《天能》裡那些有點難的物理學：一個「逆熵」的世界為何不合理？
以下文章有電影《天能》的小雷，包括電影中對天能 (TENET) 的設定解釋，和預告中沒出現的場景描述。
你有看過《全面啟動》嗎？電影內現實和夢境彼此交錯、互相影響的劇情，可以說是近年來燒腦科幻動作電影的翹楚，它讓我們對身邊的世界有了獨特的看法。
如果你覺得那已經夠讓人匪夷所思了，那不好意思～《天能》將再一次挑戰大家對世界的理解。
而且這一次～大家可能需要帶高中層級以上的物理大腦進去看電影，不然會滿頭問號喔！
《天能》宣傳圖。圖／IMDb
再次警告：以下文章有電影《天能》的小雷
《天能》中的時間倒轉與 熱力學第二定律預告片中就可以看到《天能》中出現了各種時間倒轉 ，這裡面其實是有科學知識可循的，電影中也非常明確講出產生這種奇異現象的關鍵，那就是熱力學第二定律 。
等等～不要看到「熱力學」三個字就放棄思考了，雖然熱力學的內容非常的深而且牽扯到宇宙萬物的運行法則，但若只是要能勉強看懂《天能》，是不需要原文書拿出來重看一遍的。（編按：看這篇文章剛好啊！）
簡單來說，熱力學第二定律是在表述熱力學過程的不可逆性： 一旦發生，就無法回頭。
其中能夠量化這個過程的指標叫做「熵 」，當一個孤立系統 逐漸朝向熱力學平衡 ，例如冰溶化、燃燒木頭、食物煮熟、爆炸等等，熵都會變大。也就是說，隨著可作功的能量轉化為不可作功能量，熵就會增加，而系統也就越混亂，藉此測量一個封閉系統的混亂程度（亂度）。
基本上我們身處的世界，萬物都傾向朝最大熵前進。如果把宇宙視為一整個巨大的孤立系統，熵狀態永遠只會增加，不會減少，亂度也會越來越大。
因此從這個角度看，熵的測量也可以被看作是一種時間的指標，因為它永遠朝向一個目標。
既然這件事被稱為熱力學第二「定律」，代表目前為止我們無法違反這個原則，但是當代物理學家們逐漸在熱力學第二定律中發現了一個漏洞，找到了可以在孤立系統中逆轉熵的契機。
這就是《天能》這部電影的核心理論：如果有一天我們能夠逆轉熵的變化，我們就可能在時間洪流中逆流而上，做出一些很炫炮的事。
反正時間旅行嘛~ 別想太多？圖 Image by Genty from Pixabay
逆熵的契機：神秘的旋轉門 如果我們真的能夠逆熵會發生什麼事呢？若從時間的角度來看，這跟以前老梗的回到過去不太一樣，你不是回到以前的時間點然後再繼續向前，反而比較像逆著時間走，但是你主觀的時間依然在往前進 ，只是現在你會看到飯變回生米、用原子筆寫出來的字會被撤回、屎會倒流……之類的，但你人生還是在往前走。
那麼怎樣的狀態下可以逆熵呢？
根據美國歷史最悠久的阿貢國家實驗室 的研究指出，他們在微觀尺度中逆熵的方法關鍵，也就是從熱力學第二定律的支柱之一：H定理 著手。
H定理說的是，理想氣體分子在一個孤立系統中如何達成熱平衡的現象。最常見的解說模式包括一個有著兩個房間的系統，一冷一熱，它們如何在連通之後達到熱平衡……很簡單嘛～冷的房間逐漸變熱、熱的房間逐漸變冷，最後溫度一樣。
但實際上，科學家無法準確的紀錄系統裡每個氣體分子的移動模式，所以之前我們都將之視為一整個系統討論，如果我們真的要知道這個系統中獨立的分子是如何運動的，科學家們得從量子的角度去理解這件事，所以他們將量子資訊學的抽象數學模式與凝態物理學結合，產生出了一個全新的H定理。
在這個全新的H定理中，當我們從量子化的角度去觀測每一個分子，在某些情況、在某些瞬間， 熵是可能變小的 。
這個裡可能是第一個產生逆熵旋轉門的地方嗎? (圖片嵌入自 Argonne National Laboratory)
這個構想某種程度上與 1871 年英國物理學家馬克士威爾（James Maxwell ）的「馬克士威爾的惡魔 」假想實驗不謀而合。在這個非常原始、想要違反熱力學第二定律的假說中，馬克士威爾假設有一個很無聊、閒著沒事的熱力學惡魔，剛好看守連接兩個不同溫度房間的通道，當氣體分子飛過去的時候，惡魔無視熱力學、只讓速度較慢的氣體分子進入一個房間，讓速度較快的分子進入另一個房間。
綜合以上的假說和發現，我們可以非常大概的理解《天能》中的關鍵道具：逆轉門 ，到底是個怎樣的存在。
逆轉門就是這個惡魔，甚至在電影中開啟一切計畫的逆轉門，正常世界和逆熵世界分別是用紅光和藍光，就像H定理的圖示。至於使用機制是什麼，電影中只是說了使用來自未來的「反向輻射」，在無法理解這是什麼輻射的情況下，我猜逆轉門大概是能夠用量子尺度的方法操控一切吧！也就是說在《天能》的世界中，未來的科學家們發明出了有規則脈絡、穩定的產生逆熵環境的道具，來產生炫炮的特效，來「前進到過去」。
馬克士威爾的惡魔假想：如果有個惡魔能夠控制進出房間的氣體分子。圖/wiki commons
「逆熵」實際上會長怎樣呢？有待討論的燃燒現象
在《天能》中，雖然劇情很明確的說明了我們看到的現象來自於逆轉「熵」的結果，但是 80% 的天能展示，都是集中在逆行時間之箭這件事上，例如子彈倒著飛、破損的牆壁復原（還會順便把正常時間線的可憐人關在裡面）、汽車逆開……等，並沒有很明確的展示出逆轉「熱力學」。但是卻有一幕很不一樣，也讓我印象深刻。
就是在逆熵世界被火燒 會發生什麼狀況！
在故事中段，主角來到了逆熵的世界，很不幸的被困在一台翻覆的車中，汽油流滿地，這時候反派很老套的點燃了打火機丟在地上，點燃了汽油希望凍死主角……
你沒看錯～在逆熵世界裡，被火燒到會被凍死。
在這裡先整理一下，從兩個世界角度看這個現象會是什麼樣子：
因為主角等人身處於逆熵世界，在這裡由他們眼中觀測到整個事情時間順序差不多是這樣：車子撞毀–> 汽油流滿地–>起火–>火焰蔓延–>火 「 燒 」 車–>主角失溫、車窗結冰
除了結果有點匪夷所思之外，其他看起來還算正常。
但是如果你從正常的時間線觀看這整個逆轉過程，會變這樣：一台 結冰車停在路上–>開始退冰–>出現火焰–>火焰退去–>還原成汽油
逆熵世界產生被火燒會發生會怎樣呢？ 圖/ Image by Hermann Kollinger from Pixabay
在開始討論之前，想先簡簡單單引入一個吉布斯自由能 的概念，幫助大家理解。
在現實世界中，一個化學反應會不會自己開始，需要參考自由能公式：
ΔG=ΔH−TΔS
其中H代表系統內的內能物理量「焓 」；S 就是熵；T 是絕對溫度 K；G 是自由能，
一個現象能夠順理成章的開始反應，ΔG 必須要是負值。燃燒木頭就是一個例子，這是一個放熱反應，所以整體系統的內能「焓」降低（ΔH為負）。燃燒的木頭系統會產生更多分子，所以熵是增加的（ΔS為正，所以−TΔS還是負），這樣 ΔG 就會是負值。
回到電影中的畫面。首先退冰這件事，大概就是車體、人類身上的冰霜變成水蒸氣吧～這是現實世界在室溫中絕對會發生的事，但是我們要想的是……在逆熵的世界裡它們是結冰 ，這就是在大白天馬路上絕對不可能發生的事（除非氣溫低於冰點）。
結冰是一個有趣的熱力學現象，因為放熱所以焓降低（ΔH為負），但是同時水變冰所以熵也變小了（ΔS為負，所以−TΔS變成正值），這時候決定ΔG是否為負最大關鍵就是溫度，必須要越低才會發生。
接下來，我們就要進到下一個部分：在逆熵世界燃燒汽油 。
如果我們參考最單純的燃燒辛烷反應來當作參考：
2 C8 H18 (l) + 25 O2 (g) → 16 CO2 (g) + 18 H2 O(g) + 10860 KJ
如果把整個式子逆轉，就是一個在現實世界完全違反熱力學定律的反應，因為它熵變小（ΔS為負，所以−TΔS變成正值），因為是吸熱反應，所以焓又變大（ΔH為正），這時候不管溫度為幾度，ΔG必定為正值，所以完全不會發生。
但是如果今天在逆向時間世界發生了這個燃燒反應，在現實世界中就會看到奇怪退冰現象之後，釋出的熱剛好把二氧化碳和水汽還原成辛烷的過程。
沙小？？？(圖片來源: Cnet.com)
相信看完以上幾段之後，熟悉熱力學的朋友可能會有點狐疑，如果是真正的 逆熵世界，時間逆轉或許可以理解，但是燃燒這個化學反應還會如此順利的進行嗎？ 因為從逆轉時間的角度看，電影中還是把火焰拍出來了，但是如果燃燒這件事沒有吸熱在周遭製造出低溫，結冰是不會發生的。
我覺得以上的事情需要更多熟悉熱力學的朋友來幫忙，找出整個過程的合理性，電影畫面是正確的嗎？還是大導演想要產生炫炮特效可能漏了什麼？
說了這麼多，我只給你一句話：「不要理解它，感受它。」……好好看電影吧~
參考資料
