《天能》与其中可能的物理学:对称性、熵、马克士威尔的恶魔-304am永利集团

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《天能》与其中可能的物理学:对称性、熵、马克士威尔的恶魔

无雷,还没上映也无从雷起

《天能》宣传图。imdb

克里斯多福诺兰所执导的几部电影中,常常使用了许多的科学理论,或者是数学原理,来增加影片的说服力。

例如《全面启动 (inception)》里,大量地使用视觉错觉、对称性、与艾雪 (escher) 错视艺术来制造迷宫;在《星际效应 (interstellar)》一片中,则使用了相对论、多维空间、虫洞、重力场等物理元素贯穿全场;而在即将上映的最新电影──《天能 (tenet)》预告片中,隐约可以再次看出诺兰导演对于把物理学元素,导入娱乐大片中的可能性。

编按:以下分析内容出自预告片

《全面启动》中的艾雪阶梯。imdb

《tenet》在片名就呼之欲出的对称性

对称性,在物理学中是一种相当重要的概念。当一个物理系统具有对称性时,便同时会具有一个守恒量。

例如一个系统如果在空间上具有对称性时,则此一系统也会遵守动量守恒;而系统在时间上具有对称性时,则系统也同时会遵守能量守恒。

诺兰导演选择了 tenet (天能)这个英文字,出处可能来自于庞贝古城遗址中所发现的石板,称之为萨托方块 (sator square) 其中写着如下图中的字。相同的文字,也出现在义大利、英国、叙利亚、法国等地的教堂中。

法国 oppede 的萨托方块。wiki

这个萨托方块中出现了 5 组文字:sator、arepo、tenet、opera、rotas。如果由左上往右下画出一条直线,则可以发现文字方块在这条对角线的两侧是呈现对称的;如果将文字旋转 180 度,也是可以出现跟原来文字一样的排列;再者,无论以图中横写或是直写的 tenet 为转轴,把文字做镜射反映的话,可以发现文字就像转了 90 度一样,但是那五组文字还是出现在方块中,只是顺序倒过来。

因此诺兰导演想要玩弄对称性与翻转镜射的用意,可能就呼之欲出了。

热力学第二定律,限制了时间的方向性

在古典的力学公式中,虽然没有限制时间与空间能不能反转,也就是位置可以由 x 变成 -x;时间 t 也可以变成 -t。但是热力学第二定律的出现,便限制了时间的方向性。由于一个孤立系统的熵只能不变或是增加,因此对于宇宙这一个孤力系统来说,时间上便只有往熵增加的方向演化。使得「时间」这个概念,只能往单一的方向行进。

既然时间是不可逆,那么诺兰导演是要玩时空旅行的老梗吗?在预告片中显然有了答案。连结的预告片中,1 分 04 秒到 1 分 05 秒处中似乎是否定了使用时空旅行梗的可能性。那么还有甚么可能玩的科学梗呢?

暗藏在背景白板上的「马克士威尔恶魔」。预告片截图

在天能的预告片 1 分 08 秒到 1 分 09 秒的短短一秒间,主角的背景白板上,出现了马克士威尔的恶魔 (maxwell’s demon) 的图。

这是马克士威尔提出的一个想像实验,假设有两个装满相等温度气体的箱子,箱子之间透过一个小洞相连。假设有一个恶魔 (demon) 看守在那个相连的阀门旁。当气体分子飞向那个阀门时,恶魔便会判定气体分子的速度。他只让速度较慢,也就是温度较低的气体分子进入左边,而让速度较快,也就是温度较高的气体分子进入右边箱子。经过很长一段时间后,左边的箱子内的气体温度就会变得比较低,而右边箱子内的气体则呈现较高的温度。

这明显的违反了热力学第二定律。因为这样两侧均为等温度箱子的总熵,将比一边是高温而一边是低温气体的总熵来的大。而自然界总是会往高熵的方向演化(时间前进),熵变小的过程就有如时间倒流。

诺兰导演或许是想要连结这个想法,就像把墨汁滴到清水中,如果把这个过程录影并倒著拨放,就会出现黑水变成清水这样高熵变成低熵的过程。这个「类时间倒流」的想法,也就是物理世界中时间也是可以有对称性的想法,或许会成为天能本片的中心科学!

《天能》海报。imdb

诺兰导演的大篇通常需要看完整片才能知道其中的故事是如何发展连结。因此本文所有的推测都是其中一种可能而已。让我们期待正片上映后真正的故事发展!也期待多一点这样有科学依据的影片上映!

 

本文转载自《物理双月刊》,原文为〈天能与其中可能的物理学〉

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