感受它就行了！”

本来嘛，科幻电影都是扯淡的。

时间与熵

我知道这话恐怕冒犯了不少科幻迷，但这是事实。我们的很多观众，甚至是资深科幻迷，都还没有搞清楚科幻与科学的界限所在，所以才会有人去认真地给《三体》或《流浪地球》挑错。

很多被奉为硬科幻经典的科幻作品，其实在作者自己看来，也都是建立在一些想象出来的虚幻“科学”之上，譬如《三体》（参见大刘本人的采访）。包括我自己获得“银河奖”的《画骨》，被很多读者说成是生命科学的硬科幻，其实也是基于一些我明知道它不可能成立的“假科学”。

科幻作为一种文学和艺术体裁，它真正想要探讨的是人与科技、人与自然的关系，亦或是在科技的背景之下展露出的人性。至于科学，只是供角色们表演的舞台而已。

在这样的意义上，《盗梦空间》是诺兰最好的科幻作品，无论是其中寡头父子之间的复杂情感，还是小李子对亡妻刻骨铭心的爱与悔恨，都让人感同身受。而《信条》中的主人公却更像是一个符号化的人物，是让故事得以向前运转的工具人。

当然，这也有情可原。要讲述《信条》这样一个复杂的故事，用多少时长都是不够的。至于塑造人物这种事情，大概也只有妥协的份儿了。毕竟，为了让“逆时”披上“硬科幻”的外衣，诺兰甚至在一开篇就把“熵”都搬出来了。

熵是什么？你可能不知道这个问题的准确答案，我也无法在此为你作答，因为要说清楚这个问题，本身就需要一篇长文。不过，你大概听说过一些与熵有关的说法，比如：熵会自发地增加；熵是无序；因为熵增，宇宙最终彻底无序，归于热寂。

其实“热寂”是不科学的，其中缺少了关于引力和量子力学等等因素的考虑，而仅仅是站在热力学角度上的推测。显然，这本身就是一个借科幻广泛传播的“假科学”经典案例。不过，这些关于热寂的科幻故事的确推广了“熵增”这个概念。

我们可以形象地理解一下这件事情。假如有一个盒子，能断绝与外界的物质和能量交换。盒子里分成左右两个空间，中间是一层隔板，但隔板上有个小孔。如果在隔板左边放上热的气体，右边放上冷的气体，那么左边热的气体分子会有一些通过小孔跑到右边去，而右边冷的气体分子会有一些通过小孔跑到左边去。最终，两边温度一样了，左热右冷的“有序性”消失了，取而代之的是均一的无序性，熵增了。

如果换用稍稍严谨一些的说法就是：热力学第二定律（以下简称：热二律）的表述形式之一是，一个孤立热力学系统内的熵是不断增大的。

就像刚才例子里的那些气体分子一样，它们的混合似乎是必然的，而熵增也就是必然的。另外，它是有方向的——增大。这种确定的有向性，恰恰就是时间的一种表现形式。

（图片来源：维基百科）

就是在这里，诺兰玩了把文字游戏，多多少少算是倒置了因果。在《信条》中，他试图让观众们相信：为什么时间会一直向前走？因为熵总在自发地增加。

于是，自然而然地，当一个物体或生命因为接受了某种特殊的辐照而自发地熵减时，时间便逆流而上了。

完美！

但太完美的事情往往就会令人心生怀疑。就算不考虑因果的问题，将熵的变化与时间等价，那这套“逆时”理论的成立也需要一个前提：热二律是成立的。

但是，热二律一定成立吗？

对于这个问题，物理学家们曾经也是心里没底。而困扰他们的，正是“生命”这个小妖精。

麦克斯韦的妖精

詹姆斯·麦克斯韦是一位伟大的物理学家。他所建立的麦克斯韦方程组描述了电磁波中电与磁的关系，充满了对称的美感。除了对称之外，麦克斯韦方程组还在另一个问题上闪耀着理性的美，那就是光速与参照系无关的恒定性。如果说彼时越来越精确的光速测定实验是“以太学说”的掘墓人，那么麦克斯韦方程组就是真正把“以太学说”埋进坟墓的送葬者。

1900年4月，著名物理学家开尔文爵士在英国皇家学会月度例会上做了一场演讲，题目是《在热和光的动力理论上空的十九世纪乌云》。这就是后世常常被人提到的物理学“两朵乌云”，而其中的第一朵乌云就是指光速不变性与以太学说的冲突。

然而，这还不是麦克斯韦给开尔文爵士找的唯一麻烦。

开尔文爵士名字不叫开尔文，而是威廉·汤姆森（William Thomson）。实际上，开尔文是他在格拉斯哥大学的实验室附近一条小河的名字。因在热力学领域做出的重大贡献，他被维多利亚女王授予了男爵的爵位，以“开尔文”为头衔。如此一来，他所开创的热力学温度就以开尔文（Kelvin）为单位了，某种意义上成为了物理学中唯一一个以地名命名的标准单位。

开尔文爵士在研究热力学的过程中，于1851年提出了著名的热力学第二定律开尔文表述：“不可能以无生命的材料实现一种手段，让物质的任何部分冷却到比环境中最冷的物体还要低的温度，同时产生机械运动的效果。”

有意思的是，你今天在物理学教科书上看到的开尔文表述通常只是上面这句话的残缺形式，却把“无生命的材料”这部分给删掉了。换言之，在开尔文当初的认知里，要想让热二律成立，必须把“生命”给排除在外。

为什么不能包括生命呢？因为在19世纪那个时候，科学家们就已经发现：生命似乎并不遵从热力学第二定律。

爱找麻烦的麦克斯韦在1871年提出，如果在那个气体盒子中间隔板的小孔上坐一个小妖精，让他对左右两边飞过来的气体分子进行选择，只让那些热的、飞得快的分子飞往左边，只让那些冷的、飞得慢的分子飞往右边，那么最终两边不但不会变得温度一样，反而还有可能变得左边更热、右边更冷。这就意味着有序度反而增加了，无序度下降了，于是——熵减了。

麦克斯韦妖（图片来源：John D. Norton）

事实证明，这样神奇的事情并不需要什么妖精才能做到，而生命就足以完成类似的事件，不顾热二律的限制，持续实现熵减。

究竟，生命是什么呢？

妖精的食物

生命是什么？着迷于这个问题的物理学家不在少数，其中不乏功成名就的物理学巨匠，比如名字总是与猫联系在一起的埃尔温·薛定谔。这位量子力学的奠基人应邀到爱尔兰的“都柏林高等研究院”担任理论物理学院院长之后，做了一系列关于生命问题的讲座，并于1944年将讲座内容结集出版，书名就是《生命是什么？——活细胞的物理学面貌》

埃尔温·薛定谔

我知道的以及我认识的很多物理学家都把这本书奉为圭臬，似乎物理学早在那个生命科学的“蛮荒时代”就已经参透了生命的本质。

然而很可惜，这只是物理学家们的一厢情愿而已。

薛定谔在《生命是什么？》这本书中主要讨论了两方面的生命问题：遗传学和热力学。不幸的是，在遗传学方面，薛定谔错得离谱，认为蛋白质是生命的遗传物质。

不过，热力学可是薛定谔的领域。

要知道，在开尔文爵士的时代，热二律是无法被证明的。但是随着统计物理被引入热力学研究中，热二律便成为了一个可以被证明的定理。而统计学正是薛定谔研究量子力学时的利器。

薛定谔认为，生命完全符合热二律。

我们都知道，生命是高度有序的，个体由器官组成，器官由细胞组成，细胞又由很多不同的蛋白质和核酸等生命分子组成，而蛋白质和核酸既有三维的空间结构，也有一维的序列信息。无论从哪个角度来看，生命都是高度有序的，并且在生命活着时一直维持这种负熵的状态。这是生命貌似违背热二律的本质所在。

对此，薛定谔在《生命是什么？》的第六章中给出了一个很简单的答案：生命以负熵为食。

换句话说，薛定谔认为生命这个“小妖精”摄入的食物和其他所有物质是负熵的，于是生命自身的熵降低了，但伴随的代价就是包含生命在内的自然界这个大系统的整体熵提高了。所以，热二律依然成立。

原来是化学啊！

表面上来看，薛定谔一句“生命以负熵为食”，似乎成功解决了生命违背热二律的问题。但其实他的内心也仍旧存有疑问。

就算生命真的以负熵为食，那么为什么生命能够利用负熵呢？或者说，在活的生命体内，为什么会有局部的熵减发生呢？说白了，似乎总要有那么一只小妖精，翘着二郎腿坐在生命体内某个隔板的小孔边沿上，一边随手扒拉着飞过来的气体分子，一边用轻蔑的眼神睥睨着高高在上的物理学天才们。

就连薛定谔在《生命是什么？》的第七章中也不得不承认：“我们所面对的这一机制完全不同于物理学的概率机制。它不能够被简化为物理学的普通法则。……活的生物虽然不能逃避物理学的法则，……但有可能涉及到迄今为止尚不知晓的其他某些物理学法则。”

究竟是什么法则呢？对此，著名分子生物学家马克斯·佩鲁茨在1987年回应到：“那门科学就是化学。”

何谓化学？就是物质改变的科学。无论是分子的拆解还是搭建，都会涉及到化学。事实上，早在19世纪末期，著名化学家乔赛亚·吉布斯就已经提出了“亲合势”这个概念，后又称为“自由能”，而今又改称“吉布斯能”。我们已经知道，在一个反应体系中，只有吉布斯能降低的反应才能自发地发生。

乔赛亚·吉布斯

的确，统计物理不太考虑化学的问题。如果两个分子能变成一个，一会儿又分成了两个，那还怎么准确统计啊？但在薛定谔写作《生命是什么？》的年代，他不可能没有听说过当时已经相当成熟的“自由能”理论。那么为什么他还觉得当时的物理和化学不够用呢？

这是因为吉布斯能只解决了化学反应能否发生的问题，却没有解决化学反应发生速度的问题。

自然界中很多化学反应的确在发生着，比如铁生锈。但这些反应的发生速度太慢，无法满足生命的需求。而生命之所以能够极大地提高反应速度，靠的就是——酶。

这个“极大地”是什么概念呢？酶可以让化学反应的速率提高一百万倍，甚至是一万亿亿倍。

“一万亿亿”仍然是个空洞的数字，不好理解。让我们引入时间作为参照，一个在细胞内只需0.1秒即可完成的化学反应，如果放慢一万亿亿倍，就将需要数千亿年。这比宇宙的年龄还要长得多。

因此，我们可以说，酶能够使得在自然界中不可能发生的化学反应转瞬之间就反应完毕。当然，也有一些化学反应在酶的控制之下得以极大地减缓反应速率，比如各种能量分子的氧化释能过程。

生命是什么？

那么，薛定谔的《生命是什么？》是否改变了我们对于生命的认知？

在我心目中，这个答案是肯定的。最起码，他的那本小册子启发了一大批年轻的物理学家，令他们投身于生命科学的研究之中。其中就包括了最终建立DNA双螺旋结构模型的沃森和克里克。

除了这些科学传播方面的贡献之外，更重要的在于，薛定谔改变了我们看待生命的方式——虽然这种方式并不能被所有生物学家接受。

地球上的生命形态多姿多彩，千变万化。这就导致生物学家们更喜欢实证的力量，而不喜欢那些过不了多久就会被新物种的发现所打破的“定律”。然而，当生命的研究进入某些难以分辨的灰色地带时，薛定谔的视角便显现出了物理学作为“科学之父”那不可替代的伟大力量。

这个灰色地带就是当下全球疫情的主角——病毒。

病毒到底算不算生命？这恐怕是最让生物学家感到头疼的问题之一。

如果从构成成分来看，病毒似乎应该算是生命。它们由核酸充当遗传物质，由蛋白质搭建外壳，有的还会披上磷脂膜的外衣。这些全都是在细胞里也会使用的生命分子。

如果从能量和物质代谢的角度来看，病毒又不应该算是生命。病毒里没有能够“燃烧”能量分子并释放能量的复杂细胞器，也没有能够合成或分解物质的复杂酶体系。

如果从分子机器的角度来看，病毒又有生命的特点。有相当一部分病毒种类，会在包装病毒颗粒时装进去一些能够利用能量完成生命活动的分子机器，只是它们在病毒里没有能量可用，处于停机状态。

其实，只要以薛定谔的视角来看，病毒的问题就很简单了：病毒这个系统不具备维持自身负熵状态的能力。也就是说，当一个病毒处于自然界中的时候，它跟一块石头或一块面包没什么区别，终将随着时间的流动而瓦解崩坏，丧失从分子层面到病毒颗粒层面的全部有序性，最终走向熵增的必然结果。

从这个意义上来讲，病毒肯定不是生命。

逆时永生

下面就让我们以薛定谔的视角来审视一下《信条》中的“逆时者”，他们有可能存活吗？

《信条》剧照

前文已经谈到，生命的关键在于利用各种酶极大地加快或减缓了化学反应的速度。这是一种时间尺度上的缩放，并不改变时间的流向。反过来，时间的逆流也不会改变时间尺度，也就不会影响酶的工作。

接下来是化学反应中吉布斯能的改变问题。我们都知道，有很多化学反应是可正可逆的，所以吉布斯能的变化似乎与时间的流向并非是锁定在一起的。

但实际上，时间在这里仍然扮演着重要的角色。试想，何谓“自发发生”？意思是说，随着时间的前进，该事件有发生的趋势。反之，如果它没有发生的趋势，也就永远不会自发发生。正因为如此，自发发生的事情都与时间的流向有关。

在正常的世界中，吉布斯能有自发减小趋势的化学反应才能发生。也就是说，这是时间的流向决定的。当时间逆流时，吉布斯能的变化趋势就会变成自发增大，正如《信条》开篇那颗从桌上跳进科学家手里，自发寻求势能增加的子弹一样。于是，所有化学反应也将向着反方向发展，从产物变为反应物。

在这样一个化学反应逆向发生的“逆时”世界中会存在生命吗？或许是可以的。但即便存在，也一定不是我们所熟知的地球生命的样貌，而应该是基于完全不同的一套化学反应体系。也就是说，当我们穿过《信条》中的那个转换器后，虽然组成我们身体的分子还是这些分子，但是所有生化反应都将停摆，甚至在酶的催化下加速逆向发生。

显然，对于我们这些高度依赖化学反应的细胞生命来说，这将会是一场分子层面上的灾难。

不过，对于吉布斯能在“逆时”设定下带来的麻烦，我们大可睁一只眼闭一只眼。毕竟诺兰在《信条》里压根就没谈过吉布斯能的问题，没准人家逆转熵变趋势的操作也把吉布斯能的变化趋势顺便一起逆转了呢？只是懒得再跟我们解释了而已……

最后就是熵减的问题了。诺兰在《信条》一开始就明确告诉我们，逆时状态的物质具备了自发熵减的趋势，将时间的流向与熵的变化牢牢地绑在了一起。

生命的本质就是维持自己的高度有序。我们区别于一块石头或一块面包的关键不在于我们能跑能跳、能生孩子，而是在于我们携带着大量有意义的信息，并且可以把这些信息传承下去。

当时间逆流，熵减成为趋势，有序度自发趋向于增加。我们在《信条》中看到皮开肉绽的伤口会恢复如初，我们看不见的是细胞里崩坏瓦解的分子可以永远保持完好的形态。于是，我们大可不必再进食，甚至不必再呼吸，哪还需要电影中那恼人的呼吸面罩或隔离舱？因为在熵减中的我们，必将向着更有序的方向前进，汲取天地之精华即可永生永存。

太美好了，是不是？可惜科幻都是扯淡的。

不过，在不扯淡的现实世界中，其实本就存在着逆时者，这一点也不科幻。你或许已经猜到了，的确，我们人类，人类身边的动植物，以及无处不在的细菌、真菌、古菌——所有的生命都是名副其实的逆时者。只要生命活着，就在维持熵减的过程，不顾身边宇宙的时间流动。

尾声

其实，诺兰除了那人尽皆知的“时空三部曲”之外，我认为他还有“隐性时空三部曲”——《记忆碎片》、《致命魔术》和《敦刻尔克》。虽然在这三个故事中没有时空的维度扭曲或繁复交错，但是它们的叙事结构与《信条》何其地相似，都是从不同的时间流线上最终回溯到同一个交叉点，然后让观众“恍然大悟”。