本文來自微信公眾號：科學大院（ID：kexuedayuan）,，作者：葉盛（北京航空航天大學教授，中國生物物理學會科普工委秘書長）,，題圖來自：《信條》

在表述我自己的任何想法之前,，請允許我向克里斯托弗·諾蘭致敬！

諾蘭或許不是最偉大的電影導演之一,，但一定是最偉大的科幻電影導演之一,，甚至沒有“之一”?！缎艞l》也再一次地沒有讓我失望,，甚至有點超出預期，竟然讓我平生第一次在電影院里產(chǎn)生了腦子不夠用的感覺,。

在這部電影引發(fā)我瘋狂思考的諸多問題之中,，除了物理的、時間的,，也有一個問題與我的專業(yè)有關(guān)：在“逆時”狀態(tài)下,，生命可以存在嗎,？

深入思考之后才發(fā)現(xiàn)，這是一個相當有趣的問題,。

《信條》劇照

《信條》與“逆時”

想來想去,，我還是要先來聊聊這部電影，否則實在難以討論下去,。本文中,，只有這一部分會出現(xiàn)輕度劇透（輕到連故事和人物都不會出現(xiàn)），如果你很介意,，那就跳過吧,，或者干脆收藏了等看完電影再來看。

不過,，就像很多網(wǎng)評所說的那樣：即便你看過了《信條》的劇透,，大概率并不會影響你在電影院里持續(xù)懵圈。所以從這個意義上來講,，《信條》很可能是電影史上最不怕劇透的電影了,。

在克里斯托弗·諾蘭之前，我心目中偉大的科幻電影導演有這么“四”位：庫布里克,、盧卡斯,、卡梅隆，以及勉強能算半個的斯皮爾伯格,，還有加起來算半個的沃卓斯基姐妹（曾經(jīng)的兄弟,，后來的姐弟）。

個人以為,，單就“科幻”這一點來比較的話,，諾蘭超越了前面那幾位大師。

無論是《2001：太空漫游》還是《星球大戰(zhàn)》,，它們顛覆的只是“電影”這個概念本身,，但是在科幻上并非多么地驚艷。這些誕生于“科幻黃金年代”的科幻電影和劇集之所以能夠火爆,，基礎(chǔ)在于當時人們對太空和機器人等科技知識的匱乏,。

飛船（圖片來源：《2001：太空漫游》）

顯然，今天的觀眾不好“騙”了,。

諾蘭的科幻電影選擇了“時間”這個主題,。雖然大家都說《信條》是諾蘭“時空三部曲”的終章（前兩部則是《盜夢空間》和《星際穿越》），但其實在這三部電影中,，時間都是遠比空間更為重要的那個主題。

在《盜夢空間》中,，時間的尺度被拉伸或壓縮,，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,，諾蘭讓時間變得“可逆”了,。

等等，這不就是時間旅行嗎,？這有什么新鮮的,？

我用自己超過三十年的科幻閱歷向你保證：這太新鮮了，簡直新鮮極了,！

的確,，時間旅行是一個在科幻領(lǐng)域已經(jīng)被寫爛的題材。姑且不說小說,，單是電影中就有數(shù)不勝數(shù)的時間旅行橋段,。從一再翻拍的經(jīng)典《時間機器》到喊著“般若波羅蜜”就能穿越的《月光寶盒》，你要是沒看過一部與時間旅行有關(guān)的電影,，恐怕都不好意思說自己看過電影,。

但是，所有這些經(jīng)典的時間旅行都有一個共同的特點：人物在各個時間線上的活動都是與時間線同向流動的,，他們無非是借助科學儀器或者某種法器在時間線之間或同一條時間線上跳來跳去而已,。所以“穿越”才會如此風靡，它沒有什么科學門檻,，而只是構(gòu)架或講述故事的一種方式,。

《信條》如果也只是搞搞時間旅行，那就不是諾蘭的作品了,。

在《信條》中,，諾蘭創(chuàng)造性地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,。為了敘述方便,，我們姑且稱前者為“逆時者”，而后者為“正時者”,。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”卻詭異地倒退著前進,，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，透著工業(yè)朋克風的,，最不具科幻感的轉(zhuǎn)換器,。

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,！”

本來嘛，科幻電影都是扯淡的,。

時間與熵

我知道這話恐怕冒犯了不少科幻迷,，但這是事實。我們的很多觀眾,，甚至是資深科幻迷,，都還沒有搞清楚科幻與科學的界限所在，所以才會有人去認真地給《三體》或《流浪地球》挑錯,。

很多被奉為硬科幻經(jīng)典的科幻作品,，其實在作者自己看來，也都是建立在一些想象出來的虛幻“科學”之上,，譬如《三體》（參見大劉本人的采訪）,。包括我自己獲得“銀河獎”的《畫骨》，被很多讀者說成是生命科學的硬科幻,，其實也是基于一些我明知道它不可能成立的“假科學”,。

科幻作為一種文學和藝術(shù)體裁，它真正想要探討的是人與科技,、人與自然的關(guān)系,，亦或是在科技的背景之下展露出的人性。至于科學,，只是供角色們表演的舞臺而已,。

在這樣的意義上，《盜夢空間》是諾蘭最好的科幻作品,，無論是其中寡頭父子之間的復雜情感,，還是小李子對亡妻刻骨銘心的愛與悔恨，都讓人感同身受,。而《信條》中的主人公卻更像是一個符號化的人物,，是讓故事得以向前運轉(zhuǎn)的工具人。

當然，這也有情可原,。要講述《信條》這樣一個復雜的故事,，用多少時長都是不夠的。至于塑造人物這種事情,，大概也只有妥協(xié)的份兒了。畢竟,，為了讓“逆時”披上“硬科幻”的外衣,，諾蘭甚至在一開篇就把“熵”都搬出來了。

熵是什么,？你可能不知道這個問題的準確答案,，我也無法在此為你作答，因為要說清楚這個問題,，本身就需要一篇長文,。不過，你大概聽說過一些與熵有關(guān)的說法,，比如：熵會自發(fā)地增加,；熵是無序；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(guān)于引力和量子力學等等因素的考慮,，而僅僅是站在熱力學角度上的推測。顯然,，這本身就是一個借科幻廣泛傳播的“假科學”經(jīng)典案例,。不過，這些關(guān)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,。盒子里分成左右兩個空間,，中間是一層隔板，但隔板上有個小孔,。如果在隔板左邊放上熱的氣體,，右邊放上冷的氣體，那么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，兩邊溫度一樣了,，左熱右冷的“有序性”消失了,，取而代之的是均一的無序性,，熵增了。

如果換用稍稍嚴謹一些的說法就是：熱力學第二定律（以下簡稱：熱二律）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,。

就像剛才例子里的那些氣體分子一樣，它們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,。這種確定的有向性,，恰恰就是時間的一種表現(xiàn)形式。

（圖片來源：維基百科）

就是在這里,，諾蘭玩了把文字游戲,，多多少少算是倒置了因果。在《信條》中,，他試圖讓觀眾們相信：為什么時間會一直向前走,？因為熵總在自發(fā)地增加。

于是,，自然而然地,，當一個物體或生命因為接受了某種特殊的輻照而自發(fā)地熵減時，時間便逆流而上了,。

完美,！

但太完美的事情往往就會令人心生懷疑。就算不考慮因果的問題,，將熵的變化與時間等價,，那這套“逆時”理論的成立也需要一個前提：熱二律是成立的。

但是,，熱二律一定成立嗎,？

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

麥克斯韋的妖精

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(guān)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耀著理性的美,，那就是光速與參照系無關(guān)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,。

開爾文爵士名字不叫開爾文，而是威廉·湯姆森（William Thomson）,。實際上，開爾文是他在格拉斯哥大學的實驗室附近一條小河的名字,。因在熱力學領(lǐng)域做出的重大貢獻,，他被維多利亞女王授予了男爵的爵位，以“開爾文”為頭銜,。如此一來,，他所開創(chuàng)的熱力學溫度就以開爾文（Kelvin）為單位了，某種意義上成為了物理學中唯一一個以地名命名的標準單位,。

開爾文爵士在研究熱力學的過程中,，于1851年提出了著名的熱力學第二定律開爾文表述：“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坐一個小妖精，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,，無序度下降了，于是——熵減了,。

麥克斯韋妖（圖片來源：John D. Norton）

事實證明,，這樣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

生命是什么？著迷于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(guān)于生命問題的講座,，并于1944年將講座內(nèi)容結(jié)集出版，書名就是《生命是什么,？——活細胞的物理學面貌》,。

埃爾溫·薛定諤

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)。

不過,，熱力學可是薛定諤的領(lǐng)域,。

要知道，在開爾文爵士的時代,，熱二律是無法被證明的,。但是隨著統(tǒng)計物理被引入熱力學研究中,，熱二律便成為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,，生命完全符合熱二律。

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(jié)構(gòu)，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，但伴隨的代價就是包含生命在內(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。

原來是化學??！

表面上來看，薛定諤一句“生命以負熵為食”,，似乎成功解決了生命違背熱二律的問題,。但其實他的內(nèi)心也仍舊存有疑問。

就算生命真的以負熵為食,，那么為什么生命能夠利用負熵呢,？或者說，在活的生命體內(nèi),，為什么會有局部的熵減發(fā)生呢,？說白了，似乎總要有那么一只小妖精,，翹著二郎腿坐在生命體內(nèi)某個隔板的小孔邊沿上,，一邊隨手扒拉著飛過來的氣體分子,，一邊用輕蔑的眼神睥睨著高高在上的物理學天才們。

就連薛定諤在《生命是什么,？》的第七章中也不得不承認：“我們所面對的這一機制完全不同于物理學的概率機制,。它不能夠被簡化為物理學的普通法則?；畹纳镫m然不能逃避物理學的法則,，但有可能涉及到迄今為止尚不知曉的其他某些物理學法則?！?/p>

究竟是什么法則呢,？對此，著名分子生物學家馬克斯·佩魯茨在1987年回應到：“那門科學就是化學,?！?/p>

何謂化學？就是物質(zhì)改變的科學,。無論是分子的拆解還是搭建,，都會涉及到化學。事實上,，早在19世紀末期,，著名化學家喬賽亞·吉布斯就已經(jīng)提出了“親合勢”這個概念，后又稱為“自由能”,，而今又改稱“吉布斯能”,。我們已經(jīng)知道，在一個反應體系中,，只有吉布斯能降低的反應才能自發(fā)地發(fā)生,。

喬賽亞·吉布斯

的確，統(tǒng)計物理不太考慮化學的問題,。如果兩個分子能變成一個,，一會兒又分成了兩個，那還怎么準確統(tǒng)計??？但在薛定諤寫作《生命是什么？》的年代,，他不可能沒有聽說過當時已經(jīng)相當成熟的“自由能”理論,。那么為什么他還覺得當時的物理和化學不夠用呢？

這是因為吉布斯能只解決了化學反應能否發(fā)生的問題,，卻沒有解決化學反應發(fā)生速度的問題,。

自然界中很多化學反應的確在發(fā)生著，比如鐵生銹,。但這些反應的發(fā)生速度太慢,，無法滿足生命的需求,。而生命之所以能夠極大地提高反應速度，靠的就是——酶,。

這個“極大地”是什么概念呢,？酶可以讓化學反應的速率提高一百萬倍，甚至是一萬億億倍,。

“一萬億億”仍然是個空洞的數(shù)字,，不好理解。讓我們引入時間作為參照,，一個在細胞內(nèi)只需0.1秒即可完成的化學反應,，如果放慢一萬億億倍，就將需要數(shù)千億年,。這比宇宙的年齡還要長得多,。

因此，我們可以說,，酶能夠使得在自然界中不可能發(fā)生的化學反應轉(zhuǎn)瞬之間就反應完畢,。當然，也有一些化學反應在酶的控制之下得以極大地減緩反應速率,，比如各種能量分子的氧化釋能過程,。

生命是什么？

那么,，薛定諤的《生命是什么,？》是否改變了我們對于生命的認知？

在我心目中,，這個答案是肯定的。最起碼,，他的那本小冊子啟發(fā)了一大批年輕的物理學家,，令他們投身于生命科學的研究之中。其中就包括了最終建立DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)模型的沃森和克里克,。

除了這些科學傳播方面的貢獻之外,，更重要的在于，薛定諤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,。

地球上的生命形態(tài)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的發(fā)現(xiàn)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(gòu)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(jié)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”,，他們有可能存活嗎？

《信條》劇照

前文已經(jīng)談到,，生命的關(guān)鍵在于利用各種酶極大地加快或減緩了化學反應的速度,。這是一種時間尺度上的縮放，并不改變時間的流向,。反過來,，時間的逆流也不會改變時間尺度，也就不會影響酶的工作,。

接下來是化學反應中吉布斯能的改變問題,。我們都知道,，有很多化學反應是可正可逆的，所以吉布斯能的變化似乎與時間的流向并非是鎖定在一起的,。

但實際上,，時間在這里仍然扮演著重要的角色。試想,，何謂“自發(fā)發(fā)生”,？意思是說，隨著時間的前進,，該事件有發(fā)生的趨勢,。反之，如果它沒有發(fā)生的趨勢,，也就永遠不會自發(fā)發(fā)生,。正因為如此，自發(fā)發(fā)生的事情都與時間的流向有關(guān),。

在正常的世界中,，吉布斯能有自發(fā)減小趨勢的化學反應才能發(fā)生。也就是說,，這是時間的流向決定的,。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?/p>

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,，也一定不是我們所熟知的地球生命的樣貌，而應該是基于完全不同的一套化學反應體系,。也就是說，當我們穿過《信條》中的那個轉(zhuǎn)換器后,，雖然組成我們身體的分子還是這些分子,，但是所有生化反應都將停擺，甚至在酶的催化下加速逆向發(fā)生,。

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,。

不過,，對于吉布斯能在“逆時”設定下帶來的麻煩,，我們大可睜一只眼閉一只眼。畢竟諾蘭在《信條》里壓根就沒談過吉布斯能的問題,，沒準人家逆轉(zhuǎn)熵變趨勢的操作也把吉布斯能的變化趨勢順便一起逆轉(zhuǎn)了呢,？只是懶得再跟我們解釋了而已……

最后就是熵減的問題了。諾蘭在《信條》一開始就明確告訴我們,，逆時狀態(tài)的物質(zhì)具備了自發(fā)熵減的趨勢,，將時間的流向與熵的變化牢牢地綁在了一起。

生命的本質(zhì)就是維持自己的高度有序,。我們區(qū)別于一塊石頭或一塊面包的關(guān)鍵不在于我們能跑能跳,、能生孩子，而是在于我們攜帶著大量有意義的信息,，并且可以把這些信息傳承下去,。

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,，汲取天地之精華即可永生永存,。

太美好了，是不是,？可惜科幻都是扯淡的,。

不過，在不扯淡的現(xiàn)實世界中,，其實本就存在著逆時者,，這一點也不科幻。你或許已經(jīng)猜到了,，的確,，我們?nèi)祟悾祟惿磉叺膭又参?，以及無處不在的細菌,、真菌、古菌——所有的生命都是名副其實的逆時者。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

其實,，諾蘭除了那人盡皆知的“時空三部曲”之外,，我認為他還有“隱性時空三部曲”——《記憶碎片》、《致命魔術(shù)》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(jié)構(gòu)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”,。

設計師：Eileen Steinbach

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——正如近一個世紀之前在敦刻爾克這片海灘上曾經(jīng)發(fā)生過的事情那樣,。

諾蘭給自己的電影取名《信條》，絕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，生命的意義與生命的本質(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”,。