Danyang's Teahouse

————剧透预警，无关人员请撤离————

————From Altruego & Harrinive————

诺兰的新电影《信条》才出一天，就遭遇了评分猛跌——现在已经低于8分了。除了少数真爱粉，许多人都抱怨电影叙述混乱、故作玄虚，或是在梳理完时间线后，感觉剧情较为无聊。我在与@Altruego探讨、复盘后，理清了《信条》在物理上的精妙设计：导演和编剧为基本粒子编了一个故事，给物理人讲了一个只属于他们的童话。

一、电影复盘

电影从头至尾都没有提到男主的名字，那我们暂且叫他哈登，因为他们长得实在是太像了。电影主要以哈登视角，叙述了他和男二尼尔一起利用未来制造的机器，逆转时空，回到过去拯救世界的故事。

由于只看了一遍，我们对细节的理解和把握不够充分，所以在这里只能给大家简单地描述下时间线，作为剧情的回顾：【A】【哈登（旧）执行歌剧院任务 + 哈登（新）参与12市枪战并拯救世界】——【哈登（旧）遇见尼尔】——【哈登（旧）和尼尔经过探索，最后发现“逆转”门】——【B】【哈登（旧）踏入逆转门】

如果我们关注哈登在时间轴上的移动，可以发现他实际上完成了一些Loops。宏观上来看，他回到了12市拯救世界，完成了对时间的逆转；微观上，他在【A】、【B】之间也多次进入、离开逆转机，在大Loop上套了一些小Loops。

如果不考虑短期的逆转+转回，只考虑时间跨度较大的逆转与转回，主角哈登主要两次踏入逆转门——在【A】点转回正常时间，在【B】点逆转时间。如图，在这两个点之间，世界上同时存在三个哈登，从下往上分别是：正哈登（旧），正哈登（新），逆哈登（新）。在【A】、【B】点之间，正哈登（旧）在执行任务的过程中逐渐发现逆转时空的秘密；正哈登（新）刚刚拯救世界，他的新生活刚刚从A点开始；逆哈登（新）拯救女主，乘船逆转时间，准备前往A点拯救世界。

通过以上的分析，可以发现几个重要事实：

• 这个世界上只存在N+1个正哈登和N个逆哈登，如果正哈登计数 1，逆哈登计数 -1，哈登总数保持为 1。
• 在正常时间的视角，逆转机的作用是“创造”一个正哈登和逆哈登（【A】点），或使正、逆哈登相互抵消（【B】点）。
• 电影里，当以第三方视角观察进入或离开逆转机的角色，能看到正角色、逆角色同时进入或离开逆转机。

除了以上内容，电影里也有别的违背我们对世界认识的片段，主要来自于不可能的现象自发产生了（熵减）：子弹主动返回手枪内、已经炸成尘土的地雷重新聚拢、撞烂的汽车翻滚了一圈以后变得完美如新……

诺兰的科幻电影再一次打破了人对世界的认识，但是，和星际穿越一样，诺兰又再一次用精妙的设计和严格的物理背景，赋予了电影深刻的自洽性和合理性——尽管这次有更多的人没有注意到这一层。

二、物理渊源

逆转机的作用相当于产生一对正反哈登，相对于走向过去的哈登来说，另外一个哈登是倒着走向过去的。这种看似令人疑惑地时间与行走方向可以在上图中看出。如果我们将这个故事对应到微观的粒子过程，我们就可以清楚的看清这件事的逻辑结构。

正如影片所说，这个过程相当于逆转机产生一个正反粒子对。反粒子指的是物理性质与正常粒子相反的物质，它和正常物质相遇会发生湮灭（这也就是为什么哈登回到过去要带盔甲）。物理学上对于反粒子的诠释是，一个向着时间正方向运动的反粒子，等价于一个沿时间负方向运动的正粒子。这么看来的话，【A】点时，逆转机产生了一个顺时间的逆哈登和一个顺时间的正哈登，也可以等价的看成是一个逆时间的正哈登和一个逆时间的逆哈登。哈登走路的方向其实就对应于哈登的正负性。这一看法和正负粒子对的产生是完全相同的，也满足严格的守恒律——同一时刻这个世界上有三个哈登：两正一负（规定了唯一时间正方向以后）。而【B】点逆转机的作用，同样的可以看成是正负粒子的湮灭。这样就形成了一个Loop（圈）。

熟悉基础物理的读者应该很快就能发现，这样一个包含正反粒子湮灭产生的Loop过程，其实就是场论计算中费曼图的一阶圈修正（One Loop Correction，1 – LC）。为了能让一般读者理解这背后的物理意义以及证明这个故事和基本粒子过程的严格对应，在这里简要的从科普的角度介绍一下涉及到的量子场论（Quantum Field Theory，QFT）的一些关键看法以及上文说的一阶圈修正。

QFT是目前为止人类对物理世界最为成功的理论框架。在QFT框架中，我们允许在真空中“凭空”产生正负粒子对（经典量子力学并不允许）。根据爱因斯坦的质能方程，我们知道要产生一定的质量必须要一定的能量，而QFT框架中，真空的能量并不是0，因而允许通过量子效应产生质量。根据海森堡不确定原理的估计，我们可以算出这种正负粒子对的寿命很短——在产生以后会马上湮灭。可以想见，如果能量越高，那么产生一定质量的正反粒子对的可能性也越高，因而如果一个物理过程涉及的能量尺度足够高，这种效应就会有足够大的影响，因而我们就不得不把这种粒子对产生机制考虑进去。简而言之，一个观测者看到的真空并不是虚无的一片均匀的真空能量，而是时时刻刻各种可能的粒子对产生与湮灭而形成的嘈杂的海洋；一个观测者看到的基本粒子也不是一个“裸体”的粒子，而是这个“裸体”的粒子与所有这些真空中产生的可能粒子对相互作用的总和。这些效应就同一团包裹在粒子周围的云雾，会对粒子的传播与观测效应产生影响。

为了计算这种效应，费曼发明了一种图来指导我们的计算——费曼图。如下图所示，就是一个希格斯玻色子（H）在传播过程中，与一对真空中产生的正负粒子对（S+、S-）产生相互作用的过程。也就是：希格斯粒子传播到某个时刻-真空中产生正负粒子对-正负粒子对于希格斯作用-正负粒子对湮灭-希格斯粒子继续传播。这样的一次正负粒子产生-湮灭的过程，称为一个loop。当然，我们可以考虑多次这种过程，也就是大于一个loop。但是，因为这种相互作用是微弱的，loop越多的过程，效果越小，因而如果只考虑主要的修正，我们一般只需计算一阶的圈修正。

这么看来，电影中的故事就可以看成，某一时刻前的旧哈登如果”想要”成为未来世界没有被毁灭的新哈登，就必须经历一个One Loop Correction，而这个1-LC的过程就是电影所描述的过程（可以看成是希格斯粒子（或者其他）的自作用）。当然，哈登也可以只沿着正时间方向一直“传播”，但是他会在【A】点附近和世界一起毁灭。在电影里，经过那个Loop后，世界被拯救，哈登得以继续生活；在物理中，经过那个顶点后，希格斯的传播行为被影响，然后继续往前传播。

三、科 + 幻

有的科幻片倾向于奇幻和冒险，幻而不科——例如复联系列，星球大战系列，他们会借用科学解释奇妙的能力，更多地描写主角团的冒险过程。而我也很喜欢诺兰的“硬科幻”，不论是明日边缘、还是星际穿越，他们首先基于现有的物理学，建立了严谨的世界观，而后才是无穷的想象力，才是主角们的冒险和探索，这次的《信条》尤甚。《信条》甚至没有违背因果律——已经发生的事情无法被改变，我们早就知道哈登拯救了世界，虽然这被部分观众诟病为“剧情无聊”。

电影中的核心道具逆转机是可以实现的，就如第二节分析的那样，它对应着清晰的物理现象，非常的“科”学。编剧在此基础上充分地发挥了想象力，作为奇“幻”，未来的科学家把Loop Corretion宏观化了。

【三个哈登】：我们猜测，在【A】点，逆转机通过构建宏观的量子态制备方法（例如Quantum Teleportation，QT），用正反粒子构建一对完全相同的正逆哈登（新），遵循不同的物理规律，并在【B】点将完全相同的正哈登（旧）和逆哈登（新）相互湮灭。尽管人类目前只能做到关联并控制64个粒子，但是在未来，控制宏观物质的发生和相互耦合，也许是一件可能会发生的事。

【逆熵】：熵增（混乱度增加）是宇宙中最基本的性质之一。熵增的方向就是时间增加的方向，而逆转武器、逆哈登的存在，明显使熵降低。我们以正、逆手枪射出子弹内为例：正常的手枪会因为火药引爆而射出子弹，子弹头飞行一段距离后撞击墙面，会停下来，动能转化为内能并扩散开来。而逆手枪则是完全相反，在墙面的子弹头逐渐积聚四处的内能，最后转化成子弹的动能，将其弹回手枪内，同时，发生反应火药也发生逆反应，还原成弹药回到手枪内。这是完全违背常识，甚至违背物理的。但诺兰似乎早就考虑到了这一点，角色的台词也透露出，编剧和物理顾问承认这些物质确实是逆熵的——因为有解决方案：现实中的拉普拉斯妖。逆转机不仅能构造反粒子，还能记录信息，这可能就是剧中角色苦苦寻觅的“算法”。反物质的熵确实减少了，可是手枪不是孤立体系，拉普拉斯妖——逆转机的熵却大幅度增加了，体系的总熵保持不变或者增加。（影片里部分正物质的熵也会自发减少，我们不细追究了）

【因果律的破坏】：如果把电影的故事对应到基本的粒子过程，实际上电影对因果律的考虑也并不是糟糕的。我们可以看成是，在【A】点后，逆转机使用量子效应产生了三条事件线，这三条线上事件同时开始发生，也就是说，对于回到过去的哈登，他将要做的事情是已经注定的，是已经发生的事情，正如影片中所说的“已经发生的事情是不能改变的”。只不过，对于走向过去的逆哈登自己看来，那些已经发生的事件看上去像是还没发生，看上去是“自己”的未来。这个看法对于子弹自动回到枪里也是一样的，并不是射出去的子弹自己导致了子弹会回到枪里，而是折叠的时间线上枪发射的动作导致了倒退的子弹必定会回到枪里。这是子弹，或者等价的，反粒子，自身的物理规律决定的——即电荷或者磁场等物理规律相反。对于沿反时间方向的正粒子来说，它的“看上去的未来”，其实只是，等价的，正时间演化的反粒子的过去。所以，自始至终，都是过去决定未来，因果律是安全的。

四、总结

我们相信《信条》这部作品的灵感来自于这样的物理现象，而诺兰及导演组在深谙基本物理之道的同时，巧妙地将基本粒子具象化，赋予他们一段有趣而又深刻的故事。观众在理清楚时间线的同时，如果能解读出正反粒子对的产生与湮灭、熵的自发减少、因果律的保全这些现象，一定能对这部电影有更深的理解。