 《信條》劇照 最近電影圈最著名的事件，莫過于著名導演克里斯托弗·諾蘭的電影《信條》的熱映了。小編在震撼的音畫效果和虛幻的劇情設定中暈頭轉(zhuǎn)向，回頭看到朋友圈和各大社交平臺上也是一片“腦細胞耗盡”的哀嚎……  在大家“難道讀書少就看不懂電影？”這種自我感嘆的同時，小編拿著自己手中二刷的電影票，沒有一絲絲的膽怯的情況下準備先給自己充充電。抱著要深入理解電影，體會導演的思想情感的出發(fā)點。（其實是和小伙伴炫耀我看明白了一點點……）經(jīng)過了小小的文獻調(diào)研與學者咨詢。今天來給大家講講《信條》之中我們需要了解的科學知識。 一、熵增定律的世界，令人絕望的真理 電影中有一個貫徹始終的設定與理論基礎。導演將“熵”這一概念與時間相結(jié)合，設定了“熵增的方向與時間流逝的方向相同”這一指導思想。提到熵增定律，我們首先要了解一下熱力學的三大定律。 熱力學第一定律 熱力學第一定律：能量守恒定律：一個熱力學系統(tǒng)的內(nèi)能增量等于外界向它傳遞的熱量與外界對它所做的功的和。(如果一個系統(tǒng)與環(huán)境孤立，那么它的內(nèi)能將不會發(fā)生變化。)能量既不能憑空產(chǎn)生，也不能憑空消失，它只能從一種形式轉(zhuǎn)化為另一種形式，或者從一個物體轉(zhuǎn)移到另一個物體，在轉(zhuǎn)移和轉(zhuǎn)化的過程中，能量的總量不變。  能量守恒定律 在能量守恒定律提出之前，人類一直幻想著可以制造一種，不需要消耗任何能量卻能源源不斷對外做功的神奇機器。這種機器被稱為“第一類永動機”隨著熱力學第一定律的提出，科學界也通過擲地有聲的真理，莊嚴宣告了第一類永動機幻想的徹底破滅。 熱力學第二定律 熱力學第二定律有幾種不同的表述形式：
熱力學第二定律的熵表述，也就是廣為人知的熵增定律：孤立熱力學系統(tǒng)的熵不減少，總是增大或者不變。用來給出一個孤立系統(tǒng)的演化方向。說明一個孤立系統(tǒng)不可能朝低熵的態(tài)發(fā)展即不會變得有序。 “熵”這一概念最早在1865年由德國物理學家克勞修斯提出?；瘜W及熱力學中所指的熵，是一種測量在動力學方面不能做功的能量總數(shù)。熵亦被用于計算一個系統(tǒng)中的失序現(xiàn)象。通俗來說，熵指的是一個系統(tǒng)的混亂程度，熵值越大，系統(tǒng)越混亂。  熵增定律 1881年，美國的一位海軍發(fā)動機設計師設計了一種神奇的機械，該裝置計劃可以利用海水的熱量將液氨汽化，氣態(tài)的氨推動機械的運轉(zhuǎn)。當設計師滿心歡喜的將機器樣機制造出來時，卻失望的發(fā)現(xiàn)機器沒法連續(xù)運轉(zhuǎn)。其實這個機器是人類歷史上第一個成型的“第二類永動機”。因為汽化后的液氨在沒有低溫熱源存在的條件下無法重新液化，因而不能完成循環(huán)。熱力學第二定律的提出同樣從真理的角度，戳破了“第二類永動機”幻想的泡沫。 熱力學第三定律 熱力學第三定律也被稱為絕對零度定律。絕對零度時，所有純物質(zhì)的完美晶體的熵值為零?；蛘呓^對零度(T=0K即-273.15℃)不可達到。熱力學第三定律的提出也在理論層面給予熵增定律最強有力的支撐?！办亍边@一概念也被廣泛的應用于自然科學的研究領域乃至百姓生活的方方面面。  絕對零度 熱力學第零定律 在三大定律之后，人們發(fā)現(xiàn)三大定律的存在并沒有一個穩(wěn)定的地基支撐。于是科學家為了穩(wěn)固熱力學三大定律，定義了熱力學第零定律：如果兩個熱力學系統(tǒng)均與第三個熱力學系統(tǒng)處于熱平衡，那么它們也必定處于熱平衡。也就是說熱平衡是傳遞的。這一定律定義了“溫度”的概念。 熱力學第二定律也是熵增定律的基礎。他也被稱為任何物理定律的起點。很多科學家悲觀的說，熵增定律是讓宇宙明晰，讓萬物都絕望的終極定則。古往今來，你我在內(nèi)的無數(shù)人都在思考著許多人生終極問題。宇宙的外面是什么？我們?yōu)槭裁床荒馨l(fā)現(xiàn)外星人？生命的意義又是什么？萬事萬物的終極時刻是什么樣。回首這一切人類無厘頭的思考，可能這個“熵增定律”真的能解決人類的幾乎所有疑問。同時殘酷的是，這個定律讓人類平等，讓萬事萬物處于同一地平線。從某種意義上來說，人類改造宇宙，征服萬物的野心在這一定律下也會變得死寂。這也是最令人絕望的真理。  宇宙萬物都遵循的定則 薛定諤說過：“人活著就是在對抗熵增定律，生命以負熵為生！”。也有學者說：“如果物理學只留下一條定律，我會選擇熵增定律”?？梢婌卦龆傻闹匾?。他就像懸在人間的一把達摩克利斯劍，指導著萬物向著熵增的方向發(fā)展，最終都會走向熱寂。如果有一天地球毀滅了，我們怎么能在一張名片上寫下地球文明的全部精華，讓其他文明知道地球文明曾經(jīng)的存在？有學者回答道：我只需要寫下三個公式，1+1=2展示數(shù)學文明，愛因斯坦的質(zhì)能方程以及熵的定義。 熵增定律包括所有生命與非生命的演化規(guī)律。大家有沒有這樣一種體驗，辦公桌如果不收拾就會越來越亂，充電線如果放在包包里就會亂作一團，電腦如果不清理垃圾文件會越來越卡，熱氣騰騰的卡布奇諾會越來越?jīng)觥６叛塾钪?，包括太陽在?nèi)的所有恒星都會凋亡，最后宇宙歸于熱寂。  生活中的熵增定律 讓我們再來回顧一下這個令人絕望的熵增定律：孤立系統(tǒng)中，如果沒有外力做工，系統(tǒng)的總混亂度（熵）會不斷增大。 拆解這條定律，我們發(fā)現(xiàn)三個特別重要的關鍵點：一個孤立的系統(tǒng)、無外力做功、總混亂度。熵可以被看做一種不可利用的能量，不可逆并且會不斷增加。從這里就可以推理出剛才所有問題的答案。恒星終將湮滅，生命終將消失。物體從有序慢慢變得混亂無序，這一定律，萬物無一幸免。 二、克服熵增的力量，時間倒流的方向 一般情況下，封閉系統(tǒng)總熵總是增加。那么一個普遍的規(guī)律是，把熵增的方向定義為時間流逝的方向。也就是時間箭頭。這種定義在理論上可以解釋，類似于中學階段學習過的向量映射，可以規(guī)定方向，但是物理含義尚不明晰。需要進一步的論證。 那么，《信條》中時間倒流的設定。通過外界的努力，實現(xiàn)“熵減”從而做到時間倒流，這種假設可行么？  時間倒流 家中灰塵越來越多，散落一地。使用吸塵器耗費電能使灰塵聚集到吸塵器的集塵盒中。熵值減小了?？墒呛茱@然，吸塵器并沒有帶我們回到那個熱血傳奇，三國分天下的東漢末年。準確來說，一個可以引起熵減的機器，不一定可以引發(fā)時間倒流。 在《信條》中，“逆向子彈”被看成了時間倒流的獨立個體，而周圍的所有景物的時間指向熵增的順流方向。這里引用科學家的一個猜想：引用相對論中，在平坦的時間和空間內(nèi)，每一個時空點都有上下兩個光錐，上方的光錐，時間指向未來；下方的光錐，時間指向過去。而在引力的作用下，時空不再平坦，光錐發(fā)生倒轉(zhuǎn)，時間線閉合形成一個圈圈。這時候，我們就可以回到過去了。 而如果將熵定義為時間箭頭，就要賦予熵一個靠譜的物理意義。2010年科學家提出“熵力”的概念，熵增加的方向被定義為引力的方向。這里的引力不僅僅是一個單純的相互作用力。把這個“熵力”假想成熵的相互作用。假想兩個物體之間有一個熵的分界線，隨著距離的增加，引力增加，分界線處熵值增加。兩個物體的熵值則一個增加的同時，另一個因為相互作用必然減少。而系統(tǒng)總熵增加，當距離無限小時，熵減的模型就有存在的可能性。這樣在熵減小的物體表面，也就存在著時間倒流。 電影中時空旋轉(zhuǎn)門出來的人是逆著時間運動的。《信條》中設定為反物質(zhì)。那反物質(zhì)有什么科學基礎呢？一般來說，原子中質(zhì)子是帶正電荷的，電子是帶負電荷的，熵增方向是粒子的發(fā)展方向。而反物質(zhì)帶有著相反的極性電荷，電荷的相互作用使得反粒子具有熵減的可能。一般來說這種自發(fā)趨勢熵減的粒子，具有逆著時間運行的趨勢。這種時空倒流的粒子也是反物質(zhì)假說中的反粒子。當正反粒子相互對撞，類似于高能粒子對撞產(chǎn)生的巨大能量足以摧毀一切。所以電影中穿梭旋轉(zhuǎn)門的人穿上了厚厚的防護服，來分擔粒子對撞能量所產(chǎn)生的爆炸沖擊波。  《信條》劇照 作為一個科幻電影，利用熵增定律和時間箭頭來給我們上演了一個時間倒流的奇幻戲碼，在感嘆導演腦洞大開，劇情天馬行空，超人想象力的同時，我們回頭看看所有的猜想。所有電影中關于時間倒流的猜想，都在熵增定律上戛然而止。這個令萬事萬物絕望的鐵律，禁錮著滄海星塵的發(fā)展與運行。但是，值得慶幸的是，這一鐵律禁錮不住導演的天馬行空，使得我們可以看到這么腦洞大開的科幻作品，同時這一鐵律禁錮不住每一個追夢人改變時間，抵抗熵增的決心與野心。就是因為這份不服輸不認命，讓我們?nèi)祟惿鐣陌l(fā)展進步升華。 三、對抗鐵律，做自己的“麥克斯韋妖” 要想克服熵增，實現(xiàn)熵減，就一定要支出能量，付出非常大的代價。夏天將室內(nèi)的熱量帶走，需要耗費讓無數(shù)家庭心痛的金錢才能換來的巨量電能；想在每天早上頂著刺耳的鬧鐘起床洗漱去上班，就要克服巨大的起床氣來面對現(xiàn)實的冰冷和無情。似乎大多數(shù)人，都處于極度的“熵增”狀態(tài)，生活也都是一地雞毛。似乎我們長大成人的那一刻起，世界就越來越無序。 世界是殘酷的，但是人是具有主觀能動性的。我們每天的工作的努力，難道不也是一種很偉大的熵減運動么？每天給自己制定記得小目標，一件一件的完成，哪怕中途來了許多麻煩的事，我們也是安排時間，一個一個解決他。我們每一個人都是一個制造“熵減”的“機器”，為這個世界的熵增提供微不足道但是卻充滿意義的一點阻力。可能這一點阻力的實現(xiàn)，過程十分繁瑣，體驗極其痛苦。不過有時候想一想，我們的努力實現(xiàn)了世界的“熵減”，讓宇宙的滅亡推遲了一點點呢，是不是覺得，我們的努力變得意義非凡，神圣偉大和很多？ 生命以負（chi）熵（fan）為生。而我們?nèi)绾巫霾拍茏岇販p實現(xiàn)呢？我們回到熵增定律的定義中：當有外力對封閉系統(tǒng)做功時，熵可能會減??；當封閉系統(tǒng)增大時，熵值也可能減小。那么我們努力熵（zhuan）減（qian）的基本方法就是：努力開放系統(tǒng)，努力做對抗熵增的功?？赡苓@個過程必定是痛苦的過程。比如說我們換了一個新的工作環(huán)境，必然會手足無措，焦慮不安。但是，這也是一個擴大封閉系統(tǒng)的過程。這個過程一定會導致一個熵減的趨勢。我們要在新的環(huán)境中努力工作，積極學習，拓展人脈。這些努力都是在給屬于你的封閉系統(tǒng)中做熵減的功。  鳥類長出翅膀，對抗熵增 熵減的過程，在數(shù)學上是一個非線性的過程。通俗的來說，一開始一個微小的努力可能無法造成什么明顯的進步，但是多于積累，量變變成質(zhì)變，慢慢的你會發(fā)現(xiàn)，一個微小的努力總有一天會引起指數(shù)級別的進步。也許你現(xiàn)在做的很多事情，對于你的生活和學習都沒有明顯的效果，但是別灰心，只要你保持熵減的趨勢，總有一天你會迎來屬于你自己的開掛人生。 回望自然界，因為有了生命的存在，自然界的熵增過程才有可能發(fā)生減緩。尤其在人類這種高智能生物出現(xiàn)之后。提高系統(tǒng)的智能化也是實現(xiàn)熵減的優(yōu)秀渠道?？梢哉f，宇宙的總熵還是幾乎不被影響的增加的，但是如果出現(xiàn)智能生命有熵減的趨勢，他周圍的環(huán)境必然出現(xiàn)急劇的熵增。所以，生命就要不斷的進化，優(yōu)勝劣汰適者生存。鳥兒進化出飛翔的翅膀，烏龜進化出厚厚的盔甲。他們的進化也是在用自己的熵減對抗著環(huán)境的熵增。生命的進化史，也是對抗熵增的血淚史，同樣是自然選擇，適者生存的發(fā)展史，造就的地球的生物多樣性，完善了豐富多彩的大千世界。 小到個人，大到宇宙，沒有人可以逃過熵增定律。我們的宇宙因為幾乎不可能出現(xiàn)外界的能量輸入，所以總有一天，宇宙會一片死寂。但是人類文明的出現(xiàn)實現(xiàn)了熵增趨勢的大減緩。在太陽熄滅之前，我們可以在科技發(fā)展的背景下實現(xiàn)星際移民。大膽猜想一下，英國物理學家弗里曼·戴森曾經(jīng)提出一種“戴森球”系統(tǒng)。通過巨大的“戴森球”將恒星系徹底包裹，將恒星的所有熱量鎖定在球體內(nèi)，能量會被星系中的文明無限利用。  麥克斯韋妖 這里，我們引用物理界的四大神獸之一——麥克斯韋妖。物理學中，假想的能探測并控制單個分子運動的“類人妖”或功能相同的機制，是1871年由英國物理學家麥克斯韋為了說明違反熱力學第二定律的可能性而設想的。麥克斯韋設想了一個無影無形的精靈(麥克斯韋妖)，它處在一個盒子中的一道閘門邊，它允許速度快的微粒通過閘門到達盒子的一邊，而不允許速度慢的微粒通過閘門到達盒子的另一邊。這樣，一段時間后，盒子兩邊產(chǎn)生溫差。這個妖怪雖然不能自發(fā)產(chǎn)生，但是我們?nèi)祟愒缇陀心芰⒁粋€需要消耗能量的小妖精來實現(xiàn)熵減過程。其實，我們每個人都是自己小世界的小妖精，每天努力一點點讓自己的小世界變得有序一下，也是人生的意義呀。 再回頭看一看《信條》這部燒腦的電影，可能也變得稍微通俗易懂一些。熵增定律無法改變，世界變化的趨勢不可逆轉(zhuǎn)，我們每個人也都是茫茫宇宙中被順水推行的一葉扁舟。但是換個角度來講，我們的小小努力都會成為推動世界進步的一份力量。所以我們要一直加油鴨！ |
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