诺兰给《信条》设了多高的认知门槛?这里有一本“时间逆转”说明书|全文安全无剧透

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诺兰给《信条》设了多高的认知门槛?这里有一本“时间逆转”说明书|全文安全无剧透
麻省理工科技评论 2020-09-07

2020-09-07

《信条》(TENET)正在热映中。
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《信条》(TENET)正在热映中。

《信条》(TENET)正在热映中。不同于克里斯托弗 · 诺兰此前的另外两部科幻大作《盗梦空间》(Inception)和《星际穿越》(Interstellar),前者有着精妙绝伦的场景设计和剧情安排,后者有着气势磅礴的宇宙观和坚实的科学基础,同时,这两部电影都花了很大篇幅去向观众说明 “穿越梦境” 与“穿越宇宙”所需具备的技术条件,所以在后面情节继续发展时,观众们其实已经做好了相应的知识储备,在感官上不会有太多的断档。

而反观《信条》,诺兰这次并没有花太多的笔墨去解释如何实现时间逆转、如何通过转换门实现熵增熵减、时间钳形战术如何实施、自由意志到底能不能改变因果等问题,所有这些问题都是通过片中人物的简短对话完成的,甚至就连本片的“立足之本”——热力学第二定律,也只是花了几分钟时间由一位女科学家向男主角做了简单科普,最后扔下一句:不要尝试去理解,感受就好……

诺兰给《信条》设了多高的认知门槛?这有一本“时间逆转”说明书

图 | 《信条》电影海报

如果看过多次《盗梦空间》和《星际穿越》后,再来看《信条》,会明显感觉诺兰这次是在刻意淡化对科学概念的解释,一上来就是激烈的枪战及爆破场面,甚至在电影开场的那场枪战中,在毫无铺垫的情况下,已经出现了由时间逆向物质制成的子弹。所以全片给人的感觉是导演在 “强迫” 观众接受影片对时间机制的设定。

很好的一个印证就是,每当主角询问诸如熵、时间逆行、自由意志、因果律等问题时,得到的答案往往是“无法解释”。这属于非常典型的诺兰叙事风格:我提到了,那就是说了;只要我说了,你就应该信…… 而且诺兰在《信条》中,把这种风格发挥得更加尽致。

但在技术原理上着墨不多,并不意味着影片基础科学性的缺乏,毕竟,诺贝尔物理学奖得主基普 · 索恩(Kip Thorne)在出任过《星际穿越》的科学顾问后,也亲自审阅了《信条》的剧本,并梳理了其中的相关科学概念。

影片的基础是热力学第二定律,即热力学过程是不可逆的,孤立系统总是自发朝热力学平衡方向演化;同理,时间也是单向流动的,一个系统会随着时间推移而熵增,系统也会变得越来越无序,我们可以以此来区分过去和未来。

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图 | 剧中时间逆转场景

但如果这个过程反过来呢?让一个系统熵减,热力学过程逆向,是否就意味着可以穿越回到过去(时间倒流)?电影就是基于这个假设,而影片中出现的那个 “转换门” 就是完成这个 “逆向转换” 的关键。

《信条》绝对可以算得上年度烧脑大作,虽然有一定的科学理论基础,但情节都是基于假设,对一些科学概念做了天马行空的演绎。但单说熵减(这被科学家看成是某种意义上的 “时间逆行”)这件事,一直以来就不乏顶尖学者在这方面进行探索。虽说难以在宏观层面实现,但在微观层面,科学家们已经开始取得一系列理论及实践方面的重要进展。

微观层面的 T 对称

我们先看下《信条》里至关重要的科学基础——热力学第二定律。

实际上,这一著名定律也是物理学中,有关时间最为经典的辅助定义。它是物理中少有的几个涉及时间流向的定理,其中所谈及的熵(Entropy,用于描述一个系统的混乱程度)在与外界独立的一个系统内被认为是只增不减,对事物演变过程的 “前” 与“后”做了区分,规定了时间的流向。

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图 | 《信条》电影海报

尽管这一概念比较抽象,但我们通常都对此有着直觉性的认知。举个例子,一段记录一团篝火将旁边的冰块慢慢融化掉的视频,正向播放的话,篝火中新添的木头逐渐从木色变为烧焦后的黑色,旁边的冰块也会逐渐从冷得冒烟变成地上的一滩水;反向播放的话,冰块会从一滩水慢慢回流并凝结,最终变回一开始那个冷得冒烟的冰块,篝火中的木块也会从黑色一点点地变回木色,恢复被燃烧前的样子。

尽管生活经验让我们能够轻松分辨视频的正向播放与反向播放,但反向播放所呈现出的这种逆过程,其实除了热力学第二定律外,并没有违反太多的物理定律。

实际上,基于物理中关于时间对称的概念,也称 T 对称,大多数物理原理在时间倒流的情况下依然成立;但热力学第二定律中的熵增定理,使得宏观过程的 T 对称成为了不可能,这也是为什么我们不会在宏观层面看到由冰融化后的水,在室温环境下又凝结成为原来的冰。

但在《信条》中,非孤立系统中出现了热二律逆向的子弹。

然而,虽然宏观层面上不行,但 T 对称在微观层面上却是可行的,甚至堪称常见。比如一团烟雾被风吹动的过程,虽然宏观上烟被吹成了特定形状,但如果只从微观层面观察单个烟雾颗粒被吹动的过程,我们就很难判断这一过程究竟是在被正放,还是倒放,换句话说,熵的影响仅在我们观察较大的系统时才会比较明显,随着我们观测的尺度越来越小,其存在感会变得越来越微不足道。而物理学家们也正是由此,才得以在微观层面实现了所谓的时间反转。

粒子状态的“时间反转”

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图 | 粒子状态的“时间反转”(来源:Michigan State University)

对于微观层面的“时间反转”,一直有科学家在开展研究。就在近日,美国阿贡国家实验室的瓦莱里 · 维诺库(Valerii Vinokur)和莫斯科物理技术学院的安德烈 · 列别杰夫(Andrey Lebedev)取得了一项最新进展。他们在 2020 年 7 月发表的论文《未知量子状态的时间反转》(Time-reversal of an unknown quantum state)中指出,物理学中有关时间的定义与我们在日常生活中所使用的时间概念相比,尽管在哲学上有着相似之处,并存在一些共通点,但从细节上来说,可以是完全不同的两种事物。或许也正是因为这种不同,当今的物理学家们才得以另辟蹊径,有可能在精心构建的算式和量子系统中实现物理中的时间反转。‬‬‬‬‬

这支俄美科学家团队,在去年春季就曾发表过一篇题为《IBM 量子计算机中的时间之箭与其逆演变》(Arrow of time and its reversal on the IBM quantum computer)的论文,并在当时引起了巨大轰动,许多媒体都曾以 “科学家实现时间倒流” 为题,对该研究进行了报道。

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图 | 论文中的时间逆转态

然而,这两项研究中所涉及的 “时间” 概念,其实并非我们日常生活中所熟知的体感时间。而是我们前面所谈到的,源于热力学第二定律的物理时间,即事物的状态是否是在由较为有序发展为较为无序(熵增的概念)。

具体来说,该团队早前的那次实验,在一个仅配置两到三个量子比特的量子计算设备上,在已知量子比特的起始量子态和终末态(也就是当前态)的情况下,模拟量子比特的量子态逆向发展的过程,让其从终末态变回起始态。而在这一过程中,我们的体感时间仍是向前流动的,时间并没有被倒流。

通俗来说,这就好比是倒放一段水从茶壶中被倒入茶杯的视频,视频只是看上去像是时间被倒流了,但你我都知道真正的时间流向并未发生改变,你甚至还是在正向流动的时间中观看了那段被倒放的视频。

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图 | 一段倒放的 “倒水” 视频(来源:腾讯视频“AI 智能科技生活 ”)

逆演变

之前提到,团队此前的研究是建立在 “已知量子比特的初始态和终末态” 这一条件上的,而如要将其成果应用于量子比特纠错,就会因大量量子比特初始态信息的存储问题而对设备的内存造成负担。

根据团队此次在《物理通讯》上发表的新论文,他们或已成功开发出一套能将量子比特的量子态,从终末态 “逆变换” 为未知初始态的算法。

虽然该算法由于设备原因尚未被实际验证,但团队认为,如果能在现有量子计算设备中,在其有限的运行温度环境下以 “热库(thermal reservoir,一个热容足够大的热力学系统,对系统添加或抽取一定的热量不会使系统的温度发生变化)” 的形式,来分析量子比特的一个给定的量子态,并逐渐提升系统内的熵值,便可使对当前给定量子系统制备一个备用系统(auxiliary system)成为可能,进而通过与给定系统相同的,负责掌管量子系统如何演变的汉密尔顿运算符在数学上计算出能逆转时间的运算符(施加于描述粒子状态的方程上的各种运算符可以帮助科学家从粒子的叠加态中提取信息,在实际使用时一般采用矩阵形式),并以此使系统“时间倒流”。

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图 | 汉密尔顿运算符 H 与描述粒子状态的波方程 Ψ(来源:Georgia State University)

具体来说,团队实际上是用量子系统的密度矩阵(描述了一个混合量子态)定义了一个未知量子态的 “逆演变” 过程。

在将这个 “逆演变” 运算施加在备用系统上时,研究人员并不一定要完全知晓备用系统当前所处的状态,而系统即将 “逆变” 为的初始态也可是以一种 “混合态”,即一种并不需被研究人员百分之百知晓的状态被假定存在,研究人员只需将之前所提到的“逆时间运算符” 多次作用在系统的状态方程上,就能逐渐还原出系统在足够长的一段时间前的状态。

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图 | 该团队去年的研究曾借助 IBM 的量子计算机进行实验(来源:IBM)

此外,根据论文给出的计算,这种逆变运算在高熵环境内的执行难度会较其它情况更低一些,而研究人员也正是因此,才在量子计算设备的设计上提出要引 “热库” 的概念,目的其实就是为了提升逆变运算的成功概率,使设备的使用者能 “矛盾地” 以一个当前处于较高温度环境(高熵)中的系统状态,获取该系统 “过去” 那个处于较低温度环境中的(低熵)状态。

对于作为普通读者的你,上面两段内容或许如同天书,在此给出一个你能理解的类比以帮你认识这种非同寻常的算法:针对一张球形分布散乱无章的球台,计算机在做出精确计算之后,对着白球击出一杆,这一杆的力量经过若干次碰撞传导,最终让桌上的所有台球恢复到了最早摆好的初始状态。

诺兰给《信条》设了多高的认知门槛?这有一本“时间逆转”说明书

目前,由于还没有可以在运行过程中构建热库的量子计算机,该算法还仅停留在理论阶段。但团队认为,将现有的量子计算设备升级为实验所需的设备并非难事,关键在于如何能使一组相互关联的量子比特在温度可控的环境中工作。对此,团队论文中提出,如能将超导量子比特与可放出辐射的导线相结合,便可使量子比特可以在导线所放出的辐射能影响下升温,进而达到进行实验所需的条件。

目前,有部分专家学者认为,该算法如被证实,将有望被用于改进量子计算机内的 “量子比特纠错” 功能,使人们不需再用好几个额外的量子比特去给一个运算用量子比特纠错,而是直接通过论文所阐述的这种方式使量子比特能不断 “往前回溯” 自己的状态,避免错误的产生,进而简化量子计算机的设计。

讲完了科学家所取得的最新进展,我们还是说回电影。

平心而论,《信条》上映后尽管以 “科幻”“烧脑” 而引起热议,但实际上这部影片中并未出现什么新的科学或科幻元素。

违背热二律的事,金庸《天龙八部》中的那条冰蚕做过了;《信条》影片中,那些逆向热二律的子弹并非是在孤立的封闭系统中行事,我们生活中的空调、冰箱每天都在干着类似的事。

关于时间倒流,前几年各类劣质国产穿越剧几乎把这个概念玩死;至于自由意志是否能决定世界未来,周星驰在《大话西游》中也做了粗浅的探讨。

真正需要严肃对待的是因果律破缺问题,但这个问题是没法探讨的——因果律不仅是所有科学定律推演和成立的基础,也是逻辑的基础,如果因果律真的破缺,则任何问题都将成为伪问题,如同霍金在《时间简史》中所言,对于 “大爆炸之前宇宙处于怎样一副状态” 之类问题的提出者,“我给他准备好了坟墓”。

显然,作为娱乐大众的电影,《信条》不会如此晦涩地去折腾这些科学研究,无论多么烧脑,诺兰终究只是借了科学的外壳,至于影片内容,借用一句台词:“你不必去理解,感受就好”。

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