生命——永遠的逆時者

文/谷第（生物物理學家，北京航空航天大學教授，銀河獎得主）

當代最偉大的科幻電影導演是誰？這絕對是一個可以讓科幻迷們吵翻天的問題。不過在我心中，這項殊榮非克里斯托弗·諾蘭莫屬！從2010年上映的《盜夢空間》到2014年上映的《星際穿越》，再到今年剛剛上映的《信條》，諾蘭完成了他的科幻電影“時空三部曲”。特別是在《信條》中，諾蘭將“逆時”這個概念演繹得淋漓盡致。在他的設定中，逆時狀態(tài)下的生命不僅僅是倒著走路，甚至不能呼吸我們正常的空氣。然而從科學的視角來看，生命與逆時的關系遠比呼吸一種特殊的氧氣要復雜得多。

“逆時”：不是時間旅行

脫離開具體的科幻作品來討論某一個科幻構想是沒有意義的。科幻從來不是嚴謹?shù)目茖W，而是在具體的科幻作品中才得以成立的思維游戲。

對于《信條》這部電影來說，它最重要的科幻構想就是“逆時”。很多沒有看過，或者沒有看懂這部電影的觀眾將“逆時”簡單地等同于另一個在科幻中常見的概念——“時間旅行”。然而實際上，這兩者根本就不是一回事。

在科幻的發(fā)展歷史上，時間一直是一個永恒的主題。這或許是源于我們面對時間的流逝時那種無可奈何的情緒。雖然相對論告訴我們，時間是相對的，是可變的，似乎給了我們改變時間的機會。但另一方面，相對論又斷絕了前往過去進行時間旅行的可能，讓所有關于時間機器的幻想都只是永遠的幻想。

不過，科幻作品中仍然充斥著時間機器。無論它們閃現(xiàn)著黑科技的未來感，還是帶著月光寶盒的神秘主義色彩，都能完成同樣的使命——將故事的主人公從一個時間點轉(zhuǎn)移到另一個時間點，從而實現(xiàn)所謂的“穿越”。

重要的是，穿越到過去或未來的主人公，必然還要如普通人一樣生活，隱藏在普通人中間。也就是說，此時他們?nèi)匀皇桥c時間線共同前行，無法抗拒時間一刻不停地流逝。所以這些故事中的焦點是變換了環(huán)境的人物，而非人物本身打破了什么物理學的法則。

諾蘭在“時空三部曲”中，一直在試圖操縱時間這個重要的物理學概念。《盜夢空間》中變幻的是時間的尺度，才有了“洞中方一日，世上已千年”的電影化呈現(xiàn)。而在《星際穿越》中，時間不僅僅在黑洞附近被質(zhì)量所扭曲，甚至在玄幻的先進文明那里變成了一個像空間一樣可以任意往來的維度。

而在《信條》中，諾蘭創(chuàng)造了“逆時”的概念，讓時間變得可逆了。他將人物置于時間的逆向流動之中，并與其他在時間正向流動中的人物產(chǎn)生交互。這種“逆時者”與“正時者”同場打斗的場景，恐怕正是這部電影讓大家最難以理解，也最難以接受的部分。

在“正時者”看來，自己的行動當然是正常的，而“逆時者”倒退著前進，最終與自己交匯于同一個終點。在“逆時者”看來，自己的行動也是正常的，而“正時者”倒退著前進，與自己從同一個起點出發(fā)。這里的“起點”與“終點”正是影片中那神秘的轉(zhuǎn)換器，滿滿的工業(yè)朋克風，卻一點兒沒有未來感。

這平平無奇的轉(zhuǎn)換器是如何實現(xiàn)“逆時”的呢？電影里已經(jīng)給了咱們觀影指南：“不要試圖去理解它。感受它就行了！”

時間與熵

作為一名出色的科幻電影導演，諾蘭不可能不對“逆時”給出“合理”的物理學解釋。當然，這里的“合理”只是在電影故事之內(nèi)的一套自洽的邏輯而已，并不等同于真實世界中的物理學知識。

在《信條》中，“逆時”被解釋為“熵減”。

熵是什么？你或許不知道這個問題的準確答案，但只要你喜歡科幻，一定聽說過很多與它有關的說法，比如：熵會自發(fā)地增加；熵代表著無序度；因為熵增，宇宙最終徹底無序，歸于熱寂。

其實“熱寂”是不科學的，其中缺少了關于引力和量子力學等因素的考慮，而僅僅是站在熱力學角度上的推測。顯然，這本身就是一個經(jīng)典的借科幻廣泛傳播的“假科學”案例。不過，這些關于熱寂的科幻故事的確推廣了“熵增”這個概念。

我們可以形象地理解一下這件事情。假如有一個盒子，能斷絕與外界的物質(zhì)和能量交換，我們稱之為熱力學上的孤立系統(tǒng)。盒子里分成左右兩個空間，中間是一層隔板，隔板上有個小孔讓左右互通。

現(xiàn)在，我們在隔板左邊放上熱的氣體，右邊放上冷的氣體。此時的“左熱右冷”是一種有序度的體現(xiàn)，就像學生上體育課時，高個子站在左邊，矮個子站在右邊一樣，體現(xiàn)了秩序。

不過，由于隔板上有一個小孔。于是左邊熱的氣體分子會有一些通過小孔跑到右邊去，而右邊冷的氣體分子會有一些通過小孔跑到左邊去。最終的結果不難想象：兩邊溫度肯定會變得一樣。此時，左熱右冷的“有序性”消失了，取而代之的是均一的“無序性”，熵增加了。

如果換用稍稍嚴謹一些的說法就是：熱力學第二定律的表述形式之一是一個孤立熱力學系統(tǒng)內(nèi)的熵是不斷增大的。也就是說，只要隨著時間的流逝，熵就一定會增大。

諾蘭在《信條》中就利用了熵與時間之間的這種關系，將時間的正向流動定義為熵增，而當一個物體或生命接受了故事中想象出來的某種特殊輻照之后，便會自發(fā)地熵減——時間由是逆流而上。

完美！

但太完美的事情往往就會令人心生懷疑。“逆時”這套科幻理論成立的前提是：熱力學第二定律是成立的。可是熱二律一定成立嗎？

對于這個問題，物理學家們自己曾經(jīng)也心里沒底。而困擾他們的，正是“生命”這個小妖精。

愛找麻煩的麥克斯韋

詹姆斯·麥克斯韋是一位偉大的物理學家。他所建立的麥克斯韋方程組描述了電磁波中電與磁的關系，充滿了對稱的美感。除了對稱之外，麥克斯韋方程組還在另一個問題上閃現(xiàn)了理性的美，那就是光速與參照系無關的恒定性。如果說彼時越來越精確的光速測定實驗是“以太學說”的掘墓人，那么麥克斯韋方程組就是真正把“以太學說”埋進墳墓的送葬者。

1900年4月，著名物理學家開爾文爵士在英國皇家學會月度例會上做了一場演講，題目是《在熱和光的動力理論上空的十九世紀烏云》。這就是后世常常被人提到的物理學“兩朵烏云”，而其中的第一朵烏云就是指光速不變性與以太學說的沖突。

然而，這還不是麥克斯韋給開爾文爵士找的唯一麻煩。

熱力學是開爾文爵士研究的主要領域之一。他被人們所熟知的一項工作就是開創(chuàng)了熱力學溫標，單位就是開爾文（Kelvin）。開爾文爵士也曾在熱力學第二定律的研究中做出了貢獻，給出了該定律著名的開爾文表述：“不可能以無生命的材料實現(xiàn)一種手段，讓物質(zhì)的任何部分冷卻到比環(huán)境中最冷的物體還要低的溫度，同時產(chǎn)生機械運動的效果。”

有意思的是，你今天在物理學教科書上看到的開爾文表述通常只是上面這句話的殘缺形式，卻把“無生命的材料”這部分給刪掉了。換言之，在開爾文當初的認知里，要想讓熱二律成立，必須把“生命”給排除在外。

為什么不能包括生命呢？因為在19世紀那個時候，科學家們就已經(jīng)發(fā)現(xiàn)：生命似乎并不遵從熱力學第二定律。

愛找麻煩的麥克斯韋在1871年提出，如果在那個氣體盒子中間隔板的小孔上放一只小妖精，讓他對左右兩邊飛過來的氣體分子進行選擇，只讓那些熱的、飛得快的分子飛往左邊，只讓那些冷的、飛得慢的分子飛往右邊，那么最終兩邊不但不會變得溫度一樣，反而還有可能變得左邊更熱、右邊更冷。這就意味著有序度反而增加了，無序度卻下降了，于是——熵減了。

事實證明，這樣神奇的事情并不需要什么妖精才能做到，生命本身就足以完成類似的事件，不顧熱二律的限制，持續(xù)實現(xiàn)熵減。

究竟，生命是什么呢？

妖精的食物

著迷于“生命是什么？”這個問題的物理學家不在少數(shù)，其中不乏功成名就的物理學巨匠，比如名字總是與貓聯(lián)系在一起的埃爾溫·薛定諤。這位量子力學的奠基人應邀到愛爾蘭的“都柏林高等研究院”擔任理論物理學院院長之后，做了一系列關于生命問題的物理學講座，并于1944年結集出版，書名就是《生命是什么？——活細胞的物理學面貌》

我知道的，以及我認識的很多物理學家都把這本書奉為圭臬，似乎物理學早在那個生命科學的“蠻荒時代”就已經(jīng)參透了生命的本質(zhì)。

然而很可惜，這只是物理學家們的一廂情愿而已。

薛定諤在《生命是什么？》這本書中主要討論了兩方面的生命問題：遺傳學和熱力學。不幸的是，在遺傳學方面，薛定諤錯得離譜，認為蛋白質(zhì)是生命的遺傳物質(zhì)。也正因為這個烏龍，這本書被20世紀中葉的一些著名生物學家打了差評。

不過，熱力學可是薛定諤的領域。要知道，在開爾文爵士的時代，熱力學第二定律是無法被證明的。但是隨著統(tǒng)計物理被引入熱力學研究中，熱二律便成了一個可以被證明的定理。而統(tǒng)計學正是薛定諤研究量子力學時的利器。

薛定諤認為，生命的問題完全符合熱力學第二定律。

我們都知道，生命是高度有序的，個體由器官組成，器官由細胞組成，細胞又由很多不同的蛋白質(zhì)和核酸等生命分子組成，而蛋白質(zhì)和核酸既有三維的空間結構，也有一維的序列信息。無論從哪個角度來看，生命都是高度有序的，并且在生命活著時一直維持這種負熵的狀態(tài)。這是生命貌似違背熱二律的本質(zhì)所在。

對此，薛定諤在《生命是什么？》的第六章中給出了一個很簡單的答案：生命以負熵為食。

換句話說，薛定諤認為生命這個“小妖精”攝入的食物和其他所有物質(zhì)是負熵的，于是生命自身的熵降低了，但伴隨著一個代價，那就是包含生命在內(nèi)的自然界這個大系統(tǒng)的整體熵提高了。所以，熱二律依然成立。

“無生命”的病毒

雖然薛定諤的《生命是什么？》沒有引起生物學家們的重視，但它的確起到了宣傳的作用，把一批物理學家吸引到了生命科學領域從事研究工作，其中就包括后來建立了DNA雙螺旋模型的詹姆斯·沃森和弗朗西斯·克里克。

除了這些科學傳播方面的貢獻之外，薛定諤這本書也的確改變了我們看待生命的方式——雖然這種方式并不能被所有生物學家接受。

地球上的生命多姿多彩，千變?nèi)f化。這就導致生物學家們更喜歡實證的力量，而不喜歡那些過不了多久就會被新物種所打破的“定律”。然而，當生命的研究進入某些難以分辨的灰色地帶時，薛定諤的視角便顯現(xiàn)出了物理學作為“科學之父”那不可替代的偉大力量。

這個灰色地帶就是當下全球疫情的主角——病毒。

病毒到底算不算生命？這恐怕是最讓生物學家感到頭疼的問題之一。

如果從構成成分來看，病毒似乎應該算是生命。它們由核酸充當遺傳物質(zhì)，由蛋白質(zhì)搭建外殼，有的還會披上磷脂膜的外衣。這些全都是在細胞里也會使用的生命分子。

如果從能量和物質(zhì)代謝的角度來看，病毒又不應該算是生命。病毒里沒有能夠“燃燒”能量分子并釋放能量的復雜細胞器，也沒有能夠合成或分解物質(zhì)的復雜酶體系。

如果從分子機器的角度來看，病毒又有生命的特點。有相當一部分病毒種類，會在包裝病毒顆粒時裝進去一些能夠利用能量完成生命活動的分子機器，只是它們在病毒里沒有能量可用，處于停機狀態(tài)。

其實，只要以薛定諤的視角來看，病毒的問題就很簡單了：病毒這個系統(tǒng)不具備維持自身負熵狀態(tài)的能力。也就是說，當一個病毒處于自然界中的時候，它跟一塊石頭或一塊面包沒什么區(qū)別，終將隨著時間的流動而瓦解崩壞，喪失從分子層面到病毒顆粒層面的全部有序性，最終走向熵增的必然結果。

從這個意義上來講，病毒肯定不是生命。

逆時永生

下面就讓我們以薛定諤的視角來審視一下《信條》中的“逆時者”，看看他們有可能存活嗎？

其實，諾蘭在電影中設想的氧氣交換問題只是小問題。氧氣面罩和隔離艙的設置，更多地像是為了電影講述故事的方便，讓觀眾可以輕易分辨出處于“逆時”狀態(tài)的角色。

對于生命而言，更重要的是能否維持細胞里的各種生物化學反應，維持物質(zhì)的代謝合成，維持能量的燃燒釋放。而化學反應的自發(fā)發(fā)生依賴于吉布斯能（舊稱自由能）的自發(fā)減小。當時間逆流時，吉布斯能的變化趨勢就會變成自發(fā)增大，正如《信條》開篇那顆從桌上跳進科學家手里，自發(fā)尋求勢能增加的子彈一樣。于是，所有化學反應也將向著反方向發(fā)展，從產(chǎn)物變?yōu)榉磻铩?

在這樣一個化學反應逆向發(fā)生的“逆時”世界中會存在生命嗎？或許是可以的。但即便存在，也一定不是我們所知道的生命的樣貌。也就是說，當我們穿過《信條》中的那個轉(zhuǎn)換器后，雖然組成我們的分子還是這些分子，但是所有生化反應都將停擺。

顯然，對于我們這些高度依賴化學反應的細胞生命來說，這將會是一場分子層面上的災難。

與吉布斯能的問題相反，逆時狀態(tài)下的熵減反而是生命的福音。

生命的本質(zhì)就是維持自己的高度有序。當時間逆流，熵減成為趨勢，有序度自發(fā)趨向于增加。我們在《信條》中看到皮開肉綻的傷口會恢復如初，我們看不見的是細胞里崩壞瓦解的分子可以永遠保持完好的形態(tài)。于是，我們大可不必再進食，甚至不必再呼吸，哪還需要電影中那惱人的呼吸面罩或隔離艙？因為在熵減中的我們，必將向著更有序的方向前進。

其實，根本無須科幻的加持，我們這些“麥克斯韋的妖精”本就是名副其實的逆時者。無論是現(xiàn)實世界中的動物、植物，還是無所不在的細菌、真菌、古菌，只要生命活著，就在維持熵減的過程，不顧身邊宇宙的時間流動。

尾聲

除了人們熱議的“時空三部曲”之外，我認為諾蘭還有“隱性時空三部曲”——《記憶碎片》《致命魔術》和《敦刻爾克》。雖然在這三個故事中沒有時空的維度扭曲或繁復交錯，但是它們的敘事結構與《信條》何其地相似，都是從不同的時間流線上最終回溯到同一個交叉點，然后讓觀眾“恍然大悟”。

人類作為有序的存在，進一步制造出了各種各樣“有序”的造物，并以之作為自己文明的標志。但我們用這些有序的造物所做的最多的事情，卻是去破壞其他有序的存在，甚至包括人類自己。

諾蘭給自己的電影取名《信條》，恐怕不僅僅因為它的英文單詞“TENET”是一個回文序列。事實上，在我看來，生命的意義與它的本質(zhì)是一體的，那就是維持“有序”的存在——這大概才是所有生命都應遵奉的“信條”。

【責任編輯：艾珂】