不可思议的物理

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《不可思议的物理》

第一章一等不可思议 1.力场

<small>I 当一位杰出但上了年纪的科学家断言某件事是可能的，那他几乎肯定是正确的。当他断言某件事是不可能的，那他非常有可能错了。</small>

<small>II 要发现“可能”的极限，唯有稍稍突破界限进入“不可能”的领域中去。</small>

<small>III 任何足够高深的科技看起来都与魔法无异。</small>

<small class="right">——亚瑟·C. 克拉克的三大定律</small>

“升起防护罩！”

在无数集《星舰迷航》中，这是科克（Kirk）船长向船员们吼出的第一句命令，升起力场在敌人炮火下保护“企业号”飞船。

在《星舰迷航》中力场是极为重要的，以至于战斗的走向可以用力场的支撑情况来衡量。每当力场中的能量被抽走，“企业号”的船体就会承受越来越多的破坏性重击，直到最终不可避免地投降。

力场是什么？在科幻小说里，它非常简单，带有误导性：一重薄薄的、隐形却无法穿透的屏障，能使激光和火箭之类的东西改变攻击方向。乍一看，力场非常简单，它被作为一种战场上的屏障创造出来似乎是近在眼前的事。人们期待某天会有某个富有进攻心的发明家宣布发现了防御性力场。但事实远比这复杂得多。

正如爱迪生的电灯泡革新了现代文明一样，力场可能会对我们生活的每个方面都产生深远的影响。军队可以利用力场变得固若金汤，创造一道抵抗敌人导弹和子弹的、无法穿透的盾牌；桥梁、高速公路和道路理论上也可以只按一下按钮就被建造起来；整个城市可以立即在沙漠中破土而出，拥有完全用力场建造的摩天大楼。笼罩整个城市的力场可以让居住其中的居民任意消除天气带来的影响，这些天气状况包括强风、暴雪和龙卷风。有了力场形成的安全罩，城市可以建造在海洋底下，玻璃、钢铁和灰浆可以被完全替代。

不过，非常奇特的是，力场或许是最难以在实验室里创造出来的装置之一。事实上，一些物理学家相信除非重新定义其性质，否则创造力场或许是不可能的。

<h3>迈克尔·法拉第</h3>

力场的概念出自19世纪伟大的英国科学家迈克尔·法拉第（Michael Faraday）的研究。

法拉第出生于工人家庭（他的父亲是一名铁匠），在19世纪初长期靠当装订工人学徒勉强维持生计。年轻的法拉第为两种新力量的神秘性质被揭开而带来的巨大突破而着迷。这两种新力量是：电和磁。法拉第贪婪地尽一切所能来学习与这些问题相关的知识，并参加了伦敦皇家学院汉弗莱·戴维（humphrey Davy）教授的讲座。

一天，戴维教授因眼睛在一次化学事故中严重受伤，于是他雇用法拉第当了他的秘书。法拉第渐渐取得了皇家学院科学家们的信任，并且被允许独立操作重要的实验，尽管他常常受到冷落。年复一年，戴维教授越来越嫉妒他年轻的助手所表现出的杰出能力。法拉第已经成为了实验圈子里冉冉上升的新星，最终使戴维教授的名声黯然失色。1829年，戴维去世后，法拉第得以自由地作出一系列惊人的突破，导致了发电机的产生。发电机能够为整个城市提供能源，并改变了世界文明的进程。

法拉第最伟大发现的关键是他提出的“力场”。如果有人将铁屑洒在一块磁铁上，他会发现铁屑将呈现一种充满整个空间的蜘蛛网状。这就是法拉第的力线，以图形的形式描绘出了电和磁的力场在空间如何散布。举例来说，如果有人绘出整个地球的磁场，他会发现力线从N极地区伸出，然后在S极地区落回到地球上。同样的，如果有人画出雷阵雨中一枚避雷针的电场线，他会发现力线集中在避雷针的尖端。在法拉第看来，“空的空间”其实根本不是空的，而是充斥着能使遥远的物体移动的力线（由于法拉第早年穷困，未能接受足够的数学教育，因此他的笔记本中密密麻麻的不是等式，而是这些力线的手绘图表。具有讽刺意味的是，数学训练的不足使他创造了如今任何物理课本中都可以看到的、美丽的力线图表。从科学上来说，物理图像通常比用来对其进行描述的数学语言更为重要）。

历史学家推测过法拉第是如何发现力场的，它是所有科学中最重要的概念之一。事实上，全部的现代物理学都是用法拉第的力场语言写就的。在1831年，他作出了关于力场的关键性突破，永远改变了人类文明。一天，他正将一块孩子的磁铁移过一个金属线圈时，注意到他甚至没有碰到电线就得以在金属线里制造了一股电流。这意味着磁铁不可见的场可以推动电线中的电子穿越“空的空间”，产生电流。

法拉第的力场曾经被视为毫无用处，是无所事事的随意涂鸦，但它是真实的、物质的力量，可以移动物体并产生能源。今天，你阅读这一页所依赖的光线或许就是由法拉第关于电磁学的发现而点亮的。一块转动的磁铁会制造力场，推动一根电线中的电子，使它们以电流的形式移动，其后，这股电线中的电力可以点亮一盏灯泡。与此同样的原理被用于生产给全世界城市提供能量的电力。比如，水流过一个大坝，在一个涡轮机中产生巨大的磁力进行转动，这个涡轮机随后再推动电线中的电子，形成一股电流，通过高压电线输送到用户。

换言之，迈克尔·法拉第的力场是驱动现代文明的动力，从电动推土机到如今的计算机、互联网还有iPod都源于力场的发现。

法拉第的力场在一个半世纪里成为物理学家的灵感之源。这些力场给了爱因斯坦极大的启示，他用力场的语言来描述和表达他的引力理论。同样的，我也被法拉第的成果所启迪。多年前，我成功地运用法拉第的力场表现了弦理论（trings），从而建立了弦场论（string field theory）。在物理学界，如果有人说“他思考起来像一根力线”，那便意味着一种高度的赞美。

<h3>四种力</h3>

在过去的两千年中，物理学的最高成就之一便是分离并鉴别了主宰宇宙的四种力。它们全部都可以用法拉第提出的力场的术语进行描述。不幸的是，它们全都不怎么具备大多数科幻小说中所描述的力场的特性。这些力是：

<small>1、万有引力：使我们的双脚站在地面上、防止地球和星体解体，并且将太阳系和银河维系在一起的沉默力量。没有了万有引力，我们就会被转动中的地球以每小时1000英里的速度甩到太空中去。问题是，万有引力恰恰拥有与科幻小说中的力场截然相反的性质。万有引力是吸引性的，不是排斥性的；相对而言极为微弱；它在非常遥远的天文学距离内发挥作用。换句话说，它差不多就是人们在科幻小说中读到或从科幻电影中看到的扁平、轻薄、无法穿透的屏障的对立事物。例如，用整个地球的引力才能吸引住一根羽毛，但是我们用一根手指抬起羽毛就能抵消地球的引力。我们一根手指的动作可以对抗整个星球重量超过6万万亿千克的引力。</small>

<small>2、电磁力（EM）：点亮我们城市的力。激光、无线电、电视机、现代电子学、计算机、互联网、电学和磁学都是受电磁场的影响而产生的。这可能是人类有史以来掌控的最为有用的力。与万有引力不同的是，它既有吸引性又有排斥性。但是，有几个原因使它不适于成为力场。第一，它很容易被中和。举例来说，塑料和其他绝缘体能够轻易穿透一个强大的电场或磁场。一片被丢进磁场中的塑料片可以顺利通过磁场。第二，电磁通过远距离发生作用，不能被方便地集中到一个平面上。电磁场的定律是使用詹姆士·克拉克·麦克斯韦（James Clerk Maxwell）的方程描述的，而这些等式看起来并不允许力场成为解。</small>

<small>3&4、弱核力与强核力：弱核力是放射性衰变的力。它是加热地球中心的力，具有放射性；它是火山、地震和大陆漂移背后的力量。强核力是将原子核维系住的力。太阳与星体们的能量始自核力，核力担负着点亮宇宙的职责。问题在于核力是一种短程力，主要在一个原子核的距离内进行作用。由于它非常依赖原子核的性质，因此极难控制。目前，我们仅有的操控这种力的方法是在核粒子加速器中将亚原子颗粒打散或者引爆原子弹。虽说科幻小说中使用的力场可能并不符合已知的物理定律，但仍有或许可以使这样的力场产生成为可能的空间存在。首先，可能存在实验室中仍然未发现的第五种力。比如，这个力可能在仅仅数英寸到数英尺的距离内，而不是在天文距离内进行作用（然而，评估这第五种力存在与否的初期尝试得出了否定的结论）。</small>

其次，或许可以使用一个等离子体来模拟力场的一些定律。等离子体是“物质的第四种状态”。固体、液体和气体组成了物质常见的三种状态，但宇宙中最普遍的物质形态是等离子体——一种气体或者被电离的原子。由于等离子体的原子是被撕裂的，电子被从原子上撕下，因此原子带电，可以用电场和力场轻易进行控制。

等离子体是宇宙中量最大的可见物质形态，组成了太阳、星体和星际气体。等离子体对我们来说并不熟悉，因为它们在地球上很少见，不过我们可以见到以闪电、太阳和等离子电视机内部结构形式出现的等离子体。

<h3>等离子窗</h3>

如上所述，如果一股空气被加热至足够高的温度，便能由此创造出一个等离子体，它可以被电磁场塑造与改变外形。比如，它可以被改变成一层薄片或窗户的形式。另外，这个等离子窗可以用来从普通空气中隔离出一个真空区域。原则上，我们或许可以为防止一艘宇宙飞船中的空气泄漏到太空中，从而在太空和宇宙飞船之间创造一个简易、透明的分界面。

在《星舰迷航》中，这样的力场被用以将停放小型穿梭机的穿梭机港与太空的真空隔离开来。这不仅是一个节约道具开支的好办法，也是一个可以实现的装置。

等离子窗是由物理学家艾迪·赫斯基科维奇（Ady cional Laboratory）发明的。他开发等离子窗是为了解决使用电子束焊接金属的难题。焊工的喷出高热气流，将金属部件融化后焊接在一起。不过，这必须在真空中完成。这一要求相当让人为难，因为这意味着要创造一个可能与整个房间一样大的真空盒。

赫斯基科维奇博士发明等离子窗解决了这一问题。等离子窗仅仅3英寸高，直径不到1英寸，将空气加热至12 000华氏度，制造出一个被电磁场困住的等离子体。与在任何气体中一样，这些粒子利用压力来阻止空气涌入真空空间，由此将空气从真空中分离（在等离子窗中使用氩气的时候，它的火苗是蓝色的，就像《星舰迷航》中的力场一样）。

等离子窗在太空旅行和工业生产中应用广泛。在许多时候，制造工艺流程要求能实现工业上的微型加工和，但在真空中作业会很昂贵。可是，有了等离子窗，我们可以廉价地通过轻点按钮就控制真空。

那么，等离子窗是否也可以当作无法穿透的盾牌使用呢？它能承受住来自光炮的冲击吗？在未来，我们可以想象更有威力、温度更高的等离子窗，足以破坏或者汽化进攻的炮弹。但要创造如同科幻小说中那样更为实际的力场，我们需要数种技术层层堆积起来的组合。可能每一层都并不能坚固到足以阻止炮弹，但它们的组合或许能做到。

最外层可以是一道增压后的等离子窗，被加热至足够汽化金属的温度。第二层可以是高能量激光束组成的帘幕。这道帘幕包含数千束交叉成十字形的激光束，形成能够加热通过的物体，并且有效汽化它们的网格。我将会在下一章中进一步讨论激光。

在这道激光帘幕后，我们可以想象一层由“碳纳米管”组合而成的网格，由单个碳原子组成的微小管子厚度相当于一个原子，强度比钢高出许多倍。虽然目前单个碳纳米管长度的世界纪录仅为15毫米左右，但我们可以指望有朝一日或许能制造出任意长度的碳纳米管。假设碳纳米管能编制成网格的形式，它们就能成为强度极高的屏障，可以击退大多数攻击物。这道屏障将是隐形的，因为每个碳纳米管的尺寸都是原子等级的，但是碳纳米管网格会比任何常规材料都坚固。

如此一来，经过等离子窗、激光帘幕和碳纳米管屏障的组合，我们可以想象创造一道基本不能被大多数方式穿透的隐形墙。

然而，哪怕是这一多层屏障也不能完全符合科幻小说中力场的特性——因为它将是透明的，所以无法抵挡激光束。在使用激光炮的战斗中，这一多层掩体将毫无用处。

想要抵挡激光，这一掩体需要同时拥有“光致变色材料”的先进技术。这是一种应用在太阳眼镜上的工艺，这些太阳眼镜一旦暴露在UV辐射下颜色就会自动变深。光致变色材料的基础是至少能以两种状态存在的分子：在其中一种状态下，分子是透明的；但这样的分子一旦暴露在UV辐射之下就会立刻变成第二种状态，即不透明的。

有一天，我们或许可以使用纳米科技制造一种像碳纳米管一样坚固的物质，并且它在暴露于激光之下时其光学性质会发生改变。如此一来，一道盾牌就可以抵挡激光冲击和粒子束，或者炮火。但是，目前能够抵御激光束的光致变色材料尚不存在。

<h3>磁悬浮</h3>

在科幻小说中，力场除了抵御镭射枪的攻击外还有另一个功用，那就是作为抵抗万有引力的平台。在电影《回到未来》中，迈克尔·J.福克斯踏着一块飞行滑板，它与普通滑板一模一样，区别之处在于它漂浮在街道上空。根据我们现今已知的物理定律（我们将在第10章中谈到），这样一个抗引力的装置是不可能实现的。但磁浮滑板和磁浮汽车在未来是可能成为现实的，将给予我们随意托举大型物体的能力。在未来，如果“室温超导体”成为现实，我们就有可能使用磁力场的力量抬升物体。

如果我们将两条磁铁N极对N极并排放置，两块磁铁会相互排斥（如果我们旋转磁铁，使一条的N极对准另一条的S极，则两条磁铁会相互吸引）。这一定理，即同极相斥，可以用来将巨大的重量抬离地面。有几个国家已经建造了先进的磁悬浮列车，这样的列车使用普通的磁力使车身略微悬浮在铁轨上方。由于悬浮在空气的软垫之上，没有摩擦，它们能以破纪录的速度行驶。

在1984年，世界上第一套商业化自动磁悬浮系统在英国投入运营，从伯明翰国际机场行驶到近旁的伯明翰国际火车站。在德国、日本和韩国也建造了磁悬浮列车，尽管它们没有被设计成高速列车。第一列高速运营的商用磁悬浮列车是中国上海的高速磁悬浮列车示范运营线（IOS），行驶速度为每小时268英里。日本山梨县的磁悬浮列车达到了每小时361英里的速度，比有轮子的普通列车还快。

但是这些磁悬浮装置极其昂贵。增加效率的方法之一是使用超导体，它们在被冷却到绝对零度左右的时候会完全丧失电阻。超导性是由海克·昂尼思（heike Onnes）在1911年发现的。如果将某些物质冷却到绝对零度以上不足20K的范围内，电阻将会完全丧失。通常，当我们将金属的温度降低，它的电阻会逐渐减弱（这是因为在金属丝中原子的随机振动妨碍电子的流动，降低温度后这些随机运动也减少，因此电子流动的阻力变小）。可是，让昂尼斯大吃一惊的是，他发现某些特定材料的电阻在极端温度下突然变为零。

物理学家们立刻认识到了这一结果的重要性。电源线在将电力经长距离传送的过程中会损失大量的能量。但若是电阻能被全部消除，电力就几乎可以毫无损失地进行传输。事实上，如果电力被置于金属线圈中循环流通的话，那电力可以流通数百万年，而能量丝毫无损。除此之外，只要用很小的代价就能用这些巨大的电流创造出力量非凡的磁铁。有了这样的磁铁，我们可以轻易抬起巨大的重量。

尽管有了这些奇迹般的力量，但超导体的问题在于将大块磁铁浸入巨大容器所盛的超冷液体（supercooled liquid）中是非常昂贵的。想保持液体的超冷却状态就需要巨型制冷设施，这使得超导磁铁的代价昂贵得难以承受。

但物理学家有一天或许能创造出“室温超导体”——固体物理学家们的圣物。在试验室中发明室温超导体将会激发第二次工业革命。能抬起汽车和火车的强力磁场将会变得非常廉价，以至于悬浮汽车或许会在经济上变得可行。有了室温超导体，在《回到未来》、《少数派报告》（Minority Report）和《星球大战》（Star ars）中梦幻般的飞行汽车就会成为现实。

原则上，人们可以系上一条用超导磁铁制成的腰带，它可以让人毫不费力地离开地面飘在空中。有了这么一条腰带，我们可以像超人那样在空中飞行。室温超导体是如此的非同凡响，以至于它们曾经出现在无数科幻小说中，比如拉瑞·尼文（Larry Niven）在1970年创作的《环形世界》（Ringworld）系列。

几十年来，物理学家一直在室温超导体上进行探索，结果却徒劳无功。这已经成为一项冗长、混乱的程序，将材料一种一种地进行测试。但是，在1986年，一个被称为“高温超导体”的新级别物质被发现会在温度为绝对零度以上90度，或者说90K时成为超导体，这在物理界引起了轰动。水闸的阀门似乎被打开了，月复一月，物理学家们你追我赶地要打破下一个超导体的世界纪录。有那么短暂的一刻，室温超导体的可实现性似乎要跳出科幻小说的书页进入我们的起居室。可是在多年的极速前进之后，对于高温超导体的研究进程开始放慢了。

目前，高温超导体的世界纪录由一种叫汞铊钡钙铜氧化合物的物质所保持，它在138K（-135°C）时成为超导体。这一相对较高的温度离室温超导体仍有很大距离。但是138K这一纪录仍然具有重要意义。氮在77K液化，而且液氮的价格和普通的牛奶差不多。因此，普通的液氮可以用相当低廉的代价冷却这些高温超导体（当然，室温超导体根本用不着冷却）。

令人非常尴尬的是，目前没有理论能解释这些高温超导体的性质。事实上，一块诺贝尔奖牌正等待着某个能解释高温超导体如何运作的敬业的物理学家来领取（这些高温超导体是由被排列成特殊层次的原子制成的。许多物理学家建立理论，解释怎样将陶瓷材料进行分层能使得电子在各个层次间自由流动成为可能，从而形成了超导体。可是这一过程究竟如何具体运作仍是一个谜）。

由于缺乏这方面的认知，物理学家不幸要采用一种漫无目的的程序来寻找新的高温超导体。这意味着那传说中的室温超导体可能会在明天被发现，可能会在明年被发现，或者根本就发现不了。没有人知道这一物质会在何时或是否能寻找到。

可一旦室温超导体被发现，一股商业应用的狂潮就将掀起。比地球磁场（约0.5）强大数百万倍的磁场或许会变得随处可见。

超导体的共同属性之一被称为迈斯纳效应（Meissner effect）。如果将一块磁铁放置到一个超导体上，磁铁将会悬浮起来，就像被某种看不见的力举起一样（迈斯纳效应的原理是磁铁有在超导体内部制造一个“镜像”的能力，因此磁铁本身与镜像磁铁会相斥。另一种对这种效应的解释是，磁场无法穿透一个超导体。相反，磁场会被排斥。因此，如果一块磁铁被放置在超导体上方，其力线会被超导体所排斥，于是力线将磁铁向上推，使其悬浮）。

应用迈斯纳效应，我们可以想象未来的高速公路将由这样的特殊陶瓷建成。于是我们的腰带和轮胎中所放置的磁铁能使我们魔法般地向我们的目的地漂去而不发生摩擦，也不损失能量。

迈斯纳效应只在具有磁性的材料上起作用，比如金属。但也可能可以使用超导磁铁使无磁性材料悬浮，称作顺磁体和抗磁体。这些物质本身并不具有磁性，它们只有在处于外部磁场中的时候才能获得磁性。顺磁体受外磁铁吸引，而抗磁体则被外磁铁排斥。

举个例子，水是一种抗磁体。由于一切生物都由水组成，它们可以在强力磁场中悬浮。在一个约15（相当于地表磁力3万倍）的磁场中，科学家们已经能使小型动物——比如青蛙悬浮。但是如果室温超导体成为现实，它应有可能通过使用抗磁体的属性使大型非磁体也同样悬浮。

总而言之，在科幻小说中被广为刻画的力场不符合宇宙四种力的描述。但我们仍有可能通过使用由等离子窗、激光幕墙、碳纳米管和光致变色材料组成的多层盾牌来模拟力场的多种性质。但是开发出这样一道盾牌可能会是几十年、甚至一个世纪之后的事情了。如果室温超导体被发现，人们或许可以使用强大的磁场抬升汽车和火车并让它们急速升空，正如科幻电影中那样。

考虑到这些因素，我将力场归类为“一等不可思议”——即以今天的科技无法实现，但在一个世纪左右的时间里能以改良后的形式成为可能的事物。

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注释：

第一章一等不可思议 2.隐形

<small>当你的想象力模糊不清时，你不能信赖你的双眼。</small>

在《星舰迷航Ⅳ：抢救未来》（Star trek IV： the Voyage home）中，一艘克林贡（Klingon）战斗巡洋舰被“企业号”的船员们劫持了。与联邦星际舰队的宇宙飞船不同，克林贡帝国的宇宙飞船有一种秘密“隐蔽装置”，能使它们在光线下和雷达中隐形，这样克林贡的飞船就能悄悄从背后接近联邦的飞船，然后突然袭击而自身毫无损伤。这一隐蔽装置给了克林贡帝国超越星际联邦的战略优势。

这样的一种装置真的可行吗？从《隐行人》的字里行间到《哈利·波特》系列中神奇的隐身衣，或是《指环王》中的指环，隐形一直都是科幻小说和幻想中的奇妙事物之一。可是，在至少一个世纪的时间里，物理学家对于隐身衣存在的可能性不屑一顾，断言它们是不可能存在的：它们违反了光学定律，并且不符合任何已知物质的属性。

但如今不可能或许能成为可能。一种在“超材料”（metamaterial）上取得的进步正在有力推动一场光学课本的大规模修订。这一材料的应用雏形其实已经在实验室中建立了，工业领域和军事领域在被媒体激起巨大兴趣后，正在将可见物变得隐形。

<h3>历史上的隐形</h3>

隐形或许是古代神话中最古老的概念之一。自有史以来，独自度过令人不寒而栗的夜晚的人们便会被看不见的死者灵魂、早已离世之人潜伏在黑暗中的魂魄所惊吓。希腊英雄珀尔修斯（Perseus）在武装了可使人隐形的头盔后得以杀死邪恶的美杜莎（Medusa）；军队将领们一直梦想拥有隐形装备，因为隐形后可以轻易地突破敌人防线，并且出其不意地赢得胜利；罪犯们可以利用隐形来实现巧妙的偷盗。

隐形在柏拉图（Plato）的伦理道德理论中起着中心作用。在他的哲学杰作（the Republic）中，柏拉图详细讲述了裘格斯戒指（ring of Gyges）的神话。吕底亚（Lydia）贫穷但诚实的牧羊人走进了一个隐蔽的山洞，发现一座坟墓里有一具佩戴着一枚黄金戒指的尸体。裘格斯发觉这枚戒指具有让他隐身的魔力。很快，穷苦的牧羊人就被这枚戒指赋予他的力量所控制。在偷偷潜入国王的宫殿后，裘格斯使用他的魔力诱惑了皇后，并在她的帮助下杀死了国王，成为吕底亚的下一任国王。

柏拉图想要述说的寓意是：没有人能够抗拒可以自由偷盗和杀戮的诱惑。每一个人都是可以被腐蚀的。道德是从外界强加于人的社会构建。一个人或许可以在公众面前表现得道德以维护他正直诚实的名誉，可一旦他具有了隐身的能力，运用这种能力便势在必行（有些人相信这个伦理故事是J. R. R·托尔金《指环王》三部曲的灵感来源，在这部作品中，一枚能给予佩带者隐身能力的指环同时也是邪恶之源）。

隐形也是科幻小说中常见的剧情铺垫。在20世纪30年代的《飞侠哥顿》系列中，飞侠隐身以摆脱酷明（Ming the Merciless）的行刑队；在《哈利·波特》系列小说和电影中，哈利披上一件特殊的袍子好让他在霍格沃茨城堡中漫步而不被发现。

h. G. 威尔斯以他的经典小说《隐行人》将这一神话事物在很大程度上现实化了。在小说中，一位医科学生偶然发现了四维的力量，并且隐身了。不幸的是，他将这一玄妙的能力用于私人攫取，开始了一系列犯罪活动，并且最终在试图逃避警察的时候绝望地死去。

<h3>麦克斯韦方程和光的奥秘</h3>

直到苏格兰物理学家詹姆士·克拉克·麦克斯韦——19世纪物理学界的巨人之一的研究成果问世，物理学家们才对光学定律有了确定的了解。从某些意义上来说，麦克斯韦正是迈克尔·法拉第的对立面。法拉第在试验中有着惊人的直觉却完全没有受过正式训练，而与法拉第同时代的麦克斯韦则是高等数学的大师。他在剑桥大学上学时擅长数学物理，在那里艾萨克·牛顿于两个世纪之前完成了自己的工作。

牛顿发明了微积分。微积分以“微分方程”的语言来表述，描述事物在时间和空间中如何顺利地经历细微的变化。海洋波浪、液体、气体和炮弹的运动都可以用微分方程的语言进行描述。麦克斯韦抱着清晰的目标开始了工作——用精确的微分方程表达法拉第革命性的研究结果和他的力场。

麦克斯韦从法拉第电场可以转变为磁场且反之亦然这一发现着手。他采用了法拉第对于力场的描述，并且用微分方程的精确语言重写，得出了现代科学中最重要的方程组之一。它们是一组8个看起来十分艰深的方程式。世界上的每一位物理学家和工程师在研究生阶段学习掌握电磁学时都必须努力消化这些方程式。

随后，麦克斯韦向自己提出了具有决定性意义的问题：如果磁场可以转变为电场，并且反之亦然，那若它们被永远不断地相互转变会发生什么情况？麦克斯韦发现这些电—磁场会制造出一种波，与海洋波十分类似。令他吃惊的是，他计算了这些波的速度，发现那正是光的速度！在1864年发现这一事实后，他预言性地写道：“这一速度与光速如此接近，看来我们有充分的理由相信光本身是一种电磁干扰。”

这可能是人类历史上最伟大的发现之一。有史以来第一次，光的奥秘终于被揭开了。麦克斯韦突然意识到，从日出的光辉、落日的红焰、彩虹的绚丽色彩到天空中闪烁的星光，都可以用他匆匆写在一页纸上的波来描述。今天我们意识到整个电磁波谱——从电视天线、红外线、可见光、紫外线、X射线、微波和γ射线都只不过是麦克斯韦波，即振动的法拉第力场。

爱因斯坦在评论麦克斯韦方程式的重要性时写道，这是“自牛顿时代以来物理学家经历的最深远、最富成果的事件”。

（悲惨的是，麦克斯韦，19世纪最伟大的物理学之一，在48岁英年早逝，死于肺癌——这很有可能也是在同样的年龄夺取他母亲生命的疾病。如果他能活得更久，他或许能发现他的方程式在允许时间和空间变形的情况下会直接得出爱因斯坦的相对论。想到麦克斯韦要是能活得长久一些，相对论在美国内战期间就可能被发现，真是让人惊讶。）

麦克斯韦的光学理论和原子理论为光学和隐形作出了简单的解释。在固体中，原子是排列紧密的，而在液体或气体中分子的分布较为松弛。大多数固体都是不透光的，因为光线无法穿透固体中高密度的原子矩阵，其作用就像一面砖墙。相反，许多液体和气体是透明的，因为光线可以毫无阻碍地穿过它们原子之间的大空隙，那是比可见光的波长更大的空隙，例如，水、酒精、氨水、丙酮、过氧化氢、汽油等等都是透明的，就像氧气、氢气、氮气、二氧化碳、甲烷等气体一样。

这条规则有一些非常重要的例外情况。许多水晶都既是固体又是透明的。但是水晶的原子是以一种精确的网格结构排列的，堆积成有规则的行列，中间有着规则的空隙。因此便有了许多途径可以让光线能穿过水晶网格。所以，虽然水晶和任何固体一样结构排列紧密，光仍然能有效穿过水晶。

在特定的情况下，如果原子被随机排列，一个固体就可能变得透明。这可以通过将特定材料加热至高温后再迅速冷却它们来实现。比如，玻璃是一种由于其原子被随机排列而具有许多液体性质的固体。某些糖果也是通过这个方法变得透明的。

显而易见，隐形是一种在原子水平通过麦克斯韦方程发生的属性变化，因此使用普通的办法来重现会极端困难——如果并非不可能实现的话。想要让哈利·波特隐身，我们必须先将他液化，把他煮沸以产生蒸汽，让他结晶，再次加热他，然后把他冷却——哪怕对一个巫师而言，这一切都相当难以实现。

军方无法制造出隐形飞机，因此已经尝试着退而求其次：开发，使飞机在雷达上隐形。隐形技术依靠麦克斯韦的方程式创造了一系列戏法。一架隐形战斗机在肉眼中完全可见，但它在敌军雷达上的雷达图像仅有一只大鸟般大小（隐形技术实际就是一堆障眼法的大杂烩。通过改变战斗机内部材料——减少金属含量而用塑料和树脂替代、改变机身的曲度、重新调整它的排气管等等，我们可以让敌军命中机身的雷达信号向四面八方散开，这样它们就永远不可能返回到敌军的雷达屏幕上。就算有了隐形技术，一架战斗机也不可能完全隐形，它只能在技术允许的范围内尽量折射或驱散雷达）。

<h3>超材料与隐形</h3>

不过，隐形技术中最大有可为的新进展或许是一种叫做“超材料”的奇异材料，有朝一日它也许真的能让物体隐形。具有讽刺意味的是，超材料曾被认为是不可能存在的，因为它违反了光学定律。然而，2006年，北卡罗来纳州的杜克大学（Duke University）和伦敦帝国理工学院（Imperial College）的研究者成功挑战传统概念，使用超材料让一个物体在微波射线下隐形。尽管仍有许多难关需要克服，但我们有史以来头一次拥有了能使普通物体隐形的方案（五角大楼的国防高级研究计划署［tagon’s Defense Advanced Researc Agency，DARPA］资助了这一研究）。

微软（Microsoft）的前首席技术官纳森·梅尔沃德（Nathan Myhrvold）说，超材料那革命性的潜力“将彻底改变我们对待光学的方式，以及电子学的几乎每一个方面……有些超材料能够成就在几十年前看来属于奇迹的伟业”。

超材料是什么？它们是具备自然界中不存在的光学性质的物质。超材料是通过将微小的组件植入一种材料而产生的，这种材料能强迫电磁波向非正常的角度弯曲。在杜克大学，科学家们将微型电路植入排列成平面、同心圆的铜圈中（有些像电炉的圈环）。结果是产生了陶瓷、特氟龙和混合纤维组成的精细混合物，铜条中的微型植入体使其可以用特定的方式弯曲和引导微波辐射。想象一下围绕一块巨石流动的河水。由于河水迅速绕过巨石，巨石会被朝着下游冲走。同样的，超材料可以不断改变和弯曲微波的路径，这样它们就绕着一个——比如说，圆柱体流动，基本上使圆柱体内的一切物质在微波内不可见。如果超材料能消除一切反射和阴影，那么它就能确保一个物体在该种射线下完全隐形。

科学家们成功使用一个由10个覆盖铜电元素的玻璃纤维环组成的装置演示了这一原理。一个装置内部的铜环几乎在微波辐射下完全隐形，只投下了非常小的影子。

超材料的核心是它能够控制一种叫做“折射率”的事物。折射是当光线穿过透明媒介时的偏折。如果你把手伸入水中，或者透过眼镜的镜片看自己的手，你会注意到水和玻璃扭曲并弯折了寻常光的路径。

光在玻璃和水中会弯折的原因在于光进入一个密集、透明的媒介时会放慢速度。光在真空中的速度永远保持一致，但穿透玻璃或者水的光必须穿过上万亿个原子，因此速度就慢了（被在媒介中减速的光所分割的光速称作折射率。由于光在玻璃中减速，其折射率永远大于1.0）。例如，真空中的折射率是1.0，在空气中是1.0003，在玻璃中是1.5，在钻石中是2.4。通常，媒介密度越高，弯曲的度数越大，于是折射率也越大。

折射率常见的实例之一就是海市蜃楼。如果你在炎热的天气开车并直视地平线，道路看起来可能会像是有微光闪烁，造成水光粼粼的湖面的幻像；在沙漠中人们有时能看到远处的地平线上有城市和山岳的轮廓，这是因为从路面和沙漠升起的灼热空气密度低于正常空气，因而折射率比周围较冷的空气要低，这样，来自远方物体上的光线会被从行道上折射到你的眼中，造成你正看着远方事物的假象。

通常，折射率是一个常数。当一束窄小的光线进入玻璃时会被弯曲，随后保持以直线前进。假设你可以任意控制折射率，那么它便能在玻璃中的任意一点不断改变方向。当光线在这个新的材料中移动，光能被弯曲并向不同的新方向流动，创造出能够穿过整个物质的蛇形路径。

如果能控制超材料内部的折射率，光就能从物体的周围通过，这样这个物体就能隐形。为了实现这一点，这种超材料必须具备负折射率，那是所有光学课本中都写明不可能的事物（超材料是在1967年由苏联物理学家维克托·韦谢拉戈［Victor Veselago］在一份论文中首次理论化的，并被证明具有不同寻常的光学性质，如负折射率和逆多普勒效应［reversed Doppler effect］。超材料是如此的古怪和反常，以至于它曾被认为是不可能制成的。但在过去几年中，超材料已经确实在试验室中被制造出来，迫使满心不情愿的物理学家们改写了所有光学方面的教科书）。

超材料的研究者们不断受到记者骚扰，他们希望知道隐身衣什么时候会被投放进入市场。答案是：近期不会。

杜克大学的大卫·史密斯（David Smith）说：“记者们打来电话，他们只是需要你说出一个数字。所需的月数，所需的年数。他们不停地追问追问再追问，于是你最后说：嗯，大概15年。如此他们便弄到了新闻的标题，不是吗？15年做出哈利·波特的隐身衣。”这就是为什么他现在拒绝给出任何详细的时间表。《哈利·波特》和《星舰迷航》迷们或许不得不等待。当真正的隐身衣在物理定律的范围内已经成为可能，大多数物理学家认为，这一技术面前遗留的难以克服的技术障碍将是：把研究拓展到可见光，而不只是微波。

通常，被植入超材料中的内部组件必须小于射线的波长。比如，微波的波长可达约3厘米，因此能够弯曲微波路径的超材料必须具备被植入小于3厘米的微型植入体。但要使一个物体在波长为500纳米的绿光下隐形，超材料必须具备只有约50纳米长的内部构造，而纳米是原子水平的长度单位，需要使用纳米技术（1纳米在长度上相当于1米的十亿分之一。1纳米大约可以容纳5个原子）。这可能是我们在创造真正隐身衣的尝试中要面临的关键问题。超材料中的单个原子必须改进，以把光束弯曲成蛇形。

<h3>可见光范围的超材料</h3>

竞赛在继续。

自从宣布超材料已经在试验室中被制造成功后，这一领域内已是风起云涌，每隔几个月就有新的进展和惊人的突破出现。目标很清楚：使用纳米科技制造出能弯曲可见光而不只是微波的超材料。已经有数种方案被提出，全都很有前景。

有一种方案是使用现成的技术，即从半导体行业借用已有的技术来制造新的超材料。一种叫“光刻术”（polithography）的技术在计算机微型化中处于核心地位，因此也推动着计算机革命。这一技术使工程师得以将数亿个微型晶体管集成到一块不超过拇指大小的硅芯片上。

计算机的处理能力每18个月翻一番（这被称作“摩尔定律”）的原因是科学家使用紫外线辐射把越来越微小的零件“蚀刻”到硅芯片上。这一技术很像模板被用于生产彩色t恤的技术（计算机工程师从一块薄片开始入手，随后将多重材料组成的极薄外层置于其上。然后薄片被覆上一层塑料模，作为模型。其中包括电线、晶体管和组成电路系统基础架构的计算机零件的复杂轮廓。接着，薄片被放置在波长非常短的紫外线射线中，射线将形状印在光敏性晶片上。用特殊的气体和酸处理薄片后，塑料模上的复杂电路就被蚀刻到薄片曾经暴露在紫外线光的部分上。这一过程会制造出含有数亿微型沟槽的薄片，这些沟槽构成了晶体管的轮廓）。目前，使用这一蚀刻方法能够制造出的最小部件尺寸大约30纳米（或合长度约150个原子）。

当一组科学家使用这种硅芯片蚀刻技术制造第一种能在可见光范围内起作用的超材料时，隐形探索的里程碑出现了。德国和美国能源部的科学家在2007年初宣布，有史以来第一次，他们制造出了一种能在红光下起作用的超材料。“不可能的事情”在短得不同寻常的时间内被实现了。

爱荷华州艾米斯试验室（Ames Laboratory）的物理学家科斯达斯·苏库勒斯（Costas Soukoulis）与德国卡尔斯鲁厄大学（University of Karlsruefan Linden）、马丁·瓦格纳（Martin egener）和冈纳·道林（Gunnar Dolling）创造出了一种在波长780纳米的红光下具有－0.6的负折射率的超材料（先前，被超材料弯曲的射线的世界纪录是1 400纳米，这使其被排除在可见光光谱范围之外，属于红外线范围）。

科学家先使用一块玻璃薄片，然后涂上一层银、一层氟化镁，随后再上一层银，形成了一个只有100纳米厚的镁“三明治”。接着，使用常规蚀刻技术，在“三明治”中制造出一大片显微镜下可见的方型孔，形成渔网状的格子结构（方孔只有100纳米宽，比红光的波长小得多）。之后，他们把红光光束射过这一材料，并测出它的折射率：－0.6。

这些物理学家预测了这一技术的许多种实际应用。超材料“有朝一日或许会促成在可见光谱范围内起作用的超级透镜的开发”，苏库勒斯博士说，“这样的透镜会带来比传统技术更为优越的解决之道，捕获比光的波长小得多的细节。”这一“超级透镜”的直接应用将是以前所未有的清晰度拍摄微型对象，比如一个活的人体细胞内部，或者判断一个子宫内的婴儿所患的疾病。理想的是，人们将得以获得DNA分子组成部分的照片，而不必使用笨拙的X射线衍射晶体分析法（X ray crystallography）。

到目前为止，科学家已经证实了红光的负折射率。他们下一步将是使用这一技术制造一种能将红光完全弯曲绕过一个物体的超材料，使该物体完全在红光下隐形。

顺着这些道路进行，进一步的发展可能会发生在“光子晶体”领域内。光子技术的目标是创造出使用光，而不是电的芯片，以处理信息。这涉及使用纳米科技将微型部件蚀刻到芯片上，这样折射率就会根据每一个部件而变化。使用光的晶体管与使用电的晶体管相比有几个优势。比如，光子晶体的热量损失要小得多（先进的硅芯片产生的热量足够用来煎鸡蛋。因此，必须不断给它们降温，否则就会失灵。让它们保持低温费用高昂）。不出意料，光子晶体科学非常适合超材料，因为这两种科技都涉及在纳米量级操控光的折射率。

<h3>通过等离子体光子实现隐形</h3>

尽管还没有作出超越，但还是有另一个科研小组在2007年中宣布他们已经使用一种完全不同的方法制造出了一种弯曲可见光的超材料，这种方法叫“等离子体光子”。加州理工学院（Cal tecer）宣布，他们已经制造出一种在难度更高的蓝－绿可见光光谱范围内具有负折射率的超材料。

等离子体光子的目的是“挤压”光，使我们可以在纳米量级操控物体，特别是在金属的表面。金属之所以导电是因为电子松散地与金属原子捆绑在一起，这样它们就可以顺着金属的结构表面自由移动。在家中的电线里流动的电流代表了这些金属表面松散捆绑着的平稳电子流。但是，在特定条件下，当一束光撞击金属表面，电子会和原始的光束一致地振动，在金属表面创造出波状的运动（称为等离子体），这些波状运动又与原始的光束一致地振动。更重要的是，我们可以“挤压”这些等离子体，这样一来它们就与原始光束具备了同样的频率（因此也就携带了同样的信息），但是波长却小得多。从理论上来说，我们随后可以将这些被挤压了的波塞入纳米线中。就如同使用光子晶体一样，等离子晶体的终极目标是创造使用光，而非使用电进行运行的计算机芯片。

加州理工学院的小组使用两层银制造了他们的超材料，中间有一硅镍绝缘层（厚度仅50纳米），起到引导等离子体波方向的“波导”作用。激光通过两条刻在超材料上的狭长切口进出仪器。通过分析激光在穿过超材料时的角度，我们可以证实光是被以负折射率弯曲的。

<h3>超材料的未来</h3>

超材料的进步可能会在未来加快，简单来说是因为在创造使用光束和非电力的晶体管方面目前已经存在巨大的需求。对于隐形的研究因此也能搭上进行中的以制造出硅芯片替代品为目的的光子晶体和等离子体光子的顺风车。已有上亿美元被投资于创造硅芯片替代品的技术，超材料的研究会从这些研究尝试中获益。

随着在这一领域内每隔数月就产生突破，一些物理学家认为某种形式的实用性隐形盾牌可能会于几十年内在试验室中产生，这并不让人惊讶。举例来说，科学家们自信在未来几年内将能够创造出可以使物体至少在二维中完全在一种可见光频率下隐形的超材料。要做到这点，微型的纳米植入体必须不被固定为常规的阵列，而是以繁复的形式排列，这样光束将会平滑地围绕一个物体弯曲。

下一步，科学家们必须制造出能在三维中弯折光线的超材料，而不仅仅是在平面的二维表面。光刻对于制造平面硅晶片来说是完美的技术，但是制造三维超材料需要将晶片垒成复杂的形式。

此后，科学家们必须解决一个难题——制造出能弯曲不止一种、而是许多种频率的超材料。这可能是最困难的一步，因为到目前为止设计出的微型植入体只能精确地弯曲一种频率。科学家们或许不得不制造以多层次为基础的超材料，每一层弯曲一种特定频率。对这一问题的解决方法还不太明朗。

不过，一旦隐形盾牌最终被制成，它或许会是一个笨重的装置。哈利·波特的隐身衣是用轻薄、柔韧的布料制成，并且能让任何披着它的人隐身。但是为了实现这一点，隐身衣内部的折射率必须要随着它的飘摆不停改变，而这是不切实际的。真正的隐身“衣”更有可能是用超材料组成的固体圆柱体构成的，至少最初会是这样。如此一来，圆柱体的内部折射率就会是固定的（更加先进的隐形盾牌最终可能会加入柔韧的、能够扭曲而且仍旧使内部穿过的光线沿着正确的路径通过的超材料。通过这种方法，隐身衣内部的任何人都可以自如活动）。

有人指出了隐形盾牌的一个缺陷：任何处于其内部的人都无法在不现身的情况下看到外面。想象一下，哈利·波特全身都隐形，只有眼睛除外，它们看上去飘浮在半空中。任何隐身衣上为眼睛挖出的洞都能从外面清楚地看见。如果哈利·波特完全隐身，他就会两眼一抹黑地坐在他的隐身衣下（这一问题的解决方法之一或许是在眼洞附近的位置放置两块玻璃片。这两块玻璃片可以起到“分光片”的作用，将很小一部分射在玻璃片上的分光走，随后把光送入双眼。如此，大多数到达隐身衣的光线就会绕着它周围流走，保证隐身衣中的人隐形，但是有非常小的一部分光会被转移到眼中）。

科学家和工程师们对于在未来几十年中制造出某种形式的隐身盾牌非常乐观，其程度抵得上这些困难所造成的悲观。

<h3>隐形和纳米技术</h3>

就如我先前提到的一样，隐形的关键或许是纳米技术，也就是说操控十亿分之一米直径的原子尺寸结构的能力。

纳米技术的诞生要追溯到1959年一场由诺贝尔奖得主理查德·费曼（Ricy）所作的讲座，标题俏皮讽刺——“在底层有着巨大的空间”。在那场讲座中，他预测了符合已知物理定律的最小机械可能呈现的形态。他意识到机械能做得越来越小，直到它们达到原子间距，然后原子可以用来制造其他机械。“原子机械，比如动滑轮、杠杆和轮子，都处于物理定律的范畴之内，”他总结道，尽管它们会极其难以制造。

纳米技术衰落了一些年头，因为操控单个原子超越了当时的技术水平。但是，在1981年随着扫描隧道显微镜（scanning tunneling microscope）的发明，物理学家作出了一个突破，它为在苏黎世（Zurich）的IBM实验室工作的科学家盖尔德·宾尼（Gerd Bining）和海因里希·罗雷尔（heinrich Rohrer）赢得了诺贝尔奖。

突然间，物理学家获得了单个原子们排列成化学书中的模样的惊人“图像”，这是曾被原子理论的批评者们认为不可能的情形。排列在水晶和金属中的原子的绚丽照片如今已成为可能。科学家们常常使用的化学式中有一系列复杂的原子包裹在一个分子中，可以用肉眼看见。此外，扫描隧道显微镜使得操控单个原子有了可能性。事实上，“IBM”三个字母被使用原子给拼写了出来，在科学界制造了一阵轰动。科学家们在操控单个原子时不再茫然了，而是能够确实看到它们，与它们嬉戏。

扫描隧道显微镜简单得出乎意料。就如同一根唱针扫过一张唱片，一根探针慢慢地通过要被分析的材料（针尖极为尖锐，仅仅由一个原子组成）。一个小小的电荷被放置在探针上，一股电流从探针流出，通过整个材料，到底层表面。当探针通过单个的原子，流过探针的电流量便有所不同，这些变化被记录下来。电流在流过一个原子的时候有涨有落，如此便极其细致地探出它的轮廓。在许多的流通后，通过绘出电流量的波动，人们可以得到组成一个网格结构的单个原子的美丽图片。

（扫描隧道显微镜是由于一条奇特的量子物理定律而变得可行的。通常电子不具有足够从探针通过物体、到达底层的能量。但由于测不准原理［uncertainty principle］，存在着电流中的电子能“钻道”或穿透障碍的微小可能性。这样一来，流过探针的电流就对于材料中的微型量子效应敏感。稍后我将更具体地探讨量子理论的影响）。

探针也具有足够的敏感度以移动独立的原子，创造出由独立原子组成的简单的“机械”。这一技术非常先进，如今原子团可被陈列在屏幕上，随后只需移动电脑的光标，原子就能按照你想要的任何方式移动。你可以像玩乐高积木一样操控大堆原子。除了用独立的原子拼出字母表上的字母之外，我们还可以制造原子玩具，比如用一个个原子制成的算盘。原子被排列在有纵向窄槽的平面上。这些纵向窄槽中可以放入碳做的（形状像足球，但是由一个个碳原子组成）。随后，这些球就可以在各条窄槽中被移上移下，这样一来就做出了一个原子算盘。

使用电子束雕刻原子装置也是有可能的。例如，康奈尔大学（Cornell University）的科学家们已经制造出全世界最小的吉他，比一根头发要小20倍，用水晶硅雕刻而成。它有六根弦，每根有100个原子粗，这些琴弦可以在原子力显微镜（atomic force microscope）下弹拨（这把吉他确实可以弹出音乐来，但它产生的音频远远高过了人耳的听力范围）。

目前，这些纳米技术“机械”大多只是玩具。有齿轮和滚珠轴承的更为复杂的机械尚未制造出来。但许多工程师信心十足地认为，我们能够制造真正的原子机械的一天终将到来（原子机械其实在自然界已被发现了：细胞可以在水中自由游动，因为它们能够摆动细微的毛。但是当我们分析毛和细胞之间的连接处时，我们会看到事实上是一个原子机械使毛能朝各个方向移动。因此，发展纳米技术的关键之一是模仿自然，自然界在数十亿年前就掌握了原子机械的技艺）。

<h3>全息图与隐形</h3>

另一种能使人部分隐形的方法是拍摄一个人身后的背景，然后将这一背景影像投射到这个人的衣服上，或者一块他身前的屏幕上。从前面看起来这个人似乎变得透明了，光以某种方式不偏不倚地穿过了他的身体。

东京大学田智实验室（tacory）的川上直树（Naoki Kaical camouflage）。他说：“这将被用于帮助飞行员透过机舱地板观看下面的跑道，或者帮助试图看到护栏另一侧的司机泊车。”川上的“隐身衣”覆盖着微小的反光小珠子，起到电影银幕的作用。一台摄像机将衣服背后的影象拍摄下来，随后这一影像被输送到一台放映机里，放映机将衣服的前面照亮，这样一来，看上去就像光穿过了这个人似的。

视觉伪装的雏形事实上存在于实验室中。如果你直视一个穿着这件银幕似的袍子的人，那个人看起来会像是已经消失了，因为你看到的只有他身后的东西。但是如果你将视线稍微动一动，而袍子上的图像不会改变，这就让你知道那是个假象。更为逼真的视觉伪装需要制造出3D影像的幻象。为了达到这一目的，我们需要全息图。

全息图是激光制造的3D影像（例如《星球大战》中莱娅公主的3D影像）。如果周围景色被一个特殊的全息照相机拍摄下来，随后全息图像被投射到一个人身前的一整片全息银幕上，那么这个人可以处于隐身状态。站在那人跟前的观看者会看到有着背景景色3D图像的全息银幕，人本身缺省。就算移动视线，你也无法确定自己所见到的是假象。

这些3D图像是由于激光“相干”而成为可能的，即所有的波完全共振。全息图像是通过将一束相干涉的激光分裂成两片而产生的。一半的光束照射在照相胶片上，另一半照射到一个物体上，被弹开，然后反射到同一张照相胶片上。当这两股光束在胶片上产生干涉，一种干涉图形就形成了，并且将原始3D光波的所有信息都编码。胶片上随后会出现错综复杂的蜘蛛网样（看上去不怎么像）回旋和线条。但是随后会有一束激光被投射到这张胶片上，一个原始物体的精确3D复制品突然间就像被施了魔法一样出现了。

然而，全息隐形的技术问题是难以克服的。其挑战之一是制造出1秒钟至少能拍摄30帧画面的全息照相机。另一个问题是储存和处理所有的信息。最后，我们必须把这幅图像投射到一块银幕上，这样图像看起来会显得真实。

<h3>第四维度实现隐形</h3>

我们还必须说说一种更为复杂的隐形方法，威尔斯在《隐形人》中提到了它。这种方法涉及使用第四维度的力量（在本书中我稍后会更加详尽地探讨高维空间存在的可能性）。我们是否可能离开我们的三维宇宙，从四维空间的有利地点在其之上翱翔呢？就像一只三维的蝴蝶在一张二维的纸片上面飞舞一样，我们对于任何生活在我们下方宇宙中的人都是隐形的。这个想法有一个问题：高维空间的存在尚未被证明。而且，去往一个更高维度的假想旅行需要的能量远远超过我们现有科技可实现的水平。作为一种实现隐形的可行方法，这一方法无疑超过了我们当今的知识和能力。

鉴于迄今为止在实现隐形方面的巨大进展，它具备了“一等不可思议”的资格。在未来几十年中，或者至少这个世纪之内，某种形式的隐形将会变得稀松平常。

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注释：

第一章一等不可思议 3.光炮与死星

<small>无线电没有未来。比空气更重的飞行器是不可能实现的。X射线将被证明是一场骗局。</small>

<small class="right">——物理学家开尔文爵士，1899年</small>

<small>（原子）炸弹永远都不会爆炸。我以爆炸物专家的身份宣布。</small>

<small class="right">——海军上将威廉·李海（illiam Leahy）</small>

4－3－2－1，开火！

死星是一件巨大的武器，有一整个月球的大小。死星对无助的奥德兰（Alderaan）行星——莱娅公主的家园直接开火，将它烧成灰烬，使它在一场毁天灭地的爆炸中瞬间迸裂，将行星的残骸飞溅到整个太阳系中。10亿个冤魂在极度痛苦中纵声尖叫，干扰了整个银河系的原力感应。

但是，《星球大战》史诗中的死星武器真的可能存在吗？这么一种武器能够操纵一整排激光炮将整个星球蒸发吗？天行者卢克（Luke Skyh ader）手持用光束制成的光剑能劈开加强型钢铁，这又会是真的吗？镭射枪，比如《星舰迷航》中的光炮有可能成为未来执法人员和士兵们的新一代武器吗？

在《星球大战》中，上百万的电影观众对这些独创的、了不起的特效赞许有加。可它们在一些批评者看来不值一提，他们严厉批评这些特效，宣称它们非常有娱乐性，但显然不可能成真。月球大小、能粉碎一个星球的镭射枪是无稽之谈，由凝固的光束制成的刀剑也是一样，哪怕这些是发生在一个遥远的星系中——他们反复叫嚷道。特效大师乔治·卢卡斯（George Lucas）这回绝对是玩过头了。

尽管这或许难以置信，但事实上一束光束中可以注入的原始能量的大小在物理学上并没有限制。阻碍一个死星或一把光剑产生的物理定律并不存在。其实，能粉碎一个星球的γ射线束存在于自然界中。来自太空深处一场遥远的γ射线爆裂所造成的剧烈射线爆发紧接着宇宙大爆炸之后制造了一场爆炸。

<h3>历史上的光束武器</h3>

控制和利用能量束的梦想其实并不新鲜，而是牢牢植根于古老的神话和传说中。希腊天神宙斯（Zeus）以向凡人释放闪电而闻名；古代北欧之神托尔（thor）有一柄魔锤“姆乔尔尼尔”（Mjolnir），可以点燃闪电；而印度天神因陀罗（Indra）因为能用一把有魔力的长矛释放出能量束而闻名。

使用射线作为武器的概念可能是始于伟大的古希腊数学家阿基米德（Archimedes）。他或许是所有古人中最伟大的科学家，在两千年前发现了微积分的原始版本，早于牛顿和莱布尼兹（Leibniz）。在公元前214年第二次布匿战争（Second Punic ar）中一场对抗古罗马将军马尔赛鲁斯（Marcellus）的史诗般的战役里，阿基米德帮助保卫了叙拉古（Syracuse）王国。据信，他制造出了巨大的太阳反射镜组，将阳光聚焦到敌舰的船帆上，使它们着火（即使在今天，科学家中对于这是否是一件实际、有效的光束武器仍存在争论；已有各种各样的科学家小组试图再现这一辉煌功绩，结果各不相同）。

镭射枪在1889年随着威尔斯的经典之作（ar of the orlds）出现在了科幻小说中。在书中，来自火星的外星人用他们安装在三脚架上的武器发射热能束，将城市整个整个地彻底毁灭。第二次世界大战期间，纳粹一直急于在科技上取得最新进展，藉以征服世界。他们试验了不同形式的镭射枪，包括一种以抛物面反射镜为基础、可以聚集强大音束的音速装置。

用聚集起来的光束制造的武器随着007系列电影《金手指》（Goldfinger）进入了公众的想象世界，这是第一部给予激光重要戏份的好莱坞电影（当这位充满传奇色彩的英国间谍被绑在一张金属桌子上的时候，一道强烈的激光缓缓推进，逐渐熔化了他两腿间的桌子，令人惊恐地要将他切成两半）。

物理学家们最初对威尔斯小说中大肆渲染的镭射枪冷嘲热讽，因为它们违反了光学定律。根据麦克斯韦方程，我们在自己周围看到的光会快速消散，并且是非相干的（换言之，这是一团频率和相位各不相同的杂乱电磁波）。曾经，相干的、聚焦的、均匀的光束——正如我们发现激光所呈现的——被认为是不可能创造出来的。

<h3>量子革命</h3>

这一切都随着量子理论的到来而改变了。在20世纪之初，尽管牛顿的定律和麦克斯韦的方程极为成功地解释了行星的运动和光的行为方式，但它们很明显无法解释一整类现象。它们不幸未能解释为什么材料可以导电，为什么金属会在特定的温度下熔化，为什么气体被加热后会放射出光，为什么某些材料会在低温下成为超导体——这些全都需要对于原子内部动态的了解。进行一场革命的时机成熟了。历时250年的牛顿物理学将被推翻，宣告一种新物理学即将诞生。

1900年，马克斯·普朗克（Max Plank）在德国提出能量并不像牛顿所认为的那样是连续的，而是在小型的、截然分开的单位中发生的，这些单位称作“量子”（quanta）。随后，爱因斯坦在1905年假设光是由这些微型单位（或称量子）组成的，后来它们被命名为“光子”（pon）。有了这一强有力却很简单的想法，爱因斯坦得以解释光电效应：为什么将一道光照射在金属上的时候电子会释放出来。今天，光电效应和光子组成了电视、激光、太阳能电池和大量现代电子设备的基础。（爱因斯坦的光子理论具有很强的革命意义，甚至连马克斯·普朗克——一贯是爱因斯坦的忠实支持者，一开始也不能相信它。关于爱因斯坦，普朗克写道：“他有时候可能没有命中目标……比如说，他的光量子假设，这真的不能怪他。”）

后来，在1913年，丹麦物理学家尼尔斯·玻尔给了我们一幅全新的原子图，看上去像是一个微缩版的太阳系。但是，和太空中的太阳系不同，电子只能在互不相干的轨道中或者原子核周围的壳中移动。当电子从一个壳“跳跃”到一个较小的、能量较少的壳中，会释放出一个光子的能量。当一个电子吸收了一个光子的离散能量，它会“跳跃”到一个具有较多能量的较大原子核壳中。

一项几乎完整的原子理论在1925年出现，与之伴随的是量子力学和埃尔文·薛定谔（Erwin Scion），它使我们得以推算原子的性质，包括一切玻尔假设的“跳跃”。

1925年以前原子还被认为是神秘的事物，许多人——比如哲学家恩斯特·马赫（Ernst Macion）。

<h3>微波激射器和激光</h3>

1953年，加利福尼亚大学伯克利分校的查尔斯·汤斯（Coion timulated emission of radiation，即“通过受激发射实现高效率微波放大”的缩写）。他和俄罗斯物理学家尼科莱·巴索夫（Nikolay Basov）以及亚历山大·普罗科洛夫（Aleksandr Prokhorov）最终在1964年获得了诺贝尔奖。很快，他们的研究成果拓展到了可见光，导致了激光（laser）的诞生（不过，光炮［phaser］是一种因为《星舰迷航》而广为人知的虚构装置）。

要产生激光，先要从一个能够传播激光束的特殊媒介开始，比如特殊气体、水晶或者两极真空管。随后把能量从外界以电力、无线电、光或者化学反应等方式大量注入这一媒介。这一突发的能量涌入会使媒介的原子膨胀，这样电子就吸收了能量，随即跳跃到外层电子壳中。

在这一兴奋、膨胀的状态下，媒介是不稳定的。如果随后将一光束送入这一媒介，光子将和原子一个个发生碰撞，使其突然衰变到一个低水平的状态，在这个过程中释放出更多的光子。这会转而引发更加多的电子释放出光子，最终造成原子一泻千里的衰变，使上万亿、上万亿的光子突然释放到光束中。关键在于，对特定的物质来说，当这一光子的“雪崩”发生时，所有的光子都在共振，也就是说，它们是相干的。

（可以设想成一排多米诺骨牌。多米诺骨牌平躺在桌子上的时候处于它们的最低能态。当它们竖直站立的时候处于一种高能量、膨胀状态，类似于媒介中膨胀的原子。如果你推倒一块多米诺骨牌，便会立即引发所有这些能量的突然崩溃，正如在一束激光中那样。）

只有特定的材料才会“放射激光”，确切地说，只有特殊的材料才会在当一个光子撞击一个膨胀的原子时放射出一个和原先的光子相干的光子。这一相干性带来的结果是，在这场光子的洪流中所有的光子都在共振，制造出和铅笔一样细的激光束（和神话中正相反，激光束并不永远保持铅笔般细瘦。比如，一束向月球上射出的激光会逐渐扩大，直到它制造出一个直径数英里的斑点）。

一个简单的气体激光器是由一管氦气和氖气组成。当电通过管子时，原子被赋予能量。随后，如果能量突然一次性释放，一束相干光就产生了。光束被用两面镜子增强，其中一面搭在另一面的头上，这样光线会在它们之间弹来弹去。一面镜子是完全不透光的，但是另一面可以让光在每一次通过时逸走很小一部分，从而制造出一束从镜子一头射出去的光。

今天，激光随处可见，从杂货店的收银台到传送互联网的光缆、从激光打印机和CD唱机到现代计算机都离不开它。激光也被用于眼科手术、去除纹身、甚至美容院里。2004年有价值超过54亿美元的激光被售出。

<h3>激光与聚变的种类</h3>

随着新的材料被发现能够放射激光，新的方式被发现能够将能量泵入媒介，新的激光几乎每天都在被发现。

问题在于，这些科技中是否有一些适用于镭射枪或者光剑？是否有可能制造出一种足够强大到给一颗死星提供能量的激光？现今存在种类多得令人费解的激光，取决于放射激光的材料和被注入材料的能量（例如：强烈的光束、甚至化学爆炸）。其中一些是：

<small>气体激光这类激光包括氦—氖激光，很常见，会制造出常见的红光束，它们是由无线电波或者电提供能量的；氨—氖激光相当微弱；二氧化碳气激光可以用于重工业中的爆破、切割和焊接，并且能够制造出威力巨大、完全不可见的光束。</small>

<small>化学激光这类强有力的激光是由某种化学反应给予能量的，比如乙烯和三氟化氮（NF3）的燃烧喷射。这类激光力量足以用于军事。化学激光在美国军方的空中和地面激光设施中被应用，能够产生数百万瓦的能量，用于击落短程导弹和中程导弹。</small>

<small>准分子激光这类激光同样由化学反应提供能量，一般涉及一种惰性气体（例如：氩气、氦气或者氙气）和氟或氯。它们产生紫外线光，可在半导体工业中用于将微型晶体管蚀刻到芯片上，或用于精细的激光眼科手术。</small>

<small>固态激光有史以来的第一种实用激光是由铬－蓝宝石红宝石水晶的组合制造的。有许多种水晶能与钇、钬、铥和其他化学元素一起维持起一种激光束。它们能制造出超短脉冲激光。</small>

<small>半导体激光两极真空管在半导体工业中被普遍应用，它能产生用于工业切割和焊接的强力光束。它们常常也能在杂货店的收银台上见到，用于读取你购买的杂物上的条形码。</small>

<small>干激光这类激光使用有机染料作为它们的媒介。它们在制造通常只能持续上万亿分之一秒的超短脉冲光方面异常有用。</small>

<h3>激光和镭射枪</h3>

既然商用激光种类极多，军用激光威力巨大，为什么我们没有战斗中和战场上使用的镭射枪呢？各式各样的镭射枪似乎是科幻电影中的标准武器，为什么现实世界中我们没有动手制造它们？

答案很简单：缺乏一种便携式动力装置。我们需要一个微型动力装置，具备一个巨型发电站的电力，但是又小得足够放在手掌上。目前，唯一控制、利用一座大型商业电站那样规模的电力的方法就是造一座大型商业电站。现在，具备巨大能量的最小军用设施是微型氢弹，它或许会在毁灭目标的同时也消灭你自己。

还有一个次要的、辅助性的问题——激光放射材料的稳定性。理论上说，我们能集中到一束激光上的能量没有上限。问题在于一把手持镭射枪中的激光放射材料不会稳定。比如说，晶体激光器如果被泵入过多的能量，它们就会过热，并且破裂。因此，要制造出一种极为强大的激光，可以汽化目标或者抵消所受到的攻击，我们可能需要使用一次爆炸的力量。假如是那样的话，激光放射材料的稳定性就不构成限制了，因为这样一束激光只能使用一次。

由于制造便携式动力装置和稳定激光放射材料方面的问题，使用当今的科技不可能制造出手持式镭射枪。镭射枪是有可能实现的，但是得用一根电缆把它们和电源连接起来才行。或者，有了纳米技术我们或许能够制造出微型电池，储存或产生足够的能量来制造一个手持式动力装置所需剧烈爆炸所产生的能量。当前，就如我们所见的那样，纳米技术相当原始。在原子水平上，科学家们已经制造出颇具匠心但却不实用的原子装置，比如原子算盘和原子吉他。但可以想象的是，在本世纪晚期或者下个世纪，纳米技术或许能给我们提供可以储存如此巨大能量的微型电池。

光剑受困于一个类似的问题。当电影《星球大战》首次在20世纪70年代推出，而且光剑成为最畅销的孩子们的玩具时，许多批评者指出这样一种装置永远不可能制成。首先，把光固化是不可能的。光永远都用光速运动，它不可能变成固体。其次，光束不可能像《星球大战》中的光剑那样终止在半空中。光线永远保持前进，一把真正的光剑其光束会延伸到天空中。

事实上，有一种方法可以使用等离子体或者超热离子化气体锻造某种形式的光剑。等离子体可以加热到足够在黑暗中熠熠生辉，也可以切开钢铁。一把等离子光剑由一根从手柄中滑出的、细瘦的中空杆子组成，像一架望远镜。这根管子里会释放出热等离子体来，随后通过沿着杆子均匀设置的一个个小洞渗出。它会制造出一长管燃烧的超热气体，足以熔化钢铁。这一装置有时候会被称作等离子火炬。

所以，制造一个高能量、与光剑相似的装置是可能的。但正如镭射枪一样，你将不得不制造一种高能量便携式动力装置，不是需要将光剑和电源连接起来的长长电缆，就是不得不通过纳米技术制造一种能传送巨大功率的微型电源。

因此，虽然当今可以制造出某种形式的镭射枪和光剑，但科幻电影中出现的手持武器却超越了目前的科技。不过，在本世纪晚期或下个世纪，凭借材料科学和纳米技术方面的新进展，或许可以开发出某种形式的镭射枪，这使它成为一项“一等不可思议”。

<h3>死星所需的能量</h3>

要制造出像《星球大战》中描述的那种能摧毁整个星球、威震银河系的死星激光炮，我们需要创造出有史以来最具威力的激光。现在，地球上某些最具威力的激光能释放只有在恒星中心才存在的温度。它们或许会在某一天以聚变反应堆的形式在地球上操控恒星所具有的力量。

熔样机（fusion machine）尝试模仿一颗星体最初形成的时候在太空中发生的事情。一颗恒星开始时是一团无确定形状的巨大氢气球体，直到万有引力压缩气体，从而将它加热，温度最终达到天文水平。比如，在一颗星体的内核深处，温度可以猛窜至5 000万至1亿摄氏度之间，热到足以使氢的原子核相互猛烈撞击，制造出氦核子，并造成能量的突然爆发。借助氢成为氦的聚变，少量团块通过爱因斯坦的著名等式E＝mc2转变为一颗星体的爆炸能量，成为星体的能量之源。

科学家目前正在尝试的操控地球聚变的方式有两种，它们都已经被证明远比预想中的难以发展。

<h3>聚变的惯性约束</h3>

第一种方式被称作“惯性约束”（inertial confinement）。它使用地球上最具威力的激光器在实验室里创造出太阳的一角。钕玻璃固体激光器适用于模仿只有星体内核才具有的极端温度，非常理想。这些激光器系统有一个大型工厂大小，包括向一条长长的隧道射出一组平行激光束的激光器，这些高能量激光束随即击中排列在一个球状物周围的一组小镜子上，镜子将激光束细致地统一聚焦到一个微型的、富含大量氢气的小球上（由诸如氘化锂——氢弹的活跃成分之类的材料制成）。小球通常是针头大小，仅重10毫克。

激光的爆炸烧毁小球的表面，导致球表面汽化并压缩小球。当小球被摧毁，一股冲击波产生，直达小球的内核，使温度猛地达到数百万度，足够将氢核聚变为氦核。温度和压力都是天文数字，劳森判据（Laerion）得到满足，这就是氢弹和星体的内核中所满足的标准（劳森判据陈述了在氢弹中、星体中或者聚变仪器中引发聚变反应必须达到温度、密度和约束时间的详细范围）。

在惯性约束过程中，巨大的能量被释放，包括中子（氘化锂可以达到1亿摄氏度的温度，以及20倍于铅的密度）。中子随即爆发，从小球中放射出来。中子撞击围绕容器的球形毡垫材料，毡垫被加热。随即，被加热后的毡垫使水沸腾，所产生的蒸汽可用于为一台涡轮机提供动力，并产生电力。

然而，将这样高强度的能量均匀地集中于一个微型小球上是个问题。湿婆激光器（Sional Laboratory，LLNL）制造、于1978年开始运行的20路光束激光器系统（湿婆是有许多手臂的印度女神，是这一激光器系统设计所效仿的对象）。湿婆激光器系统的表现令人失望，但它足以证明激光聚变在技术上可行。湿婆激光器系统后来被能量10倍于它的诺瓦激光器系统（Nova laser）所取代。但诺瓦激光器也未能实现小球的正确点火。不过，它为现在的国家点火装置（National Ignition Facility，NIF）的研究铺平了道路，这一工程于1997年在LLNL开始建设。

NIF应当在2009年投入使用，是一台令人震惊的机器，由一组192路光束组成、拥有700万亿瓦特输出功率（相当于约70万个核电厂集中一次性爆发的能量输出）。它是最尖端的激光器系统，目的是实现富氢小球的完全点火。（批评者还指出了它明显的军事用途，因为它能模仿一颗氢弹的爆炸，或许会使一种新型核武器——纯氢弹［pure fusion bomb］的产生成为可能。纯氢弹不需要铀或者钚原子弹发动聚变程序。）

但即使是拥有地球上最强大的激光器的NIF激光核聚变机器，也无法接近《星球大战》中死星的毁灭性力量。要制造这样一个装置，我们必须留意其他的能量来源。

<h3>聚变的磁约束</h3>

科学家可能用来为一颗死星提供能量的第二种方法称作“磁约束”（magnetic confinement），一种以磁场约束高温氢气等离子体的过程。事实上，这一方法其实可以为第一个商用聚变反应堆提供蓝本。目前，这一类型最先进的聚变项目是国际热核聚变实验堆（International tal Reactor，ItER）。2006年，一些国家组成的联盟（包括欧盟、美国、中国、日本、韩国、俄罗斯和印度）决定在法国南部的卡达拉奇（CadaracER。它的目标是将氢气加热到1亿摄氏度，它将成为历史上第一个产生能量多于其消耗能量的聚变反应堆。它的目标是产生5亿瓦的功率，并持续500秒（目前的纪录是1 600万瓦，持续1秒）。ItER计划于在2016年产生它的第一个等离子体，并在2022年实现完全运转。它耗资120亿美元，是历史上第三昂贵的科学项目（仅次于曼哈顿计划和国际空间站）。

ItER看上去像一个巨大的环状物，氢气在环绕表层周围的巨型线圈中流通，线圈被冷却，直到它们成为超导体为止，随后巨量的电能被泵入其中，制造出磁场，困住环状物中的等离子体。当环状物中有电流注入，气体就被加热到极端高温。

科学家们之所以对ItER如此兴奋，是因为他们看到了创造一种廉价能源的前景。聚变反应堆所需的燃料是普通的海水，含有丰富的氢。至少在理论上，聚变可能会提供给我们取之不尽的廉价能量来源。

那么，为什么我们不现在就使用聚变反应堆？为什么在聚变反应于20世纪50年代被制定成功后花了好几十年才取得进展？问题在于，均匀地压缩氢燃料存在巨大的困难。在星体中，万有引力把氢气压缩成一个完美的球形，这样气体就会被均匀、完全地加热。

在NIF的激光聚变中，焚烧球体表面的同心激光光束必须绝对均匀，而实现这种均匀是极端困难的。在磁约束机器中，磁场既有N极也有S极，结果，要把气体均匀地压缩成一个球体非常不易。我们能做到的最好程度是制造一个环形磁场。但压缩气体就像挤压一个气球：每当你从一头挤压气球，空气就让其他某个部位鼓起。从各个角度同时均匀地挤压气球是一个颇具难度的挑战。灼热的气体通常会从磁瓶中泄露出来，最终触及反应堆壁，使聚变反应中断。这就是为什么要将氢气均匀压缩超过1秒钟会如此困难。

与这一代的裂变核电站不同，聚变反应堆不会制造出大量核废料（一个传统的裂变核电站每年产生30吨极高核废料。相反，聚变反应堆产生的核废料主要是反应堆最终被废弃后残留的放射性钢铁）。

聚变无法在近期之内解决地球的能源危机。法国诺贝尔物理学奖得主皮埃尔－吉勒·德热纳（PierreGilles de Gennes）已经说过：“我们说我们将把太阳放进一个盒子里。这个主意是不错，问题在于我们不知道如何做这个盒子。”但如果一切顺利的话，科学家们希望ItER在40年之内可以为聚变能量的商业化铺平道路，这是可以为我们的住宅提供电力的能源。有朝一日，聚变反应堆或许可以缓解我们的能源问题，在地球上安全地释放着太阳水平的能量。

但即便是磁约束反应堆也无法提供足够的能量来为一台死星式的武器提供能量。想做到这点，我们需要一种全新的设计。

<h3>核动力X射线激光器</h3>

还有另一种使用当今科技模拟死星激光炮的可能，那就是使用氢弹。一组X射线激光器控制与聚集了核武器的威力，理论上能产生足够的能量运行一台可以焚毁一整个星球的装置。

核动力逐磅逐磅地释放出约1亿倍于一座化学反应堆的能量。一份比一个棒球还小的浓缩铀足以让一座城市在熊熊燃烧的火球中毁灭——即使只有它质量的1%被转换成了能量。就如我们已经探讨过的那样，有许多种方法可以将能量注入一束激光中。迄今最有威力的方法是利用一枚原子弹释放的力量。

X射线激光器有巨大的科学和军事价值。由于波长极短，它们可以被用于探测原子距离和破译复杂分子的原子结构，这是一件使用普通方法极难完成的功绩。当你“看到”移动中的原子和在分子内部整齐排列的原子本身，会发现有一扇化学反应的全新窗口被打开。

由于氢弹会释放出在X射线范围内的巨大能量，X射线也可以靠核武器提供能量。与X射线激光器联系最紧密的人是物理学家爱德华·泰勒（Edeller）——氢弹之父。

当然，泰勒就是在20世纪50年代向美国国会作证，证明负责曼哈顿计划的罗伯特·奥本海默（Robert Oppenheimer）由于其政治倾向不能可信地继续从事氢弹研究的那位物理学家。泰勒的证词导致奥本海默威望扫地，并且使他的安全准许证被吊销。许多杰出的物理学家永远无法原谅泰勒的所为。

（我本人与泰勒的联系要追溯到我上高中的时候。那时，我主持了一系列关于反物质性质的实验，并且赢得了旧金山科学展的大奖和一次去参加新墨西哥州奥布魁尔（Albuquerque）全国科学展的旅行。我在地方电视中与泰勒一起出现，他对聪明的年轻物理学家很有兴趣。最后我获得了泰勒的赫兹工程奖学金（z Engineering Scholarship），这支付了我在哈佛大学接受本科教育的费用。我每年都去泰勒在伯克利的住宅拜访几次，对他的家人相当熟悉。）

本质上，泰勒的X射线激光器是被铜杆环绕的小型原子弹。核武器的爆炸释放出强烈的X射线球面激波。这些高能量射线随即穿过起到激光放射材料作用的铜杆，将X射线的能量集中到强烈的X射线束中。这些X射线束随后成为瞄准敌人的弹头。自然，这样的装置只能被一次性使用，因为原子爆炸会导致X射线激光器自爆。

首次核动力X射线激光器的实验被称为卡伯拉实验（Cagra test），它于1983年在一个地下竖井中进行。一枚氢弹被爆破，它的非相干X射线巨浪随即被聚集成一道相干X射线激光束。最初，实验被视为一大成功，并且事实上在1983年激励了总统罗纳德·里根（Ronald Reagan）在一次历史性的演讲中宣布了他建立“星球大战”防御计划的意向。这样便开始了一项耗资数十亿美元、甚至今天还在持续的工程——建造类似核动力X射线激光器的装置阵列，以击落敌人的（后来的调查显示，在卡伯拉实验期间用于测量的探测器被毁坏了，因此它的读数不可靠）。

这样一个广受争议的装置现在能实际被用于击落ICBM弹头吗？或许能。但是，敌人可以使用多种多样简单、廉价的方法使这一武器失效（例如，敌人可以放出上百万廉价的假目标骗过雷达，或者旋转弹头驱散X射线，或者放射出一层化学涂层来对抗X射线）；或者，敌人可以简单地大量生产弹头穿透星球大战防御盾牌。

所以，目前核动力X射线激光器和导弹防御系统一样不实用。但是否有可能制造一颗死星用以对付逼近的小行星，或者完全消灭一整颗星球呢？

<h3>死星的物理学原理</h3>

像《星球大战》中那样毁灭一整颗星球的武器能制造出来吗？理论上说，答案是肯定的。有数种方法可以制造它们。

首先，一颗氢弹所能释放的能量没有物理极限。以下说明它如何起作用（氢弹的精确要点是顶级机密，甚至今天也还被美国政府列为密件，但其粗略的要领却广为人知）。一颗氢弹实际上是由多级反应组成的。通过恰当地按顺序累加这些步骤，可以制造出几乎各个量级的原子弹。

第一级是一枚标准的裂变弹，使用铀—235释放X射线的突然爆发，就如广岛原子弹所使用的那样。在不到1秒钟里，原子弹释放出的气浪扫尽一切，不断扩大的X射线球体冲到气浪之前（因为它以光速运动），随后重新聚焦到一个装有氘化锂——氢弹的活性物质的容器上（如何做到这点仍然被列为机密）。X射线撞击氘化锂，使其崩溃，并且被加热到上百万度，制造出二次爆炸，比第一次还剧烈得多。从这颗氢弹中爆发出来的X射线随后可以重新聚焦到第二件氘化锂容器上，制造出第三次爆炸。以这种方式，我们可以把氘化锂一个挨一个摞在一起，创造出一枚拥有无法想象的巨大威力的氢弹。事实上，有史以来制造出的最大氢弹是由苏联在1961年引爆的两级氢弹，具有5 000万吨tNt的能量，尽管它理论上能够引爆超过1亿吨tNt的能量（或者约5 000倍于广岛原子弹）。

然而，焚毁整个星球完全是另一个量级上的事情。要做到这一点，死星必须在太空中启动上千个这样的X射线激光器，而且它们必须在同一时刻开火（相比之下，在冷战的高峰期，苏联和美国各自积累了大约3万颗原子弹）。这样巨量的X射线激光器的总能量足以烧毁一颗星球的表面。所以，未来数百万年中完全可能有个银河帝国（Galactic Empire）制造出这样一件武器。

对一个非常先进的文明来说，有第二个选择：使用一次γ射线爆发制造一颗死星。这样一颗死星会在一次大爆炸后立刻释放出一阵射线。γ射线大爆发在外太空中会自然发生，可以想象一个先进的文明会利用它们的巨大威力。通过在一颗恒星坍缩和释放出一颗超新星之前控制它的自转，我们或许可以将γ射线瞄准太空中的任何一点。

<h3>γ射线爆发</h3>

γ射线爆发实际是在20世纪70年代首次被观测到的，美国军方发射薇拉（Vela）人造卫星用于探测“核闪光”（nukeflash）（未经授权的原子弹爆破的证据）。但是薇拉没有识别出核闪光，而是发现了来自太空的强烈射线爆发。这一发现最初在五角大楼引起了一阵惶恐：是苏联在太空中测试一种新的核武器吗？稍后这些辐射被判定为均匀地来自空中的各个方向，意味着它们事实上来自银河系之外。但如果来自银河系外，它们肯定释放着真正的天文学数量的能量，足以点亮整个可见的宇宙。

当苏联在1990年解体，数量巨大的天文学数据突然被五角大楼解密，天文学家们震惊了。突然间，天文学家意识到一种新的神秘现象正面对面地凝视他们，它将使科学教科书改写。

由于γ射线爆发在消失前仅仅持续数秒钟到数分钟，因此必须有一个精巧的探测器来识别和分析它们。首先，人造卫星探测到第一次射线爆发并将爆发的准确坐标送回地球。这些坐标随即被传送到光学或射电天文望远镜上，在该天文望远镜上把γ射线大爆发的位置校准。

虽然有许多细节肯定仍旧保密，但关于γ射线爆发的起源有一种理论——它们是具有无穷能量的“巨超新星”（hypernova），在觉醒时留下巨大的黑洞。看起来γ射线爆发似乎是排成队列的巨型黑洞。

但是黑洞会放射出两条辐射“喷射”，一条出自N极，另一条出自S极，形状就像个陀螺。观测到的一次来自远方的γ射线爆发的辐射显然是去往地球的喷射之一。如果γ射线爆发的喷射瞄准地球，并且γ射线爆发就在我们银河中的邻近位置（离地球数百光年），那么其威力足以毁灭我们星球上的一切生命。

首先，γ射线爆发的X射线脉冲波会创造一次能摧毁地球上所有电子设备的电磁脉冲。其强烈的X射线和γ射线光束足以毁坏地球大气层，毁灭保护我们的臭氧层，γ射线的喷射随即会使地球表面温度升高，导致巨大的爆炸风暴，最终会吞噬整个星球。γ射线爆破或许不会真的让整个地球像在电影《星球大战》中那样爆炸，但它肯定会消灭所有的生命，留下一个焦黑、贫瘠的星球。

可以想象，一个比我们先进数十万年到数百万年的文明或许可以将这样一个黑洞瞄准目标的方向。这可以通过以精确的角度将行星和中子星的路径在一颗死亡中的恒星即将坍缩之前调整到它的路径来实现。这一调整足以改变一颗恒星的自转轴，这样它就可以瞄准到特定的方向。死亡中的恒星可以成为我们所能想象到的最大的镭射枪。

总的来说，使用威力巨大的激光制造便携的或手持的镭射枪和光剑可以归入“一等不可思议”——在近期或一个世纪内可能实现的事物。但是，将一颗自转中的恒星在其爆发成为黑洞之前进行瞄准，并且将其转变为一颗死星——这样的高难度挑战只能视为“二等不可思议”——显然不违反物理定律（这样的γ射线爆发存在）、但或许只能在未来数千年到数百万年中成为可能的事物。

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注释：

第一章一等不可思议 4.隐形传送

<small>我们已经遇到了矛盾，这真是太好了。现在我们有希望取得进步了。</small>

<small class="rigty），《星舰迷航》中的总工程师</small>

隐形传送，或者说把一个人或一个物体从一个地点瞬间运送到另一个地点的能力，是一种可以改变文明进程和改变国家命运的技术。它将不可逆转地改变战争规则：军方可以把部队隐形传送到敌军阵线后面，或者简单地将敌方领导人员隐形传送并俘获他们。今天的交通运输系统——从汽车和船只到飞机和铁路，以及所有为这些系统服务的大量行业——都不会再被使用。我们可以简单地将自己隐形传送去上班，并且将我们的货物隐形传送去市场上销售。度假将变得毫不费力，因为我们可以把自己隐形传送到目的地。隐形传送将会改变一切。

最早提及隐形传送的文字，可以在宗教文字比如《圣经》中找到，在那里，神灵匆匆将人带走。这段来自《新约》（Neestament）《使徒行传》（Acts）的文字似乎暗示着来自迦萨（Gaza）的腓利（Pus）的隐形传送：“当他们从水中现身，天主突然将腓力带走，阉人没有再见到他，而是继续欢乐地赶路。然而，腓力在亚锁都现身，四处游历，在所有的城镇布道福音，直到他到达撒利亚（Caesarea）”（《新约》 8∶36-40）。

隐形传送也是每个魔术师戏法和幻术的一部分：从一顶帽子里拉出一只兔子，扑克牌从他（她）的袖子里出现，从某个人的耳朵后面取出硬币。近代最为宏大的魔术之一是让大象从惊诧不已的观众面前消失。在这一表演中，一头好几吨重的巨象被关在一个笼子里。然后，随着一根魔术棒的轻击，大象消失了，使观众们大为吃惊。（当然，大象其实并未消失。魔术是使用镜子表演的。长条、细薄、直立的条状镜子被放在笼子的每一根铁条后。就像一扇门一样，这些条形镜子的每一根都可以旋转。在魔术开始的时候，当所有这些直立条形镜子被整齐放置在铁条后面，镜子是无法被看见的，大象则可见。但当这些镜子被旋转45度面向观众，大象就会消失，留下观众们对着从笼子一边反射出来的影像干瞪眼。）

<h3>隐形传送和科幻小说</h3>

科幻小说最早提及隐形传送是在爱德华·佩奇·米切尔（Edc a Body）中。在这部小说里，一位科学家能够将一只猫的原子拆开，并且通过一根电报线传送。不幸的是，在科学家试图传送自己的时候电池用尽了，只有他的头被成功地传送了。

亚瑟·柯南·道尔（Artegration Machine）中，教授遇到了一位绅士，他发明了一台可以把一个人分解后重新在其他地方装配起来的机器。但是当发明者自夸他的机器要是落入了坏人手中，可以仅按一下按钮就分解有着几百万人的城市时，查林杰教授感觉非常惊惧。后来查林杰教授使用机器分解了发明者，随后离开了试验室，没有再把他装配起来。

更近一些的时候，好莱坞发现了隐形传送。1958年的电影（the Fly），生动地审视了当隐形传送发生可怕错误时会发生的事。当一位科学家成功地把自己从一个房间的一头传送到另一头，他的原子和一只偶然进入传送室的苍蝇的原子混到了一起，因此科学家变成了变异的可怖怪物，半人半蝇（一部由杰夫·戈德布拉姆［Jeff Goldblum］主演的重拍版本在1986年推出）。

隐形传送随着《星舰迷航》系列的播映首次在流行文化中为人瞩目。《星舰迷航》的缔造者吉恩·罗顿巴里（Gene Roddenberry）把隐形传送引入了这一系列，因为派拉蒙工作室（Paramount Studio）的预算负担不起模拟太空船在遥远星球上起飞和降落所需的昂贵特效。简单地把“企业号”的船员们传送到他们的目的地花费比较低廉。

许多年来，科学家们提出了不知多少对于隐形传送可能存在的反对意见。要隐形传送一个人必须知道一具活体中每一个原子的精确位置，这可能违反了海森堡测不准原理（这一原理陈述了我们无法得知一个电子的确切位置和动量）。《星舰迷航》的制作人顺从批评者们，在传送室里引进了“海森堡补偿器”，就像我们在传送器上加一个小器具就能补偿量子物理定律似的。但正如事实证明的那样，创造这些海森堡补偿器的必须性还远未成熟。早先的批评者和科学家们或许是错了。

<h3>隐形传送和量子理论</h3>

根据牛顿的理论，隐形传送无疑是不可能成立的。牛顿的定律建立在物质由微型、坚硬的弹球组成这一观点的基础上。物体不被施加外力就不会移动；物体不会突然消失和在他处重新出现。

但在量子理论中，那恰恰是微粒可以做到的事情。居于绝对统治地位250年的牛顿定律在1925年被推翻，韦纳·海森堡、埃尔文·薛定谔和他们的同事们发展出了量子理论。在分析原子的怪异属性时，物理学家们发现电子像波一样运动，而且它们可以在原子内看似无序的运动中作出量子跃迁（quantum leap）。

与这些量子波联系最密切的人是维也纳出生的物理学家埃尔文·薛定谔，他写下了以他名字命名的著名波动方程，物理学和化学领域中最重要的方程式之一。物理学研究生阶段的全部课程都致力于解答他著名的方程式，物理学图书馆的墙整面都摆满了检验其深远影响的著作。原则上，化学的全部内容可以归纳为对这一方程的解答。

在1905年，爱因斯坦证明光波具备粒子的性质，也就是说，它们可以被描述为名叫光子（pon）的能量包（packet of energy）。但是到20世纪20年代，薛定谔越来越觉得反过来也是正确的：像电子这样的粒子可以表现出波的行为。这一假想首先由法国物理学家路易·德布罗意（Louis de Broglie）提出，他因这一推测赢得了诺贝尔奖（在大学，我们向本科生论证这一点。我们在一个阴极射线管——比如通常能在电视机里找到的那些——里面点燃电子。电子穿过一个微小的洞，所以通常你可以看到一个电子撞击电视机屏幕留下的小点，而不是如你以为的那样，当一股波——而非一个点状微粒，穿过一个洞会留下同心的波状环）。

有一天，薛定谔就这一奇特现象作了一个讲座。他受到了一位物理学家同行彼得·德拜（Peter Debye）的挑战，他问薛定谔：如果电子是用波来描述的，那么它们的波动方程是什么？

自从牛顿创造了微积分，物理学家们得以用微分方程描述波，因此薛定谔将德拜的问题——写出微分方程当成一项挑战。那个月薛定谔外出度假，当回来的时候他已经写出了方程。正如在他之前的麦克斯韦采用法拉第的力场，提炼出了光的麦克斯韦方程；薛定谔采用德布罗意的物质波，提炼出了光子的薛定谔方程。

（科学史家们作了些努力，试图搜索出薛定谔发现永久改变现代物理学和化学面貌的方程时究竟做了什么。显然，薛定谔是自由之爱的信奉者，并且一直由情人们或者他的妻子陪伴着度假。他甚至保留有一份关于他所有为数众多的情人们的详细日记存档，对每一次相会都精心作了编码。历史学家现在认为，在他发现方程的那个星期，他与他的一位女友住在阿尔卑斯山的赫维格别墅。）

当薛定谔开始解决氢原子的方程时，他相当吃惊地发现氢的确切能级已经被前辈物理学家仔细地编写了下来。他随即意识到，尼尔斯·玻尔显示电子绕着原子核高速运动的旧原子结构图（甚至今天在需要标示现代科学的时候它仍被使用在书本和广告中）其实是错误的。轨道应该用包围原子核的波来代替。

薛定谔的工作成果还给物理学界带来了冲击波。突然间物理学家得以仔细观看原子自身内部，细致观察组成其电子壳的波，并且为这些能级选出完美符合其数据的精确预测。

但仍有一个甚至今天还时常困扰物理学家的烦人问题。如果电子可以用一种波来描述，那波动是什么样的？这已经被物理学家麦克斯·玻恩（Max Born）解答了，他说这些波其实是几率波（y）。这些波只是告诉你在任意地点和任意时刻找到某个特定电子的可能性。换言之，电子是一种粒子，但找到那个粒子的概率由薛定谔的波提供。波越大，在那一点找到特定粒子的可能性越大。

有了这些进展，突然间偶然性和概率被直接引入了物理学的核心，它们先前已经给我们带来粒子的精确预测和详细轨迹，从行星到彗星到炮弹。

这一不确定性最终在海森堡提出测不准原理的时候被他制定为规则，也就是你不可能同时既知道一个电子准确的速度又知道它的位置，你同样不可能知道特定时间中测量出的它的确切能量。在量子水平，一切的基本定律常识都遭到了违反：电子会消失，并在他处重新出现，而且电子可以在同一时刻存在于许多位置上。

（具有讽刺意味的是，量子理论的教父、在1905年协助促成革命开始的爱因斯坦，还有薛定谔——给予了我们波动方程的人，对于将偶然性引入基础物理学感到惊恐万分。爱因斯坦写道：“量子力学急需获得高度尊重。但一些来自内部的声音告诉我们这不是真正的雅各布。这一理论贡献良多，但它几乎一点也没有让我们更加靠近上帝的秘密。就我来说，至少，我确信他不玩骰子。”）

海森堡的理论是革命性的，也是广受争议的——但它起了作用。物理学家们得以一下子解释大量令人不解的现象，包括化学的定律。为了让我的博士生们深刻了解量子理论是多么古怪，我有时让他们计算他们的原子会突然消散并且在砖墙另一边突然出现的概率。这样的隐形传送事件在牛顿物理学中是不可能的，但在量子力学范畴中确实被允许。答案是，我们必须等待比宇宙的寿命更长的光阴好让它发生（如果你用一台电脑绘出你自己身体的薛定谔波，你会发现它与你的身体特征非常相像，只是绘出的曲线会有点模糊，你的一些波向四面八方流出，你的一些波甚至会延伸到遥远的星体上。因此有那么个很小的概率，有一天你会发现自己在一颗遥远的星球上醒来）。

电子看来可以在同一时刻处于许多位置，这一事实构成了化学的根基。我们知道电子围绕一个原子的原子核运转，就像一个微型太阳系。但是原子和太阳系不尽相同。如果两个太阳系在太空中相互冲突，那么太阳系会支离破碎，星体们会被抛掷到太空深处。然而，当原子发生冲突，它们通常会组成极为稳定的分子，分享它们之间的电子。在高中化学课堂上，老师通常会用一个与足球非常相似、把两个原子联系在一起的“弥散电子”来代表它。

但化学老师很少告诉他们学生的是，电子根本就不在两个原子之间“弥散”。这个“足球”实际上演示了在足球内部电子在同一时刻位于许多方位上。换句话说，所有解释我们体内分子的化学，是建立在电子可以在同一时刻位于许多位置上，并且正是两个原子间的电子共享把我们身体的分子结合在一起这个概念上。没有量子理论，我们体内的分子和原子会立刻解体。

量子理论这一独特但深远的性质（在有限的概率内，甚至连最最怪异的事件也有可能发生）被道格拉斯·亚当斯（Douglas Adams）在他引人入胜的小说（to te Improbability Drive），“一种在几乎零秒内穿过遥远星际距离的全新绝妙方法，免于在超空间内令人厌烦地虚掷时光”。他的机器使你得以任意改变任何量子事件的概率，因而哪怕是极不可能的事件也成了老生常谈。所以，如果你想要火速前往最近的星系，仅仅需要改变你在那个星系上重新实体化的概率即可。然后，瞧，你会被即刻传送到那里！

在现实中，在原子中如此普遍的量子“跃迁”无法被简单地普及到大型物体上，比如说含有上万亿个原子的人。尽管我们体内的电子在它们环游原子核的美妙旅程中舞动着、跳跃着，但它们的数量如此之多，以至于它们的运动相互抵消了。粗略而言，那就是为什么在我们的水平上物质看起来是固体的和稳定的。

所以，虽然隐形传送在原子水平上是可以发生的，但我们必须等待比宇宙的寿命更长的光阴才能真的见证宏观水平上发生的这些奇特效应。一个人是否可以使用量子理论定律来制造出一台机器以根据需要来传送东西，就像在科幻小说中那样？令人吃惊的是，答案是一个有所保留的“是”。

<h3>EPR实验</h3>

量子隐形传送的关键在于一份1935年由阿尔伯特·爱因斯坦和他的同事波尔斯·波多尔斯基（Boris Podolsky）及奈森·罗森（Nathan Rosen）完成的论文。他们具有讽刺意味地提出了EPR实验（以三位作者的名字命名）来最后一次阻止将偶然性引入物理学。（爱因斯坦对量子理论在实验上不可否认的成功感到悲伤，他写道：“量子理论越是成功，看起来就越愚蠢。”）

如果两个电子最初是一致地振动的（一种称为“相干”的状态），它们可以保持波状一致，哪怕它们被分隔开了很远的距离。尽管两个电子之间的距离可能要以光年计，仍然有一个看不见的薛定谔波联系着它们两者，就像是一根脐带。如果一个电子发生了什么，那这一信息中有一部分会立刻传送到另一个电子。这被称为“量子纠缠”（quantum entanglement），即相干地振动的粒子之间有某种深层次联系将它们连接在一起。

让我们从两个一致摆动的相干电子开始。随后，让它们以相反的方向飞出去。每个电子就像一个陀螺。每个电子的自旋都可以加强或减弱。让我们假设整个系统的自旋为零，因此如果一个电子的自旋增强，你就自然知道另一个电子的自旋减弱了。根据量子原理，在你作出一个测量之前，电子的自旋既不增强也不减弱，而是以一种同步增强或减弱自转的状态存在（一旦你做了观测，波动功能就“崩溃”，使一个粒子停留在有限状态里）。

其次，测量一个电子的自旋。假设它在加快自旋，则你立刻就知晓另一个电子的自旋在减慢。就算两个电子被分隔开许多光年，只要通过测量第一个电子就会立即得知第二个电子的自旋。事实上，你以比光速更快的速度得知了这一信息！因为这两个电子是“纠缠的”，就是说，它们的波函数一致地搏动，它们的波函数被一股看不见的“细线”或“脐带”连接在一起。在其中一个电子上发生的任何情况都会自动在另一个电子上产生影响（这意味着，在某些意义上，在我们身上发生的任何情况都会自动即时影响在遥远的宇宙角落里的事物。因为我们的波函数可能在时间的初始就纠缠在了一起。在某些意义上，有一张纠缠的网络将宇宙的各个遥远角落联系在一起，包括我们自己）。爱因斯坦嘲讽地把这叫做“鬼魅般的超距作用”，这一现象使他得以“证明”量子理论是错误的，因为在他看来，没有事物可以移动得比光速更快。

起初，爱因斯坦设计了EPR实验作为量子理论的丧钟。在20世纪80年代，法国的艾伦·阿斯佩克特（Alan Aspect）和他的同事使用两个分开13米的探测器进行了这个实验，测量从钙原子中放出的光子的自旋，实验结果与量子理论精确吻合。显然，上帝的确会在宇宙里投骰子。

信息真的比光传送得更快吗？在光速是宇宙的速度极限这一点上，爱因斯坦错了吗？不完全是。信息的确比光速传送得更快，但信息是随机的，因此是无用的。你不能通过EPR实验传送一条真正的消息或者莫尔斯密码，哪怕信息传送得比光速更快。

知道在宇宙另一端的一个电子正在减缓自旋是一条无用的信息。你不能通过这一方法传送今天的股票行情。举例来说，让我们假设一位朋友总是穿一只红袜子和一只绿袜子，次序随机。假设你查看他的一只脚，那只脚上穿着一只红袜子，那么你就知道——比光速更快地知道，另一只袜子是绿色的。信息的确比光传送得更快，但这一信息是无用的。不包含非随机信息的讯号可以用这种方式送出。

多年来，EPR实验被作为量子理论战胜它的批评者们大获全胜的例子，但那是一个没有真正价值的胜利，直到现在也不具备实际影响。

<h3>量子隐形传送</h3>

一切都在1993年改变了。由查尔斯·班奈特（Ct）领导的IBM的科学家们用EPR实验证实在物理学上隐形传送物体是可能的，至少在原子水平上如此（更确切地说，他们证明你可以隐形传送一个粒子内含有的所有信息）。从此，物理学家们已经可以传送光子，甚至整个铯原子。在几十年内，科学家们或许能传送第一个DNA分子和病毒。

量子隐形传送开发了某些EPR实验更为奇特的性质。在这些传送实验中，物理学家从两个原子A和C开始。假设我们希望把信息从原子A传送到原子C。我们从引入第三个原子——B，开始入手，它开始时与C纠缠，所以B和C是相干的。现在原子A开始与原子B建立联系。A扫描B，这样一来原子A的信息内容就转移到了原子B。A和B在联系过程中变得纠缠。但由于B和C是最初纠缠的，A之中的信息现在已经被转移到了原子C。最后，原子A现在已经被传送成了原子C，就是说，A的信息内容现在与C的完全相同。

注意，原子A内的信息已经被销毁（这样在传送后不会有两份副本）。这意味着任何假设被传送的人都会在这个过程中死亡。但他身体的信息内容会出现在别处。同样注意，原子A没有移动到原子C的位置。相反，是A中的信息（比如，它的自旋和极化）被转移到了C（这不表示原子A解体，随后迅速移动到另一个位置，而表示原子A的信息内容已经转移到了另一个原子——C上）。

从这一突破最早宣布开始，取得进步的竞争就变得激烈了。因为不同的小组都试图胜过彼此。在第一次量子隐形传送的历史性演示中，紫外线光的光子被传送，它于1997年在茵斯布鲁克大学（University of Innsbruck）进行。紧接着进行这一实验的是次年加州理工学院的实验，他们进行了一个涉及传送光子的更为精确的实验。

在2004年，维也纳大学（University of Vienna）的物理学家成功使用一根光纤电缆在多瑙河底将光的粒子传送了600米，创下了一个新纪录（电缆本身长800米，被悬在多瑙河下的公共下水道系统下方。发送者站在河的一边，接收者在另一边）。

这些实验受到了一种非难：它们是使用光的光子进行的，这几乎就不是科幻小说里的题材了。因此，2004年的量子隐形传送使用真正的原子而非光的光子来进行证明就显得非常重要，使我们又向更为实际的隐形传送装置靠近了一步。华盛顿国家标准和技术研究所（National Institute of Standards and tecure）杂志的封面。另一个小组还成功传送了钙原子。

2006年，另一项更为出色的进展达成了，第一次涉及了一个宏观物体。哥本哈根尼尔斯·玻尔研究所（Niels Boitute）和德国马克斯·普朗克研究所（Max Plank Institute）的物理学家成功将一道光线与一股铯原子气体纠缠，这是一项涉及上万亿上万亿原子的成就。随后，他们将激光脉冲内包含的信息进行编码，并成功地把这一信息传送过大约半码距离，传到了铯原子上。“有史以来第一次，”尤金·波尔齐克（Eugene Polzik）——研究者之一说，“量子隐形传送在光——信息的载体和原子之间实现。”

<h3>不涉及纠缠态的隐形传送</h3>

隐形传送的进展在飞快地加速。2007年实现了另一个突破。物理学家们提出了一种不要求纠缠的隐形传送。纠缠态是量子隐形传送唯一最为困难的特点，解决这一问题能为隐形传送开启新的前景。

“我们是在谈论一束约5 000个粒子从一处消失，然后在其他一个地方出现。”澳大利亚布里斯班的澳大利亚研究理事会量子光学卓越研究中心（Australian Researcre of Excellence for Quantum Atom Optics）的物理学家阿斯顿·布拉德利（Aston Bradley）说，他着力开辟了一种新的隐形传送方式。

“我们觉得自己的方案与最初的小说般概念的精神更为贴近。”他宣布。在他们的方法中，他和他的同事使用了一束铷原子，将它的全部信息传到一束光线中，再将这束光传送过一根光纤电缆，随后在远处一个地点重建最初的原子束。如果他的陈述能成立，这一方法将清除隐形传送的头号绊脚石，并且为传送越来越大的物件开辟全新的道路。

为了将这种新方法与量子隐形传送区别开来，布拉德利博士已经把他的方法命名为“古典隐形传送”（这有一点歧义，因为他的方法也非常倚重量子理论，但不依靠纠缠态）。

这一小说式的隐形传送的关键是一种新的物质形态，称作玻色—爱因斯坦凝聚（Bose-Einstein Condensate），或BEC，是整个宇宙中最冷的物质之一。自然界中，最低的温度是在外太空中被发现的，绝对零度以上3k（这是由大爆炸留下的残热引起的，它仍旧充满了宇宙）。但一块BEC是绝对零度以上百万分之一度到十亿分之一度，这是只有在试验室里才能找到的温度。

当某些形式的物质被冷却到绝对零度附近的温度，它们的原子会全部急剧下降到最低能态，这样一来它们的全部原子都在一致中振动，变得相干。所有原子的波函数重叠，以至于从某些意义上来说，一块BEC就像一个其所有原子一致地振动的巨大“超级原子”。这一物质的奇特状态被爱因斯坦和萨地扬德拉·玻色（Satyendranat）和科罗拉多大学（University of Colorado）被制造出来，整整过去了70个年头。

以下讲述布拉德利和他的同伴的隐形传送装置如何作用。首先，他们从一组BEC状态的超低温铷原子开始，随后使一束物质接触BEC（同样由铷原子组成）。这些物质束中的原子同样希望骤降到最低能态，所以它们把过剩的能量以脉冲光的形式泄出。这一光束随即被送入一根光纤电缆。值得注意的是，这一光束包含全部描述初始物质束所必需的量子信息（比如，其全部原子的位置和运动速度）。然后，光束撞击另一个BEC，它随即将光束转变为初始的物质束。

这一新的隐形传送方式具备广阔的前景，因为它不涉及原子的纠缠。但是这一方法同样有它的问题。它极度依赖BEC的性质，而BEC难以在试验室中制造。此外，BEC的性质非常独特，因为它们表现得好像是一颗巨大的原子。原则上，我们只能在原子水平见到的奇异量子效应可以使用肉眼在一个BEC中见到。这曾被认为是不可能的。

BEC的直接实际应用是制造“原子激光”。理所当然，激光存在于共振的光子组成的相干光束基础上。但一个BEC是共振的原子的集合，因此可能制造出完全相干的BEC原子束。换言之，一个BEC可以制造出激光的类似物——原子激光或物质激光，由BEC原子组成。激光的商业应用是巨大的，原子激光的商业应用同样具有深远意义。但由于BEC只存在于绝对零度上浮动的温度下，这一领域的进展尽管稳定但会缓慢。

有了这一迅速的进展，我们何时有可能传送我们自己呢？物理学家们希望在明年能够传送复杂的分子。在那之后，DNA分子甚至一个病毒或许可以在几十年之内被传送。理论上没有任何事物禁止传送一个真正的人——就像在科幻电影中那样。但是这一伟大成就所面临的技术问题确实非常棘手。必须有一些世界上最好的物理试验室被用于仅仅在微小的光的光子和单个原子之间创造相干性。制造涉及真正宏观物体——比如人的量子相干性，无疑需要很长时间才能实现。实际上，要让每个物体都可以传送，还需要花上许多个世纪，或者更长时间——如果这真的可能实现的话。

<h3>量子计算机</h3>

最后，量子隐形传送的命运与量子计算机发展的命运紧紧地联系在了一起。两者使用同样的量子物理学和技术，因此这两个领域之间有高度的相互获益关系。量子计算机有一天或许会替代我们书桌上的熟悉的数字计算机。事实上，世界经济的未来有一天或许会仰仗这样的计算机，因此这些技术有巨大的商业利益。有一天硅谷可能会变成“锈带”，被来自量子计算机学的新技术所取代。

普通的数字计算机在0和1的二进制系统上运行，称为“比特”（bit）。但量子计算机要远远更为强大。它们可以在量子位（qubit）上运算，可以计算0和1之间的数值。假想一个放置在磁场中的原子，它像陀螺一样旋转，于是它的旋转轴可以不是向上指就是向下指。常识告诉，我们原子的旋转可能向上也可能向下，但不可能同时都进行。但在量子的奇异世界中，原子被描述为两种状态的总和，一个向上转的原子和一个向下转的原子的总和。在量子的奇妙世界中，每一种物体都被使用所有不可思议状态的总和来描述（如果是大型物体，例如猫，用这种量子的方式进行描述，那意味着你不得不将一只活猫的波函数与一只死猫的波函数相加，这样猫就既不死去也不活着——正如我在第13章中将更为详细地探讨的那样）。

现在，想象一串原子排列在一个磁场中，以相同的方式旋转。如果一束激光照射在这串原子上方，激光束会跃下这组原子，迅速翻转一些原子的旋转轴。通过测量进入的和离开的激光束的差异，我们已经完成了一次复杂的量子“计算”，涉及了许多自旋的快速移动。

量子计算机还处于襁褓之中。量子计算机的世界纪录是3×5＝15，算不上拥有一种能取代今天的超级计算机的计算能力。量子隐形传送和量子计算机两者都存在同样的缺陷：需要维持大量原子的相干性。如果这一问题可以解决，那么对两个领域都是一项重大突破。

CIA和其他秘密组织对量子计算机极为感兴趣。世界上的许多密码都依靠一个“密钥”，那是一个非常大的整数，而需要做的是将它分解因数为质数。如果密钥是两个各有100位的数的产物，那么一台数字计算机或许要花上100多年来从零开始找出这两个因数。这样一个密码目前基本上是无法破译的。

但是，在1994年，贝尔实验室（Bell Labs）的彼得·秀尔（Peter Shor）证明，将这样的数字分解因数对量子计算机来说可谓小菜一碟。这一发现立刻伤害了智能团体的利益。原则上一台量子计算机可以破译世界上所有的编码，将当今计算机系统的安全性推入彻底的无序中。首个成功建立这样一个系统的国家将得以破解其他国家和组织最深层的秘密。

某些科学家已经推测，未来世界经济将依靠量子计算机。以硅为构架的数字计算机被认为将在2020年后的某个时候达到它们计算能力升级上的物理极限。一种新的、更强大的计算机家族或许会成为必须——如果科技将继续前进的话。另一些科学家正在探索通过量子计算机复制人脑智能的可能性。

然而，这样做需要押非常高的赌注。如果我们能解决相干性的问题，我们不仅能够解决隐形传送的挑战，或许还能用过量子计算机以未知的方式拥有各种各样推动科技发展的能力。这一突破非常重要，我将在后面的章节中回过头来进行这一讨论。

就如我早年指出的，相干性在实验室中极难维持。最微小的振动也会扰乱两个原子的相干，并且毁坏计算过程。目前我们很难维持仅仅是少量原子的相干性。最初同步的原子会在1毫微秒、最多1秒之内开始消相干。传送必须非常迅速地完成，赶在原子开始消相干之前，这样便为量子计算机和隐形传送造成了其他的限制。

尽管有这些挑战，牛津大学的大卫·多伊奇（David Deutsch）还是相信这些问题可以克服：“凭着运气，凭着近期理论进步的协助，一台量子计算机或许能在远远少于50年的时间内制造成功……那将是一种全新的利用自然的方法。”

要制造一台有用的量子计算机，我们需要使数百到数百万原子一致地振动，这是一项远远超出我们目前能力的挑战。传送柯克船长会是极度艰巨的，我们不得在一对柯克船长之间制造一个量子纠缠。即便有了纳米科技和先进的计算机，也很难想象这将如何实现。

因此，隐形传送还只存在于原子水平，我们或许终将在几十年内传送复杂的分子、甚至是有机分子。但是要实现一件大型物体的传送，将必须等上几十年到几百年，或者更久——如果它的确可能的话。因此，传送复杂分子，也许甚至是一个病毒或一个活细胞，符合“一等不可思议”的要求，应该会在本世纪之内成为可能。但是传送人类，虽然被物理定律所允许，或许也要在那之后花上好几百年——假设它真的可能。因此，我将那种类型的隐形传送定义为“二等不可思议”。

第一章一等不可思议 5.心灵感应

<small>如果你在一天中没有发现任何奇怪的事情，那这就不是一个好日子。</small>

只有那些努力尝试荒唐事物的人才能实现不可思议的成就。

A. E. 凡·沃格特（A. E. van Vogt）的小说《斯兰》（Slan）捕捉了我们关于心灵感应最为黑暗的恐惧。

乔米·克劳斯（Jommy Corss），小说的主角，是一位“斯兰”，那是一个灭绝中的拥有超常心灵感应能力的种族。

他的双亲被愤怒的人类暴民残忍杀害，由于这些能侵入他们最为隐私、最不可告人思想的斯兰掌握着巨大的力量，他们惧怕和鄙视所有的读心术师。人类就像对待动物一样毫无怜悯地对斯兰种族穷追猛杀。斯兰有从头部长出的独有卷须，很容易被识别。在书中，乔米试着与其他斯兰取得联系，他们可能已经逃离到太空中以躲避决心将他们斩尽杀绝的人类进行的捕杀。

历史上，读心术曾被认为非常重要，经常被与神灵联系在一起。所有神所具备的基本力量之一就是读取我们的想法，并且因此回应我们最深沉的祈祷。一位真正能够任意读取心智的读心术师可以轻易成为地球上最富有的人，他能够进入一位华尔街银行家的思想，或是勒索和强迫他的竞争对手；他会对政府的安全构成威胁；他可以不费吹灰之力地窃取一个国家最敏感的机密。就像斯兰一样，他将被人们畏惧，而且也许会被消灭。

真正的读心术师的巨大力量在艾萨克·阿西莫夫（Issac Asimov）里程碑式的（Foundation）系列中获得了突出，这经常被宣传为有史以来最伟大的科幻小说史诗之一。一个已经统治了上千年的银河帝国处在了崩溃和毁灭的边缘。一个名为“第二基地”（Second Foundation）的秘密科学家社团使用复杂的方程式预测到帝国会最终灭亡，并且使文明陷入3万年的黑暗中。科学家草拟了一个建立在他们的方程式上的精密计划，力图将这一文明的崩溃减少到仅仅数千年。但随即灾难突然来袭。他们的方程式单单没能预测到一个事件，一个名叫穆尔（Mule）的变异体的降生，他能够远距离控制心智，并因此得以夺取对银河帝国的控制。银河系注定要陷入3万年的混乱和无序，除非这个读心术师能被制止。

尽管科幻小说充满了关于读心术师的幻想故事，但事实要平淡得多。由于思想是个人的、不可见的，好几个世纪以来，江湖术士和骗子都利用了我们的天真和轻信。魔术师和心灵感应者使用的简单家常把戏之一是利用一个诱饵——一个埋伏在观众中的同伙，他的思想随后被心灵感应者“读取”。

一些魔术师和算命师的事业其实建立在著名的“帽子戏法”上。人们将私人信息写在纸条上，纸条随后被放进一个帽子里。魔术师接下来着手告诉观众每张纸条上写了什么，使每个人都惊奇不已。这一精心设计的戏法有一个非常简单的解释。

心灵感应最为著名的实例之一不牵扯到同伙骗子，而是一只动物——“聪明的汉斯”（Clever hans），一匹在19世纪90年代震惊了欧洲观众的令人赞叹的马。聪明的汉斯令观众称奇，因为它能进行复杂的数学计算。比如，如果你让聪明的汉斯将48除以6，它会把它的蹄子跺8下。聪明的汉斯实际上会除、乘、加分数、拼字，甚至会辨别音乐曲调。聪明的汉斯的拥趸们声称，要么它比许多人类都聪明，要么它可以用心灵感应读取人们的想法。

但聪明的汉斯不是某些聪明花招的产物。聪明的汉斯做算数的超凡能力甚至愚弄了它的训练师。在1904年，杰出的心理学家C施特伦普夫（CStrumpf）教授被带去对这匹马进行分析，没能发现明显的障眼法和给马的秘密信号，仅仅是增加了公众对聪明的汉斯的迷恋。然而，三年后，施特伦普夫的学生、心理学家奥斯卡·方斯特（Oskar Pfungst）对这匹马进行了更为严谨的测试，并最终发现了聪明的汉斯的秘密。它真正做的只是观察他的训练师微妙的面部表情。它可以一直跺蹄，直到它的训练师的面部表情轻微改变，在那一时刻它会停止跺蹄。聪明的汉斯无法读取人们的心智或者演算数学，它仅仅是一个人们面孔表情的敏锐观察者。

在历史上还有其他“能读心的”动物。早在1591年，一匹名叫摩洛哥（Morocco）的马在英格兰成名，通过从观众中找出人来、指出字母表上的字母和计算一堆骰子的数字总和为它的主人赚了一大笔钱。它在英格兰引起了巨大的轰动，以至于莎士比亚在他的戏剧《爱的徒劳》（Love’s Labour’s Lost）中使它以“跳舞马”（the dancing horse）的形象永存。

赌徒们也可以有限地读取人们的思想。当一个人看到什么令他高兴的事物，他双眼的瞳孔通常会放大；当他看到什么讨厌的东西（或进行一次数学运算的时候），他的瞳孔会缩小。赌徒们可以通过观察他们双瞳的放大或缩小读出面无表情的对手的情绪。这是赌徒们常常戴着遮住他们双眼的彩色护目镜的原因——为了遮住他们的瞳孔。你也可以将一束激光射入一个人的瞳孔，并分析它从哪里被反射，从而精确地确定这个人在看哪里。通过分析激光反射点的运动，你可以确定一个人如何扫视一幅图片。通过合并这两种技术，你可以不经过一个人的允许就确定当一个人扫视一幅图片时的情绪反应。

<h3>灵学研究</h3>

第一项对于心灵感应和其他超常现象的科学研究是由1882年在伦敦成立的灵学研究社（Society for Psycal telepathy］这一术语在那一年由研究社的一位合伙人F..梅尔斯［F..Myers］创造）。这个研究社的历任社长包括一些19世纪最显赫的人物。研究社今天仍然存在，成功揭穿过许多骗子的骗术，但在坚决深信超自然现象的唯灵论者和希望更加严肃地进行科学研究的科学家之间常常出现分歧。

一位与研究社有联系的研究者约瑟夫·邦克斯·莱因（Josepitute）（现在称为莱因研究中心）。几十年中，他和他的妻子路易莎主持了大量各种类型的超心理学现象在美国的科学控制下的首次实验，并且将它们发表在同行点评的出版物上。是莱因在他最早著作之一中创造了“超感官知觉”（extrasensory perception，ESP）这一术语。

莱因的实验室事实上为灵学研究设立了标准。他的合伙人之一卡尔·齐讷（Karl Zener）博士开发了五种造型卡片系统，现在被称为“齐讷卡片”，用于分析心灵感应力。绝大多数实验结果显示绝无心灵感应的迹象，但是很少数的实验显示了数据中很小但不寻常的相关性，无法单纯用巧合解释。问题是这些实验通常无法被其他研究者重复。

尽管莱因试图建立严谨的名声，但他的声誉在某种程度上受损于他与一匹名叫“神奇女士”（Lady onder）的马的相遇。这匹马可以表演心灵感应的精湛绝技，比如撞倒玩具字母积木，从而拼出观众中的某人正在思考的单词。莱因显然不知道“聪明的汉斯”的结局。1927年，莱因从几个细节分析了“神奇女士”，并总结说：“那么，剩下的就只有心灵感应这一解释，由一个未知的过程引起的心智影响转移。没有任何与其不符的情况被发现，从结果来看似乎没有其他假设是靠得住的。”后来，米尔本·克里斯托弗（Milbourne Copher）揭露了“神奇女士”读心能力的真正来源——马主人持有的马鞭的细微移动。马鞭的轻微移动是让“神奇女士”停止跺马蹄的提示（即使是在“神奇女士”能力的真实来源被曝光后，莱因还继续相信那匹马真的能够读取心智，但由于某种未知的原因已经失去了它的读心能力，迫使主人求助于障眼法）。

然而当莱因正要退休时，他的名誉遭受了最后的毁灭一击。他在寻找一名名誉清白的继任者继续他研究所的工作。最有希望的候选人是他在1973年雇用的沃尔特·雷维（alter Levy）博士。雷维博士是这一领域内冉冉上升的新星，报告了引起轰动的研究成果，似乎可以证明老鼠能用心灵感应改变一台计算机的随机数字发生器。然而，心存狐疑的实验室工作人员发现雷维博士在夜间偷偷摸摸地潜入实验室篡改实验结果，他在伪造数据的时候被抓个正着。进一步的测试显示，老鼠根本不拥有什么心灵感应能力，雷维博士颜面扫地，被迫从研究所辞职。

<h3>心灵感应与“星门”</h3>

对超自然的兴趣在冷战的高峰时期转入了死胡同，其间一批关于心灵感应、精神控制和遥视的秘密实验大量涌现（遥视就是通过读取他人的思维仅仅使用精神“观看”一个远方的地点）。“星门”（Star Gate）是一系列CIA赞助的秘密研究（比如太阳飞跑［Sun Streak］、烤火［Grill Flame］和中央小巷［Center Lane］）的代号。这一事业从1970年左右开始，当时CIA得出结论：苏联每年花费高达6 000万卢布用于“精神”研究。当时存在对于苏联可能正在使用ESP找出美国潜水艇和军事设施、指认间谍和读取秘密文件的担忧。

为CIA的研究拨款始于1972年，门罗公园（Menlo Park）斯坦福研究所（Stanford Researcitute，SRI）的拉塞尔·塔格（Russell targ）和哈罗德·普索夫（hoff）负责此事。最初，他们试图训练一个核心小组的能参加“精神战争”的通灵师。在20多年的时间里，美国在“星门”上的花费超过2 000万美元，工资单上有超过40名工作人员、23名遥视师和3名通灵师。

到1995年为止，利用每年50万美元的预算，CIA已经主持了上百次智能聚集项目，涉及上千次遥视活动。特别的是，遥视师被要求：

<small>在1986年利比亚（Libya）空袭前锁定卡扎菲（Gadhafi）上校</small>

<small>在1981年于意大利找出一名被“红色旅”绑架的人质所在</small>

<small>找出一枚已经落到非洲的苏联tu-95炸弹</small>

1995年，CIA请美国研究所（American Institute for Research，AIR）评估这些项目。AIR建议停止这些项目。“没有证据证明它对于情报团体有任何价值。”AIR的大卫·高斯林（David Goslin）写道。

“星门”的拥护者们自夸在这些年中它们已经获得“八杯马提尼”的成果（结论是如此的出色，以至于你不得不出去喝上八杯马提尼来平复心情）。然而，批评者们坚称绝大多数遥视产生的是一文不值之物、毫不相干的信息，浪费纳税人的美元，而且它们取得的寥寥几次“命中”含糊不清，非常空泛，以至于它们可以适用于任何状况。AIR的报告陈述说“星门”最重要的“成功”涉及对于他们正在学习的行动已经有些了解的遥视者，而且他们由此可能作出了一些有根据的猜测，它们听起来比较合理。

最终，CIA总结“星门”未能产生一条可以帮助他们指导情报工作的信息，所以CIA终止了这个项目（尽管有传言坚称CIA在海湾战争中使用遥视师来找出萨达姆·侯赛因［Saddam hussein］的所在，即使所有的努力都没有成功）。

<h3>大脑扫描</h3>

同时，科学家们开始了解到一些大脑活动背后的物理现象。在19世纪，科学家们怀疑有电波信号在大脑内传送。1875年，理查德·卡顿（Ricon）发现将电极放在头部表面可以探测到大脑发射出的微弱电波信号。这最终导致了EEG脑电图机（electroencephalograph，EEG）的发明。

基本上，大脑是一个发报机，我们的思维在其中以微弱电波和电磁波的形式散播。但要用这些信号来读取某个人的思想就有问题了。首先，这些信号极度微弱，在毫瓦特范围。其次，这些信号是模糊不清的，很大程度上难以与随机发生的噪声区别开来，从这样的随意截取中只能搜集到关于我们思维的粗略信息。第三，我们的大脑不能通过这些信号接收来自其他大脑的类似信息，就是说，我们缺少一根天线。最后，就算我们能够接收这些模糊的信号，我们也不能把它们理清。使用常规的牛顿和麦克斯韦理论，通过无线电来进行心灵感应看起来是不可能的。

有些人相信心灵感应是由第五种力即被称为“心灵”之力的力进行调节的。然而，哪怕是心灵学的鼓吹者也承认，他们对这种心灵之力没有实在的、可重现的证据。

但这引起了一个问题：使用量子理论的心灵感应会怎么样呢？

在过去的10年中，历史上首次能使我们窥探思考中的大脑的新量子仪器面市了。领导这次量子革命的是PEt（positronemission tomograpic resonance imaging，磁共振成像）脑扫描。PEt扫描是通过将放射性糖注射入血液来实现的。这些糖在大脑能被思维过程激活的一些部位聚集，那里需要能量。放射性糖发出能被仪器轻易探测到的正电子（反电子）。这样一来，通过追踪反物质在一个活体大脑中制造的形状，我们也可以画出思考的模型，准确地将大脑中参加了那种活动的那个部分分离出来。

MRI机器以同样的方式运作，除了它更为精确之外。患者的头部被放在一个巨型环状磁场中。磁场使大脑中的原子排列成与场线平行。一束射电脉冲被送入患者体内，使这些原子震颤。当原子核转换方位的时候，它们放射出一束能探测到的微弱“回声”，从而用信号传达某种特定物质的存在。举例来说，大脑活动与氧气消耗相关，所以MRI机可以通过瞄准含氧血的浓度分隔出思考的过程。含氧血的浓度越高，该部分大脑的思维活动就越活跃（今天“功能MRI机”［fMRI］可以在不到一秒内瞄准大脑中直径仅1毫米的微小区域，使得这些机器能理想地描绘出一个活体大脑的思考图形）。

<h3>MRI测谎仪</h3>

有了MRI机，就有了某一天科学家们也许可以破译一个活体大脑思维的大致轮廓的可能性。最简单的“读心”测试是判断一个人是不是在说谎。

根据传说，世界上第一台测谎仪是由一位印度牧师在几个世纪之前发明的。他会把嫌疑人和一头“魔驴”关入一间封闭的房间里，根据指示，嫌疑人应该拉住魔驴的尾巴。如果驴子开始说话，那表示这名嫌疑犯是在说谎；如果驴子保持沉默，那么嫌疑人说的就是实话（但是，牧师会秘密地在驴子尾巴上放炭灰）。

在嫌疑人被带出房间后，他通常会声明自己是无辜的，因为驴在他拉它尾巴的时候没有说话。但是牧师随后会检查嫌疑人的手。如果手是干净的，那表示他在说谎（有时候使用测谎仪造成的心理威胁比测谎仪本身更有效）。

现代的第一台“魔驴”是在1913年制造的。心理学家威廉·马斯顿（illiam Marston）对分析一个人的血压会在说谎的时候升高进行了论述（这一对于血压的观察事实上要追溯到古时，疑犯要在有一名调查员握住他双手的情况下接受询问）。这个说法迅速流行，很快甚至连国防部也在建立自己的测谎仪研究所。

但越来越明显，测谎仪会被对自己行为不表现出忏悔情绪的反社会罪犯所愚弄。最著名的案例是CIA双重间谍阿尔德里奇·阿麦斯（Aldrich Ames），他靠将大量美国间谍送上死路和泄漏美国海军核机密而从苏联手中获得巨款，装入了自己的腰包。在十数年间，阿麦斯顺利通过了一大堆CIA测谎仪的测试。同样的情况也发生在连环杀手加里·里奇韦（Gary Ridgway）身上，他是臭名昭著的“绿河杀手”（Green River Killer），杀害了多达50名妇女。

2003年，美国国家科学院（U.S. National Academy of Science）发表了一篇关于测谎仪可靠性的报告，口气刻薄，列出了所有能够骗过测谎仪而使无辜之人被误认为说谎者的方法。

但如果测谎仪仅仅能测量焦虑程度的话，测量大脑本身又会如何呢？观察大脑活动、击破谎言的想法要追溯到20年前西北大学（Nortern University）彼得·罗森菲尔德（Peter Rosenfeld）的工作。他观察到一个人在说谎过程中的EEG扫描的P300波显示出了与说实话者不同的形状（P300波通常在大脑遇到新奇或者不寻常的事情时被激发）。

实用MRI扫描来测谎的想法是宾西法尼亚大学（University of Pennsylvania）的丹尼尔·蓝格尔本（Daniel Langleben）的构思。1999年他偶然发现一篇论文，讲述患有注意缺陷障碍（Attention Deficit Disorder）的孩子在说谎上有困难，但他从经验推知这是错误的，这样的孩子说谎没有困难，真正的问题是他们难以隐瞒住事实。“他们会把事实脱口而出。” 蓝格尔本回忆说。他推测，大脑要说谎必须首先阻止它说出真相，随后制造出一个谎言。他说：“当你小心说一个蓄意编造的谎言的时候，你不得不先在心中瞒住事实。因此可以理解这意味着更多的大脑活动。”换句话说，说谎是件苦差事。

通过与大学生进行实验，要求他们说谎，蓝格尔本很快发现说谎在几个区域内制造了更多的大脑活动，包括额叶（更多的思虑在这里集中）、颞叶和边缘系统（情绪在这里被处理）。他尤其注意到前扣带回皮层（这个部位与冲突消解和反应抑制相关）不寻常的活动。

他宣布，他在分析判断学生们是否在说谎的控制实验这一课题中获得了高达99%的持续成功率（比如，他让大学生们在玩牌的时候说谎）。

这一技术包含的利益显而易见，已经有两家商业公司创建运营，把这一服务提供给公众。在2007年，一家叫无谎MRI（No Lie MRI）的公司接下了它的第一个案子，有个人正在控告他的保险公司，因为那家公司称他蓄意在自己的熟食店放火（fMRI扫描显示他不是个纵火犯）。

蓝格尔本技术的支持者称它比老式测谎仪可靠多了，因为改变脑电图在任何人的控制之外。尽管人们可以接受训练控制他们的脉搏和出汗，但他们却不可能控制自己的脑电图。事实上，拥趸们指出，在一个对于恐怖主义的担忧日益上升的年代，这一技术可以事前通过侦破对美国发动的恐怖袭击拯救无数生命。

承认这一技术在测谎上明显的成功率之余，批评者们指出fMRI并能不真地查出谎言，而仅仅是能发现在某个人说谎的时候增加的大脑活动。这一机器可能得出错误的结果，比如：当一个人在焦虑状态中述说事实，根据设定，fMRI只会探测到焦虑的情绪，并且错误地显示这个人在说谎。“对于拥有将真相与欺骗区分开的测试，人们存在不可思议的渴望，科学被遗弃了。”哈佛大学的神经生物学家史蒂芬·海曼（Steven hyman）这样警告道。

一些批评者还宣称，一个真正的测谎仪就像一个真正的读心术师那样，能够使日常的社交互动变得令人很不自在，因为一定数量的谎言是“社交润滑剂”，能帮助社会的车轮滚动。比如，要是所有我们给予自己老板、上级配偶、爱人和同事的溢美之词都被揭穿为说谎，那么我们的名誉或许会被损害。一台真正的测谎仪事实上同样可以暴露我们全部的家庭秘密、隐藏的情绪、压抑的欲望和私秘的计划。正如科学专栏作家大卫·琼斯（David Jones）所说，一台真正的测谎器“就像一颗原子弹，它最好被保留起来作为终极武器。如果在审判室之外广为使用的话，就会妨碍社交生活的正常进行”。

<h3>通用翻译机</h3>

有些人义正词严地谴责大脑扫描，因为他们全部的思考中的大脑的复杂照片都太过于粗糙，因此不能衡量孤立的、单独的想法。当我们进行最简单的大脑活动的时候，上百万个神经元可能立刻开动起来，而fMRI只能把这一活动作为屏幕上的一个小圆点探测到。一位心理学家将大脑扫描比作在观看一场喧闹的足球比赛时倾听坐在你身边的人说话，那个人的声音会被上千个观众发出的噪声淹没。譬如，大脑最小的能够被一台fMRI进行可靠分析的组织块称为“体元”（voxel）。但每个体元都相当于数百万个神经元，因此一台fMRI机器的灵敏度根本不足以分离出独立的想法。

科幻小说有时候会使用“通用翻译机”（universal translator），一种能够读取一个人的思想，随后将它们直接发射到另一个人大脑中的装置。在一些科幻小说中，外星读心术师会把另一个的思想植入你的脑海，哪怕他们不懂得你的语言。在1976年的科幻电影中，一个妇女的梦境被即时投射到了一面电视机屏幕上。在2004年金·凯瑞的电影《美丽心灵的永恒阳光》（Eternal Sunsless Mind）中，医生找出痛苦记忆的准确位置并擦除了它们。

“那是种每个身处这一领域的人都有的幻想，”德国莱比锡马克斯·普朗克研究所的神经生物学家约翰·海恩斯（John haynes）说，“但如果那是你希望制造出来的装置，那么我非常确定你必须从单个的神经元开始记录。”

由于目前探测单个神经元发出的信号是不可能的，一些心理学家转而求其次：减少噪声，并分离出单个客体产生的fMRI图形。比如，或许可能识别由单个单词引起的fMRI图形，然后制造一本“思想的辞典”。

例如，卡内基梅隆大学（CarnegieMellon University）的马歇尔·A嘉斯特（Marcel A Just）成功识别了一小部分经过选择的客体造成的fMRI图形（比如木工工具）。“我们拥有12种类别，并能判断12个类别中的哪些是在被思考，精确程度达80%～90%。”他宣布。

他的同事汤姆·米歇尔（tom Mitchell）——一位计算机科学家，正在使用计算机技术，例如神经网络，来鉴别出被fMRI扫描探测到的与进行特定实验相关联的复杂脑电图。“我希望做的一个实验是找出能产生最易辨别的大脑活动的单词。”他强调。

但就算我们可以制造出思想的辞典，这仍旧与创造一个“通用翻译器”大相径庭。通用翻译器直接将来自另一个大脑的思想传播进我们的大脑，与它不同，一台fMRI精神翻译器要包括许多繁琐冗长的步骤：首先，辨认出特定的fMRI图形，将它们转换成英语单词，然后根据对象说出这些单词。在这种意义上，这样一个装置不会与《星舰迷航》中出现的心灵融合（mind meld）相同（但它对于打击敌人依旧十分有用）。

<h3>便携式MRI扫描仪</h3>

实用心灵感应还有另一块绊脚石，那就是fMRI的可怕体积。这是一种巨大的装置，价值数百万美元，能占满一整间房间，重达数吨。MRI机器的心脏是一块圆环形磁铁，直径数英尺，制造出一个数特斯拉的巨大磁场（这一磁场非常之大，以至于已经有好几个工人因为电源意外开启而被空中飞过的锤子和其他工具严重砸伤）。

最近，普林斯顿大学的物理学家伊戈·萨夫科夫（Igor Savukov）和迈克尔·罗马利斯（Micive atomic magnetometer）替代。

首先，萨夫科夫和罗马利斯通过让热钾蒸汽悬浮在氦气中制造了一个磁传感器。然后，他们使用激光让钾的电子自旋一致。随后，他们在一份水的样本中制造一个微弱磁场（来模拟一个人的身体）。下一步他们把一道射电脉冲送入水的样本中，造成水的分子震颤。震颤的水分子造成的“回声”使钾的电子也震颤，这一震颤可以被第二道激光侦测到。他们得出了一个重要结论：哪怕是一个微弱的磁场也可以制造出能被他们的传感器发现的“回声”。他们不仅仅可以用一个微弱的场替代标准MRI机的巨大磁场，还可以获得即时照片（而MRI机可能要花上多达20分钟来生成一张照片）。

最终，他们建立理论，拍摄一张MRI照片可以像用一台数码相机拍照一样容易（然而，还是有绊脚石存在。问题之一是对象和机器必须被与外界的杂散磁场隔离开来）。

如果便携式MRI机成为现实，它们可能会被与微型计算机连接起来，电脑中可以载有能够破译某些词组、单词或者句子的软件。这样的装置永远也不可能像科幻小说中出现的心灵感应装置那样成熟，但可以与之接近。

<h3>作为神经网络的大脑</h3>

但是，某一天是否会有某些未来的MRI机器能够读取精确的思想，一个字一个字，一幅画面一幅画面，就像一个真正的读心术师那样？这并不怎么清楚。有些人辩称MRI机器仅仅能辨认我们思想的模糊轮廓，因为大脑根本就不是一台真正的计算机。在一台数字电脑里，运算过程是被局域化的，并且遵守一系列极度严格的规则。数字电脑遵守“图灵机”（turing machine）的规则，这是一种具备中央处理器（CPU）、输入和输出设备的机器。一块中央处理器（比如奔腾芯片）实现一组对输入和输出的明确操作流程，并且“思想”由此在CPU中局域化。

然而，我们的大脑不是一台数字电脑。我们的大脑没有奔腾芯片，没有CPU，没有indows操作系统，也没有子程序。如果你取走一台电脑CPU中的一个晶体管，很有可能会严重损坏CPU，但在有些案例中人脑的一半都没了，剩下的一半大脑仍旧可以接管一切。

人脑事实上更像一台学习机，一个“神经网络”，不断在学习了一个新任务之后自己重新接线。MRI研究可以确认，大脑中的思维并非像“图灵机”中那样在一个点被局域化的，而是铺开到大脑的很大部分，这是神经网络的一个典型特征。MRI扫描显示，思考其实就像一场乒乓球赛，当点活动在脑中四处跳跃，大脑的不同部分被依次点亮。

由于思考是这样的扩散，并且散布到大脑的许多部分，或许科学家们能做到的最佳程度就是编纂一本思考的辞典，就是说，在特定的思维和具体的EEG或者MRI扫描图形之间建立一一对应关系。比如，奥地利生物医学工程师戈特·福斯彻勒（Gert Pfurtscheller）通过将他的努力集中在EEG中发现的μ波上来训练一台电脑辨认出具体的脑电图和思想。显然，μ波与做出某些肌肉活动的意向相联系。他让他的患者抬起一根手指、微笑或者皱眉，然后用电脑记录哪种μ波被激活。每当患者做出一种精神活动，电脑就仔细记录下μ波图形。这一过程艰难而又冗长，因为你不得不认真辨认出假的波动。但是，福斯彻勒最终成功找出了简单活动和特定脑电图之间令人兴奋的对应。

随着时间的推移，这一努力加上MRI的成果，或许会促成一部综合思想的“词典”。通过分析一次EEG或MRI扫描的特定图形，一台电脑或许可以鉴别出这样的图形并且揭示患者正在思考什么，至少是用普遍的词汇。这样的“读心”会在特定的μ波、MRI扫描和具体的思维之间建立一一的对应。但是这本词典是否能够从你的思想中分辨出具体的内容则值得怀疑。

<h3>投射你的思想</h3>

如果有一天我们能够读取另一个人思维的大致轮廓，那么是否可能实现相反的行动，把你的思想投射到另一个人的脑袋里？答案似乎是有个保留的“是”。无线电波可以被直接射入人脑，使得已知控制某些功能的大脑区域兴奋。

这一方向的研究始于20世纪50年代，加拿大神经外科医师怀尔德·彭菲尔德（ilder Penfield）对癫痫患者动脑部手术。他发现，当使用电极刺激患者大脑颞叶的某些区域时，他们开始听到说话声和看到幽灵般的事物。心理学家已经知道大脑癫痫损伤可以导致患者感觉到超自然的力量正在起作用，魔鬼和天使控制着它们周遭的事物（一些心理学家甚至已经建立理论，说这些区域的刺激可能导致了许多构成许多宗教基础的半神秘体验。有些心理学家推断，或许独力带领法国军队在对英军的战斗中赢得胜利的圣女贞德便受到了这样的损伤的困扰，那是由一次头部被击中而引起的）。

根据这些推测，安大略省萨德伯里的神经科学家迈克尔·波辛格（Michael Persinger）制造出了一顶特别用导线改造过的头盔，能够将无线电波发射入大脑，以此诱出具体的思想和情绪，比如宗教感。神经科学家知道特定的对左颞叶的伤害能使左脑失去判断力，于是大脑或许会把在右半球内的活动解释为来自于另一个“自己”。因为大脑意识不到这一影像其实只是自己的另一部分。由于坚信自己的宗教信仰，患者可能会把这“另一个自己”解释为一个魔鬼、一位天使、外星生物，或者甚至是上帝。

未来，将电磁信号投射在已知能控制具体功能的大脑的精确部位或许会成为可能。通过把这样的信号投射到胼胝体，一个人或许能够产生某些情绪；通过刺激大脑的其他区域，一个人或许可以产生虚拟的视觉影像和意念。但是这个方向的研究还处在最初阶段。

<h3>大脑图谱</h3>

有些科学家倡导一个“神经元图谱计划”（neuronmapping project），与人类基因组计划（）类似——这个计划详细确定人类基因组中的全部基因。一项神经元图谱计划将确定每一个人类大脑中的神经元位置，并且绘制显示它们之间所有联系的三维地图。它会是一项真正丰碑式的计划，因为大脑中有超过1 000亿个神经元，每个神经元都与其他数千个神经元相联系。假设这样一项计划实现，一个人就能可信地确认某种思想如何刺激某些神经通路。与使用MRI扫描和EEG波获得的思想词典相结合，或许能可靠地破译某些想法的神经构造，我们用这一方法或许可以确定哪些具体单词或者大脑影像对应哪些具体被激活的神经元。如此，我们就能实现在一个具体意念，它的MRI表达和为了在大脑中制造这样的意念所被激活的具体神经元之间的一一对应。

这个方向的小小进步是2006年艾伦脑科学研究所（Allan Institute for Brain Science，由微软的联合创始人保罗·艾伦［Paul Allen］创办）宣布他们已经成功制造出老鼠大脑内基因表达的三维图谱，详细列出细胞水平上21万个基因的表达。他们希望能用一个相似的人脑图谱跟进这一成果。“艾伦脑图谱的完成代表了医药科学中最伟大的前沿之一的巨大跃进。”研究所的主席马克·泰希尔—拉文尼（Marc tessierLavigne）宣布。这一图谱对任何希望分析人脑内神经联系的人来说都是必不可少的，尽管“脑图谱”是在非常缺少一个真正的神经图谱计划的情况下绘出的。

总的来说，在科幻小说和幻象中经常被提及的那种天然的心灵感应目前是不可能实现的。MRI扫描和EEG波仅可用来读取我们最简单的思想，因为思维是以复杂的方式散布到整个大脑的。但在未来的数十年到数百年中，这一科技将如何前进？不可避免地，科学家探究思维过程的能力将按指数增强。随着我们的MRI和其他传感装置的灵敏性增加，科学家将可以高度精确地把大脑依次处理思维和情绪的路径局域化。有了更强的计算机能力，我们将得以用更高的精确程度分析这些海量的数据。一本思维的词典也许能够把大量思维图形分类，使MRI显示屏上的不同思维图形与不同的想法和感受对应。尽管完整的MRI图形和思维一一对应或许永远都是不可能的，但一本思维词典可以正确地鉴别出关于某些对象的大致想法。MRI思维图形能依次标出一个神经图谱上精确表示大脑中哪个神经元被激活以产生某种具体的思想。

但是，由于大脑不是一台计算机而是一个神经网络，思维在整个大脑中扩展，最终我们会撞上一块绊脚石：大脑本身。因此，尽管科学家会越来越深入地探测思考中的大脑，使破译我们的一些思考过程成为可能，但像科幻小说那样精准地“阅读你的思想”则不可能实现。考虑到这一点，我会把阅读大致感受和思维图形的能力定义为“一等不可思议”，更为精确地读取思维中更深层次工作方式的能力将不得不被归类为“二等不可思议”。

不过，要接近大脑的巨大力量或许有另一种更为直接的途径。一个人能够直接进入大脑神经元，而不是使用微弱又容易分散的无线电吗？如果能，我们或许可以解放一种更为强大的力量：意志力。

第一章一等不可思议 6.意志力

<small>一项新的科学事实并不是通过说服反对者、使他们赞同而取得胜利，而是由于其反对者最终死去、对其熟悉的新一代成长起来。</small>

<small>道出他人不会说出的事实是傻子的特权。</small>

有一天，天神们在天堂里会面，抱怨人性的可悲现状。他们对我们的虚荣、愚昧和无谓的蠢笨感到厌恶。但有一位神怜悯我们，并决定进行一次实验：授予一个非常普通的人无限的力量。一个人对于成为神会作何反应？他们问道。

那个乏味、平凡的人是乔治·福瑟林盖伊（George Fotheringay），一家缝纫小商品店的店主。他发现自己突然拥有了神力，可以使蜡烛飘浮，改变水的颜色，制造出绝妙的晚餐，甚至还能变出钻石。一开始他将他的力量用于逗乐和做善事。但最终他的虚荣心与对权利的欲望掌控了他，使他变成了渴望权威的暴君，拥有超越信仰的宫殿和财富。沉醉于这样的力量，他犯了一个致命的错误。他傲慢地命令地球停止旋转。突然间，无法想象的混乱爆发了，酷烈的强风以每小时1 000千米的速度将所有的事物甩到空中，那是地球的转速。所有的人都被扫入了太空中。在绝望中，他许了他最后、也是终极的愿望：把一切事物都恢复到原来的状态。

这是电影《制造奇迹的人》（ty］，金·凯瑞［Jim Carrey］主演）。在所有被认为是ESP产生的力量中，意志力（psychokinesis）——或者精神战胜物质、用精神移动物体的能力——绝对是一个神最为强大和必不可少的力量。威尔斯在他的短篇小说中提出的观点是，神一般的力量同样需要神一般的判断力和智慧。

意志力在文学作品中被着重提及，特别是在莎士比亚的戏剧《暴风雨》（tempest）中。术士普洛斯彼洛（Prospero）、他的女儿米兰达（Miranda）和精灵艾莉尔（Ariel）由于普洛斯彼洛邪恶弟弟的背叛，长年被困在一个荒无人烟的小岛上。当普洛斯彼洛听说他邪恶的弟弟乘小船在附近航行的时候，为了报复，他召唤自己的意志力并制造出一次巨大的风暴，使他弟弟的船撞上了那座小岛。普洛斯彼洛随后用意志力控制不走运的幸存者们的命运，包括费迪南德（Ferdinand）——一个无辜、英俊的年轻人，普洛斯彼洛安排他与米兰达产生了爱情。

（俄罗斯作家弗拉基米尔·纳博科夫［Vladimir Nabokov］注意到《暴风雨》表现出了与科幻故事惊人的相似。事实上，在写成约350年之后，《暴风雨》于1956年被改编成了一部叫《惑星历险》［Forbidden Planet］的经典科幻电影。在电影中，普洛斯彼洛变成了阴郁的科学家莫比斯［Morbius］，小精灵变成了机器人罗比［Robby］，米兰达变成了莫比斯美丽的女儿阿尔泰拉［Altaira］，小岛变成了行星阿尔泰拉-4（Aliair-4）。《星舰迷航》的创作者吉恩·罗顿巴里［Gene Roddenberry］承认《惑星历险》是这部电视剧的灵感来源之一。）

更近期的意志力是史蒂芬·金（Stephen King）的小说《魔女嘉丽》（Carrie；1974）背后的中心情节构想。电影将一个无名的、饱尝贫困的作家推上了世界第一惊悚小说家的位置。嘉丽是一个极为害羞、可怜的高中女生，是一个遭社会遗弃的人，被她精神错乱的母亲纠缠不休。她唯一的慰藉是她的意志力，显然那是她的家族遗传。在最后一个片段中，折磨她的人误导她认为自己将成为舞会皇后，随后将猪血洒满了她的新裙子。在最后的报复行为中，嘉丽用意念锁住了所有的门，电死了折磨她的人，烧毁了学校的房屋，并且放出爆炸风暴毁灭了城区大半，在此过程中也消灭了她自己。

被精神不稳定的个体持有意志力的主题也是《星舰迷航》令人难忘的题为《查理·X》（Charlie X）那一集的基础。那一集是关于来自太空中一个遥远殖民地的年轻人，精神不稳定，有犯罪倾向。他不用自己的意志力做好事，而是用它来控制其他人，扭曲他们的意志成就他自己的自私欲望。如果他能夺取“企业号”并到达地球，他会实施行星大破坏，毁掉地球。

意志力也是原力的力量，就是《星球大战》传奇中名叫绝地武士（Jedi Knights）的神秘武士团体所具有的力量。

<h3>意志力和现实世界</h3>

或许现实世界中最著名的对抗超能力的事件发生在1973年约翰尼·卡森（Johe Amazing Randi）——一位职业魔术师，他开辟了揭穿自称拥有超自然能力的骗子作为第二职业（奇怪的是，他们三个人都拥有一种同样的经历：都以魔术师开始他们的职业生涯，掌握能使不轻信的观众大为赞叹的奇妙魔术手法）。

在杰勒出现之前，卡森向兰迪咨询，兰迪建议他提供杰勒自己准备的汤勺，并且在表演之前检查它们。在节目播出中，让杰勒吃惊的是，卡森要求他弄弯卡森的汤勺，而不是他自己的。令人窘迫的是，杰勒的所有尝试都没能折弯汤勺（稍后，兰迪出现在约翰尼·卡森的节目上，并且成功表演了折弯汤勺的把戏，但是他谨慎地说自己的技能完全是魔术，不是超能力的结果）。

令人惊奇的兰迪悬赏100万美元给任何能够成功表演超能力的人。到目前为止，还没有一个超能力者能够应对他这100万美元的挑战。

<h3>意志力和科学</h3>

科学分析意志力遇到的问题是科学家很容易被那些自称拥有超能力的人欺骗。科学家们受过训练，相信他们在实验室里所见的东西。然而，声称拥有超能力的魔术师却受过训练，能够靠迷惑人们的视觉来欺骗他们。结果是，科学家们对于超能力现象的观察能力很有限。比如，1982年，心灵学家应邀去分析两个被认为拥有超凡天赋的男孩：迈克尔·爱德伍兹（Miceve Se）一词来描述这两个男孩。在密苏里州圣路易斯的麦克当纳心灵研究实验室（McDonnell Laboratory for Psychical Research），心灵学家对男孩们的能力啧啧称奇。心灵学家相信他们掌握了有关男孩们超能力的确切证据，并且开始准备一篇有关他们的科学论文。第二年，男孩们宣布自己是骗子，他们的“能力”来自常规的魔术把戏，不是超自然力（两个年轻人之一——史蒂夫·肖，继续这一职业，并成为著名的魔术师，常常出现在全国电视节目中，有一次被“活埋”了好几天）。

有大量的意志力实验于杜克大学莱因研究所在受控条件下进行，但结果参差不齐。这一学科的开拓者之一格楚德·施迈德德勒（Gertrude Scion）前会长，她对于ESP痴迷万分，并且在她自己学院的学生身上进行了很多研究。她为给自己的实验征集更多课题，曾经走遍有著名超能力者在宾客面前表演超能力把戏的鸡尾酒会。但在分析了数百名学生和大量精神力者、超能力者之后，她曾经向我吐露她无法找到哪怕一个能按照要求、在受控条件下完成这些意志力项目的人。

她曾经在一个房间里布满能够测量精确到零点几度的温度变化的微型热敏电阻。一位精神力者在进行剧烈的精神力尝试后能将一个热敏电阻的温度提高1/10度。施迈德德勒为她能在严苛的条件下完成这一实验感到骄傲。但这与能够使用一个人的意念之力随心所欲地移动大型物体还差得很远。

意志力最为严谨、但也最受争议的研究之一是在普林斯顿大学的普林斯顿工程异常研究（Princeton Engineering Anomalies Researc GJahn）在1979年担任工程与应用科学学院院长期间创立。PEAR工程师正在探索人类大脑是否可以仅仅通过思想而影响随机事件的结果。比如，我们知道当我们掷出一枚硬币，得到正面或反面的可能性各占50%。但是PEAR的科学家们宣布，单靠人类思想就可以影响这些随机事件的结果。直到这一项目在2007年最终被关闭，在长达28年的时间里，PEAR的工程师们主持了数千次实验，包括170万次测试和34亿次掷硬币。结果看起来是证实了意志力的存在——但是影响相当微弱，平均不超过每万分之几。哪怕是这微不足道的结果也还是遭到其他科学家们的质疑，声称研究者们在他们的数据中做过巧妙和隐蔽的改动。

（1988年，美国陆军要求国家研究委员会［National Researc Earttalion］，由“武僧”组成，这些武僧掌握几乎任何委员会能想到的技术，包括使用ESP、随心所欲地灵魂出窍、抬升物体、精神力治愈和穿墙而过。在调查PEAR发布的结果时，国家研究委员会发现有整整一半的成功案例都来自于同一个人。有些批评者认为这个人是操作实验或者为PEAR编写电脑程序的人。“就我而言，如果管理试验室的人是唯一能得出结果的人就很成问题。”俄勒冈大学［University of Oregon］的瑞·海曼博士［Ray hyman］说。报告总结说：“在130年的时间里，对心灵能力现象的研究没有得出科学的判断。”

研究意志力的问题在于，哪怕是其鼓吹者也承认，它很难符合已知的物理定律。万有引力，宇宙中最微弱的力，只能吸引，而不能用于抬升或排斥物体。电磁力遵循麦克斯韦方程，它不允许将电中性的物体从房间一头推到另一头。核力只在近距离内起作用，比如两个核粒子之间的距离内。

意志力的另一个问题在于能量补充。人体只能产生1/5马力，然而当《星球大战》中的犹达大师（Yoda）使用他的精神力量抬起一整艘飞船，或者独眼巨人库克罗普斯（Cyclops）从眼中放出的力量堪比激光的霹雳，这些伟大事迹都违反了能量守恒定律——一个犹达大师般矮小的生物无法聚集抬起一艘飞船所需的巨大能量。无论我们如何集中精神，都不可能聚集足够能量完成意志力成就的伟大功绩和奇迹。鉴于所有这些问题，意志力如何才可能符合物理定律呢？

<h3>意志力和大脑</h3>

如果意志力不易符合已知的宇宙力，那么未来它将如何被利用？对此的线索之一出现在《星舰迷航》题为《谁为阿多尼哀悼》（ho Mourns for Adonais？）的一集中。“企业号”的船员遇见了一个与希腊众神非常相似的生物种族，他们拥有仅仅通过思考就能实现梦幻般成就的能力。最初看来，船员们似乎真的碰上了来自奥林匹亚的众神。然而，最终船员们意识到这些根本不是什么神，而是可以用精神控制一个中央能量站的普通生物，这一中央能量站随即执行他们的愿望并实现这些奇迹式的伟绩。“企业号”的船员毁掉了中央能量站，成功摆脱了他们的“精神能力”的控制。

同样，在未来，一个人受训练后用意念控制电子感应装置是很符合物理法则的，这将为其带来神一般的能力。由无线电或计算机强化的意志力是的确可以实现的。例如，EEG可以作为一个原始的意志力装置使用。当人们看着屏幕上自己的EEG大脑波形，他们将最终通过一种叫“生物反馈”（biofeedback）的程序学会如何大致地、但是有意识地控制他们所见到的大脑波形。

由于不存在详细的大脑蓝图告诉我们哪个神经元控制哪块肌肉，患者需要积极参与学习如何通过电脑控制这些波形。

最后，个人可以根据要求在显示屏上制造出特定种类的波形。这一屏幕上的图像能送入编排了可以辨认这些具体波形的程序的计算机，计算机随后执行一道精确的命令，比如打开一个电源开关或者开动一辆汽车。换言之，一个人可以简单地通过思考在EEG显示屏上制造一个具体的大脑波形，从而激活一台计算机或一辆汽车。

如此一来，比如说，一个全身瘫痪的人仅仅使用思考的力量就能控制自己的轮椅。或者，如果一个人能够制造出26个在显示屏上可辨认的波形，他或许单单通过思考就能够打字。当然，这仍旧只是一种粗略地传播一个人思想的方式。训练人们通过生物反馈操纵他们自己的大脑图形需要非常多的时间。

通过德国图宾根大学（University of tubingen）的尼尔斯·拜尔哈默（Niels Birbaumer）的工作，“用思维打字”已经更为接近现实。他使用生物反馈帮助了由于神经损伤而局部瘫痪的人们。通过训练他们改变自己的大脑波形，他已经成功教会他们在电脑显示器上打出简单的句子。

大脑中植入电极的猴子被教授通过生物反馈控制它们的部分思维，这些猴子随即得以仅仅用思维通过互联网控制一条机械臂。

一组更为精确的实验在亚特兰大的埃默里大学（Emory University）进行，一颗玻璃珠被直接嵌入一位中风瘫痪病人的大脑中。玻璃珠与一条另一端和电脑连接的电缆相连。通过思考特定的想法，中风病人得以将信号传送过电缆，并且移动电脑显示器上的光标。通过练习，中风病人能够使用生物反馈有意识地控制光标的活动。理论上，显示器上的光标可用来写下想法、启动机器、驾驶模拟汽车、玩电子游戏等。

布朗大学神经学家约翰·多诺休（Joe）的装置，能够让一位瘫痪者仅仅使用自己思考的力量就完成一系列了不起的物理活动。多诺休已经在四名患者身上测试了这一装置。其中的两名患有脊髓损伤，第三名曾经中风，第四名由于ALS（肌萎缩侧索硬化症［amyotroperal sclerosis］，或称葛雷克氏症［Lou Gehrig’s disease］，即困扰宇宙学家史蒂芬·霍金的病症）而瘫痪。

多诺休的试验者之一是25岁的马修·纳戈尔（Mathew Nagle），一位颈部以下永久性瘫痪的患者，他只用一天就学会了全套新型计算机化技能。他现在可以改变电视机的频道、调整音量、开关一只假手、画一个粗略的圆圈、移动计算机光标、玩电子游戏，甚至能阅读电子邮件。当他于2006年夏天出现在《自然》杂志的封面上时，在科学界制造了相当大的媒体轰动效应。

多诺休的“大脑之门”的核心是一块微型芯片，仅仅4厘米宽，包含100个微型电极。芯片被直接置入大脑的顶层部分运动性活动进行协作的部位。芯片的一半穿入2厘米厚的大脑皮层。金质电线将信号从芯片内送入一个半个雪茄盒大小的扩大器，随后信号被送入一台洗碗机大小的计算机。信号经过特别的计算机软件进行处理，这一软件可以识别一些大脑制造的波形，并且将它们转化为机械的运动。

在先前由患者阅读自己大脑波形的实验中，使用生物反馈的流程缓慢而冗长。但在使用了一台协助患者识别特定思维波形的计算机后，训练程序被大幅缩短。在纳戈尔接受的首次训练中，他被要求想象移动自己的手臂和手向左向右，活动手腕，随后张开和握紧他的拳头。当真的看到纳戈尔想象移动手臂和手指时不同的神经元在燃烧的时候，多诺休非常兴奋。“对我来说，这真是不可思议，因为你可以看到脑细胞在变换它们的活动。随后我明白，一切都将能够前进，这一技术确实行得通。”他回忆道。

（多诺休对于这一引人注目的人机界面形态的强烈热情有一个私人原因：在孩提时代，他由于一种痛苦的退行性疾病被困在轮椅上，因此他直接感受到了失去行动能力带来的无助。）

多诺休有一项雄心勃勃的计划，要使“大脑之门”变成医药界的必备工具。他的设备目前的尺寸是一台洗碗机大小，随着计算机技术的进步，也许最终可以成为便携式，甚至能穿戴在一个人的衣服上。而且如果芯片能制作成无线形式，笨重的电线或许就可以抛弃，这样移植物便可以与外部世界畅通无阻地交流。

能够以这样的形式激活大脑的某些部分只是时间问题。科学家们已经详细描绘出了大脑顶部的表层（如果在我们的头顶上生动地画出我们手、腿、头背的图画，代表这些神经元总体连接的部分，我们会发现一种名叫“雏形人”（homunculus）或者叫“小人”的东西。我们身体部位的图形画在我们的大脑上，看上去像是一个扭曲了的人，有着拉长的手指、面孔和舌头，还有萎缩的躯干与后背）。

在大脑表面的不同部分放置芯片，使不同的器官和附件能被纯思维的力量而驱动，这应该是可能的。以这种方式，任何人体能够做出的身体活动都可以通过这一办法加以模仿。在未来，我们可以想象一位瘫痪患者居住在一个特别意志化设计的家中，能够完全依靠思维的力量操控空调、电视机和所有电器。

迟早，我们可以想象一个人的身体被置于一层特殊的“外骨骼”（exoskeleton）中，容许一位瘫痪患者拥有完全的行动自由。理论上，这样的外骨骼甚至能提供一些超出普通人的能力，使其单靠思维就能够控制他那超出正常人的肢体所具备的强大机械力量。

所以，通过一个人的思维控制一台计算机已经不再是不可能的。但这是否意味着有一天我们能单纯依靠思维来移动物体、抬升它们并且在半空中操纵它们？

可能性之一是将我们的墙壁涂上一层室温超导体——假设这种东西有一天能够创造出来的话。随后，如果我们可以在我们的居家物品中放入微型电磁铁，我们就可以通过迈斯纳效应使它们从地板上升起来，就像我们在第一章中所见到的那样。如果这些电磁铁是由一台计算机控制的，并且这台计算机被与我们的大脑连通，那么我们就可以任意让物体漂浮。思考着特定的想法，我们可以让计算机运行起来，它随后会打开各种物品中的电磁铁，让物品抬升。对一个身处事外的观察者而言，这看起来就像是魔法——随心所欲地移动和抬升物体。

<h3>纳米机器人</h3>

不仅仅能移动物体，还能将它们变形，把一个物体变成另一个，这种听起来如魔法般的力量如何？魔术师们使用巧妙的手法做到了这点。但这样的力量符合物理定律吗？

纳米科技的目标之一，如我们早先提到过的那样，是能够使用原子制造可以起到杠杆、齿轮、球轴承和滑轮作用的微型机器。有了这些纳米机器（Nanobots），许多物理学家的梦想是可以重新将一个物体内的分子进行排序，一个原子接着一个原子，直到这个物体变成另一个玩意儿。这就是科幻小说中出现的“复制器”（replicator）的理论基础，它能让人只要提出要求就可以变出自己想要的东西。基本上来说，复制器能够消灭贫穷，并且改变社会本身的性质。如果一个人可以简单地提出要求就制作出任何物体，那么人类社会中的全部物质短缺、价值和等级制度的概念就整个地天翻地覆了。

（我最喜爱的《星舰迷航》篇章之一《下一代》［t Generation］涉及了复制器。一个来自20世纪的古老太空舱被发现正在太空中漂浮，里面有患了致命疾病的人被冷冻起来的躯体。这些躯体很快被解冻，并且由当今的医术所治愈。其中一位商人意识到他的投资在经历这么多个世纪后一定变成了巨额财产。他立刻向“企业号”船员询问他的投资和钱财。船员们被弄糊涂了。钱？投资？在未来，钱不存在，他们这样指出。如果你需要什么，你只需要提出。）

和复制器一样令人震惊的是，大自然已经制造了这样一件东西。“原理的证据”已经存在。大自然可以使用原材料，比如肉和蔬菜，在9个月中制造一个人类。生命的奇迹不是别的，正是一座大型纳米工厂在原子水平上所能做到的将其他形式的物质（例如食物）转变为有生命的组织（婴儿）。

为了创造这样一座纳米工厂，我们需要三大要素：建筑材料、能够切割和结合这些材料的工具，以及指导使用这些工具和材料的蓝图。本质上，这些建筑材料是数千个氨基酸和蛋白质，肉和血就由它们组成。将这些蛋白质塑造成新的生命形式所必需的切割和连接工具——比如锤子和锯子。它们的目的是在精确的点上切割和组合蛋白质，以创造出新型的蛋白质。蓝图是由DNA分子提供的，它将生命的奥秘以精确的核酸进行编码。这三大要素依次组合成一个细胞，它具备制造自身副本的超凡能力，也就是说自我复制。这一奇迹之所以能够完成，是因为DNA分子的形状像是一个双重螺旋。在进行复制的时候，DNA分子展开成为两个独立的螺旋体，每单独的一股随即牢牢附着上有机分子以重新制造失去的那股螺旋体，由此制造出自身的复制品。

到目前为止，科学家模仿这些发现于自然界中的特征的努力还只获得了不多不少的成功。但科学家们相信，通往成功的关键是制造出大量能自我复制的“纳米机器人”，这些是用于重新安排一个物体内部原子的可编程原子机器。

一般来说，如果谁拥有上万亿个纳米机器人，它们就可以聚集在一个物体之上并且切割和粘贴其原子，直到把这个物体变形为另一个。由于它们可以自我复制，要开始整个过程只需一小部分纳米机器人。它们还必须能被编入程序，这样它们就会服从已有的计划。

在建造一大批纳米机器人之前，必须克服难以逾越的障碍。首先，能自我复制的机器人极难制造，哪怕是在宏观层面上（甚至，制造简单的原子工具，比如原子球轴承和齿轮，也是超越当今科技的）。如果提供给某人一台计算机和一整桌子备用电子部件，要建造一台有能力自我复制的机器也是相当困难的。所以，如果自我复制机在桌面上都难以制造，那么在原子级别上就更难制造了。

其次，如何能从外界向这么一个纳米机器人军团发布命令尚不明确。有人提议发射无线电信号激活每个纳米机器人。也许可以对纳米机器人发射包含指令的激光束。但这意味着每个纳米机器人都要有一组单独的指令，那么指令总数可达数万亿组。

第三，纳米机器人要如何按照适当的程序将原子切割、重新排列和粘贴尚无定论。要记得，大自然花了35亿年才得以解决这一问题，人类要在数十年中解决它将会相当困难。

麻省理工学院的尼尔·葛申菲尔德（Neil Gersor）概念的物理学家。他甚至在麻省理工学院教授一门名叫“如何制造（几乎）任何事物”（o Make ［Almost］ Anyt Center for Bits and Atoms），并且对于个人制造器背后的物理原理作了认真的思考，他认为这将是“下一个大事件”。他甚至已经写了一本书——《FAB：即将到来的桌面革命——从个人计算机到个人制造器》（FAB： tion on Your Desktop—From Personal Computers to Personal Fabrication），详述了他关于个人制造器的思考。他相信，其目标是“制造一台能够制造任何机器的机器”。为了传播自己的观点，他已经在全世界建立了一个实验室网络，主要是在个人制造器会产生最大影响的发展中国家。

首先，他想象一台万能制造器，小到可以放在你的案头，使用激光和微型化的最新研发成果，拥有切割、焊接和塑形任何能在一台个人计算机上视觉化的物体的能力。举例来说，发展中国家的穷人可能会要求他们耕种所需要的某些工具和机器。这一信息可以输入一台个人计算机，它从国际互联网上获取海量的蓝图和技术信息；计算机软件随后将现有蓝图同个人需求进行配对，处理信息，然后用电子邮件将信息发还给他们；随即，他们的个人制造器使用它的激光和微型化切割工具在桌面上制造出他们想要的物品。

这一万能的个人工厂只是第一步。最终，葛申菲尔德希望将他的想法深入到分子水平，这样我们就能够精确地制造任何人类思维所能想象到的物体。然而，由于单个原子难以操纵，这一方向的进展十分缓慢。

南加州大学的艾里斯泰兹·瑞奎恰（Aristides Requichography）——这是一个快速发展的领域。

但还有一种“自下而上法”，工程师尝试逐个原子地创造微型机器人。这一方法的主要工具是扫描探针显微镜（scanning probe microscope，SPM），它使用与扫描隧道显微镜（scanning tunneling microscope， StM）相同的技术以鉴别和来回移动单个原子。比如，科学家们已经能相当熟练地在铂或镍表面移动的氙原子。但是，瑞奎恰承认，“全世界最好的小组要花上10小时左右来装配有差不多50个原子的结构”。手工把单个原子移来移去是缓慢、冗长的工作。他坚持认为，他们所需要的是能执行高水平功能的新型机器，它可以按照要求的方式依次自动移动上百个原子。不幸的是，这样一台机器并不存在。毫不奇怪，自下而上法仍处于它的婴儿期。

所以，尽管以当今的标准来看，通过意志力控制物体是不可思议的，但在未来随着我们通过EEG、MRI和其他方式更加了解如何获得我们大脑的思想，这或许会成为可能。在本世纪内，使用一台以思维驱动的装置操控室温超导体和完成与魔法并无二致的奇迹也许会成为可能。到下个世纪，重新安排一个宏观物体的分子或许会变得可行。这些使意志力成为“一等不可思议”。

有些科学家宣布，这一技术的关键是创造出具有人工智能（artificial intelligence）的纳米机器人。但是，在我们可以制造出分子大小的机器人之前，有一个更基本的疑问：机器人到底能存在吗？

第一章一等不可思议 7.机器人

<small>在未来30年中，有一天，无声无息地，我们将不再是地球上最聪明的事物。</small>

<small class="right">——詹姆士·麦卡利尔（James Mcalear）</small>

在根据艾萨克·阿西莫夫的小说改编的电影《机械公敌》（I，Robot）中，有史以来最先进的机器人系统在2035年启用了。它被称为VIKI（虚拟互动运动智能，Virtual Interactive Kinetic Intelligence），它的作用是完美地管理一座大城市的运转，一切事物，从地铁系统和输电网到数千家庭机器人都由VIKI控制。它的核心指令是不容更改的：为人类服务。

但有一天，V1KI提出了关键性的问题：人类最大的敌人是什么？VIKI通过数学运算作出结论，人类最大的敌人正是人类自己。人类必须被从他们污染环境、发动战争和毁灭这个星球的疯狂欲望中拯救出来。VIKI完成这一中心指令的唯一方法是夺取人类的控制权，并且创造一个机器的良性专政国家。为了保护自己，人类不得不被奴役。

《机械公敌》提出了这些问题：当计算机能力以天文速度发展，机器会有朝一日控制世界吗？机器人能不能变得足够先进，以至于有一天成为我们人类生存的终极威胁？

有些科学家说不会，因为人工智能的概念本身是愚蠢的。有大堆批评者齐声说，制造能够思考的机器是不可能的。“人类的大脑，”他们争辩道，“是大自然所创造过的最复杂的系统，至少在银河系的这个部分里是，任何以复制人类思维为目标的机器都是注定要失败的。”加利福尼亚大学伯克利分校的哲学家约翰·瑟尔（Jogers University）的柯林·麦克金（ColinMc Ginn）说，人工智能“好比鼻涕虫试着要做弗洛伊德式的精神分析。它们就是不具备概念的技能”。

这是一个使科学界分裂了一个多世纪的问题：机器能思维吗？

<h3>人工智能的历史</h3>

机械生物的构想长久以来使发明家、工程师、数学家以及梦想家们为之神魂颠倒。从（tificial Intelligence: AI）中孩童模样的机器人，到《终结者》（terminator）中凶残的机器人们，像人一样行动和思维的机器这一构想使我们着迷。

在希腊神话中，天神伏尔坎（Vulcan）锻造了金子制成的机器女仆和能自己移动的三条腿的桌子。早在公元前400年，希腊塔林敦（tarentmn）的数学家阿契塔（Arcas）就写到了关于制造用蒸汽驱动的机器鸟的可能性。

在公元1世纪，亚历山大港的希罗（hero of Alexandria）（被认为设计出了第一台以蒸汽为原理的机器）设计了自动机，根据传说，其中一台自动机能够说话。900年以前，艾尔-雅扎里（Al-Jazari）设计和制造了自动机械，比如漏壶、厨房用具和以水为动力的乐器。

1495年，伟大的文艺复兴时期，意大利艺术家和科学家列奥纳多·达·芬奇（Leonardo da Vinci）绘制了一个可以坐起、挥动手臂、移动头部和下颚的机器人骑士的图像。历史学家相信这是首个类人机械的实际设计。

首个粗糙但能够运转的机器人是1738年由雅克·德·沃坎逊（Jacques de Vaucanson）制造的，他制作了一台能够吹长笛的人形机器人，还有一只机械鸭子。

“机器人”一词源自1920年的捷克戏剧《R.U.R》，由剧作家卡尔·卡佩克（Karl Capek）创作（“机器人”在捷克语中表示“繁重的工作”，在斯洛伐克语中表示“劳动”）。在剧中，一家名叫“罗森的万能机器人”（Ros-sum’s Universal Robots）的工厂制造了一支机器人军队从事非技术性劳动（不过，不同于普通的机器，这些机器人是用肉和血制造的）。最终，世界经济变得依赖于这些机器人。机器人们遭受残酷虐待，最后反叛了它们的人类主人，将他们杀得精光。但是，在盛怒之下，机器人也杀死了所有能够维修和制造新机器人的科学家，从而注定了它们自己的灭亡。在尾声，两个特殊机器人发现它们拥有复制的能力，并且可能成为新的机器人亚当与夏娃。

机器人还是最早、耗资最大的无声电影之一《大都会》（Metropolis）的内容主题，该片是由弗里兹·朗（Fritz Lang）于1927年在德国导演的。故事设定在2026年，劳动阶层无奈地在条件恶劣、肮脏的地下工厂工作，而处于统治地位的社会精英则在地面上寻欢作乐。一位美丽的女性玛丽亚（Maria）赢得了工人们的信任，但是统治阶层害怕有一天她会领导他们起来反抗。所以，他们让一名邪恶的科学家制造了一个玛丽亚的机器人副本，但最终，这一阴谋却事与愿违，因为这个机器人领导工人们反抗了统治阶层，并且引起了社会体系的崩溃。

人工智能，也称AI，与我们目前为止所探讨过的技术不同，对于支撑它的基础原理的了解仍旧很少。虽然物理学家对于牛顿力学、麦克斯韦的光学、相对理论和原子、分子的量子理论理解非常充分，但智能的基本原理仍旧被迷雾笼罩。AI领域的牛顿或许还没有出生。

但是数学家和计算机科学家仍旧顽强无畏。对他们来说，让一台能够思维的机器走出实验室只是个时间问题。

在AI领域影响最大、为AI研究奠定基石作出贡献的智者，是伟大的英国数学家阿兰·图灵（Alan turing）。

图灵为整个计算机革命打下了基础。他设想了一台仅有三个要素组成的机器（它被称作图灵机）：一条输入带、一条输出带和一个能够完成一组精确操作的中央处理器（比如奔腾芯片），由此，他得以制定出计算机的原理，并且精确地测定了它们的最大能力和极限。今天，所有的数字计算机都遵循图灵定下的严密法则。整个数字世界的建立欠了图灵一个巨大的人情。

图灵还为数学逻辑的建立作出了贡献。1931年，维也纳数学家科特·哥德尔（Kurt Godel）震撼了整个数学界，他证明算术中有些真实的命题永远无法以算术公理证明（例如，1742年的哥德巴赫猜想［Goldbacure:任何大于2的偶数整数都可以被表示成两个质数之和］在250年之后仍没能被证明，且可能事实上是不可证的）。哥德尔揭露的事实粉碎了自古希腊以来延续了2500年的梦：证明数学系统中所有的真命题。哥德尔证明数学领域永远会有超出我们思维所及的真命题。数学远远不是古希腊人所梦想的那样完整和牢不可破，它被证明是不完整的。

图灵给这场革命添砖加瓦，证明一台图灵机是否需要使用无穷多的时间来完成某些数学运算是不可知的。伹如果一台计算机花费无穷多的时间来计算某事，那就意味着无论你要求计算机计算的是什么，它都是不可计算的。由此，图灵证明了数学中存在不可计算的真命题。换言之，那是永远超出计算机能力的，无论它有多么强大。

在第二次世界大战中，图灵在密码破译上的开拓性工作按理说拯救了盟军部队数以千计的生命，并且影响了战争的结果。盟军无法破译纳粹使用的—种名叫“埃尼格玛”（Enigma）的密码机所编译的密码，因此图灵和他的同事们被要求开发一种能够破译纳粹密码的机器。图灵的破译机被称为“炸蛋”（bombe），并最终取得了成功。到战争尾声，有200多台他的机器在运行。结果，盟军得以读懂纳粹的无线电波，并因此能够在最终进攻德国的时间和地点上愚弄纳粹德国。历史学家从那时起一直在争辩图灵的工作在诺曼底登陆的行动计划中究竟有多重要，诺曼底登陆最终导致了德国的失败。（战后，图灵的工作成果被英国政府列为机密，结果，他的关键性贡献不为公众所知。）

图灵没能被认为是帮助扭转二战局势的战争英雄，而是被无情地纠缠致死，一天，他的家遭人入室盗窃，于是他叫来了警察。不幸的是，警察发现了他是同性恋的证据并且逮捕了他。图灵后来被法院下令接受性激素注射，这导致了灾难性的后果，让他长出了女性的乳房，并且给他带来了巨大的精神痛苦，他于1954年吞食加了氰化物的苹果自杀（根据传闻，苹果公司的商标——一颗被咬去一口的苹果，是为了向图灵表示敬意）。

如今，图灵最为人熟知的可能是他的“图灵测试”（turing test）。他厌倦了关于机器是否能够“思维”和它们是否具有“灵魂”的毫无成果、漫长无尽的哲学讨论，试图通过设计一个具体实验把严谨和精确引入关于人工智能的讨论。他提议把一个人和一台机器放入两个封闭的隔间里，测试者可以向每个隔间提问，如果不能分辨出人和机器给出的回答之间的不同，则这台机器就通过了“图灵测试”。

科学家们已经编写了简单的计算机程序，比如ELIZA，能够高度模仿对谈式的讲话，并且由此骗过大多数不存疑心的人们，让他们相信自己正在和一个人说话（比如，大多数人类对话只使用数百个单词，并且内容集中在少量的话题上）。但目前为止，能够瞒过特意想要确定哪个隔间里是人类、哪个隔间里是机器的人的计算机程序尚未编写成功（图灵本人猜测到2000年，在计算机能力以指数速度增强的前提下，能够建造出可以在5分钟的测试中骗过30%评判者的机器）。

一小部分哲学家和神学家已经宣布创造出像我们一样思维的机器人是不可能的，加利福尼亚大学伯克利分校的哲学家约翰·瑟尔提出了“中文房间测试”（Cest）以证明AI是不可能存在的。瑟尔辩称，虽然机器人可能通过某些形式的图灵测试，但之所以能通过测试是因为它们在无理性的情况下操控符号，而丝毫都不理解这些符号的含义。

想象你坐在一间隔间里，而且你连一个中文字都不懂。假设你有一本书，能够让你迅速翻译中文，并且操控中文。如果有人用中文问你一个问题，那你仅仅是需要熟练使用这些形态古怪的字符，而不理解它们的意思，并且作出可信的回答。

他的反对意见的本质直指句法（syntax）和语义（semantics）的差别。机器人可以掌握一门语言的句法（例如熟练使用它的语法、它的正规结构，等等）而不是它真正的语义（例如词语的意思）。机器人可以在不明白词语含义的情况下熟练使用它们。（这和在电话里同一台自动语言信息机谈话有些类似，你必须键人“1”、“2”等等以获得各个回应。另一端的声音能完美地领会你被数字化的回应，但是完全不带有住何理解。）

牛津大学的物理学家罗杰·彭罗斯同样相信人工智能是不可行的，可以思考并且具备人类意识的机械生物按照量子理论是不可能的。他断言，人类大脑远远超越任何实验室所能产生的创造物，制造人类那样的机器人是一场注定要失败的试验。（他辩称，就如哥德尔的不完备定理证明了算术的不完整一样，海森堡测不准原理将证明机器无法进行人类式的思考。）

然而，许多物理学家和工程师相信物理学定律中不存在妨碍创造一个真正的机器人的内容。举例来说，常被称作信息理论之父的克劳德·香农（Claude S-ware］而非硬件［hardware］所构成）。

由于我们看到了电影中所描绘的机器人，我们或许会认为开发出具备人工智能的成熟机器人是近在眼前的事情。事实却大相径庭。当你看到一个机器人像人类一样行动，其中多半另有奥妙。就是说，有个人躲在暗处用话筒通过机器人说话，像中的巫师那样。事实上，目前我们最先进的机器人——比如在火星上漫游的机器人，只具备一只昆虫的智商，在麻省理工学院著名的人工智能实验室（Artificial Intelligence Laboratory），实验用机器人在重复哪怕是蟑螂能做到的行动时都有困难，比如在一间满是家具的房间里移动、寻找藏身之所和辨识威胁。地球上没有机器人可以理解你向其朗读的简单的儿童故事。

电影《2001:太空漫游》（2001:ASpace Odyssey）错误地假设到2001年我们将拥有hAL——能够驾驶宇宙飞船去木星、同船员们聊天、解决问题和几乎像人类一样行动的超级机器人。

<h3>自上而下的方式</h3>

科学家面临至少两个数十年来妨碍他们制造机器人的大问题：形状辨识和常识。机器人能比我们看得更加清楚，但它们不明白自己看到的是什么。机器人同样听得比我们更清楚，但它们不明白自己听到的是什么。

为了对付这两个问题，研究者们尝试使用达到人工智能的“自上而下法”（有时被称为“形式”［formalist］派或GOFAI，即“优秀老式AI”［good old-fashioned AI］）。大致说来，他们的目的就是将所有的形状辨识和常识都编写到一张光盘上。他们相信，将这张光盘插入计算机后，计算机能够突然变得有自知，并且获得人类的智力。在20世纪50年代和60年代，随着能够下棋、拼积木等等的机器人的出现，这一方向取得了巨大的进展。这些进展非常惊人，以至于有人预测在数年内机器人的智力将超越人类。

1969年，在斯坦福研究所（Stanford Researcitute），机器人ShAKEY制造了一条重要新闻。ShAKEY是一台放置在一组轮子之上的小型PDP计算机，在顶部有一个摄像头。摄像头能够勘察整个房间，计算机会分析和辨认房间里的物体，并且试图在它们之中穿过。ShAKEY是第一台能够在“真实世界”中进行导航的机器人，这激励了记者们推测机器人何时将会把人类甩到后头。

但是，这种机器人的短处很快就显露出来，人工智能的自上而下法造就了体积巨大、笨拙的机器人，它们花上整个小时也只能通过只有直线形态物体——就是说正方形和三角形的特殊房间。如果在房间里放置不规则形状的家具，机器人将无力辨认它（具有讽刺意味的是，一个大脑含有25万个神经元——仅及这些机器人计算机能力几分之一的果蝇能够不费吹灰之力地在三维之中导航、穿过，完成令人眼花缭乱的翻圈飞行移动，而笨重的机器人却在二维之中迷失方向）。

自上而下的方法很快就碰了壁，计算机生活研究所（Cyberlife Institute）的主管史蒂夫·格兰德（Steve Grand）说，像这样的方法“有50年的时间自我证明，但表现仍旧没能与他们的承诺相符”。

在20世纪60年代，科学家们没有充分理解为机器人编程以完成哪怕是很简单的任务——比如指令机器人辨认如钥匙、鞋子和杯子等物件，其所涉及的工作有多么艰巨。就如麻省理工学院的罗德尼·布鲁克斯（Rodney Brooks）所说的：“40年前，麻省理工学院的人工智能实验室委培一名本科生在一个夏天里解决这一问题，他失败了；而我于1981年写博士论文的时候在同一个问题上也失败了。”实际上，AI研究者们目前仍然没有解决这个问题。

例如，当我们进入一个房间，我们会立刻识别出地板、椅子、家具、桌子等等。但是当一个机器人扫视房间的时候，它看到的只是一大堆直线和曲线，它会将这些转换成像素。理解这一大团乱糟糟的线条要花上极多的时间。辨认出一张桌子或许会花掉我们几分之一秒的时间，但是一台计算机只能看到一堆圆形、椭圆形、螺旋形和直线、曲线、边角等等。在漫长的计算过后，机器人或许最终能认出某一个物件是桌子，但如果将图像旋转，计算机就不得不完全从头来过。换句话说，机器人可以看，并且事实上能比人类看得更清楚，但它们不理解自己所看到的东西。在进入一间房间后，机器人只会看到一团线条和弧形，没有椅子，没有桌子，也没有灯。

我们的大脑在我们走进一个房间的时候无意识地通过进行数万亿次计算识别出物体——这是一种我们有幸全然不觉的活动。我们对自身大脑活动全然不觉的原因是进化。如果我们独自在森林中遇见一只袭来的剑齿虎，要是我们意识到所有辨认危险和实施逃跑所需的计算，我们将会瘫软。为了生存，我们做的一切只是了解如何逃跑。当我们生活在丛林中，我们完全无须觉察大脑识别地形、天空、树木、岩石等等所必需的一切输入和输出活动。

换言之，我们大脑的运转方式可与一座巨大的冰山相提并论。我们只窥见了冰山一角——自觉意识。但潜伏在表面之下、隐藏在视野之外、更加大上许多的部分——非自觉意识，消耗了巨量大脑“计算能力”以理解周围事物，比如辨认出你在哪里、与你谈话的人是谁和你的周围有些什么。所有这些都是在没有我们允许和了解的情况下完成的。

这就是机器人无法导航穿过一间房间、阅读手写体、驾驶货车和汽车以及拣拾垃圾等等的原因。美国陆军已经投入上亿美元试图开发机械士兵和智能火车，但没有获得成功。

科学家们开始意识到，下棋或将巨大的数字相乘只需要人类智力的很小部分。当IBM的计算机“深蓝”（Deep Blue）于1997年在一场六局比赛中打败世界象棋冠军加里·卡斯帕罗夫（Garry Kasparov），那是一场原始计算能力的胜利，但这场实验没有给我们带来任何关于智能或者意识上的收获，尽管比赛登上了许多新闻版面的头条。据印第地安那大学（Indiana University）的计算机科学家道格拉斯·侯世达（Douglas adter）说：“天啊，我曾经以为下棋需要思维。现在，我认识到它不需要。那并不意味着卡斯帕罗夫不是一位深层次的思考者，只说明你可以在下棋时避免进行深度思维，那是一种不用拍动翅膀就飞起来的方法。”

（计算机领域的发展同样也会对职业市场的未来产生巨大影响。未来主义者有时猜测，在未来几十年后，能保有工作的只有极富经验的计算机科学家和技术人员。但事实上如清洁工、建筑工、消防员、警察等工作者在未来仍旧会找到工作，因为他们的工作涉及形状识别。每一桩犯罪、每一件垃圾、工具和火灾都各不相同，因此无法由机器人胜任，具有讽刺意味的是，受过大学教育的雇员，比如低级别会计师、股票经纪人和出纳员，可能会在未来失业，因为他们的工作是半重复性质的，并且涉及了解数字——一项计算机擅长的工作。）

除了形状识别之外，开发机器人所面临的第二个问题更为基本，那就是它们缺乏“常识”。举例来说，人类知道：

伹是，没有微积分或数学算式可以表达这些事实。我们知道所有这些是因为我们看到过动物、水和绳子，而且我们自己理解了这些事实。孩子们通过投入现实世界学会常识。生物学和物理学的直观定律是通过与现实世界的互动，以艰难的方式习得的。但是机器人没有经历过这些，它们只知道预先给它们编排好的东西。

（结果，未来的职业还将包括那些要求具备常识的行业，即艺术创造力、独创性、表演才能、幽默感、娱乐、分析和领导能力。正是这些特质使我们成为计算机难以复制的、独一无二的人类。）

在过去，数学家们曾试图编制一个速成程序，能够一次性收集所有常识原则。最为雄心勃勃的尝试当属CYC （encyclopedia［百科全书］一词的简写）赛克公司（Cycorp）负责人道格拉斯·列纳特（Douglas Lenat）的构想。正如耗资20亿美元制造出原子弹的巨型项目“曼哈顿计划”，CYC被比作人工智能领域的“曼哈顿计划”，能实现真正人工智能的终极推力。

不出所料，列纳特的座右铭是：智能是1000万条规则（列纳特有一种新奇的方式用以从中寻找常识的新规则；他让他的雇员朗读花边小报的报道和耸人听闻的八卦杂志内容，然后问CYC是否能指出小报上的错误。其实，如果列纳特成功的话，CYC将在事实上比大多数小报读者更聪明）。

CYC的目标之一是实现“保本点”，也就是机器人能够开始获得足够知识，因而可以简单地通过在图书馆里找到的杂志和书本自己消化新信息的临界点。从这一点起，就如雏鸟离巢一般，CYC将能自己扇动翅膀，并且自己起飞。

但自从公司于1984年创建以来，它的信誉遭遇了AI领域的一大普遍问题：作出能成为新闻头条但很大程度上不合实际的预测。列纳特预测在十年内，到1994年，CYC将包含30%-50%的“普遍事实”（consensus reality）。如今，CYC仍旧没有关闭。赛克公司的科学家发现，为了让一台计算机接近一个四岁幼儿所拥有的常识水平，必须编制百万条的编码。现在，CYC仅包含有微不足道的4.7万种概念和30.6万条事实，与赛克公司定期的乐观新闻发布相悖，列纳特的同事之一，1994年离开公司的G.V.古哈（G.V.Guha）所说的话常被引用：“CYC总的来说被视作一个失败的项目……我们极为勉强地试图创造出自己承诺的一小部分。”

换言之，将全部常识原理编制到一台计算机中的努力已经举步维艰，理由很简单——常识的法则浩如烟海。人类能不费吹灰之力地学会这些法则，因为我们终身都长时间不断地投入外界环境之中，静静地吸收物理和生物法则，但机器人不会。

微软的创始人比尔·盖茨承认：“让计算机和机器人去感受他们周围的环境，并且迅速、准确地作出反应，要比预料中难得多……例如，根据房间里的物体确定自己方位的能力，对声音作出反应和理解发言的能力，以及抓住不同大小、质地和易碎度物品的能力。哪怕是简单到说出一扇敞开的门和—扇窗户之间的区别，对机器人而言也会是极为棘手的。”

然而，“自上而下”获得人工智能方法的支持者们指出，这一方向的进展尽管会间或进入冰冻期，但正在世界各地的实验室中发生。比如说，在过去的数年中，常常资助尖端科技项目的国防高级研究计划署（Defense Advanced Researcs Agency，DARPA）已经为能够自我导航穿越莫哈韦沙漠（Mojave Desert）中一块多岩石地带的无人驾驶汽车赞助了一笔200万美元的资金。在2004年，没有一个参加DARPA挑战赛的参赛者能够完成赛程。事实上，表现最好的车设法在失灵前跑了7.4英里。但是，2005年斯坦福车队的无人驾驶汽车成功跑完了令人精疲力竭的132英里全程（尽管这花了那辆车7小时时间）。四部其他汽车也完成了赛程（有些批评者注意到规则允许汽车沿着一条长长的沙漠小径使用GPS导航系统。事实上，汽车可以沿着一条事先确定、没有太多障碍的线路图前进，因此汽车永远都不用指认它们路途中遇到的复杂的障碍物。在实际驾驶中，汽车必须在毫无预料的情况下辨明方向，绕过其他车辆、行人、施工地点、交通堵塞等等）。

比尔·盖茨对于机器人机械将成为“下一个大事件”持谨惧乐观态度。他将目前的机器人领域比作他30年前协助启动的个人计算机领域。正如个人计算机，它可能已经作好展翅高飞的准备。“没有人能确定无疑地指这一产业是否将产生巨大的影响。”他写道，“但如果它能，那将大大改变这个世界。”

（一旦拥有人类智能的机器人进入商业供应，它们的市场将是巨大的。尽管真正的机器人如今还不存在，事先设定程序的机器人却真的存在，并且数量激增。国际机器人学联盟［ternational Federation of Robotics］估计，2004年这样的个人机器人有约200万个，到2008年将另有700万台被装配完成.日本机器人协会［t Association］预测到2025年，如今价值50亿美元的个人机器人产业年产值将达到500亿美元。）

<h3>自下而上的方式</h3>

由于人工智能自上而下法的局限，这一领域的尝试已经转而采用一种“自下而上法”取而代之，模仿进化过程和婴儿学习的方式。例如，昆虫并不通过扫描周围环境并将图像降至他们使用超级计算机处理的数万亿个像素来进行导航。相对的是，昆虫的大脑由“神经元网络”组成，学习机制是通过投入充满敌意的世界来慢慢学会如何在其中行走。在麻省理工学院，能行走的机器人声名狼藉，难以通过自上而下的方式制造出来。但是，投入周围环境、通过抓挠来学习简单的昆虫形态的机械生物，已经能成功地在几分钟内在麻省理工学院的楼梯上跑来跑去了。

麻省理工学院著名的人工智能实验室由于其巨大、笨拙的“自上而下”的行走机器人而闻名，其负责人罗德尼·布鲁克斯在探索微型“昆虫”机器人这一概念的时候变成了异端者。这些“昆虫”机器人通过蹒跚地与物件碰撞来学习走旧式路线。他的昆虫们并不使用详尽复杂的计算机程序在它们行走的时候对脚的位置进行精确的数学计算，而是以很少的计算机能力使用测试与错误来协调它们的腿部动作。今天，许多布鲁克斯昆虫们的后裔正在火星上为NASA（美国国家航空航天管理局）收集数据，靠着自己的思想小步疾跑着穿过荒凉的火星表面。布鲁克斯相信他的昆虫适合对太阳系的探索，非常理想。

布鲁克斯的项目之一是COG，一项制造一台具有6个月婴儿智力的机器人的尝试。COG的外表看上去像是一团乱糟糟的电线、电路和齿轮，只是它有头、双眼和手臂。它没有被写入任何智能的法则。取而代之的是，它的双眼注视着一位人类训练师，他试着教会它简单的技能。（一位怀上孩子的研究人员打了个赌，到两岁为止时，看COG和她的孩子哪个学习得更快，结果那个孩子远远超越了COG。）

虽然有模仿昆虫行为的成功案例，但使用神经网络系统的机器人在它们的程序设计师试图在它们身上复制更高级的生物——如哺乳动物的行为时都表现奇差。最先进的使用神经网络系统的机器人可以走过一个房间或者在水中游泳，但它无法像狗一样在森林里跳跃和狩猎，或者和耗子一样在房间里四处乱窜。许多大型神经网络系统机器人可能会由数十个到或许数百个神经元构成，然而，人类大脑拥有超过1兆个神经元。线虫是一种简单的蠕虫，其神经系统已经被生物学家完全标绘出来：它的神经系统仅有约300多个神经元。这使得线虫的神经系统成为自然界中发现的也许是最为简单的神经系统之一。但在这些神经元之间有7000多个树突。简单如线虫，它的神经系统也极为复杂，以至于还没有人能够建立一个其大脑的计算机模型。（在1988年，一位计算机专家预测，到现在这个时候，我们将拥有具备超过1亿个人造神经元的机器人。事实上，如今具备超过100个神经元的神经系统就被认为是很杰出了。）

最具讽刺意味的是，机器人能够毫不费力地完成人类认为“困难”的工作，比如将很大数字相乘或者下棋；但是机器人在被要求完成对人类而言极为简单的工作时却会严重出错，比如走过一个房间、辨认面孔或者与朋友说长道短。原因是，我们最先进的计算机在本质上仅仅是做加法的机器。可是，我们的大脑由进化精心设计，以解决平凡的问题，如生存——这需要一整套复杂的思维构建，如常识和形状辨识。在森林中生存并不仰仗微积分或国际象棋，而是依靠躲避天敌、寻找伙伴和对变换的环境作出调整适应。

麻省理工学院的马文·明斯基（Marvin Minsky）——人工智能最初的奠基人之一，这样总结了人工智能所存在的问题：“人工智能的历史有点可笑，因为最初的实际功绩都是美丽的事物，比如能够作出逻辑论证或者在微积分课题中取得好成绩的机器。但随后我们开始试图制造能够回答关于初级阅读材料中简单故事的问题的机器，目前却没有机器可以做到这一点。”

有些人相信最终将会出现介于自上而下和自下而上两种途径之间的绝妙综合体，它或许将提供通向人工智能和类人机器的关键。归根结底，当一个孩子学习的时候，虽然他最初主要依赖自下而上法，投入他周遭的环境，但最终他会获得来自父母、书本和学校教师的指点，在自上而下的途径中学习，作为成年人，我们不断将这两种方式混合使用。例如，一位厨师阅读食谱，但也不断在烹饪的过程中尝菜。

汉斯·莫拉维克（hans Moravec）说：“当有机械上的金钉子被用于努力将两种方式合为一体的时候，完全智能化的机器将会产生。”或许是在未来40年内。

<h3>情感机器人？</h3>

文学和艺术作品的不变主题之一是机械生物渴望成为人类，享有人类的喜怒哀乐。它们不满于自己由电线和冰冷的钢铁制成，希望能够大笑、哭泣和感觉所有人类所具有的情感上的愉悦。

比如，木偶皮诺曹想要变成真正的小男孩，中的铁皮人想要一颗心，《星舰迷航》中的达达（Data）是一个体力和智能上都超越人类的机器人，但它仍旧渴望变成人类。

有些人甚至提出我们的情绪代表了身为人类的最高意义。永远都不会有机器能够面对火热的日落激动不已，或者因为一则幽默的笑话哈哈大笑——他们宣称。有些人说机器是永远不可能拥有情感的，因为情感代表了人类发展的顶峰。

但是，在人工智能领域工作和试图破解情感之谜的科学家们给出了另一幅画面。对他们来说，情感远远不是人类的精华，而实际上是进化的副产品。简而言之，情感对我们有益。它们帮助我们在森林中生存，甚至今天仍然在帮助我们测定生活中的危险。

举例来说，“喜欢”某事物从进化上来说是非常重要的，因为大多数事物对我们来说是有害的。在我们每天遭遇的数百万件物件中，只有少量是对我们有好处的。因此“喜欢”某物就是区分出那一小部分事物，它们可以帮助我们对抗可能伤害我们的数百万件事物。

同样，嫉妒是一种重要的情绪，因为繁殖成功对于保证我们的基因继续传到下一代非常关键（事实上，这就是为什么有那么多情绪上的攻击性感觉与性和爱相关的原因）。

羞愧和耻辱很重要，因为它们帮助我们学会在一个合作型社会中起作用的必需社交技巧。如果我们从来不说抱歉，最终我们将被驱逐出所属的团体，减少我们生存和延续基因的机会。

孤独同样是一种必不可少的情感。乍一看孤独似乎是不必要和多余的。毕竟，我们可以独自过活。但是渴望与同伴在一起对于我们的生存也很重要，因为我们依赖族群的资源而存活。

换言之，当机器人变得更加先进，它们同样可能会具备情感。或许机器人将会被设定为与它们的主人或看管者联系在一起，以确保它们的生命不会在垃圾场里终结。拥有这样的情感能够帮助缓解它们在社会中的过渡过程，这样它们就会成为得力的伴侣，而不是主人的竞争对手。

计算机专家汉斯·摩拉维克相信机器人将配有如“恐惧”这样的情感以自我保护。比如说，如果一个机器人的电池即将耗尽，那个机器人“会以人类可以辨识的信号表现出焦虑甚至恐慌。它会去邻居家并且要求使用他们的插座，说着‘求求你！求求你！我需要这个！这很重要，这只要一点点花费！我们会补偿你！”

情感在作出决定时也重要。遭受某种特定脑损伤的人们缺乏体验情感的能力。他们的理解能力是完好无损的，但他们无法表达任何感情。爱荷华大学（University of Ioonio Damasio）博士研究过有此类脑损伤的人，总结说他们看似“能感知，但是无感觉”。

达马西欧博士发现这样的人总是在要作出最微小的决定时茫然失措。没有了指引他们的情感，他们会没完没了地考虑这个选择或那个选择，导致残缺性的犹豫不决。达马西欧博士的一位患者花了半小时试图决定他下一次约会的日期。

科学家们相信情感是在大脑的“边缘系统”中处理的，它位于我们大脑中心的深层。当人们深受新皮层（掌管理性思维）和边缘系统之间交流不利所扰时，他们的理解能力完好无损，但是他们不具备指导自己作出决定的情感。有时候我们具有“直觉”或者“肠道反应”，它能驱动我们作出决定。受到损伤影响大脑理性和情感部分之间交流的人不具备这一能力。

例如，当我们购物的时候，我们无意识地对所见到的每件东西作出上千次价值判断，例如“这个太贵了、太便宜了、太花哨了、太蠢了，或者正好”。对于受到此类脑损伤的人来说，购物可能变成一场噩梦，因为所有东西的价值似乎都一样。

当机器人变得更加聪明，并且能够自己作出选择，它们也可能因为犹豫不决而陷入困境（这让人联想起圣经中的寓言故事，一只驴坐在两大堆干草之间，最终因为无法决定吃哪一堆而饿死了）。为了帮助它们，未来的机器人可能需要将情感深深植入它们脑中。麻省理工学院媒体实验室的罗莎琳德·皮卡德（Rosalind Picard）博士对机器人缺乏情感这一情况评论说：“它们无法感知什么是最重要的，那是它们最大的缺陷之一。计算机就是做不到这—点。”

正如俄罗斯小说家费奥多尔·陀思妥耶夫斯基（Fyodor Dostoevsky）所写的：“如果地球上的一切都是理性的，那什么都不会发生了。”

换言之，未来的机器人可能需要情感以设定目标和为它们的“生命”赋予意义及结构，否则它们将发现自己在无限的可能性面前全面瘫痪。

<h3>它们有意识吗？</h3>

对于机器是否能够有意识并无共识，甚至没有关于“意识”的含义的一致意见。没有人能够对意识给出一个合适的定义。

马文·明斯基描述意识更多的是一种“思想的社会”，就是说，在我们的大脑中，思维过程不是局部化的，而是散发的，在任何规定的时间内有不同的中心部分相互竞争。因此，意识或许会被视作由这些不同的、小型的“心智”所产生的一连串思想和画面，每一个这样小型的“心智”都热切希望抓住我们的注意和为此竞争。

如果这是真的，那或许“意识”已经过了盛期，或许对于这一被哲学家和心理学家过分神秘化的课题已经有太多相关的论文。也许定义意识并不是那么困难。就像位于拉荷亚（La Jolla）的萨克生物研究院（Salk Institute）的西德尼·布伦纳（Sydney Brenner）所说：“到2020年——有美好愿景的年头——意识作为一个科学问题将消失……我们的继承人将对今天所讨论的科学垃圾的数量大吃一惊——如果他们有耐心阅遍过时期刊的电子文档的话。”

用马文·明斯基的话说，人工智能研究饱受“物理嫉妒”之苦。物理学界的圣杯是找到一条简单的方程式，能够将宇宙中所有的力统一成一种简单的理论，创造一个“万物至理”。人工智能的研究人员过度受这一概念影响，试图找到一种单个的模式以解释意识。但是在明斯基看来，这样一个简单的模式或许不存在。

（那些身处“解释者”流派中的人，比如我自己，相信应该有人试着制造一台能思维的机器人，而不是无止境地辩论能思维的机器人能否创造出来。关于意识，或许存在着一种意识的连续介质，从卑微如调控房间温度的温控器到如当今的我们这样的自觉生物体。动物可能是有意识的，但是它们并不经历人类水平的意识。因此，我们应当尝试将不同种类和水平的意识进行分类，而非就关于意识的定义这类哲学问题进行辩论。机器人可能最终实现一种“硅意识”。机器人有一天可能会具备一种不同于我们的思维和信息处理架构。未来，先进的机器人或许会让语法和语义之间的区别变得模糊不清，如此一来它们作出的回应将变得无法与人类作出的回应相区别。如果是这样的话，它们是否真的“理解”问题这一疑问将很大程度上变得无关紧要。一个完全精通句法的机器人实际上理解自己所说出的话。换言之，对句法的完全精通即是理解。）

<h3>机器人会是危险的吗？</h3>

鉴于摩尔定律宣称计算机的能力每18个月增加一倍，可以想象在未来几十年里具有狗或者猫那样的智力水平的机器人将被制造出来。但是，到2020年，摩尔定律很可能会崩溃，而且硅的时代将走向终结。在50年左右的时间里，微型硅晶体管的制造能力为计算机能力的惊人增长添加了燃料，数千万个微型硅晶体管能轻易放在你的指甲盖上。紫外线射线被用于将微晶体管蚀刻到硅芯片上。但是这一进程无法永远持续下去。最终，这些晶体管将微小至达到分子的大小，这一进程将会瓦解。在2020年后，硅的时间最终画上句号时，硅谷可能变成“锈带”。

你笔记本电脑中的奔腾芯片有一个宽约20个原子的层次。到2020年，奔腾芯片可能会由一个宽仅5个原子的层次构成。在那个水平上，海森堡测不准原理生效，你将不再知道电子的位置。随后电会从芯片里泄漏出来，计算机将会短路。到那时，计算机革命和摩尔定律将因为量子理论的定律而遭遇困境（有些人已经声称数字时代是“颗粒对原子的胜利”。但最终，当我们达到了摩尔定律的极限，原子们或许将进行报复）。

物理学家正在研究2020年后能统治计算机世界的“后硅”技术，但是到目前为止，结果喜忧参半。根据我们已知的情况，有多种正在被研究的科技可能最终取代硅技术，包括量子计算机、DNA计算机、光学计算机、原子计算机等等。但是，在接过硅芯片的重任之前，它们每一个都面临着巨大的难关。操控单个的原子和分子是一种仍处于襁褓中的技术，因此制造数十亿个原子大小的晶体管还在我们的能力之外。

假设一下，比如说，物理学家暂时能够消除硅芯片和量子计算机之间的差距，并且假设摩尔定律的另一种形式延续进入了“后硅时代”，那么人工智能或许会真正成为可能。到那个时候，机器人可能掌握人类的逻辑与情绪，并且毎次都通过图灵测试。史蒂芬·斯皮尔伯格（Steven Spielberg）在他的电影《人工智能：AI》中探索了这个问题，影片中首个能表达情感的机器人男孩被创造出来，并且因此适合被人类家庭领养。

这提出了一个问题：这样的机器人会是危险的吗？答案可能是肯定的。一旦具备了猴子的智力，它们就有可能变得危险。猴子的智力意味着自我意识可以创造出自己的目标。要达到这一水平可能要用上好几十年，因此科学家们有大把的时间在机器人引起威胁之前观察它们。例如，可以在它们的处理器中放置一块特别的芯片以防止它们进入暴乱状态。或者，给它们设定自毁或撤销装置，能够在紧急情况下关闭它们。

亚瑟·C.克拉克写道：“我们变成计算机的宠物是有可能的，导致我们成为宠物狗那样娇生惯养地生活。但我希望我们永远保留在感觉到需要的时候拔掉插头的能力。”

更常见的威胁是，我们的基础设施依赖于计算机。我们的水力和电力网络，更不用说交通和通信网络，在未来会更加计算机化。我们的城市已经变得如此复杂，只有复杂而交错的计算机网络能够控制和管理我们庞大的基础设施。未来，在这样的计算机网络中加入人工智能会越来越重要。这一无处不在的计算机基础设施一旦发生失误或者故障，会使一座城市、一个国家甚至一个文明瘫痪。

计算机会最终在智力上超越我们吗？当然，物理定律中没有任何内容能阻止它。如果机器人能以神经网络的形式学习，并且它们发展到了能够比我们更加迅速和有效地学习的临界点，那么它们最终可能在思考能力上超越我们是符合逻辑的。摩拉维克说：“（后生物学世界）是一个人类种族被文化变革的浪潮所清除、被自己的幼子剥夺权利的世界……当这一切发生，我们的DNA会发现自己失去了作用，已经在进化的赛跑中输给了一种新型的竞争。”

—些发明家，比如雷·库兹韦尔（Ray Kurzy）的点，到那时机器人将能以幂指数的速度处理信息，在过程中创造新的机器人，直到它们总体吸收信息的能力前进至几乎没有极限。

所以，从长期来看，有人倡议碳科技与硅科技的融合，而不是坐等我们自己灭绝。我们人类的主要基础是碳，但是机器人的基础则是硅（至少目前如此）.或许解决的方法是与我们的缔造物相融合，（如果我们遭遇天外来客，我们将毫不惊讶地发现它们是部分有机、部分机械的，这样能承受太空旅行的艰苦，并且在敌对环境中兴盛。）

在遥远的未来，机器人或类人半机械人甚至也许能赋予我们永生的能力。马文·明斯基补充说：“如果太阳死亡，或者我们毁灭了地球会怎样？为什么不培养更好的物理学家、工程师或者数学家？我们或许必须成为自己未来的建筑师。如果我们不这么做，我们的文化或许会消失。”

摩拉维克想象在遥远未来的某个时刻，当我们的神经构造能够一个神经元一个神经元地被直接转移给一台机器的时候，这将赋予我们在某种意义上的永生。这是一个狂野的想法，但并不超出可行的范围。所以，根据一些关注未来的科学家的说法，永生（以加强DNA或者硅制身体的形式）可能是人类的终极未来。

制造至少同动物一样聪明并且或许同我们一样聪明、甚至比我们更聪明的能思维的机器——如果我们能克服摩尔定律的崩溃和常识问题，这一假想或许会成为现实，可能甚至就在本世纪晚些时候。尽管AI的基本规则还在发掘中，但这一领域的发展极其迅速，并且很有前景。因为这一点，我将机器人和其他能思维的机器归类为“一等不可思议”。

第一章一等不可思议 8.外星人和UFO

<small>要么我们就是孤独存在于宇宙中，要么我们就不是。</small>

一艘庞大的宇宙飞船，延伸数英里，令人生畏地直接笼罩在洛杉矶上空，填满了整个天空，并且不祥地遮蔽了整座城市。在世界各地，碟形的堡垒降临了全世界的主要城市。数百个欣喜的观看者想要欢迎来自其他星球的生物降临洛杉矶，聚集在一座摩天大楼的顶上靠近他们的天外来客。

在沉默地漂浮于洛杉矶上空数日后，宇宙飞船的腹部缓缓开启了。一阵剧烈的激光冲击波射出，将摩天大楼烧成灰烬，释放出一阵席卷过整个城市的毁灭性巨浪，将城市在转眼之间变成烧焦的瓦砾。

在影片《独立日》（Independent Day）中，外星人代表了我们最深的恐惧。在电影《E.t.》中，我们将自己的美梦与幻象投射到了外星人身上。纵观历史，人们一直对定居于其他世界的外星生物深深着迷。早在1611年，天文学约翰尼斯·开普勒（Johannes Kepler）就在他的论文《梦游记》（Somnium）中使用了当时最先进的科学知识构思了一次月球之旅，其中人们可能会遇到奇特的外星人、植物和动物。但科学和宗教常常在太空生物这一主题上发生冲突，有时候会导致悲剧性的后果。

更早些年头，在1600年，前多米尼加僧侣和哲学家乔达诺·布鲁诺（Giordano Bruno）在罗马教廷的压力下被活活烧死。为了羞辱他，教会在最终将他烧死在木桩上之前把他头朝下地吊起来并且扒光，是什么让布鲁诺的教学变得如此危险？因为他提了一个简单的问题：太空中有生命吗？就像哥白尼一样，他相信地球绕太阳公转。但与哥白尼不同，他相信有数不尽的如我们一样的生物生活在外太空中（与接受太空中存在数十亿圣人、教皇、教堂和耶稣基督的可能性相比，直接烧死他对教会来说更方便）。

在400年的时间里，对于布鲁诺的记忆时常浮现于科学史学家们的脑海中，但如今布鲁诺每几个星期就进行一次他的复仇。差不多每月两次就有一颗新的太阳系外行星被发现绕着太空中另一颗恒星公转。布鲁诺对于太阳系外行星的预测已经被证明。但仍旧有一个问题还不确定。尽管银河系中可能存在太阳系以外行星，但它们中有多少能够支持生命？而且，如果智慧生命的确存在于太空中，科学能对它们作出何种解释呢？

当然，假设中与外星生物的相遇已经使社会为之着迷，并且使一代又一代的读者和电影观众为之兴奋，最为著名的事故发生在1938年10月30曰，奥逊·威尔斯（Orson elles）决定对美国公众开一场万圣节玩笑。他使用了h.G.威尔斯的基本剧情，在CBS国家广播作了一系列简短的新闻报道，中断舞曲，一个小时、一个小时地重播火星人对地球的入侵和文明的随之崩溃。数百万美国人被来自火星的机器降落在新泽西州格洛佛米尔（Grover’s Mill）并且正在发射死光毁灭整个城市和征服世界的“新闻”惊吓得惶恐不安（报纸后来纪录了人们逃离该地区时的自发性疏散，有目击者称，他们能够闻到毒气和看见远处的光亮闪烁）。

对火星的着迷在20世纪50年代再次达到高峰，天文学家们留意到火星上有一个看起来像个巨大的M、横跨数百英里的奇怪花纹。评论员注意到M可能代表“火星”（Mars），火星人在和平地向世人报告他们的存在，就像啦啦队长们在足球场里拼出面们球队的名字（另一些人令人沮丧地观察到M花纹其实是一个，表示“战争”［war］。换句话说，火星人事实上是在向地球宣战）。小小的恐慌最终在神秘的M如它突然出现一般突然消失后平息了，从各种情况来看，这个花纹都是由一场覆盖整个星球（除四座大火山的顶部）的沙尘暴造成的。这些火山的顶部粗略地形成了一个M或者的形状。

<h3>对地外生命的科学捜索</h3>

研究地外生命存在可能的严肃科学家宣布，不可能对这样的生命体给予任何肯定的言词——假设它存在的话，但是，我们可以在我们所知的物理、化学和生物知识基础上作出一些关于外星生命本质的大致概括。

首先，科学家相信液态水是宇宙中制造生命的关键要素。“跟着水走”是天文学家在太空中寻找生命迹象时所遵循的训条。液态水与大多数液体不同，是一种“宇宙溶剂”，能够溶解种类惊人的化学物质。它是一种理想的搅拌剂，能够创造越来越复杂的分子。水还是一种单纯的分子，在宇宙各处均有发现，而其他溶剂则相当稀有。

其次，我们知道碳在生命的创造中是一项非常可能出现的要素，因为它有四个键，因此有能力与四个其他原子结合并制造出复杂到令人难以置信的分子。尤其是它易于形成长碳链，那是碳氢化合物和有机化学的基础。其他具有四个键的元素不拥有如此丰富的化学性质。

碳的重要性的最生动示例是斯坦利·米勒（Stanley Miller）和哈罗德·尤里（harold Urey）在1953年主持的著名实验，显示生命的自发形成可能是碳化学反应的自然副产品。他们采用了氨、甲烷和其他他们认为存在于早期地球上的有毒化学物质，将之放入一个烧瓶中，并把它暴露在一小股电流之下，随后等待。在一周内，他们就能够看到氨基酸在烧瓶内自发形成。电流足以击碎氨和甲烷中的碳键，随后将原子重新排序成为氨基酸——蛋白质的先期形式。在某些意义上，生命可以自发形成。自那以后，氨基酸已经在陨石以及太空深处的气云中被发现。

第三，生命的根本基础是名叫DNA的、具有自我复制能力的分子。在化学上，具有自我复制能力的分子极为稀有，地球上首个DNA分子的形成花了数亿年，可能是在大洋深处。可以推测，如果有人可以在大洋中将米勒—尤里实验进行100万年，DNA式的分子会自动形成。在地球历史早期，地球上首个DNA分子出现的地点之一可能是大洋底的火山口。因为在光合作用与植物到来之前，火山口的活动将为早期DNA分子和细胞提供便利的能量补给。是否有其他DNA之外的以碳为基础的分子也能够自我复制，我们并不清楚，但宇宙中其他能自我复制的分子很可能与DNA在某种程度上相似。

所以，生命可能霈要液态水、碳氢化合物和DNA那样的能以某种形式自我复制的分子。使用这些大致的标准，我们可以就宇宙中智能生命发生的频率获得一个粗略的估计。康奈尔大学天文学家弗兰克·德瑞克（Frank Drake）是首批（1961年）作出大致估算的人之一。如果从银河系中的1000亿颗星体人手，你可以估算出它们中有多少比例是我们的太阳这样的恒星。在它们中，你可以估算有多少比例拥有在它们周围运动的太阳系。

更加具体的是，德瑞克的方程式通过将几个数宇相乘估算出了银河系中文明的数量。这些数字包括：

<small>·毎颗恒星拥有的具备生命条件的行星数量</small>

<small>·确实有生命产生的行星的比例</small>

<small>·能够交流并且有意愿进行交流的比例</small>

通过使用合理的估算和将这一连串可能性相乘，我们会意识到仅在银河系中就可能存在100～10000颗能够庇护智慧生命的行星。如果这些智慧生命形式一直散布遍及银河系，那么我们可以期待找到一颗离地球仅几百光年的这样的行星。1974年，卡尔·萨根估计，仅仅在我们的银河系中就有多达100万个这样的文明存在。

这样的理论化行为反过来为那些期盼找到地外文明证据的人提供了额外的正当理由。有了对于能够产生智慧生命形式的行星的有利估计，科学家们开始以严肃的态度寻找这样的行星可能发射出的无线电信号，很类似于我们自己的行星在过去的50年中已经发射出的电视和广播信号。

<h3>倾听外星人</h3>

寻找外星智慧（traterrestrial Intelligence，SEtI）项目要追溯到一份由朱赛佩·可可尼（Giuseppe Cocconi）和菲利普·莫里森（Philip Morrison）写于1959年的颇具影响的论文，他们提议，收听频率在1千到10千兆赫之间的微波发射是最适合收听外星通讯的方法（低于1千兆赫，信号会被快速移动的电子所发出的射线所冲散；超过10千兆赫，来自我们大气中氧气和水分子的噪声会干扰所有的信号）。他们选择1.420千兆赫作为最有希望听到来自太空中信号的频率，因为那是普通氢气——宇宙中丰富元素的发射频率（因为其在外星通讯上的便利，这一范围左右的频率被起了“饮水池”这一绰号）。

然而，在接近“饮水池”的位置对智慧信号的证据进行搜索，结果令人失望。1960年，弗兰克·德瑞克发起了奥兹玛计划（Project Ozma）（以中奥兹女王的名宇命名），在西弗吉尼亚州的绿岸（Green Bank）使用25米射电望远镜搜索信号。多年来，无论是在奥兹玛计划中还是其他一时兴起、试图细查夜空的计划中一直没有任何信号被发现。

1971年，NASA制订了一项野心勃勃的方案，为SEtI的研究拨款，代号为计划（Project Cyclops）。这一行动需要1500台射电望远镜，耗资100亿美元。不出所料，研究没有取得任何收获。一个更为适度的方案确实获得了资助，将一条仔细编码的消息送给太空中的外星生命。在1974年，一条1679比特的编码消息通过位于波多黎各的巨型阿雷西博（Arecibo）射电望远镜向约25.1万光年外的M13球状星团发出。在这条简短的信息中，科学家制造了一个23X73的三维网格图形，标绘出了我们太阳系的位置，包含一幅人类图像和一些化学方程式（由于距离遥远，来自太空回复的最早日期将是距今52174年以后）。

国会并没有对这些计划的重要性产生多大印象，哪怕是在一则神秘的、被称为“ow”的无线电信号于1977年被接收到之后。它由一系列似乎非随机的字母和数宇组成，仿佛表示着智慧生物的存在（一些见过ow信号的人并不确信这一点）。

1995年，受困于缺乏来自联邦政府的资金支持，天文学家们转而寻求私人资金来源，在加利福尼亚州山景城（Mountain VieI研究所（SEtI Institute），将SEtI研究集中起来并开始凤凰计划（Project Parter）博士（电影《接触》［Contact］中朱迪·福斯特［Judy Foster］所扮演的科学家的原型）被任命为主管（计划中使用的设备极为灵敏，可以感应到200光年之外某个机场雷达系统的射线）。

自1995年起，SEtI研究所己经仔细査看了超过1000颗星体，每年耗资500万美元。但没有明确的结论.虽然如此，SEtI的高级天文学家塞思·肖斯塔克（Setak）乐观地认为，目前正在旧金山东北250英里处建造、拥有350个天线的艾伦望远镜阵列（Allen telescope Array）“将在2025年前捕捉到一则信号”。

更为新奇的方法是SEtI@I@home还没有发现来自智慧来源的信号。

在几十年的辛勤工作后，SEtI研究缺乏显著的进展，迫使其支持者提出了严峻的疑问。它明显的缺陷之一可能是仅仅使用来自规定频段的无线电信号。有人提出外星生命可能会使用激光信号而非无线电信号，激光有几项超越无线电的优势，因为激光的波长短，这意味着可以在一个光波内包含比使用无线电更多的信号。但由于激光是高度定向的，并且同样只具有一个频率，要精确地调整到正确的激光频率极为困难。

另一个明显的缺陷是SEtI研究人员对于特定无线电频段的依赖。如果存在外星生命，它可能会使用压缩技术，或者可能通过较小的压缩包分散信息，这是当今在现代因特网上常用的策略。收听散布到许多频率上的压缩信息，我们或许只能听到杂乱的噪声。

哪怕SEtI面临所有的艰巨问题，假设在本世纪的某个时候能够探测到来自某个外星文明的信号仍旧是合理的——如果这样的文明存在的话。如果这种情况发生的话，那么它将是人类历史上的一个里程碑。

<h3>它们在何处？</h3>

SEtI计划至今没有找到来自宇宙中智慧生命信号的迹象，迫使科学家们冷静、严厉地看待弗兰克·德瑞克关于其他星球上智慧生命的等式背后的假设。近期的天文发现使我们明白，找到智慧生命的可能性与最初由德瑞克在20世纪60年代所计算的有很大差距。智慧生命存在于宇宙中的可能性与最初的认知相比既更乐观了，也更悲观了。

首先，新的发现使我们相信生命可以用不同于德瑞克的方程式所认为的方式繁荣。过去，科学家认为液态水只能存在于围绕着太阳的“可居住区”（Goldilocks zone）内（从地球到太阳的距离“正合适”。不能太靠近太阳，因为海洋会沸腾；也不能太远，因为海洋会冻结；“正合适”使得生命成为可能）。

所以，当天文学家发现水可能存在于木卫二（Europa）——一颗结冰的木星卫星——表面覆盖的冰层之下的线索时引起了轰动，木卫二远远在可居住区之外，因此它似乎不满足德瑞克的方程式的条件。然而，期汐力或许足够溶化木卫二表面的冰层，并且产生—个永久性的液态海洋。当木卫二绕木星快速转动的时候，木星的巨大引力场将卫星像橡皮球那样挤压，在其内核深处造成摩擦，这反过来可能导致冰层熔化。由于仅仅在我们的太阳系中就有超过100颗卫星，这意味着太阳系中可能存在大量可居住区之外的支持生命的卫星（而且迄今在太空中发现的250个左右巨型太阳系外行星可能同样有能够支持生命的冰冻的卫星）。

再者，科学家们认为宇宙中可能充满着不围绕任何恒星转动的流浪的行星。由于湖汐力的作用，任何绕一颗流浪行星公转的卫星的冰层下都可能存在着水，由此也就可能有生命。但是这样的卫星不可能用我们的仪器观察到，我们的仪器依靠的是来自其母星体的探测光。

由于太阳系中卫星的数量可能大大超出行星的数量，而且由于银河系中可能有数百万颗流浪行星，宇宙中拥有生命形式的天体数量可能比先前认为的多得多。

另一方面，其他天文学家总结说，出于林林总总的原因，可居住区内行星上生命存在的可能性或许远比最初德瑞克估计的要低。

首先，计算机程序显示太阳系中必须有一颗木星大小的行星存在，好将路过的慧星和卫星掷入太空，由此不停地将太阳系打扫干净，并且使得生命成为可能。如果木星不存在于我们的太阳系中，地球会被彗星和卫星撞击，使生命无法存在。华盛顿卡内基学会（Carnegie Institution）的天文学家乔治·维瑟里尔（George etherill）博士估计，我们的太阳系中没有了木星或者土星存在，地球将遭受比现在多1000倍的小行星撞击，每一万年造成一次巨大的威胁生命的影响（如6500万年前灭绝恐龙的那一次）。“很难想象生命如何在那样极端的猛烈攻击中存活下来。”他说。

其次，我们的行星是由一颗大型卫星所庇护的，它帮助稳定地球的自转，将牛顿的万有引力定律延长数百万年，科学家们可以证明，没有了大块头的月亮，我们的地轴或许会变得不稳定，地球或许会胡乱翻滚，使得生命无法存在。法国天文学家雅克·拉斯克（Jacques Lasker）博士估计，没有月亮，地轴可能会在0到54°间摆动，这将造成使生命无法存在的极端气候条件发生。因此，必须把一个大型卫星的存在列入德瑞克方程式的条件（火星拥有两个微型卫星，体积过小而无法稳定其自转，这一事实表示火星可能在遥远的过去翻滚过，并且，可能在未来再次翻滚）。

第三，近来的地质学迹象指明一个事实：过去地球上的生命曾有多次濒临灭绝。约20亿年前，地球可能完全被冰层覆盖，那是一个几乎无法支持生命存在的“雪球地球”。在其他的时期，火山爆发和流星撞击可能几乎毁灭了地球上所有的生命。所以，生命的创造和进化比我们原先想象的要脆弱。

第四，智慧生命在过去同样曾几乎灭绝。最新DNA证据显示，约10万年以前，可能只有数百到数千人类存在，大多数某个确定物种下的动物都有很大的基因差异进行区分，与它们不同，人类的基因构成都很近似。与动物王国相比，我们几乎是各自的克隆体。这一现象只能用我们的历史曾存在“瓶颈”来解释，在那时，大多数的人类几乎灭绝。例如，一次大型火山爆发可能导致气候突然变冷，几乎使整个人类死亡殆尽。

还有，偶然发生的事件对于在地球上产生大量生命也是必须的，包括：

<small>·一个强烈的磁场：这是偏转会毁灭地球生命的宇宙射线和辐射所必需的。</small>

<small>·适中的行星转速：如果地球转得太慢，面对太阳的一面会变得极热，而另一面会变得长时间极冷；如果地球转得太快，就会产生极为严酷的气候环境，比如怪风和风暴。</small>

<small>·距离银河系中心适合的位置：如果地球太靠近银河系中心，它会遭遇危险的辐射；如果离中心太远，我们的星球就不具备足够的元素创造出DNA分子和蛋白质。</small>

出于所有这些原因，天文学家们现在相信生命可能存在于可居住区之外的卫星或者流浪行星上，但是如地球这样位于适合居住区内、能够支持生命的行星存在的可能性要远低于过去的认知。总的来说，大多数对于德瑞克方程的评估都显示在银河系里找到文明的可能性或许小于最初的估计。

正如彼得·沃德（Peter ard）教授和唐纳德·布朗李（Donald Brown lee）写道的：“我们相信微生物形式的生命和与它们类似的生物在宇宙中很常见，或许比德瑞克和萨根所想象的更多。然而，复杂的生命，如动物和高等植物，可能远远比我们通常假设的要少。”事实上，沃德和布朗李提出，地球可能是银河系中唯一能保护动物生命的存在（尽管这一理论可能减少在银河系中对智慧生命的寻找，但它还是提出了在其他遥远的星系中存在生命的可能性）。

<h3>寻找类似地球的行星</h3>

当然，德瑞克方程纯粹基于假设。这就是为什么在太空中寻找生命，由于太阳系外行星的发现经历了一次热潮。阻碍对太阳系外行星进行研究的是，它们在任何望远镜中都是不可见的，因为它们自己不会发光。它们总体上比它们的母星球黯淡100万到10亿倍。

为了找到它们，天文学家被迫分析其母星球的摆动，前提是假设一颗木星大小的大行星能够改变一颗恒星的轨道（想象一只追逐自己尾巴的狗。母星球和其木星大小的行星以同样的方式通过围绕各自转动相互“追逐”。望远镜无法看到那颗木星大小的行星，因为它处于阴影中。但母星球是清楚可见的，并且表现出前后摆动）。

首颗真正的太阳系外行星是1994年由宾夕法尼亚州立大学（Pennsylvania State University）的亚历山大·沃尔兹森（Alexander olszczan）博士发现的。他观察围绕一颗死去的恒星——一颗自转的脉冲星公转的行星。因为母星作为一颗超新星可能已经发生了爆炸，看起来这些行星好像是死去的、焦煳的。次年，两位来自日内瓦的瑞士天文学家迈克尔·梅耶（Michel Mayor）和戴狄尔·魁若兹（Didier Queloz）宜布他们发现了一颗更有希望的行星，它的质量与木星相近，环绕飞马座51（51 Pegasi）的轨道运行。此后不久，相关发现就大量涌现了。

在过去十年中，被发现的太阳系外行星的数量经历了极快的增长。位于布德（Boukler）的科罗拉多大学的地质学家布鲁斯·捷克斯基（Bruce Jakosky）说：“这是人类历史上的一个特殊时期。我们是实际可能在另一颗行星上发现生命的第一代。”

迄今为止，观察到的太阳系没有一个与我们的太阳系相似。事实上，它们与我们的太阳系很不一样。天文学家曾经认为我们的太阳系是遍布宇宙的其他太阳系的典型，有着环形轨道和包围着母星的三圈行星：与恒星最近的岩石行星带、其外侧的气态行星和最外圈的冰冻星球带。

令人惊讶的是，天文学家们发现在其他太阳系中没有行星符合这一简单的规则。特别是，木星大小的行星被认为应当在远离母星的位置发现，但事实上许多这样的行星不是在离母星极近的轨道上运行（甚至比水星的轨道更近），就是在完全椭圆形的轨道上运行。不论是哪一种形式，一颗小型的、如地球般在适合居住区内运转的行星在任意一种条件下都是不可能存在的。如果木星大小的行星在离母星过近的轨道上运转，那就意味着这颗木星大小的行星是从遥远的距离迁移过来、并逐渐被卷入太阳系中心的（可能由尘埃的摩擦引起）。假如是那样的话，木星大小的行星将会最终穿过较小的、像地球那样的行星的轨道，将其掷入太空。如果木星大小的行星绕高度椭圆形的轨道运转，那就意味着它会有规律地穿过适合居住区域，同样会导致任何地球那样的行星被甩入太空。

这些研究结果对于希望发现其他地球式的行星的行星猎人和天文学家来说令人扫兴。但是，事后诸葛亮式地说，这样的发现是可以预见的。我们的仪器太过粗糙，它们只能发现体积最大、移动最快、能够对母星造成可测量影响的木星大小的行星。因此，当今的望远镜只能够发现在太空中快速移动的“怪物行星”。如果太空中存在着我们的太阳系的孪生兄弟，我们的仪器可能原始得无法发现它。

所有这一切都可能随着“科洛特”（Corot）、“开普勒”（Kepler）和“类地行星发现者号”（terrestrial Planet Finder）的投入使用而改变，这三颗人造卫星是为了在太空中找出与地球相仿的行星而制造的。比如，“科洛特”和“开普勒”人造卫星将探察在一颗类似地球的行星穿过母星表面时略微减弱母星光芒而投下的模糊阴影。虽然类似地球的行星无法被观察到，但其母星光芒的减弱能够被人造卫星探测到。

法国的“科洛特”人造卫星（在法语中其名字Corot表示对流［Convection］、恒星自转［Stellar Rotation］和行星凌日［Planetray transits］）在2006年12月成功发射，标志着首台寻找太阳系外行星的宇宙探测器的诞生。科学家们希望找到10~40颗类似地球的行星，如果他们愿望成真的话，这些行星可能是岩石类的，而非气态行星，而且仅比地球大出数倍。“科洛特”也可能会为已经在太空中发现的许多木星大小的行星增加数量。“‘科洛特’”将会找到各种大小和性质的太阳系外行星，与我们目前能在地面做到的完全不同。”天文学家克劳德·卡特拉（Claude Catala）说。尽管科学家希望这颗人造卫星探察多达12万颗星体。

任何一天，“科洛特”都可能发现首颗类似地球的行星，这将成为天文史上的转折点。未来，人们在凝视夜空的时候或许会有一种对于存在的震撼，并意识到天空中有能够庇护智慧生命的行星。当我们在未来仰望天空的时候，我们或许能发现自己正在好奇是否有人正回望我们。

“开普勒”人造卫星被初步安排在2008年晚些时候由NASA发射。它非常灵敏，因此也或许能在太空中探测到多达数百颗类似地球的行星，它将测量10万颗恒星的亮度，以探测当任何行星穿过恒星表面时的动态。在它投入运转后的四年中，“开普勒”将分析和观察数千颗遥远的恒星，它们中离地球最远的在1950光年之外。在其投进人轨道的第一年，科学家期待“开普勒”人造卫星能够大致发现：

<small>· 50颗与地球大小近似的行星。</small>

<small>· 640颗体积约为地球2.2倍的行星。</small>

“类地行星发现者号”可能有更大把握找到类似地球的行星。在数次延期后，它初步定于2014年发射。它将以极高的精确度分析多达100颗最远位于45光年之外的恒星。它将装备两个单独的装置以搜索遥远的行星，首先是一台日冕仪：一架特殊的望远镜，能够阻挡来自母星的光线，使其光亮减少到约十亿分之一。这架望远镜将比哈勃太空望远镜大3-4倍，精确10倍。类地行星发现者号上的第二个装置是一台干涉仪，它通过干扰光波将来自母星的光亮降低到一百万分之一。

同时，欧洲航天局（European Space Agency）正在计划发射自己的行星发现者号——“达尔文号”（Darwin），它将在2015年或更晚些时候被送入轨道。计划中它将由三台太空望远镜组成，每台直径约3米，排成队形飞行，起到一台大型干涉仪的作用。它的任务同样是在太空中找出类似地球的行星。

对太空中数百颗类似地球的行星进行鉴别将有助于重新调整SEtI的工作重点。天文学家将把他们的精力集中在一小部分能够拥有地球的孪生兄弟的恒星上，而不是漫无目的地査看近处的恒星。

<h3>它们的面貌会如何？</h3>

科学家们尝试着使用物理学、生物学和化学来猜测地外生命看起来会是什么样子。例如，艾萨克·牛顿自问为什么身边所看到的动物都具备双边对称性——排列对称的两只眼睛、两条手臂和两条腿，这仅仅是巧合还是上帝所为呢？

如今，生物学家们相信，在约5亿年前寒武纪生命大爆炸中，大自然为小型的、新出现的多细胞生物试验了一组巨大数量的形态排列，有些具备X、Y或Z形的脊髄，有些像海星那样具备辐射性对称。出于偶然，有一种生物拥有形状像I的脊髄，具备双边对称性，而且它是地球上大多数哺乳类动物的祖先。因此，大体上拥有双边对称性的类人外形——也就是好莱坞电影用来描绘太空中外星人的形式，不一定适用于所有的智慧生命。

有些生物学家认为，寒武纪生物大爆炸期间多样的生命形式繁荣旺盛的原因是一次捕食者和被捕食者之间的“军备竞赛”。首批能够吞食其他生物的多细胞生物的出现迫使两者加速进化，为胜过对方一筹而比赛着，就像冷战期间前苏联和美国之间的军备竞赛，双方不得不你追我赶以保持领先于对方。

通过研究生命如何在这个星球上进化，我们或许也能作出以下关于智慧生命如何在地球上演变的推断，科学家们已经总结出智慧生命可能需要：

<small>·某种形式的视觉或者感觉机制，以探索其周围环境。</small>

<small>·某种形式的拇指，用来抓东西，也可以是触须或者螯。</small>

<small>·某种形式的交流系统，比如说话能力。</small>

这三种特征是感觉我们的环境并最终控制它——两者都是智慧的象征——所需要的。但除去这三个特征之外，任何特点都是被允许的。与许多出现在电视上的外星人正相反，外星生物完全不需要长得像人类。我们从电视上和电影中看到的外貌像孩子、眼球突出的外星人，其实看起来与20世纪50年代B级电影中的外星人有可疑的相似，而这些电影已经被深深埋藏在我们的无意识之中了。

（然而，有些人类学家为智慧生命增添了第四条标准，以解释一个不寻常的事实：人类远比为了能在森林中生存所需要的智慧程度聪明得多。我们的大脑能够掌握太空旅行、量子理论和高等数学——这些都是在森林中狩猎和觅食完全不必要的能力。为什么会有这样额外的智力？在自然界，当我们看到一队如猎豹和羚羊这样的动物，它们具备远远超越生存所需的卓越能力，我们会发现它们之间存在着某种军备竞赛。同样，一些科学家相信存在第四条标准，生物“军备竞赛”推进了智慧人类。那次军备竞赛成功是与我们物种的其他成员进行的。）

考虑到地球上非比寻常的多样化生命形式，举例来说，如果有人可以选择性地在数百万年中繁殖八足类动物，想必它们或许也会成为智慧生物。（我们在600万年前从猿类中分离出来，或许是因为我们不能很好地适应非洲变换的环境。与之形成对比的是，八足类动物非常适应自己在岩石之下的生活，并因此数百万年都没有进化。）生物化学家克利福德·皮寇弗（Clifford Pickover）说，当他注视着所有“奇形怪状的贝类动物、黏乎乎又有触手的海蜇、模样怪异的雌雄同体蠕虫和黏菌的时候，我明白上帝具备幽默感，而且我们会看到这种幽默感在宇宙中以其他形式反映出来。”

但是，好莱坞在将智慧外星生命形式描绘成肉食动物的时候或许是道出了真相，肉食外星生物不仅能保障更高的票房销售额，这一描述还包含了少量事实。捕食者通常比被捕食者要聪明。捕食者必须运用狡诈来谋划、潜近、隐藏，并且伏击被捕食者。狐狸、狗、老虎和狮子的眼睛在它们的面孔前方，以便在突然扑向猎物的时候判断距离。有了两只眼睛，它们可以使用三维立体视觉追踪它们的猎物，另一方面，被捕食者，例如鹿和兔子，仅仅需要知道如何逃跑。它们的眼睛位于它们的面部两侧，以便在自己周围360°范围内搜索捕食者。

换言之，太空中的智慧生命很可能是由在面部前方拥有眼睛或者某种感应器官的捕食动物进化而来。它们很可能具有我们在地球上的狼、狮子和人类身上发现的某些肉食性、攻击性和领域行为（但是由于这样的生命形式可能是以完全不同的DNA和蛋白质分子为基础的，它们将没有兴趣吃我们或者与我们交配）。

我们还可以使用物理学来推测它们的身体会有多大，假设它们居住在地球大小的行星上，并且与地球上的生命形式有着大致相同的部分是水，那么，由于标度律的关系，巨型的生物或许是不可能的存在。标度律说明了当我们增加任何物体的规模，物理定律都会发生剧烈的变化。

<h3>怪兽与标度律</h3>

举例来说，如果真的存在的话，他不会有能力使纽约城人心惶惶。相反，他的腿可能会在他迈出一小步的时候就折断，这是因为，如果将一头大猩狸的体积增加10倍，那么他的体重增长倍数将会根据体积的增加而增加，即增加10×10×10=1000倍。因此，他将会比原来重1000倍。伹力量的增长与他的骨头和肌肉厚度成比例。他的骨骼和肌肉的横断面仅仅增加了体积增加倍数的平方倍数，也就是10X10=100倍，换句话说，如果金刚比普通狸猩大上10倍，他只会比普通猩猩强壮100倍，但他要重上1000倍还多。如此，在我们增加猩猩的身体大小的时候，他的体重增长远快于力量增长。相对来说，他会比一只普通的猩猩虚弱10倍。这就是金刚的腿为什么会折断的原因。

上小学的时候，我记得我的老师对一只蚂蚁的力量大感惊讶，它能够抬起一片重量是自己体重好多倍的叶子。我的老师得出结论说，如果一只蚂蚁有一座房子大小，那么它就可以抬起那座房子。但是，出于我们已经在金刚身上看到的同一个原因，这个假设是不正确的。如果一只蚂蚁有一座房子大小，它的腿同样会折断。如果将一只蚂蚁的体积增加1000倍，那么它会比一只普通的蚂蚁虚弱1000倍，因此它将由于承受不了自己的体重而垮掉（它还会窒息而死。一只蚂蚁通过自己身体两侧的孔进行呼吸。这些孔按照其半径的平方增加大小。因此，一只比普通蚂蚁大1000倍的蚂蚁获得的支持其肌肉和身体组织所必需的氧气比普通蚂蚁少1000倍，这也是滑冰冠军和体操冠军往往比普通标准矮小的原因，尽管他们的比例和其他任何人一样。体重每减轻一磅，他们就会比高个子的人有更强的局部肌肉力量）。

使用标度律，我们还可以计算地球动物的大致外形，或许还可以计算太空中外星人的大致外形，一头动物释放的热量根据其体表面积的增加而增加，因此，将其体积增加10倍，其热量消耗增加10×10=100倍。但是体内的热含量与其体积成正比，即10×10×10=1000倍，因此，大型动物的热量消耗比小型动物慢（这就是冬天我们的手指和耳朵首先冻僵的原因，因为它们的相对体表面积最大，这也是小个子的人比大个子的人更先感觉寒冷的原因。这解释了报纸为什么会非常快速地烧尽，因为它们有很大的相对表面积。而木柴烧得很慢，因为它们的表面积相对较小。这还解释了为什么N极区的鲸鱼体形是圆滚滚的——因为球体具有单个单位质量下最小的可能表面积。同样，这也可以解释为什么温暖环境中的昆虫得以拥有细长的体形，具有单个单位质量下相对较大的体表面积。

在迪斯尼影片《亲爱的，我把孩子变小了》（he Kids）中，一家人缩小到了蚂蚁的体形。一场暴风雨开始了，在微型世界中，我们看到微型的雨点落到布丁上。在现实中，蚂蚁眼中的一滴雨水看起来不是小小的雨滴，而是巨大的水做的小丘或半球，在我们的世界里，一块半球状的水丘是不稳定的，并且会在万有引力之下由于它自己的重量而崩溃。但在微型世界里，表面张力相对较大，因此半球状的水丘是完全稳定的。

同样，在太空中我们可以使用物理定律估算遥远星球上动物的大致面积与体积比率。有了这些定律，我们可以理论化地说太空中的外星人不太可能会是科幻小说中描绘的巨人，而是更有可能在体积上与我们近似（然而，鲸鱼由于海水的浮力体形会更庞大，这也能够解释为什么搁浅在沙滩的鲸鱼会死，因为它被自己的体重压垮了）。

标度律意味着当我们在微型世界中越陷越深，物理定律会随之改变，这能说明为什么量子理论在我们看来如此古怪，而且违背关于宇宙的常识性概念，因此标度律排除了科幻小说中出现的“世界中的世界”，即一个原子内可能有一整个宇宙，或者我们的银河系可能是一个更大的宇宙中的一个原子。这一概念在影片《黑衣人》（Men in Block）中得到了探索，在影片的最后一幕，镜头离地球越摇越远，转向行星、恒星和银河系，直到我们的整个宇宙变成了由巨型外星生物玩耍的巨大天外游戏中的一颗小球。

在现实中，一个充满星体的星系与一个原子毫无相似之处。在原子内部，电子壳中的电子与行星全然不同。我们知道所有的行星都各不相同，并且可以在离母星任意距离的轨道上运行。然而，在原子中，所有的亚原子粒子都一模一样。它们无法在距离原子核的任意位置上运转，而是仅仅在离散轨道上运行（再者，与行星不同，电子可以表现出违反常识的古怪行为，比如同一时刻出现在两个地点和具有波的性质）。

<h3>先进文明的物理学</h3>

使用物理学勾勒出宇宙中可能存在的文明的轮廓也是可行的。如果我们看一下在过去10万年中，自从现代人类出现在非洲后我们自己文明的崛起，它可以被看作能源消耗不断上升的过程，俄罗斯天体物理学家尼科拉伊·卡尔谢夫（Nikolai Kardashev）推测，宇宙中外星文明发展的阶段同样可以用能源的消耗进行划分。他使用物理学定律将可能存在的文明划分为三种类型：

<small>I型文明：能够取用星球的能量，利用所有照射在他们星球上的阳光。他们或许能利用火山的能量、操纵气候、控制地震，并且在海洋上建造城市。所有的行星能量都在他们的掌握之中。</small>

<small>Ⅱ型文明：能够完全利用太阳的能量，使得他们比I型文明力量强大l00亿倍，《星舰迷航》中的星际联邦就是一个Ⅱ型文明。Ⅱ型文明在某种意义上是不朽的，没有任何科学已知的事物，如冰川纪、流星撞击、甚至超新星可以毁灭它（万一他们的母星将要爆炸，这些生物可以迁移到另一个星系中去，或者甚至可以搬走他们的家园所在的行星）。</small>

<small>Ⅲ型文明：能够利用一整个银河系的能量，他们比Ⅱ型文明还要强大100亿倍。《星舰迷航》中的博格人（Borg）、《星球大战》中的帝国和阿西莫夫中的银河帝国文明相当于Ⅲ型文明。他们已经对数十亿星系进行殖民统治，并且能够利用位于银河中心的黑洞的能量。他们在银河中的太空航道上自在地游荡。</small>

卡尔谢夫估计任何以每年百分之几的中等速度成长的文明都会在数千年到数万年的时间内很快从一个类型进步到下一个类型。

如同我在自己过去的书中所说过的那样，我们的文明符合0型文明的条件（比如我们利用死去的植物、石油和煤来为我们的机器提供燃料）。我们只利用落在我们星球上的太阳能微不足道的一小部分。但是我们已经能看到I型文明的开端出现在地球上。互联网是联系整个星球的I型电话系统的开端。从欧盟的兴起可以看到I型经济的初始阶段，它反过来是为了与NAFtA竞争而创立的。英语已经是地球上居于首位的第二语言，也是科学、金融和商业领域所使用的语言。我猜想它将成为几乎每个人都使用的I型语言。地区文化与风俗将依旧以数千种不同的形态在地球上蓬勃发展，但在这幅以不同人群镶嵌起来的图画之上的将是全球文化，它可能会被年轻文化和商业文化所支配。

从一个文明过渡到下一个文明是非常难以保证的。例如，最危险的过渡可能是0型文明I型文明间的过渡。0型文明仍旧充斥着标志其崛起的宗派主义、极端主义和种族主义，这些种族和宗教狂热是否会压倒文明间的过渡尚不清楚（或许我们在这个银河系中没有看到I型文明的原因是它们始终没能完成过渡，比如说：它们自我毁灭了。某一天，当我们访问其他星系的时候，我们或许会发现文明的遗迹，它们以这样那样的方式自杀了，例如：它们的大气层变得具有辐射性，或者变得过热，无法维系生命。）

当一个文明达到Ⅲ型文明阶段的时候，它具备了在银河系中自由旅行的能量和知识，并且甚至可以到达地球。就如电影《2001》中那样，这样的文明非常可能发送能自我复制的机器人型探测器到整个银河系中，搜索智慧生命。

但是Ⅲ型文明很可能不会轻易来拜访我们，或者像电影《独立日》中那样来征服我们。在影片中，这样一个文明如蝗灾般蔓延，在各个星球周围成群飞行，吸取星球上的资源直至枯竭。事实上，在太空中有数不尽的死去的行星，拥有大量矿藏资源可以让他们收获，而无须面对面对付难以征服的原住人类的麻烦。他们对待我们的态度或许就像我们对待蚂蚁的态度。我们的态度是不会弯腰向蚂蚁献上珠子和饰物，而是简单地忽略它们。

蚂蚁面临的主要危险不是人类想要侵略它们或者消灭它们，而仅仅是我们可以因为它们在路中间就把它们压到铺路石下面去。要知道，从能源使用的角度来说，Ⅲ型文明和我们的0型文明之间的差距要比我们与蚂蚁之间的差距大得多。

<h3>UFO</h3>

有些人声称外星生命已经以UFO的形式拜访过地球。许多科学家会在听到UFO的时候翻白眼，且对其存在的可能性不屑一顾，因为星体之间的距离是那么遥远，但是，不论科学家们的反应如何，关于UFO不间断的报道多年来并没有变少。

对UFO的目击事实上可以追溯到有纪录的历史开端。在《圣经》中，预言家以西结（Ezekjel）神秘地提到了“天空中轮子里的轮子”（wmose Ⅲ）在位期间，埃及文士纪录了一桩体积比太阳更亮的“火圈”的事件，火圈直径约5米大小，持续出现了数日，最终升入了天空。在公元前91年，古罗马作家儒勒·奥本斯昆斯（Julius Obsequens）写到了关于“一个球形物体，像一台地球仪，一个球形或者圆形的盾牌遁入了天空”。在1235年，一位将军和他的军队在日本京都附近见到有奇怪的球状光芒在舞动。1561年，有大量物体出现在德国纽伦堡（Nuremberg）上空，仿佛在参加一场飞行器战役。

更近一些时候，美国空军主持过一项大规模UFO目击研究。在1952年，空军开始了蓝皮书计划（Project Blue Book），这一计划分析了总共12618次目击事件。报告作出结论，这些目击物绝大多数都可以用自然现象、普通飞机和恶作剧来解释。然而，有6%的目击物被归类为来源不明的物体。但是，《康顿报告》（Condon Report）认定这样的研究不存在有意义的内容，结果，蓝皮书计划在1969年被关闭。这是美国空军最后一项为人所知的大型UFO研究项目。

2007年，法国政府将其浩如烟海的UFO相关档案向普通民众开放。这份由法国国家太空研究中心（Frencional Center for Space Studies）通过互联网公布的报告包含1600次UFO目睹事件的纪录，时间跨度为50年，包括10万页目击报告、影像和录音带。法国政府宣布，这些目击事件中有9%是完全可以解释的，有33%是有可能解释的，但他们无法继续深入调查其余的事件。

自然，独立证实这些目击事件是困难的。事实上，大多数UFO报告在仔细分析后可以作为以下情况的结果加以忽略：

<small>·金星：它是夜空中仅次于月亮的第二明亮的物体。由于它与地球之间的距离极为遥远，当你驾车行驶的时候金星看上去似乎在跟随着你，造成了有人驾驶它的错觉，正如月亮看上去会跟踪你一样。我们部分地依靠将移动物体与其周围景物进行比较来判断距离远近。由于月亮和金星是如此遥远，没有物体可以与之比较参照，它们并不根据我们周围的景物而移动，因此给我们造成它们在跟随我们的视觉错觉。</small>

<small>·沼气：当逆温发生在沼泽地区上方，气体会在地面上空盘旋，并且会变得略微白热化。小部分的气体可能会从大团气体中脱离出来，造成侦察机正离开其“母舰”的图像。</small>

<small>·流星：明亮的光条能在数秒钟之内穿过夜空，造成有人驾驶的宇宙飞船的错觉。它们还可以散开，同样会造成侦察机正在离开母舰的错觉。</small>

<small>·大气异常：这些是各种能以奇特的形式照亮天空的雷暴和异常大气事件，造成UFO出现的错觉。</small>

在20世纪和21世纪，以下现象同样可能造成UFO目击事件：

<small>·雷达回波：雷达波会在山峰上弹开，并且制造回波，回波能被雷达显示器收到。这样的波甚至在雷达荧光屏上都是曲曲折折的，并且以极快的速度飞行，因为它们仅仅是回波。</small>

<small>·气象和研究气球：军方宣布，在一份具有争议的报告中，即1947年关于外星飞船在新墨西哥州罗斯烕尔（Ros Mogul）中一只飘荡的气球造成的。该计划是一项为了防止核战争爆发，对大气中雷达水平进行探测的顶级机密计划。</small>

<small>·飞行器：目前已知商业和军用飞行器曾经造成多次UFO报告，这种情况在先进的实验性飞行器进行的试飞中特别多，比如隐形轰炸机（美国军方事实上鼓励飞碟的传说，以便将公众注意力从秘密计划上转移）。</small>

<small>·人为骗局：最著名的声称捕捉到飞碟的照片中有一些其实是骗局。有一张著名的飞碟照片，能看到窗户和着陆舱，事实上是一台改装过的饲鸡器。</small>

至少95%的目击事件可以作为以上情况之一加以忽略，但这就使的余下的5%未被解释的事件悬而未决。最可信的UFO事件必须具备：⑴来自多个独立、可信的目击者；⑵出自多种来源的证据，如目击和雷达。这样的报道很难被忽视，因为他们牵涉到数种独立的鉴别。例如，1986年有一起JAL1628航班在阿拉斯加上空目击UFO的事件，接受了联邦航空管理局（FAA）的调査。UFO被JAL航班的乘客们所目睹，还被地面雷达追踪到。与之类似，关于1989-1990年间被北约的雷达和喷气拦截机追踪的、出现在比利时上空的黑色三角形物体有着大量的雷达观测纪录。根据CIA档案中的记录，在1976年，伊朗德黑兰（tehran）上空有一次目击，造成一架F-4喷气式拦截机多个系统失灵。

使科学家们沮丧的是，在这上千次有纪录的目击事件中，没有一件留下可靠的、能在实验室中重现的物理证据，没有外星人的DNA、外星人的计算机芯片或者外星人降落的证据曾经被获取过。

暂时假设这些UFO是真正的宇宙飞船，而不是幻象，我们会自问：它们会是什么样的宇宙飞船？以下是一些由目击者纪录的特征：

<small>·已知它们是在半空中曲折飞行的。</small>

<small>·已知它们会在经过时使汽车熄火，并且扰乱电力。</small>

这些特点没有一条符合对我们在地球上开发的火箭的描述。比如，众所周知火箭依赖牛顿的第三运动定律（任何运动都会有相等的作用力和反作用力）；而被引述的UFO似乎无论如何都没有任何排气。而且曲折飞行的飞碟所产生的地心引力会超出地球引力100倍，这是足以压扁地球上任何生物的地心引力。

这些UFO的特征可以用现代物理学进行解释吗？在电影——例如《飞碟入侵地球》（Earthe Frying Saucers）中，人们总是设想外星人在驾驶着宇宙飞船。然而，更大的可能性是，这样的飞船若是存在的话，它们会是无人操纵的（或者由半生物半机械的东西操纵）。这就解释了飞船为什么能够完成会产生正常情况下将挤垮一个生命体的地球引力的飞行花样。

飞船能够使汽车熄火，并且在空中安静地移动，意味着它是由磁力驱动的交通工具。磁力推进的问题在于，磁铁永远都伴随着两个磁极，N极和S极。如果将一块磁铁放在地球的磁场中，它只会旋转（就像指南针指针），而不会像UFO那样升起到空中。当一块磁铁的S极向一个方向移动，N极会向相反的方向移动，因此磁铁会旋转，哪里也去不了。

这一问题可能的解决方法之一是“磁单极子”，即只有一个磁极的磁铁，不是N极就是S极。一般来说，如果将一块磁铁一破为二，你是不会得到两个磁单极子的。相反，每个半块都会单独成为一块磁铁，有自己的N极和S极，也就是成了另一块双极磁铁。因此，如果继续将磁铁捣碎，你永远都会发现有成对的N极和S极的磁铁（这一将双极磁铁破开变成较小的磁铁的过程会一直持续到原子水平，在那一水平上原子自身也是双极的）。

科学家们面临的问题是磁单极子从来没有在实验室中出现过。物理学家们尝试过拍摄下移动经过设备的磁单极子的轨迹，但是失败了（只有一张1982年在斯坦福大学拍摄的备受争议的照片除外）。

尽管磁单极子从未令人信服地在实验中被观察到过，物理学家们仍普遍认为在宇宙大爆炸的时刻宇宙中曾存在大量磁单极子，这一想法被整合入了最新的宇宙理论中，但由于宇宙在大爆炸后急速膨胀，磁单极子在整个宇宙中的密度降低了，因此我们如今无法在实验室里看到它（事实上，如今磁单极子的缺失正是引导物理学家们提出宇宙在膨胀这一概念的关键性证据。因此，磁单极子的遗骸这一概念已经深深植根于物理学中）。

因此，可以相信，某个在遥远太空中的民族或许获取了宇宙大爆炸中通过在太空中撒出一张大磁“网”而遗留下来的、“始于宇宙之初的磁单极子”。一旦他们收集了足够的磁单极子，便能够利用在银河系中或某个行星上发现的磁场线在宇宙中航行，而不排出任何尾气，由于磁单极子是许多宇宙学家极感兴趣的对象，这样一艘飞船的存在绝对符合目前的物理学思想。

最后，任何足以向宇宙中派出宇宙飞船的外星文明都一定掌握了纳米技术。这意味着他们的飞船不必很大，它们可以被成百万地送出，以寻找适宜居住的行星，荒无人烟的卫星或许是这类纳米飞船最好的基地。如果这样的话，或许我们自己的月球过去曾经被某个Ⅲ型文明造访过，类似于电影《2001》中所描述的剧情，那或许是最为写实的关于和某个外星文明相遇的描述。非常有可能的情况是，飞船会是无人操纵的、机器人化的，并且停靠在月球上。（要使我们的科技先进到足以用雷达扫描整个月球以寻找异常事物，并且能够发现远古时期某次纳米飞船到访的证据，可能又得花上一个世纪的时间。）

如果我们的月球的确曾在过去被造访，或者是一个纳米技术基地遗址的话，这或许就解释了为什么UFO不用制造得很大。一些科学家嘲笑UFO，因为它们不符合任何当今工程师会考虑的巨大推进器的设计思想，比如冲压聚变发动机、巨型激光动力帆和核脉冲发动机，它们都可能有几英里宽。UFO可以和一架喷气式飞机一样小，但如果有一个早先的到访所遗留下来的永久性卫星基地，那么UFO就不必很大，它们可以从附近的卫星基地上获得燃料补给。因此，目击事件中看到的可能是从月球基地起飞的无人驾驶的侦査飞船。

鉴于SEtI的快速进步和太阳系外行星发现的迅速增加，与假设存在于我们附近的外星生命取得联系成为“一等不可思议”。如果外星生命确实存在于太空中，那么下一个显而易见的问题是：我们是否能有办法接近它们？当太阳开始膨胀并且吞噬地球的时候，我们那遥远的未来又会如何？我们的命运真的就在满天星斗之中吗？

<hr />

注释：

第一章一等不可思议 9.恒星飞船

<small>这一向月亮射击的愚蠢想法是邪恶的专业化将科学家们带到荒唐境地的范例……这一主张似乎从根本上是不可能实现的。</small>

<small class="rigon），1926年</small>

<small>较为优质的一部分人类十有八九永远不会灭亡，当太阳走向灭亡的时候他们会从一个太阳系迁移到另一个太阳系。</small>

<small>以人类的智慧和完美，生命没有止境，它的进程永久不断。</small>

<small class="rigantin E. tsiolkovsky），火箭之父</small>

在遥远的未来的某天，我们将渡过在地球上最后的美好一日。最终，在距今数十亿年之后，天空会燃烧起来。太阳将膨胀成苦难的炼狱，充满整个天空，使天上的一切都显得微不足道。随着地球上温度急速上升，海洋将沸腾并蒸发殆尽，留下焦煳、干涸的景象。最后，高山将熔化，变成液体，在充满活力的都市曾经耸立的地方形成熔岩流。

根据物理法则，这无情的未来将是必然会到来的。地球最终将在火舌中灭亡，并被太阳吞噬。这是一条物理定律。

这场灾难将在未来50亿年中发生。在这一宇宙级时间范围内，人类文明的起起落落不过是微不足道的小小涟漪。有一天我们将必须离开地球，或者死去，所以，当地球上的环境变得令人无法忍受，人类——我们的后人，将如何应对？

数学家和哲学家伯兰特·罗素（Bertrand Russell）曾经痛惜道：“没有任何任何思想或者感觉的火花、英雄气概和激荡能够超越生死、保留生命。一切时代的劳作、一切虔诚挚爱、一切绝妙灵感、一切人类非凡才能的耀眼光芒都注定要在太阳系的悲壮灭亡中毁灭。人类成就的整座神殿将必然埋葬在宇宙残骸之下的废墟中……”

对我而言，这是英语中最发人深省的段落之一。但是罗素是在一个火箭、宇宙飞船被认为不可能的年代写出这段话的。今天，有朝一日离开地球的想象已经不那么牵强了。卡尔·萨根曾说，我们应该变成“双行星物种”。地球上的生命非常宝贵，他说，我们应该扩张到至少另一个适宜居住的行星上，以防止大灾难的降临。地球运行在一个“宇宙射击场”之中，其中有小行星、彗星和其他在地球轨道附近漂流的散落碎片，与它们中任何一方的一次相撞就可能导致我们的灭亡。

<h3>将要到来的灾祸</h3>

诗人罗伯特·弗洛斯特（Robert Frost）提出过地球是将在火焰中还是冰冻中终结这一问题，运用物理定律，我们能够合情合理地预测地球将如何在一次自然灾难中终结。

在数千年的时间跨度里，人类文明面临的危机之一是一次新的冰川期的出现。最后一次冰川期在1万年前结束了。当下一次冰川期在今后1-2万年中到来，北美洲的大部分地区可能会被半英里厚的冰层覆盖。人类文明在最近短暂的两个冰期之间的时间里兴旺繁荣，这期间地球异常温暖，但这样的周期不会永远持续下去。

在数百万年的时间里，大型流星或彗星与地球相撞可能会造成毁灭性的影响。上一次从天而降的大灾难发生在6500万年以前，一块直径6英里的物体猛然撞击墨西哥的尤卡坦半岛（Yucatan Peninsula），造成了一个直径约180英里的陨石坑，消灭了到那时为止在地球上居统治地位的生命形式——恐龙。另一次宇宙撞击可能也是当时那个等级的。

距今数十亿年之后，太阳将渐渐膨胀，并且吞噬地球。事实上，我们估计太阳在下个10亿年中温度将升高约10%，烤焦地球。它将在50亿年后完全吞噬地球，我们的太阳将转变为巨大的赤星。地球事实上将位于太阳的大气层之内。

距今数百亿年后，太阳和银河系都将死去。当我们的太阳最终耗尽其氢/氦燃料，它将萎缩成一颗微型白矮星，并且渐渐冷却，直到它成为一堆巨大的黑色核垃圾游荡在太空的真空中。银河系将最终与邻近的仙女星系相撞。仙女星系比我们的银河系大。银河系的会被撕裂，我们的太阳将被甩入外太空。两个星系中心的黑洞将在最终的撞击和合并之前表演一场死亡之舞。

由于人类在某天必须逃离太阳系到邻近的星体上谋求生存，或者毁灭，问题在于：我们要如何去那里？最近的星系半人马星座在超过4光年以外。传统的化学推助火箭——时下太空项目使用的小马驹，勉强能达到每小时4万英里。用这种速度，仅仅是到达最近的恒星就要花上7万年。

分析一下当今的太空项目，在我们当今可怜巴巴的技术能力和一艘可以让我们开始探索宇宙的恒星飞船之间有着巨大的鸿沟。自从20世纪70年代早期对月球进行探索以来，我们的载人太空项目将宇航员送入了地球上空仅仅300英里的轨道上的航天飞机（Space Stle）和国际空间站（International Space Station）。然而，NASA计划到2010年逐步停用航天飞机，为猎户座载人飞船（Orion spacecraft）让路。猎户座载人飞船将在50年的间断之后，于2020年之前把宇航员带回月球。计划是建立一个永久性的、人工操纵的月球基地。在那之后，一项人工操作的任务将在火星上实施。

显然，如果我们想要在某一天到达其他恒星，那就必须发展新型的火箭设计。要么我们必须从根本上提高火箭的推进力，要么我们就得增加火箭运行的时间。例如，一架大型化学火箭可能具备数百万磅的推进力，但仅仅能燃烧几分钟。相反，其他火箭设计，比如离子发动机（在下列段落中详述），或许具备可能在外层空间中运行上数年的微弱推进力。谈到火箭学，乌龟能胜过兔子。

<h3>离子和等离子体发动机</h3>

不同于化学火箭，离子发动机不产生突然的、激动人心的推动传统火箭的高温气浪。事实上，它们的推进力通常是用盎司来计算的。要是将它们放在地球上的一张桌面上，它们会因为过于无力而不能移动。但是，它们在推进力上的匮乏在持久力上得到了更大弥补，因为它们可以在太空的真空中运行数年。

一台典型的离子发动机看上去就像显像管的内部。一根火热长丝由一股电流加热，制造出一股电离后的原子，比如氙，它们从火箭底部射出。离子发动机并不是驾着炙热、爆炸性的气流行驶，而是乘着稀薄但稳定的离子流。

NASA的NStAR离子推进器在1998年成功发射的深太空一号（Deep Space 1）上进行了测试。离子发动机总共燃烧了678天，创下了离子发动机的新纪录。欧洲航天局也在自己的智能一号（Smart 1）探测器上测试了一台离子发动机。曾经飞过一颗小行星的日本隼鸟号（hayabusa）太空探测器由四台氙离子发动机驱动。尽管不怎么激动人心，但离子发动机将能够完成行星间远距离的任务（紧急的除外）。其实，离子发动机有朝一日可能会成为星际运输中使用的驿马。

离子发动机有一种更为强大的版本——等离子体发动机。例如，VASIMR（可变比冲磁等离子体火箭，variable specific impulse magnetoplas marocket），使用一束强有力的等离子体将火箭推进太空。VASIMR由宇航员/工程师张福林（Franklin Chang-Diaz）设计，使用无线电波和磁场将氢气加热到100万摄氏度。超热的等离子体随即从火箭底部喷出，产生巨大的推力。尽管还没有被送入过太空，这一发动机的雏形已经在地球上制造完毕。一些工程师希望等离子体发动机能够被用于支持去火星的任务，这可以大大将到达火星的行程时间缩短到数月。一些设计使用太阳能为发动机中的等离子体赋予能量，其他的设计使用核裂变（这引起了关于安全方面的担忧，因为它涉及将大量核材料装在易发生事故的飞船上送入太空）。

然而，无论是离子发动机还是等离子体/VASIMR发动机都没有足够的能力将我们带到星体上去。要做到这一点，我们需要一套全新的推进设计。设计恒星飞船有一项严重的不利条件：就算完成一次到达最近星体上的旅程都需要数量惊人的燃料，而且飞船在到达遥远的终点之前需要很长的时间。

<h3>太阳帆</h3>

有一个提议或许可以解决这些问题，那就是太阳帆。它利用了阳光能应用非常小但是非常稳定的压力这一事实，这一压力足以将巨型火箭推入太空。太阳帆的概念相当古老，始于伟大的天文学家约翰尼斯·开普勒1611的论文《梦游记》。

虽然制作太阳帆的物理原理相当简单，但制造真正能送入太空的太阳帆的进展时好时坏。2004年，一台日本火箭成功使用了两台小型太阳帆样机进入太空。在2005年，行星协会（Planetary Society）、宇宙工作室（Cosmos Studios）和俄罗斯科学院（Russian Academy of Sciences）从巴伦支海上的一艘潜水艇发射了宇宙一号（Cosmos 1）宇航器，但是其携带的波浪号（Volna）火箭失灵了，宇航器没能到达轨道（早在2001年，一次亚轨道飞行同样失败了）。但是，在2005年，一艘15米长的太阳帆飞船由日本的M-V火箭成功送入轨道，尽管太阳帆没有完全展开。

尽管太阳帆技术的进展缓慢得让人痛苦，可太阳帆的支持者们却有另一个或许可以将他们带到星星上去的想法：在月球上制造巨型的激光器阵列，能够向一艘太阳帆发射强烈的激光，使其向最近的星星航行。可是，这样的星际航行太阳帆的物理原理真的非常令人气馁。太阳帆本身的宽度必须达到数百英里，并且完全在太空中制造。我们必须在月球上制造数千束强大的激光束，每一束都能够持续射击数年到数十年（在一项估算中，发射的激光必须是目前地球能量总产量的1000倍）。

在理论上，一艘庞大的太阳帆或许能够以光速的一半速度移动。这样的太阳帆只要花上8年左右就可以到达附近的星体）这样一个推进系统的优势在于，它可以使用现有科技，不需要发现新的物理定律来制造。但主要的问题是经济上和工程上的。工程上的问题是：制造一艘数百英尺宽的太阳帆，并由位于月球上的数千束强大激光束赋予能量，是难以完成的，需要或许是未来100年后才出现的科技。（星际太阳帆存在一个问题——回收。我们将不得不在一个遥远的行星卫星上制造第二个激光器阵列，好将飞船推冋地球，或者，飞船能够迅速绕着一颗恒星旋转，将它像一台弹射器那样使用，以便为回程获得足够的速度。随后月球上的激光器可以将太阳帆减速，如此它便能降落在地球上。）

<h3>冲压式喷气核聚变发动机</h3>

我个人最看好的能将我们带到星星上去的是冲压式喷气核聚变发动机。宇宙中有丰富的氢，冲压发动机在太空旅行的时候获取氢，从根本上给予其取之不尽的火箭燃料。氢收集起来后可随即被加热到数百万度，足够热到让氢融合，释放出一次热核反应的能量。

冲压式喷气核聚变发动机是由物理学家罗伯特·E.巴萨德（Robert E.Bussard）在20世纪60年代提出的，后来由卡尔·萨根推广。巴萨德计算，—台重达约1000吨的冲压式喷气发动机理论上或许能够保持相当于1克力的稳定推力，这个力与站立在地球上相同。如果冲压式喷气发动机能够将1克的加速度保持一年，它就可以达到光速的77%，足以使星际旅行真正成为可能。

冲压式喷气核聚变发动机的要求很容易计算。首先，我们知道遍布宇宙的氢气的平均浓度。我们同样能够计算要获得1克加速度必须燃烧多少氢气。这一计算反过来决定用于收集氢气的“勺子”该有多大。出于一些合理的假设，我们可以看到我们需要一个直径约160千米的勺子。尽管在地球上制造这么大的一个勺子是无法完成的，但在太空中制造它却会因为失重而容易一些。

基本上，冲压式喷气发动机能够无限期地自我推进，最终到达银河中遥远的恒星系统。根据爱因斯坦的理论，在火箭内部时间会减慢，达到天文学距离而不用让船员们进入生命暂停状态或许会成为可能。根据飞船内部的时钟，在加速度1克达11年后，宇宙飞船将到达400光年之外的昴星团。在23年后，它将到达离地球约200万光年之外的仙女星系。理论上，宇宙飞船或许能在一名船员的生命期限内到达可见的宇宙极限（尽管地球上可能已经过去了数十亿年）。

主要的不确定因素可能是聚变反应。定于在法国南部建造的ItER聚变反应堆结合了两种氢的罕见形态（氘和氚）以取得能盘。然而，在太空中，氢最丰富的存在形式是由被一个电子围绕的质子构成的。因此，冲压式喷气核聚变发动机将不得不利用光子-光子聚变反应。尽管物理学家们研究氘/氚聚变过程已经数十年，但光子-光子聚变反应过程获得的了解不足更为难以实现，并且产生的能量要远远更少。因此，在未来的10年中，掌握难度更高的光子-光子聚变反应将是一大技术挑战（除此之外，一些工程师对于冲压式喷气发动机能否在其接近光速的时候克服曳引效应感到怀疑）。

到光子-光子聚变反应的物理问题和经济性问题获得解决之前，对于冲压式喷气发动机的可行性很难作出精确的估计。但是，在计划去往星星上的任务时，这一设计被列在简短的备选名单之内。

<h3>核电火箭</h3>

1956年，美国原子能委员会（U.S.Atomic Energy Commission，AEC）开始在漫游者计划（Project Rover）中认真研究核火箭。理论上，一个核裂变反应器会将氢之类的气体加热到极端高温，随后这些气体会从火箭的一端喷出，制造出推力。

由于涉及有毒核燃料在地球大气层中爆炸的风险，早期的核火箭发动机被水平放置在铁路轨道上，在那里，火箭的表现可以获得精心的检测。漫游者计划中测试获得的首台核火箭引擎是1959年的奇异1号（Ki Veions，NERVA），这是首枚竖直而非水平地进行试验的核火箭。在1968年，这枚核火箭以头朝下的姿势进行了点火试验。

这一研究的结果喜忧参半。火箭是非常复杂的，并且常常失灵。核发动机的剧烈振动时常震裂燃料棒束，导致飞船四分五裂。高温燃烧氢气所造成的腐蚀同样是个反复出现的问题。核火箭项目最终于1972年终止。

（这些核火箭还存在另一个问题：失控的核反应器的危险性，就如小型原子弹的情况一样。尽管当今的商业核电站依靠稀释后的核燃料运转，不会像广岛原子弹那样爆炸，但这些核火箭依赖高浓度铀运行，并且因此能够以连锁反应的形式爆炸，制造出一起微型核爆炸。当核火箭项目即将结束时，科学家们决定进行一次最后的试验。他们移走了操纵杆［它用于抑制核反应］，反应堆随即进入超临界状态，并且爆炸成为燃烧的火球。核火箭这一壮观的谢幕甚至被捕捉为影像。俄罗斯人很不满。他们认为这一惊人之举违背了《部分禁止核试验条约》［Limited test Ban treaty］，该条约禁止原子弹的地面爆炸。）

多年来，军方周期性地重新考虑核火箭。有一项秘密计划被命名为“森林风核火箭”（timber），它是20世纪80年代军方“星球大战”计划的一部分（该计划在其存在细节遭美国科学家联合会［Federation of American Scientist］披露后被放弃）。

核裂变火箭最令人担忧的是它的安全性。尽管人类进入太空时代不过50年，但是化学推助火箭在这段时间内遭受了约1%的灾难性失败（“挑战者”号［Ctles］的坠毁悲剧性地导致14名宇航员丧生，并进一步证实了这一失败率）。

但是，在过去几年中，NASA已经重新开始了核火箭研究，这是20世纪60年代NERVA项目以来的第一次。在2003年，NASA命名了一项新计划——普罗米修斯（Prometheus），得名于为人类带来火种的希腊天神。在2005年，“普罗米修斯计划”获得了4.3亿美元的拨款，尽管这一拨款在2006年被削减到了1亿美元。这一计划的前景尚不明朗。

<h3>核脉冲火箭</h3>

还有一种可行性不太明确的可能，即使用一系列迷你原子弹来推进一艘恒星飞船。在“猎户座计划”中，迷你原子弹被从火箭底部依次喷射出来，这样宇宙飞船就可以“乘坐”由这些迷你氢弹制造的冲击波。理论上，这一设计可以使一艘宇宙飞船达到接近光速的速度。这一设想在1947年由协助设计最早的氢弹的斯坦尼斯劳·乌拉姆（Stanislaed taylor，美国军方核弹头的主要设计者之一）和普林斯顿高等研究学院（Institute for Advanced Study）的物理学家弗里曼·戴森（Freeman Dyson）进一步发展。

在20世纪50年代和60年代，科学家对这种星际火箭进行了精密计算。据估计，这样的宇宙飞船可以在一年内飞到冥王星并返回，最高速度为光速的10%。但即使是以那样的速度，它也需要用约44年的时间到达最近的恒星。科学家们推断，以这一火箭推进的太空中的方舟必须得航行几个世纪，历经数代船员，他们的后代将在飞船上出生并在飞船上度过一生，这样他们的后人才能到达最近的恒星。

1959年，通用原子技术公司（General Atomics）发表了一份报告，估算了一艘猎户座宇宙飞船的大小。最大的一种被称为超级猎户座（superOrion），重达800万吨，直径400米，由1000枚以上的氢弹提供动力。

但是这一项目最大的问题在于发射过程中核放射性沉降可能造成污染。戴森估计，每次发射产生的核放射性沉降能导致10个人患上致命的癌症。此外，发射产生的电磁脉冲极为强烈，会造成邻近的电子系统短路。

1963年，《部分禁止核试验条约》为这一计划敲响了丧钟。最终，推动这一项目的主要驱动者——原子弹工程师泰德·泰勒放弃了（他曾经向我透露，当他意识到迷你原子弹所包含的物理原理同样可以为恐怖分子所用、制造出便携式原子弹的时候，他终于感到梦想破灭了。尽管这一计划因为被认为十分危险而最终遭到终止，但它的名字在猎户座宇宙飞船身上沿用了下去，NASA选择了这一名字来取代2010航天飞机［Space Stle in 2010］）。

核动力火箭的概念由英国星际协会（Britiserplanetary Society）在1973年-1978年间短暂地复兴了。“戴达勒斯计划”（Project Daedalus）是一项预备性质的研究，目的是研究是否可能建造能够到达巴纳德星（Barnard’s Star）——一颗距离地球5.9光年的恒星的无人驾驶宇宙飞船。（巴纳德星之所以被选中，是因为据推测它有一颗行星。自那时以来，天文学家吉尔·塔特［Jill tarter］和玛格丽特·特恩巴尔［Margaret turnbull］编纂了邻近的17129颗可能拥有适宜生命存在的行星的恒星名单。其中呼声最高的是印第安座ε星［Epsilon Indi A］，距离地球11.8光年。）

为戴达勒斯计划所策划的火箭飞船非常庞大，它将不得不在太空建造。它的重量将为5.4万吨，其重量几乎全都在火箭燃料上，能够达到光速7.1%的速度，载重450吨。不同于使用微型裂变原子弹的猎户座计划，戴达勒斯计划会使用由电子射线点火的氘/同位素氦-3混合物。由于其面临难以逾越的技术难题，以及对于其核推进系统的焦虑，戴达勒斯计划同样被无限期搁置了。

<h3>比冲与发动机效率</h3>

工程师们有时会说起“比冲”（specific impulse），它使我们可以将各种各样的发动机设计的效率进行排名。“比冲”被定义为每份推进剂质量单位中动量的变化，因此，发动机效率越高，将一架火箭推入太空所需要的燃料越少。反过来，动量是力作用了一段时间之后的产物。化学火箭尽管有非常大的推力，但只运行数分钟，因此比冲很低，离子引擎由于可以运行数年，能具备高比冲和非常低的推力。

比冲是用秒来测量的。一架典型的化学火箭的比冲为400-500秒。航天飞机发动机的比冲是453秒（化学火箭达到过的最高比冲是542秒，使用了氢、锂和氟混合而成的推进剂）。“智能一号”离子发动机的引擎比冲为1640秒，核火箭能达到850秒比冲。

可能存在的最大比冲会来自一架能达到光速的火箭，它将具备约3000万的比冲。以下表格列出了不同种类的火箭发动机的比冲。

<tr><td>固体燃料火箭

液体燃料火箭

离子发动机

VASIMR等离子体发动机

核裂变火箭

核聚变火箭

核脉冲火箭

反物质火箭

</td><td>250

450

3000

1000-3万

800-1000

2500-20万

10000-100万

100万-1000万

</td></tr></table>

（原则上，激光帆和冲压喷气发动机由于根本不具备任何火箭推进剂，所以拥有无限的比冲，尽管它们也有自己的问题。）

<h3>太空升降舱</h3>

对许多这类火箭来说，遭受的最严重的反对意见在于它们极为庞大和沉重，因而永远无法在地球上建造，这就是为什么有些科学家提出在太空中建造它们。在那里，失重也许会使宇航员们能够轻易抬起重得不可思议的物体。但现在的批评者们指出，在太空中装配它们的费用巨大得无法承受，比如，国际空间站需要超过100次的航天飞机发射才能完成装配，其成本已经逐步累积到1000亿美元。它是历史上最昂贵的科学项目。在太空中建造一艘星际飞船或者冲压喷气勺的花费比它还多许多倍。

但是，正如科幻作家罗伯特·海茵莱因（Robert heinlein）喜欢说的那样，如果能够将飞船送到地球上空160千米处，那么你已经在任意遨游太阳系的道路上成功了一半了。因为，任何形式发射的前160千米内，火箭都挣扎着要摆脱地心引力，这显然是花费最巨大的部分。在那之后，火箭飞船几乎就能轻松航行到冥王星以及更远处。

在未来，有一种方法能够大幅减少成本，那就是太空升降舱。顺着一根绳索爬上天堂的想法非常古老。例如，像在童话《杰克与魔豆》（Jack and talk）中那样，但它或许能成为现实——如果绳索能高高送入太空的话。此后，地球自转产生的离心力将足以抵消地心引力，绳索将永远不会落下。绳子会魔法般地垂直升入空中，并且消失在云间（想象一个在轴上转动的球体。它看来在对抗地心引力，因为离心力将它推离了自转中心。同样的，一根非常长的绳子由于地球转动可以“挂”在空中除了地球的自转外，保持绳子的状态无需任何事物。理论上人可以爬上绳子并且向上进入太空。我们有时向在纽约城市大学学习物理学课程的学生提出问题，要他们计算这样一根绳子所承受的张力，不难发现，绳子所承受的张力甚至足以使钢丝绳猛然断裂。这就是太空升降舱长期以来被认为不可能实现的原因。

首位深入研究太空升降舱的科学家是俄罗斯幻想家、科学家康斯坦丁·齐奥尔科夫斯基。在1895年，他受埃菲尔铁塔启发，想象一座能够升入太空的塔，将地球与一座太空中的“空中城堡”联系起来。它将从下而上进行建造，从地面开始，工程师将慢慢把升降机延伸到天上。

1957年，俄罗斯科学家尤里·阿特苏塔诺夫（Yuri Artsutanov）提出了一种新的解决方式：以相反的顺序建造太空升降舱——自上而下，从太空开始。他想象一颗位于太空中地球静止轨道3.6万英里处的卫星，从那里，可以降下一根缆索到地球上。随后，缆索将被锚固在地面上。但是一台太空升降舱的系规必须耐受大约60-100gpa（吉帕斯卡）的张力。钢大约在承受2gpa的时候就会断裂，这使得这一构思遥不可及。

随着亚瑟·C.克拉克于1979年出版的小说《天堂喷泉》（tains of Paradfae）和罗伯特·海茵莱因于1982年出版的小说《星期五》（Friday）的推出，太空升降舱的概念传达给了更多的受众。可是，由于没有任何进展，这一概念萎缩了。

当化学家们开发出碳纳米管的时候，这一等式发生了翻天覆地的变化。在1991年，日本电气（Nippon Electric）的饭岛澄男（Sumio Iipna）的研究成果突然激起了学界的广泛兴趣（尽管碳纳米管的远源要追溯到20世纪50年代，这一事实如今却被忽略了）。令人瞩目的是，纳米管的强度比钢丝绳更大，同时也更轻。事实上，它们超过了维持一个太空升降舱所需要的强度。科学家相信一根碳纳米管纤维能够承受120gpa的压力，这还远远在断裂点之上。这一发现重新点燃了制造太空升降舱的热情。

1999年，NASA的一项研究对太空升降舱进行了认真的考虑，想象了一条约1米宽、4.7万千米长的带子，能够将约15吨的有效载荷传送到地球轨道中。这样的太空升降舱可能在一夜之间改变太空经济。建造开支可以减少到原来的一万分之一，是一项惊人的、革命性的改变。

目前，将1磅重的物体送入环绕地球的轨道要花费1万美元以上（大致就是一盎司黄金的价格）。举例来说，每一次航天飞机发射任务的花费多达7亿美元，一台太空升降舱可以将费用减至每磅1美元之少。在太空项目开支中如此巨幅的减少能将给我们观察太空的方式带来革命性的改变。简单地按下升降舱按钮，我们理论上可以凭一张飞机票的代价乘坐升降舱进入太空。

但是，在我们建造一台能够乘坐其升入太空的太空升降舱之前，必须解决难以克服的实际障碍。目前，实验室中制造的纯净碳纳米管纤维不超过15毫米长。要建造一台太空升降舱，我们必须制造出数千英里长的碳纳米管索。尽管从科学的角度来看这只不过是一个技术问题，但如果我们打算建造一台太空升降舱的话，它会是一个顽固而艰难的问题，必须解决。不过，许多科学家相信，在数十年内我们将能够掌握制造碳纳米管长索的科技。

其次，碳纳米管中的微型杂质会使长索成为问题。意大利都灵理工学院（Polytecurin）的尼古拉·普格诺（Nicola Pugno）估计，一根碳纳米管中哪怕有一个分子出现误差，碳纳米管索的强度就要减少70%，使其无法达到支持一台太空升降舱所必须的最小吉帕斯卡数。

为了激励太空升降舱方面的原创思想，NASA为两项独立奖项拨了款（奖项效仿安萨里X奖［Ansari X-prize］，这一奖项成功激励了有进取心的发明家制造出了能够携带乘客到达太空边缘的商业火箭。X奖在2004年由“太空船一号”［Spacesether Challenge）。在光束动力竞赛中，参赛队伍必须将一件重量至少25千克的机械装置以至少每秒钟1米的速度送到一根系链（从起重机上垂下）向上至少50米处。这听起来或许很容易，但困难在于机械装置不得使用燃料、电池或者电线，取而代之的是，机械装置必须由太阳电池阵电源系统、太阳能集光器、激光器或者微波等适合在太空中使用的能源来提供动力。

在系链竞赛中，参赛队伍必须制造出重量不得超过2克的2米长的系链，并且必须能携带比前一年的最佳系链多50%的重量。竞赛的目的是鼓励研究，开发出足以在太空中悬挂10万千克的轻型材料。奖金分别为15万美元、4万美元和1万美元（在此强调一下征服这一竞赛的难度：在2005年竞赛举办的第一年，没有人获得该奖）。

尽管一台成功的太空升降舱可以使太空项目发生根本性的改变，但这样的机器有它们自己的一系列危害。例如，近地人造卫星的轨道在它们环绕地球运行的时候会不断改变（这是由于地球在它们下方转动）。这意味着，这些人造卫星最终会与太空升降舱以每小时1.8万英里的速度猛烈相撞，足以使系链断裂。为了防止这样的劫难，在未来不是人造卫星必须设计为带有小型火箭、能够在太空升降舱周围游过，就是升降舱的系链不得不配备小型火箭以躲避经过的人造卫星。

同样，与陨石微粒的相撞也是个问题，因为太空升降舱远在地球大气层之上，而我们的大气层通常会保护我们免受流星危害。由于陨石微粒撞击是不可预知的，升降舱必须带有附加的防御盾，或许还要有失效保护系统。地球上的极端气候也会造成问题，比如飓风、潮汐波和风暴等。

<h3>弹弓效应</h3>

还有一种新颖的方式能将物体投掷到接近光的速度，那就是使用“弹弓”效应。在将航天探测器送上太空中的行星时，NASA有时会让它们绕邻近的行星快速转动，这样它们就能使用弹弓效应提高速度。NASA以这种方法节省了宝贵的火箭燃料。旅行者（Voyager）宇宙飞船就是这样得以到达海王星的，它位于太阳系的边缘。

普林斯顿大学的物理学家弗里曼·戴森提议，在遥远的未来，我们或许会发现两颗相互以高速公转的中子星。通过极靠近两颗中子星之一，我们可以绕其高速转动，并且随后以接近光速1/3的速度甩入太空。事实上，我们将使用万有引力给予额外的增强以接近光速。理论上，这仅仅是或许可行。

其他人提议我们围绕太阳快速转动以加速到接近光速。事实上，《星舰迷航IV:抢救未来》中应用了这一方法。“企业号”的船员们劫持了一艘克林贡飞船，随即向太阳疾驶，以打破光障（light barrier）、回到过去。在影片《当世界毁灭时》（hen orlds Collide）中，地球受到与小行星撞击的威胁，科学家们制造了一台巨型过山车逃离地球。一艘火箭宇宙飞船从过山车上滑下，获得了极高的速度，随后在过山车底部快速绕转、射入太空。

然而，在事实上，这些利用引力将我们推进到太空中的方法没有一个是可行的（由于能量守恒定律，从过山车上滑下和驶回的过程中，我们最终达到的速度与初始的一样，因此我们无论如何都不会获得能量。同样，绕着静止不动的太阳转动，我们最终达到的速度与最初开始时相同）。戴森使用两颗中子星的方式可能有效的原因是中子星转动得极快。一艘利用弹弓效应的宇宙飞船从一颗恒星的行星运动中获取能量。如果它们是静止的，那就根本不存在弹弓效应。

尽管戴森的提议或许可行，但它对如今被束缚在地球上的科学家们没有帮助。因为我们将需要一艘宇宙飞船专门用以到达转动的中子星。

<h3>去往天空的轨道炮</h3>

另有一种将物体以梦幻般的速度掷入太空的绝妙方法——轨道炮（railgun）。亚瑟·C.克拉克和其他人在自己的科幻小说中对其大加描绘，在“星球大战”的导弹防御系统中它也作为其一部分得到了认真的评估。

轨道炮不使用火箭燃料或是火药将炮弹推进到高速，而是采用电磁的力量。

轨道炮最为简单的形式由两根平行的导线或轨道构成，一颗炮弹横跨在两根导线上，组成了一个U形结构。甚至连迈克尔·法拉第也知道，当一束电流被放置在磁场中的时候会遭遇力（这其实是所有电动机的基础）。通过将数百万安培的电力送过这些导线，并通过炮弹，轨道周围形成了巨大的磁场。这一磁场随后会以巨大的速度将炮弹推下轨道。

轨道炮已经成功将金属物体以极高的速度射出非常短的距离。非比寻常的是，理论上，一门简单的轨道炮应该能够将一颗金属炮弹以每小时18000英里的速度发射，如此它将进入地球周围的轨道。基本上，NASA的整个火箭战队都可以用一门轨道炮替代，它可以将所有荷载物从地球发射入轨道。

相比化学火箭和枪炮，轨道炮具备极大的优势。在一杆来福枪里，膨胀的空气推动子弹所能达到的极限速度被冲击波的速度所限制。尽管儒勒·凡尔纳在他的经典小说（From to the Moon）中使用火药把宇航员发射到了月球上，但我们可以计算出使用火药所能获得的极限速度仅及将人送上月球所需速度的一小部分。但是，轨道炮不被冲击波的速度所限制。

可是，轨道炮也存在问题。它极快地将物体加速，使它们通常会在空气的冲击之下被压扁。荷载物在被射出轨道炮炮筒的过程中会遭到严重的扭曲变形，因为炮弹撞上空气，就好像撞上一堵砖墙一样。此外，荷载物沿轨道产生的巨大加速度也足以使它们变形。由于炮弹引起的损毁，轨道不得不定期更换。并且，一位宇航员承受的加速度力足以导致他死亡，能轻易压碎他体内的所有骨头。

有人提议在月球上安装一台轨道炮。在地球大气层之外，一颗轨道炮的炮弹可以不费吹灰之力疾行过太空的真空，但是一门轨道炮产生的巨大加速度就可能毁坏荷载物。从某些意义上来说，轨道炮是激光帆的对立面。激光帆经过一长段时间温和地获得自己的速度；轨道炮是有限制的，因为它们将巨大的能量填充进了小小的空间内。

能够将物体发射到附近恒星上的轨道炮将相当昂贵。一项提议认为，轨道炮应该在太空中制造，延伸达地球至太阳的2/3距离之长。它储存来自太阳的太阳能，随即猛地将那些能量排放入轨道炮，以1/3光速送出10吨的荷载，有5000克的加速度。不出意料的是，只有最强壮的机器荷载才能在如此巨大的加速度之下幸存。

<h3>太空旅行的危险</h3>

太空旅行不是星期天的野餐，巨大的危险恭候着去往火星或更远处的载人飞船。地球上的生命已经被庇护了数百万年：地球的臭氧层保护地球免受紫外线侵袭，它的磁场对抗太阳耀斑和宇宙射线，它厚厚的大气层保护地球免遭流星撞击，使流星在一进入大气层的时候就被烧毁。我们将地球上温和的气温与气压视作理所当然。但是，在外太空中，我们必须面对这样的事实：宇宙的大部分处于混乱之中，有危险的辐射带和大群致命的流星。

延长太空旅行首先要解决的问题是失重。俄罗斯科学家对失重的长期研究表明，在太空中人体流失宝贵的矿物质和化学元素的速度比预想中快得多。尽管经过严格的训练，但在空间站度过一年以后，俄罗斯太空人的骨骼和肌肉仍然严重萎缩，他们在刚回到地球的时候只能像婴儿一样爬行。肌肉萎缩、骨骼恶化、红细胞产量减少、免疫反应低下以及心血管系统功能减弱，看来是长时间在太空中失重带来的不可避免的后果。

去往火星的任务或许要花上数月到一年，它将推进宇航员忍耐力的极限。对于飞往近处恒星的长距离任务而言，这个问题将是致命的。未来的宇宙飞船或许不得不旋转、通过离心力制造出人造重力以维持人们的生命。这—调整将大大增加未来宇宙飞船的花费和复杂性。

其次，宇宙中存在以每小时数万英里速度飞行的流星，这或许会要求宇宙飞船必须装备额外的防御盾。对航天飞机机身的详细检査显示了几次微小的、但有致命可能的小型流星撞击。在未来，宇宙飞船可能必须为船员配备—个特别双重加固的舱室。

外太空中的辐射强度比过去所认为的要强很多。例如，在11年的太阳黑子周期中，太阳耀斑发出巨量的致命等离子体，向地球奔腾而来。在过去，这一现象迫使空间站上的宇航员们寻找特殊的保护，对抗亚原子颗粒组成的可能致命的火力网。在这样的太阳爆发期间进行太空行走是致命的（举例来说，哪怕是从洛杉矶到纽约作一次简单的横跨大陆旅行也会使我们接受在每小时飞行1毫笛姆辐射的照射。在整个旅程中，我们被暴露在几乎相当于一台牙科X光机的辐射之下）。在外太空，地球的大气层和磁场不再保护我们，辐射照射会成为一个严重的问题。

<h3>暂停生命</h3>

到目前为止，我介绍的火箭设计有一项始终存在的非议。那就是，哪怕我们能制造出这样的恒星飞船，也要花上数十年到数百年才能到达附近的恒星。这样的任务需要数代船员参与，他们的后代将到达最后的目的地。

《异形》（Alien）和《人猿星球》（Planet of the Apes）等电影提出了一个解决方法，让太空旅行者们接受暂停生命，也就是说，他们的体温会被小心翼翼地降低，直到身体功能几乎停顿。冬眠的动物每年冬季期间都这么做，某些鱼类和蛙类可以在冰块中冻得一动不动，但当温度上升时又能解冻。

研究这一奇特现象的生物学家们发现，这些动物具备创造天然“抗冻功能”的本领，能够降低使水结冰的凝固点。这一天然抗冻功能由鱼体内的蛋白质和蛙体内的葡萄糖构成。通过使血液中充满这些蛋白质，鱼可以在N极-2℃的气温下生存，蛙类进化出了维持高葡萄糖水平的能力，因此可以阻碍冰晶形成。尽管它们的身体也许会被从外面冻僵，它们的身体内部却没有冻结，这使它们的身体器官能够继续运转，虽说速度会减缓。

然而，使这一能力适合人类是有问题的。当人体组织被冰冻，冰晶就开始从细胞内部形成。随着这些冰晶变大，它们能够穿透和摧毁细胞壁（希望在死后将自己的头部和身体冷冻在液氮中的名人们或许会重新考虑）。

虽然如此，近期还是在不会自然冬眠的动物如老鼠和狗身上取得了有限暂停生命的进展。在2005年，匹茨堡大学（University of Pittsburgh）的科学家们成功地在狗的血液流干并使用特殊冰冻液体作为替代后将狗复活。临床死亡3小时后，狗在心脏复跳后重获生命（尽管大多数狗在这一程序后很健康，但有几只遭受了一些大脑损伤）。

同一年，科学家将老鼠放入含有氢化硫的房间中，并且成功地将它们的体温减为13℃长达6小时。老鼠的代谢率下降到了原来的1/10。在2006年，波士顿马萨诸塞州综合医院（Massacts General al）的医生使用氧化硫使猪和老鼠进入了暂停生命状态。

在未来，这样的步骤或许可以拯救发生严重意外或数着秒数过日子的心脏病患者。生命暂停允许医生“冻结时间”，直到患者有法可医。但将这样的技术应用于人类宇航员或许还需要数十年以上，因为他们可能需要暂停生命几个世纪。

<h3>纳米飞船</h3>

还有一些方法能让我们通过更先进、未经验证、接近科幻小说的科技到达其他恒星。最有希望的提议是使用以纳米技术为基础的无人驾驶探测器。在本篇讨论中我自始至终都假设恒星飞船必须是巨大的装置，消耗巨量能源，能够将大批人类船员带去恒星，类似于《星舰迷航》中的“企业号”。

更合适的途径可能是首先以接近光速的速度发送一架微型无人驾驶探测器到遥远的恒星，正如我们早先提到的那样，在未来，有了纳米科技可以制造出微型宇宙飞船，它们利用的是原子和分子大小的器械的力量。例如，离子，由于它们很轻，因此能够使用实验室中的普通电压轻易加速到接近光速。或许可以使用强大的电磁场以接近光速的速度将它们送入太空，而非使用巨大的助推火箭。这意味着，如果一台纳米机器人被电离，并且放入一个电场中，它将毫不费力地被提速到接近光速。这台纳米机器人随即会向恒星们滑翔而去，因为太空中没有摩擦力。通过这种方法，许多困扰大型恒星飞船的问题就都立刻迎刃而解了。无人操控的智能纳米机器人宇宙飞船或许仅需花费制造和发射一艘巨型载人恒星飞船所需开支的一小部分就可到达近处的恒星系统。

这样的纳米飞船可以用于飞往近处的恒星，或者像一位退休的美国空军航天工程师杰拉德·诺德利（Gerald Nordfey）建议的那样，用于向一艘太阳帆施加压力，以便将其推进太空。诺德利说：“如果有一群针头大小的恒星飞船排成队形飞行，并且相互联系，你就可以实际上用一束闪光推动它们。”

但是，纳米恒星飞船面临挑战。太空中飞过的电场或磁场改变方向的同时可能会改变飞船的方向。为了对抗这些力量，我们需要在地球上将纳米飞船的电压增强到极高的水平，这样它们就不会轻易改变方向。其次，我们或许不得不送出数百万艘的一大群这样的纳米机器人恒星飞船，以保证有少量能够真正成功到达目的地。向最近的恒星送出大群恒星飞船或许看起来很奢侈，但这样的恒星飞船很廉价，并且可以数以十亿计地大批生产，这样它们中只要有一小部分到达目的地就行了。

这些纳米飞船会是什么样的？NASA的前领导人丹·古德林（Dan Goldin）想象了一个可乐罐大小的宇宙飞船舰队，其他人则谈论针那么大小的恒星飞船。五角大楼已经在调査开发“智能尘埃”（smart dust）的可能性，尘埃大小的粒子内部装有微型探测器，能够喷洒遍整个战场，给予指挥官实时信息。在未来，可以想象“智能尘埃”或许会被送往近处的恒星。

尘埃大小的纳米机器人的电路系统将使用半导体产业应用的蚀刻技术制造。这一技术能够制造出小至30纳米、或者约150个原子宽的元件。这些纳米机器人能从月球使用轨道炮或者甚至是粒子加速器发射，粒子加速器一般能将亚原子颗粒发射到接近光速。这些装置非常便宜，可以被数百万计地发射入太空。

一旦它们到达某个附近的恒星系统，纳米机器人可以在一颗荒无人烟的衍星卫星上着陆。由于行星卫星的引力小，一台纳米机器人可以毫不困难地着陆和起飞。由这样的一颗行星卫星所提供的稳定环境，它会是理想的运行基地。纳米机器人可以建立一家纳米工厂，使用在行星卫星上发现的矿物，以建造一个能将信息发送回地球的强大的无线电台。或者纳米工厂可以被用于制造数百万个纳米机器人复制品，以探索那个恒星星系和去其他附近的恒星探险，重复这一过程。由于这些飞船是机器人化的，因此它们不必在使用无线电发送回信息后飞回地球。

我刚刚描述的纳米机器人有时被称为“冯·诺依曼探测器”（von Neumann probe），以著名数学家约翰·冯·诺依曼（John von Neumann）的名字命名，他解出了能够自我复制的图灵机的数学公式。原则上，这样自我复制的纳米机器人恒星飞船或许能够探索整个银河系，而不仅是附近的恒星。最终，或许会产生一个由数万亿个这样的纳米机器人组成的球体，它们越来越快地增加，同时变大、以接近光速的速度扩张。这一扩张中的球体中的纳米机器人可以在数十万年内将整个银河系开拓为殖民地。

一位电气工程师非常认真地思考着纳米飞船这一概念——密歇根大学（University of Mic）。他不久前从NASA的先进概念研究所（Institute for Advanced Concepts）获得了50万美元拨款，探究建造发动机不大于细菌的纳米飞船这一构想。他想象使用半导体行业的蚀刻技术来建造数百万纳米飞船舰队，它们会喷射直径仅数十纳米的纳米粒子来自我推进，这些纳米粒子靠通过一个电场来获得能量，就如在离子发动机内部一样。由于每一个纳米微粒都比一个离子重数千倍，这样的发动机将携带比一台典型离子发动机多得多的推力。这样，纳米发动机将具备与离子发动机相同的优势——除了它们具备更大的推进力之外。吉尔克莱斯特已经开始蚀刻这些纳米飞船的某些部件。迄今为止，他已能在一块1厘米宽的硅芯片上蚀刻1万个独立推进器。最初，他想把他的纳米飞船舰队送到整个太阳系中测试它们的能力，但最终这些纳米飞船或许会成为首先到达恒星上的舰队中的一部分。

吉尔克莱斯特的提议是NASA所考虑的几个新颖提议之一。在几十年的停滞状态之后，NASA不久前对各种各样的星际旅行提议给予了认真的考虑——这些提议从脚踏实地到奇异荒诞，应有尽有，自20世纪90年代早期开始，NASA主办了一年一度的先进太空推进研究研讨班（Advanced Space Propulsion Researchrough Propulsion Physics）项目，它探索与星际旅行相关的神秘的量子物理世界。尽管两者没有共同观点，但是它们的活动有许多都集中在该领域的领先者——激光帆和各种类型的聚变火箭身上。

由于宇宙飞船设计方面的进展缓慢但稳定，因此假设第一艘某种类型的无人驾驶探测器或许将在本世纪后期或下个世纪早期被送上近处的恒星是合理的。这使它成为一项“一等不可思议”。

但恒星飞船最强有力的设计或许要涉及反物质。尽管它听起来像科幻事物，但反物质巳经在地球上被制造出来，而且或许某天会为可行的载人恒星飞船提供最有前景的设计方案。

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注释：

第一章一等不可思议 10.反物质和反宇宙

”（我发现了！），而是“真奇怪……”</small>

<small>如果一个人不像我们那样具有宗教信仰，我们会说他是个怪人，这就算完了。我的意思是，现今的确是这样，因为现在我们不能烧死他了。</small>

<small>你可以从一个先锋背上的箭头认出他来。</small>

<small class="right">——贝弗利·鲁比克（Beverly Rubik）</small>

在丹·布朗的书（Angel and Demons）——之前的畅销书中，一小帮极端主义者“光明会”策划了一次阴谋，用一枚从日内瓦市外的核实验室CERN偷来的反物质弹炸毁了梵蒂冈。阴谋家们知道，当物质和反物质相互碰撞会造成一场巨大的爆炸，比氢弹的威力大上许多倍。尽管反物质弹纯属虚构，但反物质却是真实的。

一枚原子弹全部的惊人威力只有约1%有效。只有很小一部分铀转变成了能量。但如果反物质弹能被制造出来，它将把自身100%的质量转变为能盘，这使它远比原子弹有效力（更精确一点说，一枚反物质弹中50%的材料能被转化为可使用的爆炸性能量。其余将以探测不到的粒子——称为中微子的形式被带走）。

长期以来，反物质一直是受到热烈思索的焦点。尽管反物质弹不存在，但物理学家已经使用强大的核粒子加速器制造出极小量的反物质用于研究。

<h3>制造反原子和反化学</h3>

在20世纪初，物理学家意识到原子由带电荷的亚原子粒子与绕一个微小原子核（带正电荷）转动的电子组成（带负电荷）。原子核反过来由质子（带正电荷）和中子（带电呈中性）组成。

因此，当20世纪30年代物理学家们意识到每一颗粒子都有一个孪生兄弟——一颗反粒子，但具有相反的电荷时，事情很让人震惊。第一个被发现的反粒子是反电子（称为正电子），具有正电荷。正电子与电子在所有方面都完全一样，除了它携带相反的电荷。它最初是在云雾室中拍摄的宇宙射线照片里被发现的（正电子轨迹在云雾室中能相当容易地看到。当被置于一个强大的磁场中时，它们转向与普通电子相反的方向。事实上，我在上高中时拍摄过这样的反物质轨迹）。

在1955年，加利福尼亚大学伯克利分校的粒子加速器贝韦特朗（Bevatron）制造出了第一颗反质子。正如预期的那样，它与质子完全相同——除了它具有负电荷。这意味着，我们可以制造出反原子（由正电子围着反质子转动）。其实，在理论上，反元素、反化学、反人类、反地球甚至反宇宙都是可能的。

目前，在CERN和芝加哥市外的费米国家实验室（Fermi lab）的巨大粒子加速器已经能够制造微量反氢（这是通过使用粒子加速器将一束高能量质子发射进入目标，由此制造大量亚原子残骸而成。强大的磁铁分离出反质子，它们被减慢到非常低的速度，并且随后暴露在由钠-22自然放射出的反电子之下。当反电子环绕反质子转动时，它们制造出了反氢，因为氢原子是由一个质子和一个电子组成的）。在纯净的真空中，这些反原子能够永远存在，但由于杂质和与墙壁的相撞，这些反原子最终会撞击普通的原子，被对消，释放出能量。

1995年，CERN创造了历史，它宣布已经制造出9个反氢原子。费米国家实验室很快依样画葫芦地制造出了100个反氢原子?原则上，除了惊人的花费以外，没有什么能够阻止我们同样制造出更高级的反元素。哪怕是制造几盎司的反原子，都会让任何一个国家破产。目前反物质的产量在每年1/100亿克到1/10亿克之间。这一产量到2020年可能提高3倍。反物质的经济效益非常差。在2004年，CERN花费2000万美元制造出了一万亿分之几克的反物质。按照这一比率，生产1克反物质要花费100美元的1000万亿倍，并且反物质工厂还得不间断地运转上1000亿年！这使得反物质成为世界上最贵重的物质。

“如果我们能够将我们已经在CERN中制造出的所有反物质收起来，并且让它们与物质对消，”一篇出自CERN的报告如此说道，“我们将拥有足够的能量将一个电灯泡点亮几分钟。”

处理反物质则提出了不寻常的问题，因为任何物质与反物质之间的接触都会引起爆炸。将反物质放入一个寻常的容器中是自杀行为。当反物质接触到容器壁，它会爆炸。如果反物质如此不稳定，那么应该如何处理它呢？一种方法是先将反物质电离成气态或者离子，随后将它安全地封闭在一个“磁瓶子”（magnetic bottle）中。磁场会防止反物质碰触容器壁。

要制造一台反物质发动机，需要将一束稳定的反物质流注入一间反应室中，在那里它将被小心地与普通物质相结合，制造出一次控制之下的爆炸，类似于化学火箭制造的爆炸。这一爆炸制造出的离子随即会被从反物质火箭的一端发射出来，创造出推助力。由于反物质发动机将物质转化为能量的效率很高，理论上它是未来恒星飞船最令人感兴趣的发动机设计之一。在《星舰迷航》系列中，反物质是“企业号”的能量来源，它的发动机是由控制之下的物质与反物质相撞提供能量的。

<h3>反物质火箭</h3>

宾夕法尼亚州立大学的物理学家杰拉德·史密斯（Gerald Smith）是反物质火箭最主要的倡导者之一。他相信短期内，只需小小4毫克的正电子就足以将一架反物质火箭在几星期内送上火星。他注意到，反物质内包含的能量比普通火箭燃料中包含的能量大10亿倍。

制造这种燃料的第一步是通过粒子加速器制造成束的反质子，随后将它们储存在一个史密斯构建的“潘宁阱”（Penning trap）中。在建造过程中，潘宁阱重量为220磅（大部分是液氮和液氦的重量），将在一个磁场中储存约1万亿反质子（在非常低的温度下，反质子的波长比容器壁中原子的波长长数倍，因此反质子大部分会从容器壁上反射回来，而不是自我对消）。他说，这样的潘宁阱应该能够将反质子保存约5年（直到它们最终与普通原子混合，被对消）。他的潘宁阱应该能够储存约十亿分之一克反质子。他的目标是制造出能够储存多达1微克（百万分之一克）反质子的潘宁阱。

尽管反物质是地球上最珍贵的物质，但它的成本每年都在持续大幅下降（目前1毫克约花费62.5万亿美元）。一台正在芝加哥市外的费米国家实验室制造中的粒子注入器应当能够将反物质的产量提高10倍，从每年1.5微毫克增加到15微毫克，这将把反物质的价格拉低。然而，NASA的哈罗德·杰瑞希（ics teceven howe）博士说：“我们的目标是将属于科幻小说中激进范畴的反物质转移到交通和医学中应用的商业范畴。”

迄今为止，能够生产反质子的粒子加速器并非特别设计用于这一用途，因此它们效率不高。这样的粒子加速器主要目的是作为研究工具，而不是反物质工厂。这就是为什么史密斯想象着建造一台特别用于生产大量反质子、能够降低成本的新型粒子加速器。

如果反物质的价格可以通过技术改造和大量生产进一步降低，史密斯期盼有一天反物质火箭能够成为行星间和（或许是）恒星间旅行的常用交通工具。然而，在那天来临之前，反物质火箭将停留在纸上阶段。

<h3>自然存在的反物质</h3>

反物质在地球上如此难以制造，在宇宙中找到反物质是否会比较容易？遗憾的是，在宇宙中对反物质的搜索所获甚微，使物理学家们相当惊讶。我们的宇宙是由物质、而非反物质组成，这一事实难以解释。我们可以天真地假设，宇宙初始时有相同、对称数量的物质和反物质。因此反物质的缺失令人不解。

最有可能的解释是由安德烈·萨哈罗夫（Andrei Sakion），这一现象目前是许多活跃的研究课题的中心。实际上，萨哈罗夫的理论指出，所有今天宇宙中的原子都是从一次物质和反物质间的近乎完全的对消中遗留下来的，大爆炸导致了两者之间的一次宇宙对消。少量的残余物质创造了组成如今可见宇宙的残留物。我们身体的全部原子都是这次物质与反物质之间巨大对撞的残存。

这一理论留下了有少量反物质自然存在的可能性。如果的确如此，那么发现其来源将大幅减少在反物质发动机内使用反物质的成本。理论上，天然反物质的沉积物很容易被发现。当一个电子和一个正电子相遇，它们对消，成为γ射线，能量为1.02百万电子伏或以上。这样，通过在宇宙中扫描具有这样能量的γ射线，我们可以发现天然反物质的“指纹。”

事实上，反物质的“源泉”已经由西北大学（Nortern University）的威廉·波塞尔（illiam Purcel）博士在银河系中发现，位置离银河中心不远。显然，一股反物质的溪流存在着，它在与普通的氢气撞击时创造了这一典型性的1.02百万电子伏γ射线。如果这一缕反物质存在于自然界中，那么其他没有在大爆炸中被摧毁的反物质群也可能存在于宇宙中。

为了更系统化地寻找自然存在的反物质，PAMELA（反物质探索及轻核子天体物理负载，Payload for Antimatter-Matter Exploration and Ligropy of Rome）的皮埃尔乔治·皮科萨（Piergiorgio Picozza）宜布。

PAMELA的目的是探测来自普通来源的宇宙射线，比如超新星；同时也探测来自特殊来源的宇宙射线，比如完全由反物质组成的恒星。PAMELA将特别寻找反氦元素的蛛丝马迹，它可能在反恒星的内部产生。尽管如今的大多数物理学家相信宇宙大爆炸造成了物质和反物质间近乎完全的对消，但根据萨哈罗夫的看法，PAMELA是基于一种与此不同的假设——整个反物质宇宙范围没有经历那次对消，而且因此在今天以反恒星的形式存在。

如果反物质少量存在于外太空中，那么就可能“收获”一些反物质用以推进宇宙飞船，NASA的先进概念研究所非常慎重地采用了在太空中收获反物质的构想，近期NASA为一项飞行员计划提供了资助研究这一概念。“基本上，你想做的是织出一张网来，就像在钓鱼时那样。”巴尔技术（echnologies）公司的杰拉德·杰克逊（Gerald Jackson）如是说，该公司是这一计划的带头组织。

反物质收割机以三个同心球体为基础，每个都由一张网格金属丝网制成。最外面的球体直径有16千米，并且带正电荷，因此它将排斥任何质子，后者是带正电荷的，它将吸引反质子，反质子是带负电荷的。反质子将由外侧球体收集，随后在它们通过第二个球体的时候速度将被放慢，并且最终在它们到达最内侧的球体时停下，这一球体直径为100米。反质子随即会被捕捉到一个磁瓶子中，并且与正电子混合，以制造反氢元素。

杰克逊估计，在一艘宇宙飞船中，控制下的物质-反物质反应能够只使用30毫克反物质就为一艘太阳帆飞往冥王星提供燃料。“17克反物质”，杰克逊说，“足够为一艘恒星飞船提供动力飞往半人马座（Alpauri）。”杰克逊声称，在金星和火星的轨道之间可能有80克可以被太空探测器收集到的反物质。然而，由于将这一巨型反物质收集器投入使用的复杂性和巨大开支，它在本世纪末之前或更晚的时候可能无法实现。

—些科学家梦想从一颗漂浮在太空中的流星上收获反物质（《飞侠哥顿》连环漫画有一次渲染了一颗离群的流星漂浮在太空中，它与任何行星发生接触都会制造一次恐怖的爆炸）。如果天然反物质在太空中未被发现，我们将不得不等待数十年甚至几个世纪，直到我们能够在地球上生产出巨量反物质。但假设生产反物质的技术问题能够解决，那么有朝一日反物质火箭带我们去恒星就成了可能。

由于我们如今对反物质的知识，以及这一科技可以预见的演变，我把反物质火箭飞船划分为“一等不可思议”。

<h3>反物质缔造者</h3>

什么是反物质？自然界没有充分的理由就在宇宙中将亚原子颗粒的数量加倍似乎很奇怪。大自然通常很节俭，但是现在我们了解了反物质，大自然似乎极度冗赘和浪费。如果反物质存在，反宇宙也能存在吗？

为了问答这些问题，我们必须考査反物质本身的来源。反物质的发现要追溯到1928年保罗·狄拉克（Paul Dirac）的开创性研究成果。他是20世纪最才华横溢的物理学家之一。他在剑桥大学担任卢卡斯数学教授席位（Lucasian Chair），那是牛顿曾经担任的席位，目前由史蒂芬·霍金担任。狄拉克出生于1902年，当1925年量子革命爆发的时候，他是一位高高瘦瘦的20来岁的青年。尽管他当时在学习电气工程，可却突然被量子理论带来的兴趣浪潮横扫了。

量子理论是建立在这一概念上的：像电子这样的粒子可以不被作为点状粒子进行描述，而是作为某种类型的波用薛定谔的著名方程描述（波代表了能够在那一点找到该粒子的可能性）。

但狄拉克意识到薛定谔的方程有一个不足之处。它只描述了低速移动的电子。对于高速移动的电子，该方程就失灵了，因为它并不遵守高速移动的物体的定律，即由阿尔伯特·爱因斯坦发现的相对论。

年轻的狄拉克面临的挑战是修正薛定谔的方程，使它适应相对论。在1928年，狄拉克提出了对薛定谔方程的彻底修改，完全遵守了爱因斯坦的相对论。物理学界被震惊了。狄拉克纯粹通过控制更高级的数学对象——旋量（spinor），发现了他著名的电子相对方程。一次数学上的好奇心突然成了整个宇宙的中心。（不同于他之前许多坚持物理上的重大突破应该扎实地建立在实验数据基础上的物理学家们，狄拉克采取了相反的策略。对他而言，美感充足的纯数学就是通向重大突破的确实指南。他写道：“在一个人的方程中具备美感比使之符合实验结果更重要，而且如果一个人真正具有健全的洞察力，那么他就身处肯定通往进步的道路上了。”）

在发展关于电子的新方程过程中，狄拉克意识到爱因斯坦著名的方程式E=mc2并不很准确。尽管遍布麦迪逊大道、孩子们的t恤、卡通片，甚至超级英雄们的服装之上，但爱因斯坦的这个方程式只有部分是正确的，正确的方程式其实是E=±me2（之所以出现这个减号，是因为我们必须考虑一特定数量的平方根。考虑一个数量的平方根总是会引入一个正或负的模糊度。）

但是物理学家们憎恶负能量。有一条物理公理陈述，物体永远都趋向于最低能量状态（这就是水永远设法保持最低水平——海平面的原因）。由于物质永远都会下降到其最低的能量水平，负能量的前景可能会是灾难性的。它意味着所有的电子最终都会急剧向下跃迁至无穷的负能量级，由此，狄拉克的理论会变得不稳定。因此，狄拉克发明了“狄拉克海”（Dirac sea）这—概念。他设想所有的负能量状况都已经被填满了，如此一来，电子就不能向下跃迁至负能量级，这样宇宙就稳定了。同样，一道γ射线可能偶然与一个处于负能量状态的电子相撞，并且将它提高到一种正能量的状态。我们随后会看到γ射线变成了一个电子，并且在狄拉克海中制造了一个“洞”。这个洞在真空中的表现会像一个气泡，即：它将具有正电荷以及与最初的电子相同的质量。换言之，这个洞会表现得像一个正电子一样。因此，在这幅图景中，反物质由狄拉克海中的“气泡”组成。

狄拉克作出这一令人震惊的预言后仅仅数年，卡尔·安德森（Carl Anderson）真正发现了正电子（狄拉克因此在1933年获得诺贝尔奖）。

换言之，反物质存在是由于狄拉克的方程有两种解，一种是物质的，一种是反物质的（而且，反过来这是狭义相对论的结果）。

狄拉克方程不仅仅预测了反物质的存在，还预言了电子的“自旋”（spin）。亚原子粒子能够自旋，很像一个陀螺。反过来，电子的自旋对于了解晶体管和半导体中的电子流至关重要，这莫定了现代电子学的基础。

史蒂芬·霍金为狄拉克没有取得他自己方程的专利感到遗憾。他写道：“如果狄拉克为狄拉克方程取得专利的话，他会发一笔大财。他将从每台电视机、每台随身听、每套电子游戏和每台计算机上收取专利费。”

今天，狄拉克的著名方程被镌刻在西威斯敏威特的石板上，离艾萨克·牛顿的墓不远。在全世界，它或许是被授予如此独特荣誉的唯一方程。

<h3>狄拉克与牛顿</h3>

科学史学家们试图弄明白狄拉克是如何得出他革命性的方程的，而且反物质概念常常使他被比作牛顿。奇怪的是，牛顿与狄拉克有很多共同点。当他们在剑桥完成自己影响重大的成果时都是20多岁，两人都是数学大师，两人都具备另一个显而易见的特征：完全缺乏社交能力，达到了病态的地步。两人都因为无法加入小型对话和不具备基本的社交风度而名誉受损，狄拉克的害羞到了令人难堪的地步，他从来不会说任何话，除非被直接提问，随后他会回答“是”或“不是”，或者“我不知道”。

狄拉克还极度谦逊并憎恶为公众所知。当他获得诺贝尔物理学奖时，由于奖励会带来知名度和麻烦，他认真地考虑要拒绝它。但是，当有人向他指出拒绝诺贝尔奖将引来更多公众的瞩目，他决定接受。

已经有大量图书记录了关于牛顿的古怪个性，其中有大量假说——从汞中毒到精神病。但是最近剑桥心理学家西蒙·巴伦-柯洪（Simon Baron-Cohen）提出了一项最新理论，或许能够解释牛顿与狄拉克的奇怪性格。巴伦-柯洪宣布，两人可能都患有艾斯伯格症候群（Asperger's syndrome），这种病与自闭症近似，就像影片《雨人》中的低能天才一样。艾斯伯格症候群患者极端不容易暴露思想，社交上别别扭扭，并且有时生来具有极强的计算能力。但是与自闭症患者不同，他们在社会中能应付得过来，并且可以担任富有成效的工作。如果这一推想是正确的，那么牛顿与狄拉克奇迹般的数学能力或许是以社交上孤立于其他人为代价而获得的。

<h3>反重力与反宇宙</h3>

使用狄拉克的理论，我们现在能够回答许多问题：重力的反物质对应物是什么？反宇宙存在吗？

正如我们讨论过的那样，反粒子具有与普通物质相反的电荷，但是完全没有电荷的粒子（比如光子，光的粒子；或者引力子，万有引力的粒子）可以是它们自己的反粒子。我们可以看到万有引力是它自己的反物质，换言之，重力和反重力是同一件事物。因此，反物质在重力下会躺倒，而不是站立（物理学家普遍相信这点，但事实上它从未在实验室中被证明过）。

狄拉克的理论同样回答了深层次的问题：为什么自然界允许反物质存在？这能意味着反宇宙存在吗？

在一些科幻小说中，主人公在外太空中发现了一颗与地球相似的行星，事实上，除了一切都由反物质组成外，那颗新的星球与地球在各方面都一模一样。我们在这颗行星上有反物质孪生兄弟，有反儿童，居住在反城市中。由于除了电荷相反之外，反化学的定律与化学定律相同，生活在这样一个世界中的人永远都不会知道他们是由反物质组成的（物理学家们把这称作电荷反向宇宙，或，因为在这一反宇宙中所有的电荷都是反的，但是余下的一切都保持相同）。

在另—些科幻故事中，科学家们在外太空中发现了地球的孪生兄弟，不同之处在于那是一个镜中的宇宙。在那里，所有一切都是左右颠倒的。每个人的心脏都在右侧，并且大多数人是左撇子。他们终其一生都不知道自己生活在—个左右颠倒的镜像宇宙里（物理学家将这样一个镜像宇宙称为宇称反向宇宙，或）。

这样的反物质与对等反向宇宙真的可能存在吗？物理学家非常严肃地看待关于孪生宇宙的问题。因为当我们简单地翻转我们所有亚原子粒子的电荷，或者反转左右方位之后，牛顿和爱因斯坦的方程仍旧保持不变。因此，C反向和P反向宇宙原则上是可能的。

诺贝尔奖得主理査德·费曼就这些宇宙提出了一个有趣的问题：“假设有一天我们与一颗遥远行星上的外星人用无线电取得了联系，但无法看到他们，我们能通过无线电向他们解释‘左’和‘右’之间的差别吗？”他问道。如果物理定律允许P反向宇宙存在，那么要传达这些概念应该不可能。

他推断，确定的事物很容易交流，比如我们身体的形状和我们有多少手指、手臂和腿。我们甚至可以向外星人讲解化学和生物学定律。但如果我们试图向他们解释“左”和“右”（或者“顺时针方向”和“逆时针方向”）的概念，我们次次都会失败。我们将永远无法向他们解释我们的心脏是在我们身体的左侧，就是地球自转的方向，或者DNA分子盘旋的方向。

因此，当年同在哥伦比亚大学的杨振宁与李政道证明这一宝贵的命题有误时引起了轰动。通过仔细观察亚原子粒子的性质，他们证明镜像宇宙、P反向宇宙是不可能存在的。一位物理学家在得知这一革命性的结果后说：“上帝一定犯了个错误。”由于这一名叫“宇称颠覆”（overty）的研究结论意义重大，杨振宁和李政道在1957年获得了诺贝尔物理学奖。

对于费曼而言，这一结论意味着如果你通过无线电与外星人谈话，你不可能建立一个能够使你仅仅在无线电中就说出左撇子和右撇子宇宙之间区别的试验（例如，放射性钴-60放射出的电子以顺时针方向和以逆时针方向自转的数目并不相等，而是事实上以一种优先的方向自转，由此打破了宇称）。

费曼甚至想象一次历史性的会面最终发生在外星人与人类间。我们在首次会面时要求外星人伸出他们的右手，我们将会握手。如果外星人确实伸出了他们的右手，那么我们就知道我们成功使他们知晓了“左与右”和“顺时针方向与逆时针方向”的概念。

但是，费曼随即提出了一个令人不安的想法。如果外星人伸出的是他们的左手会怎么样？这意味着我们犯了一个致命的错误，我们没能让他们明白“左”和“右”的概念。更糟糕的情况是，这意味着外星人事实上是由反物质组成的，他们将所有的试验倒过来履行，因此混淆了“左”和“右”。这表示当我们和他们握手时我们就会爆炸！

那是我们在20世纪60年代之前的理解。要说出我们的宇宙和一切都由反宇宙组成并且宇称翻转的宇宙之间的区别是不可能的。如果你将宇称和电荷都反转，产生的宇宙将遵循物理定律。宇称本身被颠覆了，但是电荷和宇称仍旧在该宇宙中保持良好的对称性。因此一个仍然是可能的。

这表示，我们通过电话与外星人交谈，我们无法说明一个普通的宇宙和一个既宇称反向又电荷反向的宇宙（也就是，左和右互换，并且所有物质都变成了反物质）之间的不同。

然后，在1964年，物理学家们受到了第二次震撼：CP反向宇宙无法存在。通过分析亚原子粒子的性质，在与另一个CP反向宇宙通过无线电谈话时告知左与右、顺时针与逆时针之间的区别还是有可能的。由于这一研究成果，詹姆士·克罗宁（James Cronin）和瓦尔·费奇（Val Fitch）在1980年获得了诺贝尔奖。

（虽然当CP反向宇宙被证明不符合物理学定律时，许多物理学家都感到难过，但从事后来看这一发现是件好事，正如我们早先讨论的那样。如果CP反向宇宙可能存在，那么最初的大爆炸应该涉及数目恰好相同的物质和反物质，并因此应当发生100%的对消，那么我们的原子是不可能存在的！我们是作为数量不均的物质与反物质之间对消的残留物而存在的，这一事实是CP不守恒的证据。）

有任何反向的反宇宙是可能存在的吗？答案是：有。即使宇称反向和电荷反向宇宙是不可能的，反宇宙仍旧是可能的，但那会是一个奇怪的宇宙。如果我们反转电荷、宇称和时间的推移顺序，那么所获得的宇宙将符合所有的物理定律。是允许存在的。

时间反演是一种古怪的对称。在一个中，煎蛋会从晚餐盘子里跳下，在煎锅里重新成形，随后跳回鸡蛋中，封上裂缝；尸体从死亡状态中站起，变得年轻，变成婴儿，随后跳回他们母亲的子宫。

常识告诉我们，t反向宇宙是不可能的。但亚原子粒子的数学方程告诉我们并非如此。牛顿的定律向前或向后推移都能完美地起作用。想象一下拍摄一场台球比赛，每一次球的相撞都遵循牛顿的运动定律。播放这样一盘录像带会造成一场古怪的比赛，但这是牛顿的定律所允许的。

在量子理论中，事情要更加复杂。t反向本身违反了量子力学的定律，但是完整的CPt反向宇宙是允许的。这意味一个左和右是反转的、物质变成了反物质而且时间倒退的宇宙是遵循物理定律的，完全可以。

（具有讽刺意味的是，我们无法与这样一个CPt反向世界进行交流。如果他们的行星上时间是倒流的，那便意味着我们通过无线电告诉他们的一切都是他们未来的一部分，因此他们将在我们与他们说话后马上忘记一切。所以，尽管CPt反向宇宙在物理定律下是允许的，但我们无法通过无线电与任何CPt反向宇宙中的外星人谈话。）

总的来说，如果地球上能制造出足够的反物质，或者在外太空中能发现足够的反物质，反物质发动机也许给了我们为远距离恒星飞船提供燃料的确切可能性。由于CP不守恒，物质与反物质之间有微小的失衡，这也许反过来意味着有大量的反物质仍旧存在，并且能被收获。

但是，由于反物质发动机涉及的技术困难，发展这一技术或许要花上一个世纪，甚至更久，这使得它成为“一等不可思议”。

然而，让我们面对另一个问题：超光速恒星飞船在未来的数千年后会成为可能吗？爱因斯坦的名言“没有什么能比光更快”是否存在漏洞？令人吃惊的是，答案是肯定的。

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注释：

第二章二等不可思议 11.比光更快

<small>可以确信，生命最终会遍布银河系及其之外。因此，生命或许不会永远都只是宇宙中的微小尘埃，尽管它现在是。事实上，我发现这是一幅相当吸引人的风景。</small>

<small class="rigronomer Royal Sir Martin Rees）</small>

<small>比光速移动得更快不可能，当然这样也不可取，因为你的帽子老是会被吹掉。</small>

在《星球大战》中，当“千年隼”号（Miltermium Falcon）载着我们的主人公天行者卢克和汉·索罗（atooine）升空的时候，与一队围绕着该行星的凶恶的帝国战列规相遇。帝国的战列舰用激光炮向我们主人公的飞船射出了激烈的火力网，逐渐突破了它的力场。“千年隼”的火力不及对方。在这藐视一切的激光火力压迫下，汉·索罗吼着说，他们唯一的希望是跳入“超空间”（hyperspace）里。在时间的小缺口上，超空间发动机活跃起来。他们周围的所有星星突然朝着显示屏的中心聚合，拉出笔直、眩目的光线。一个洞口开启了，“千年隼”号飞了进去，到达了超空间，获得了自由。

这是科学幻想？毫无疑问。但这有可能是基于科学事实吗？或许。超光速旅行一直是科幻小说的主要内容之一，但近来物理学家们已经对于这一可能性给予了严肃的思考。

根据爱因斯坦的说法，光速是宇宙中的终极速度极限。哪怕是我们最强大的核粒子加速器——能够制造出只有在爆炸的恒星中心或者宇宙大爆炸中才存在的能量，却不能将亚原子粒子以超光速的速度射出。显然，光速是宇宙中的终极交警。如果的确如此，那么我们任何到达远方星系的希望似乎都是虚幻的。

或者，也许不是……

<h3>失败者爱因斯坦</h3>

1902年，在阿尔伯特·爱因斯坦尚年轻时，人们还很难想象他今后会成为继艾萨克·牛顿之后最伟大的物理学家。事实上，那一年标志着他人生的最低点。作为一个博士新生，他所申请的所有大学都拒绝为他提供教职（他后来发现自己的教授海因里奇·韦伯［heinrich eber］为他写了非常可怕的推荐信，或许是为了报复爱因斯坦缺了他那么多堂课）。并且，爱因斯坦的母亲激烈反对他的女友米列娃·马里奇（Mileva Marie），后者当时已经怀了他的孩子。他们的第一个女儿列瑟尔（Lieserl）将成为私生女。年轻的爱因斯坦连打零工也失败了。就连地位低下的教小孩子的工作也在他被粗暴解雇的时候结束了。在自己情绪低落的信件中，他说考虑着当个推销员维持生计。他甚至向家人写道，或许他从未降生会更好些，因为他对自己的家庭是个沉重的负担，而且在他的人生中没有任何成功的机会。当他的父亲去世时，他由于父亲死时认为自己的儿子是个完全的失败者而感到羞愧难当。

但是，在那一年的晚些时候，爱因斯坦转了运。一位朋友安排他在瑞士专利局获得了一份职员的工作。在那个底层职位上，爱因斯坦将带来现代历史上最伟大的革命。他很快地分析完自己办公桌上的专利，随后花上几小时思考从儿时起就一直使他不解的物理问题。

他天才的秘密是什么？或许他天才的线索是他的一种能力：以物理图像（比如，行进中的火车、加速行走的钟和拉长的织物）而非纯粹数学进行思考。爱因斯坦曾经说过，如果一种理论无法做到连孩子都能懂，那么这种理论或许就是无用的。就是说，一种理论的精髓必须能用一幅物理图像表示。因此，许多物理学家迷失在数学的灌木丛中，哪里也到达不了。但是，爱因斯坦就像他的前人牛顿一样，为物理图像所困扰，随后又被数学所困扰，对牛顿来说，物理图像就是落下的苹果，还有月球。使得苹果落下的力与引导月球位于其轨道之中的是同样的力吗？当牛顿判断答案为“是”，他为宇宙创造了一座数学的建筑，突然间揭示了天空中最大的秘密——天体们本身的运动。

<h3>爱因斯坦与相对论</h3>

阿尔伯特·爱因斯坦在1905年提出了著名的狭义相对论。他理论的中心是一幅连孩子都能理解的物理图像。他的理论是一个他从16岁起便萦绕心头的梦的结果。当时他问了一个至关重要的问题：如果超越了光速那么会发生什么呢？作为一个年轻人，他知道牛顿力学描述了地球和天空中物体的运动，而麦克斯韦的理论推述了光。这是物理学的两大支柱。

爱因斯坦的最为天才之处在于，他认识到这两大支柱是相互矛盾的，其中之一必将坍塌。

根据牛顿的理论，你总是有可能跑赢一道光线，因为光的速度没有什么特别之处。这意味着当你在一旁与光赛跑的时候，光线必须保持静止。但是年轻的爱因斯坦意识到，从来没有人见过完全静止的光波——也就是说，如同被冷冻的波一样。因此，牛顿的理论行不通。

最终，作为一个在苏黎世学习麦克斯韦理论的大学生，爱因斯坦找到了答案。他发现了某些连麦克斯韦都不知道的事：光速是一个常数，无论你移动得多快。如果你向着一道光线或者以与其相反的方向急速移动，它也仍旧以同样的速度前进，但是这一特点违背了常识。爱因斯坦找到了他童年时困惑的问题的答案：你永远都无法与光线赛跑，因为它永远都会以恒定的速度从你身边移开，无论你跑得多快。

但是，牛顿力学是一个紧密结合的体系：就如拉动一根松垮的细线，要是在这套理论的假设上做最小的改动，整套理论的线团就可能瓦解。在牛顿的理论中，时间的流逝在全宇宙中都是一致的，地球上的1秒钟与金星或火星上的1秒钟是完全相同的。同样，摆放在地球上的米尺也与冥王星上的米尺长度相同。但是，如果无论你的移动速度有多快，光的速度都永远不变，那么我们对空间与时间的认识就必须有彻底的改变，时间与空间必须进行深层次的扭曲，以保护光速的恒定不变。

根据爱因斯坦的理论，如果你处于一艘快速行进的火箭宇宙飞船内部，火箭内部时间的流逝与地球上相比将会放慢。根据你移动的速度，时针以不同的频率跳动。此外，这艘火箭宇宙飞船内部的空间会被压缩，因此根据速度，米尺的长度会发生变化。而且火箭的质量同样会增加。如果我们用里远镜仔细观看火箭内部，我们会发现火箭里的时钟跑得慢了，人们用慢动作移动，而且人们看起来显得扁平。

其实，如果火箭是以光速移动的，火箭内部的时间看来会停止，火箭将会被压缩到无物，并且其质量将会无穷大，由于这些观察结论全都不合常理，爱因斯坦宣布，没有什么能够打破光障（因为物体移动速度越快就变得越重，这意味着能量运动被转化为了质量。转化为质量的确切能量总额很容易计算，我们只用了寥寥数行算式就能得出著名的方程：E=mc2）。

自爱因斯坦得出了他著名的方程以来，可以说已有数百万次实验证实了他革命性的想法。例如，GPS系统能锁定你在地球上所处的方位，精确到数英寸，如果不加入基于相对论的修正机制，它就会失效（由于军方依赖GPS系统，连五角大楼的将军都不得不听物理学家介绍关于爱因斯坦相对论的理论）。GPS的时钟实际上随着它们在地面上的快速移动而变化，正如爱因斯坦所预料的那样。

对这一概念最生动的示例可以在核粒子加速器里找到，科学家们在核粒子加速器中将粒子加速到接近光速。在瑞士日内瓦市外，CERN的巨大加速器——大型强子对撞机（Large hkdron Collider，LhC）中，质子被加速到数万亿电子伏特，而且它们的移动速度非常接近光速。

对一个火箭科学家而言，光障目前还不太成问题，因为火箭的速度仅仅能够勉强超过每小时数万英里。但是在一两个世纪内，当火箭科学家们认真盘算着要将探测器送上最近的恒星（位于离地球4光年以上的位置）时，光障会渐渐成为难题。

<h3>爱因斯坦理论的漏洞</h3>

数十年来，物理学家们试图找到爱因斯坦著名论断中的漏洞。已经有一些漏洞被发现，但它们大多不怎么有用。例如，如果将一道闪光掠过天空，原则上光束的图像会超过光速。在几秒钟之内，光束的图像会从地平线上的—点移动到对面的一点，跨过一段可能延伸超过数百光年的距离。但是这无关紧要，因为这一方式无法以超光速传播任何信息。光束的图像超越了光速，但是这一图像不携带任何能量或信息。

类似的是，如果我们有一把剪刀，两片刀刃交叉的那一点离结合点越远就移动得越快，如果我们想象剪刀有1光年长，那么合上两片刀刃会让交叉点以超光速移动（同样地，这也无关紧要，因为交叉点不携带任何能量或信息）。

同样，就如我在第4章中所提到的那样，EPR实验使我们能够以超光速发送信息。（我们可以回忆起，在这个实验中，两个电子共振，随后它们被加速向两个相反的方向释放。由于这些电子是相干的，信息可以在它们之间以超光速发送，伹是这一信息是随机的，因此是无用的。EPR机器因此不能用于将探测器送上遥远的恒星。）

对于一个物理学家而言，最重大的漏洞来自于爱因斯坦本身，他在1915年创造了广义相对论，这是一种比狭义相对论更强大的理论。广义相对论的种子是在爱因斯坦仔细观察一个儿童旋转木马时埋下的。如我们先前所见，在物体向光速接近时，它们的体积会收缩。移动越快，被挤压得越厉害。但是在一个旋转圆盘中，外侧圆周比中心部分移动得要快（事实上，中心部分几乎静止）。这意味着一把置于圆盘边缘的尺杆一定会缩短，而一把置于圆盘中心的尺杆几乎保持不变，因此旋转木马的表面不再是平坦的了，而是弧形的。因此，加速具有弯曲旋转木马上的空间与时间的作用。

在广义相对论中，时空是一块可以伸展和收缩的织物。在特定情况下，这块织物可能会伸展得比光速更快。比如，想想大爆炸，137亿年前宇宙从一次大爆炸中诞生，我们可以计算出，最初宇宙以超光速扩张（这一活动并不违反狭义相对论，因为是空的空间——星体之间的空间——在扩张，而不是星体们本身，扩张的空间并不携带任何信息）。

重点在于，狭义相对论只适用于局部区域，即在你附近的区域内。在局部临近区域（例如太阳系）内，狭义相对论仍旧适用。但在涵盖一切的范围内（例如，包括我们宇宙在内的宇宙规模上），我们必须改用广义相对论。在广义相对论中，时空变成了一张织物，并且这块织物可以拉伸得比光更快。它还允许“空间中的洞”存在，从洞中可以走捷径穿越时间和空间。

鉴于这些限制，或许以超光速移动的办法是以广义相对论为依据来行动。有两种途径或许能做到这点：

<small>·拉伸空间。如果你拉伸你身后的空间，并且与面前的空间相接触，那么你将产生自己已经移动得比光更快的错觉，事实上，你根本就不用动。由于空间已经变形，这意味着你能够在转眼之间到达遥远的星体上。</small>

，那是一件连接牛津郊外和奇妙世界的魔法装置。虫洞是能够连接两个宇宙的装置。在我们上小学的时候，我们得知两点之间直线距离最短。但这不一定是正确的，因为，如果我们将一张纸卷起、直到两点相互接触，那么我们就能看到，两点之间最短的距离其实是一个虫洞。</small>

正如华盛顿大学（ason University）的物理学家马特·维沙（Matt Visser）所说的那样：“相对论学术界开始考虑怎样能将（warp engine）或者虫洞之类的事物从科幻世界带入现实。”

大不列颠皇家天文学家马丁·瑞斯爵士甚至说：“虫洞、额外的维度和量子计算机打开了能够将我们的整个宇宙最终完全转变为‘活生生的宇宙’的思维方案。”

<h3>阿库别瑞引擎和负能量</h3>

延伸空间的最佳例子是阿库别瑞引擎（Akubierre Drive），由物理学家（Migual Alcubierre）米圭·阿库别瑞于1994年提出，使用了爱因斯坦的引力理论。它与《星舰迷航》中的推进系统很相似。这种恒星飞船的船员坐在一个气泡内（叫做“曲速泡”），在气泡中，所有一切似乎都很正常，甚至当宇宙飞船打破光障的时候也是。事实上，飞行员会认为自己是静止不动的。然而，在曲速泡之外，当曲速泡前的空间被压缩，会发生极严重的时空扭曲。时间不会膨胀，因此曲速泡内的时间将会正常流逝。

阿库别瑞承认《星舰迷航》或许为他获得这个解起了一些作用。“《星舰迷航》中的人们一直谈论曲速引擎，一种使空间变形的概念。”他说，“我们已经拥有了一种关于空间怎样能够或者不能够被扭曲的理论，那就是广义相对论。我认为应当会有一种方法能使用这些概念来解释曲速引擎如何运转。”这或许是电视剧首次帮助启发了对爱因斯坦方程的一个解。

阿库别瑞推测，他提出的恒星飞船所作的旅行会与《星球大战》中“千年隼”所经历的相似。“我的猜测是，他们可能会见到与那十分相像的场面，在飞船前面，星星们变成了长长的线条。在飞船后面，他们什么都看不到——只有黑暗——因为星光无法移动得足够快速以赶上他们。”他说。

阿库别瑞引擎的关键在于将宇宙飞船向超光速的速度推进所需的能量。通常，物理学家们首先采用正能量来推进一艘恒星飞船，它的移动速度永远慢于光速。为了比用这一方式移动得更快，以能够超越光速，就必须更换燃料。一次简单的计算显示，我们需要“负质量”或者“负能量”，这或许是宇宙中最吸引人的存在——如果它们的确存在的话。传统上，物理学家把负能量和负质量当作科幻虚构事物，不予重视。但是我们现在能看到，对于超光速而言，它们是不可替代的，而且它们也许确实存在。

科学家们在自然界中寻找负物质，但迄今为止没有寻获（反物质和负物质是两种完全不同的事物。前者存在，并且具有正能量，但具有相反的电荷。负物质的存在尚未被证明）。负物质会是相当古怪的，因为它轻如无物。事实上，它会飘浮在空中。如果负物质在早期的宇宙中存在，它应该已经飘移到了外层空间。不同于受行星引力吸引、会猛烈撞击行星的流星，负物质会避开行星。它会受到如恒星和行星等大型天体排斥，而非吸引。因此，尽管负物质可能存在，但我们只能指望在外层空间中而绝不是在地球上寻获它。

在外层空间中寻找负物质的方案之一是使用一种名叫“爱因斯坦透镜”（Einstein lenses）的现象。按照广义相对论，当光在一颗恒星或一个星系附近移动时，它的路径会被对方的引力弯曲。在1912年（甚至早于爱因斯坦将广义相对论发展完全），爱因斯坦预测一个星系或许能起到一副望远镜的镜片的作用，来自在某个附近星系中移动的某个遥远物体的光会在其穿越银河系时聚集于一点，就像穿越一面透镜，在最终到达地球的时候形成一个典型的环形。这些现象叫做“爱因斯坦环”（Einstein ring）。在1979年，首面爱因斯坦透镜在外层空间中被观察到。自那以后，爱因斯坦透镜成了天文学家们不可缺少的工具（比如，在外层空间中确定“暗物质”［dark matter］的位置曾经被认为是不可能的。［暗物质是一种不可见但有重量的神秘物质。它包围住银河系，在宇宙中的数量可能十倍于普通的可见物质。］但NASA的科学家们已经成功制作出了暗物质的地图，因为暗物质会在光从其中穿过的时候弯曲光，和玻璃弯折光的方式一样。）

因此，使用爱因斯坦透镜在外层空间中搜寻负物质和虫洞应当是可能的。它们应该会以独特的方式弯折光，而这可以用哈勃太空望远镜观察到。迄今为止，爱因斯坦透镜还没有在外层空间中发现负物质或者虫洞的图像，但是搜索仍在继续。如果有一天哈勃太空望远镜通过爱因斯坦透镜探测到负物质或者虫洞的存在，那会在物理学界掀起轩然大波。

负能量与负物质的区别之处在于它的确存在，但数量极少。在1933年，德里克·卡西米尔（ual particle），时有时无。

在短暂的时间内，电子-正电子会突然爆发为无物，对消并重新消失在真空之中。具有讽刺意味的是，曾经被认为空无一物的真空现在被证明有量子活动活跃于其中。正常情况下，物质和反物质的微小爆炸似乎会违反能量守恒，但是，由于测不准原理，这些微小的违反情况极度短暂，因此平均来看能量仍旧是守恒的。

卡西米尔发现，虚粒子团会在真空中制造出净压力。两块平行金属板之间的空间是有限的，因此压力很低。但是金属板外的压力是不受约束的、较大的，因此会产生将两块金属板推向一起的净压力。

通常，零能量状态在这两块金属板处于静止并且远离对方的时候发生。但是，随着金属板相互靠近，就可以从中获取能量。如此一来，由于动能已经被从金属板中抽离，两块金属板的能量低于零。

这一负能量其实是于1948年在实验室里测得的，所获的结果证实了卡西米尔的预测。这样，负能量和卡西米尔效应就不再是科学幻想，而是确定无疑的事实。然而，问题在于卡西米尔效应相当微小，需要在实验室中使用精巧、先进的测量设备探测这种能量（通常，卡西米尔能量与金属板之间相隔距离的4次方成反比。这表示，两块金属板相距越近，能置越大）。卡西米尔能量于1996年由史蒂文·拉蒙诺（Steven Lamoreaux）在洛斯阿拉莫斯国家实验室（Los Alamos National Laboratory）精确测得，引力为一只妈蚁的三万分之一重。

自阿库别瑞首先提出他的理论以来，物理学家们已经发现了大量奇特的性质。恒星飞船内的人们会有原因地与外界断绝联系。这意味着你无法简单随意地按下按钮，并且以超光速移动，你无法穿透气泡与外界交流。必须有一条预先存在的“高速公路”穿越空间与时间，就像根据常规时刻表通过的—组火车。在这个意义上，恒星飞船不会是一艘能随意转变方向和速度的普通飞船。恒星飞船事实上会像是一节客车，飘浮于预先存在的压缩空间的“波浪”之上，沿一条弯曲的时空走廊航行。阿库别瑞推测：“我们在这条路上需要一系列异常物质发生器，它就像一条高速公路，以一种同步方式为你控制空间。”

事实上，对爱因斯坦方程更为古怪的解也能找到。爱因斯坦的方程称，如果给出一定量的质量或能量，就能计算出这一质量或者能量会产生的时空弯曲（与向池塘重新投入石块，能够计算出石块造成的涟漪的方式相同）。但是，方程式也可以倒推回去。你可以从一个混乱的时空入手，比如《阴阳魔界》（t Zone）中的那种（比如，在这样的宇宙中，你可以打开—扇门，发现自己身处月球。你可以绕着一棵树奔跑，发现自己回到了过去，而你的心脏在你的身体右侧）。随后，你可以计算出与这一特殊时空相联系的物质和能量分布（这意味着，如果给出池塘表面波纹的整体情况，就可以倒推计算出产生这些波纹所需的石头的分布）。其实，阿库别瑞就是用这种方式得出了他的方程。他从一个保持超光速前进的时空入手，随后再倒推回去，并且计算出了产生这一时空所需的能量。

<h3>虫洞与黑洞</h3>

除去拉伸空间之外，打破光障的第二种可行方法是通过虫洞——连接两个宇宙的通道，将空间撕裂。在小说中，对虫洞的首次提及来自于牛津的数学家查尔斯·道奇森（Che Looking Glass）。爱丽丝的镜子是一个虫洞，连接了牛津的郊外与仙境中的魔法世界。爱丽丝将手穿过镜子，被立即从一个宇宙传送到了另一个宇宙。数学家们把它们称为“多连通空间”。

物理学上虫洞的概念可以追溯到1916年，在爱因斯坦公布他史诗般的相对论之后一年。物理学家卡尔·史瓦西（Karl Schwarzschild）——他后来在德国军队中服役——成功解开了爱因斯坦的方程，精确地得出一颗单一点状恒星的状态。在远离这颗恒星的位置，其引力场与普通恒星的引力场非常相似，并且，事实上爱因斯坦使用了史瓦西的解计算出了一颗恒星周围光的偏折。史瓦西的解对天文学产生了立杆见影的、深远的影响，甚至今天它也仍是爱因斯坦方程最著名的解之一。一代又一代的物理学家使用这一点状恒星周围的引力场作为有限定直径的真实恒星引力场的近似值。

但是，如果认真对待这一点状恒星的解，那么会发现潜伏在其中心的是一个巨大的点状物体，它已经震撼着物理学家，使他们为之惊奇长达近一个世纪——那就是黑洞。史瓦西对一颗点状恒星的引力的解就像是特洛伊木马。从外表看来，它像是一件来自天堂的礼物，但内部却潜伏着各种魔鬼和幽灵。但是，如果接受了其中之一就必须也接受另一个。史瓦西的解证明，当向这颗点状恒星靠近的时候会发生古怪的事情。围绕着这颗恒星的是一个隐形球面（称为“视界”［event horizon］），那是一个不可返回点。每一件东西都是只进不出，就像个捕蟑盒。一旦穿越了视界就永远不可能回来（一旦处于视界内部就必须以超光速移动才能逃回到视界外面，而那是不可能的）。

当你向视界靠近，你身上的原子会被潮汐力拉伸，双脚感受到的引力会比头部感受到的引力大很多，因此你会被“拉成意大利面条”，随后被撕裂。同样的，你身体的原子也会被引力拉伸和撕开。

在一个从外部看着你靠近视界的人看来，你会像是在时间的流逝中放慢了动作。事实上，一旦触碰到视界，时间看起来似乎就像停止了一样！

再者，当你穿越视界，你会看到已经在黑洞周围被束缚和流转了数十亿年的光。你就像在看一部动画片，详细叙述黑洞的历史，追溯到它的最初。

最终，如果你直接掉入黑洞，在它的另一头会是另一个宇宙。这被称为爱因斯坦-罗森桥（Einstein-Rosen Bridge），由爱因斯坦在1935年首先提出：它现在被称作“虫洞”。

爱因斯坦和其他物理学家相信恒星永远都无法进化成这样一个怪物。实际上，爱因斯坦在1939年发表了一篇论文，证明一团流动的气体和尘埃永远无法浓缩成一个黑洞。因此，尽管在黑洞中心藏有虫洞，但他有把握，这样一个奇怪的物体不可能自然形成。事实上，天文物理学家亚瑟·爱丁顿（Arton）曾经说过，应该是有“一条自然定律阻止恒星表现得如此荒诞离奇”。换言之，黑洞其实是爱因斯坦方程一个合理的解，但是没有已知的机制可以通过自然方式形成一个黑洞。

随着J.罗伯特·奥本海默和他的学生哈特兰·施奈德（land Snyder）在同一年写作、发表的一篇论文，这一切都发生了改变。这篇论文证明黑洞的确可以自然形成。他们假设一颗死亡中的恒星已经耗尽了它的核燃料，并且随后在引力下坍缩，这样它就会在自身重量之下聚爆。如果引力能将恒星压缩入它的视界之内，那么就没有什么科学上已知的事物可以阻止引力将恒星挤压成一个点状粒子——黑洞（这一聚爆方式或许给了奥本海默数年后制造长崎原子弹的思路，那枚原子弹依赖一个钚球体的聚爆）。

随后的突破发生在1963年，新西兰数学家罗伊·克尔（Roy Kerr）研究了也许是关于黑洞的最实际的例子。物体在收缩时会旋转得更快，就像滑冰者将手臂向身体收拢时会旋转得更快一样。结果，黑洞应该会以极快的速度旋转。

克尔发现旋转的黑洞不会像史瓦西假设的那样坍缩成点状的恒星，而是会坍缩成一个旋转的圆环。任何不幸碰撞到圆环的人都会被毁灭，但掉进圆环内的人则不会死去，而是实际上穿越过去。但是，他（她）不会在圆环的另一端盘旋转圈，而是穿过爱因斯坦-罗森桥，在另一个宇宙中盘旋转动。换言之，旋转的黑洞是爱丽丝的镜子的边缘。

如果他（她）再次在旋转的黑洞周围移动，他（她）会进入另一个宇宙。事实上，重复进入旋转圆环的行为会将一个人带入不同的平行宇宙中，就像是按下升降机的“向上”按钮。原则上，宇宙的数量可以是无限的，一个摞在另一个的顶上。“穿过这个魔环，然后——啪啪啪！——你身处一个全然不同的宇宙中了，那里的半径和质量都是负的。”克尔写道。

不过，有一个严重的不利因素。黑洞是“不可穿越的虫洞”的实例，即：穿过视界是一次单程旅行。—旦穿过了视界和克尔环就无法退过克尔环，退出视界。

但是，1988年，加州理工学院的基普·索恩（Kip thorne）和同事发现了一个可穿越虫洞的例子，即一个可以自由出入的虫洞。事实上，有了这个解，穿过虫洞并不比坐飞机更糟糕。

通常，引力会挤垮虫洞的咽喉状部位，杀死试图到达虫洞另一头的宇航员。这是不可能以超光速穿越虫洞的原因之一。但是相信负能量或负质量的推斥力能够让咽喉状部位敞开足够的时间，让宇航员畅行无阻。换言之，负质量或负能量对于阿库别瑞引擎和虫洞的解都是必不可少的。

在过去的数年中，已有数量惊人、允许虫洞存在的爱因斯坦方程精确解被发现。但是，虫洞确实存在吗？或者它们仅仅是一种数学上的想象？虫洞面临的重要问题有以下几个。

首先，为了创造穿越虫洞所必须的剧烈时空扭曲，需要数量巨大的正物质和负物质，约等同于一颗巨大恒星或者一个黑洞。华盛顿大学的物理学家马修·维瑟（Matthew Visser）估计，打开一个1米宽的虫洞所需的负能量抵得上木星的质量，不同之处是这能量必须是负的。他说：“你需要大约一个负木星质量的能量完成这一任务。仅仅是操纵一个正木星质量的能量就已经是天方夜谭了，远远超越了我们在可预见的未来里所能达到的能力。”

加州理工学院的基普·索恩推测道：“事实会证明物理学定律允许人体大小的虫洞里有足够的异常物质保持虫洞开启。但是，事实也会证明创造虫洞和保持它们敞开的科技远远超过我们人类文明的能力，无法想象。”

其次，我们不知道这些虫洞能有多稳定。这些虫洞产生的射线或许会杀死任何进入其中的人。或者，虫洞可能根本不稳定，会在刚有人进入时就关闭。

第三，落入黑洞的光线会发生，即：随着它们靠近视界，它们会获得越来越大的能量。事实上，在视界自身的位置上，光会发生技术性的无限蓝移，因此这一下陷中的能量发出的辐射可能杀死一架火箭中所有的人。

让我们更细致地探讨这些问题。问题之一是聚集足够的能量撕裂时间和空间这块织物。做到这点最简便的方法是将一个物体压缩到它小于自己的“视界”。以太阳为例，这表示要将它压缩到直径约2英里，然后它将坍缩成—个黑洞。（太阳的引力太弱，不足以将它自然压缩到直径2英里，因此我们的太阳将永远变不成黑洞。原则上，这表示任何事物——甚至是你，如果被充分压缩，都可以变成黑洞。这意味着将你身体的所有原子压缩到小于亚原子距离——一项超过现代科学水平的功绩。）

更实际的方法是集合一组激光束，向一个精确的点发射强烈的激光。或者建造一台巨大的核粒子加速器，制造两束原子束，它们随后会猛烈相撞，释放出巨大的能量，足以在时空的织物上撕开一道小口子。

<h3>普郎克能量和粒子加速器</h3>

我们可以计算在时空中制造不稳定所需要的能量：大约等同于普朗克能量，或者说1020亿电子伏特。这真是无法想象的巨大数宇，比当今最强大的机器——位于瑞士日内瓦郊外的大型强子对撞机（LhC）所能获取的能量还要多1000万亿倍。LhC能够将质子在一个大型“环状物”中摇晃，直至它们的能量达到数万亿电子伏特，这是自宇宙大爆炸以后不曾出现过的能量。但就是这一机器中的庞然大物都远不可能制造出接近普朗克能量的能量。

Lernational Linear ColMer，ILC）。ILC不会将亚原子粒子的路径转成环形，而是将把它们喷射到—条直线路径上。在粒子沿这一路径移动时会被注入能量，直到它们获得大到难以想象的能量为止。随后，一束电子将与正电子相撞，制造出巨大的能量爆发。ILC将长30-40千米，是斯坦福直线加速器（Stanford Linear Accelerator）长度的10倍，是目前最大的直线加速器。如果一切顺利，ILC定于在未来10年里完工。

ILC产生的能量将为0.5-1万亿电子伏特——少于LhC的14万亿电子伏特，但这可能带有误导性（在LhC中，质子之间的对撞发生在组成质子的组分——夸克之间。因此涉及夸克的对撞少于14万亿电子伏特。这就是为什么ILC将产生比LhC所能产生的更大的对撞能量）。同样，由于电子没有成分，因此电子和正电子之间相撞的动态更为简单和彻底。

但现实地说，ILC同样远远不足以在时空中打开一个洞。要做到那一点，你需要一台强大1000万亿倍的加速器。对于我们这种使用死去的植物作为燃料（比如石油和煤）的0型文明而言，这种科技超出了我们所能集合的任何事物。但它对于一个III型文明来说或许会成为可能。

别忘了，一个III型文明在利用能源方面能动用整个星系的资源，消耗比—个II型文明多l00亿倍的能量，II型文明的能源消耗是以单单一颗恒星为基础的。而一个II型文明比一个I型文明消耗的能量多100亿倍，I型文明的能量消耗是以一颗行星为基础的。在100-200年间，我们脆弱的0型文明将达到I型文明的水平。

根据这一假设，我们距离能够实现普朗克能量还有非常非常远的距离。许多物理学家认为，在极度微小的距离，即10-53厘米的普朗克距离内，空间不是空无一物或者平静的，而是变得“满是泡沫”。它打出微小的气泡，气泡不断地短暂出现，与其他气泡相撞，随后消失在真空中。这些在真空中猛然进进出出的气泡是“虚拟宇宙”，非常类似于突然出现又消失的电子和正电子虚拟粒子。

通常，这一量子时空“泡沫”是我们完全无法看见的。这些气泡在非常微小的距离内出现，我们无法观察到它们。但是量子物理学家提出，如果我们将足够的能量集中在一个点上，直到我们达到普朗克能量，这些气泡可以变大。届时我们将看到时空中充满了小气泡，每个气泡都是一个连接到一个“婴儿宇宙”的虫洞。

在过去，这些婴儿宇宙被认为是一种好奇，一种纯数学得出的奇怪结果。但是，现在物理学家开始想象我们的宇宙最初可能也是从这样的婴儿宇宙开始的。

这样的想法是十足的想象，但物理学定律给出了可能，将足够的能量集中到一点上，在空间上打开一个洞，直到我们能接近显露出的时空泡沫和虫洞，它们将我们的宇宙和一个婴儿宇宙相连。

在太空中打出一个洞当然要求我们的科技有重大突破。但是，同样，它对于一个III型文明而言或许是可能的。比如，在一种叫“尾场桌面型加速器”（akeflekl tabletop accelerator）的事物上已经有了很有前景的发展。非比寻常的是，这一核粒子加速器非常小，可以被放置于桌面上，但却能产生数十亿电子伏特的能量。尾波场桌面加速器的工作原理是向带电荷的粒子发射激光，随后粒子会借助激光的能量移动。斯坦福直线加速器中心、英国的卢瑟福·阿普尔顿实验室（Ruton Laboratory）和巴黎高等理工学院（Ecole Polytechnique）完成的实验证明，使用激光束和等离子体注入能量是可能实现短距离内的巨幅增速的。

但是，另一大突破在2007年实现了，斯坦福直线加速器中心、UCLA和USC的物理学家和科学家证明，一台巨型粒子加速器的能量可以在仅仅1米的距离内加倍。他们从一束电子开始着手，在斯坦福将其射入一个2英里长的管道，达到了420亿电子伏特的能量。随后，这些高能量电子被送入一个“加力燃烧室”中，它由一个仅88厘米长的等离子室构成，在那里电子获取额外的420亿电子伏特，使它们的能量加倍（等离子室充满了锂气。当电子穿过气体，它们制造出一种等离子体波，等离子体波制造出尾波。这个尾波转而流回电子束，并随后将它向前推，给予它额外的动力）。在这一了不起的成就中，物理学家们将过去每米能够加速一道电子束的能量纪录提高到了原来的3000倍。通过对现存的加速器添加这样的“加力燃料室”，我们原则上几乎是不付出代价地将它们的能量加了倍。

今天，尾波场桌面加速器的世界纪录是每米2000亿电子伏特。要将这一结果提高到更长的距离面临着无数的问题（比如在激光功率被注入电子束的时候维持电子束的稳定）。但假设我们能够维持每米2000亿电子伏特的功率水平，这意味着一台能够实现普朗克能量的加速器必须有10光年长。这完全在III型文明的能力之内。

虫洞和拉伸空间或许给予了我们打破光障最现实的方法。但这些技术是否稳定还是未知的。如果这些技术稳定的话，要完成它们仍旧必须使用数量巨大的正能量或负能量。

或许一个先进的III型文明已经具备了这项技术。或许还要过数千年我们才能哪怕是思考一下控制和利用这样规模的能量。由于对在量子水平上控制时空织物的基本定律仍旧存在争议，因此我把它归类为“二等不可思议”。

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注释：

（《爱面丝奇境漫游记》的姐妹篇）中，爱丽丝穿过镜子进入了镜子那一头的魔法世界。——译者注</a>

第二章二等不可思议 12.时间旅行

<small>如果时间旅行可能，那么来自未来的游客在哪里？</small>

<small>“（时间旅行）有违理性。”菲尔比（Filby）说。</small>

在小说《亚努斯方程》（Janus Equation）中，作者G.斯普瑞尔（G.Spruill）探索了一个时间旅行引起的令人痛心的问题。在这个故事中，一位以发现时间旅行为目标的杰出数学家遇见了一位不寻常的美丽女子，他们成了情侣，尽管他对她的过去一无所知。他开始对调査她的真实身份兴致勃勃。最终，他发现她曾经接受过整容手术改变自己的容貌，并且曾经做过变性手术。最后，他发现“她”其实是一位来自未来的时间旅行者，“她”其实就是他自己，但来自未来。这意味着他和自己做了爱。令人好奇的是，如果他们生育了一个孩子会怎样呢？如果这个孩子回到了过去，长大后成了故事开头的数学家，那么成为自己的母亲和父亲和儿子和女儿就是可能的了？

<h3>改变过去</h3>

时间是宇宙中最大的谜团之一。我们都被时间的河流推动前行，有违自己的意愿。大约在公元前400年，圣奥古斯丁（Saint Augustine）就时间自相矛盾的本质进行了广泛的写作：“当过去不再是过去，而未来尚未成为未来，过去和未来怎能成真？至于现在，如果永远处于现在，而永不向前使之成为过去，那它就不再是时间，而成为永恒。”如果我们将圣奥古斯丁的逻辑推进一步，我们会发现时间不可能是真实的。因为过去已经流逝，未来尚不存在，而现在只能存在片刻。（圣奥古斯丁因此对于时间将如何影响上帝提出了意味深长的神学疑问。“如果上帝是万能的”，他写道，“那么他受到时间流逝的约束吗？换句话说，上帝会像我们凡人一样，由于害怕赴约迟到而不得不匆忙赶路吗？”圣奥古斯丁最后得出结论，上帝是万能的，因而不可能被时间所支配，并且因此必须是存在于“时间之外”。尽管存在于时间之外的概念似乎很荒谬，但它却是现代物理学中反复出现的构想，正如我们将看到的那样。）

就像圣奥古斯丁那样，我们都在某个时候对于时间的古怪本质以及它如何区别于空间感到好奇。如果我们可以在空间中前后运动，为什么在时间中不能呢？我们也都想知道在我们寿命结束后的年月，未来会是什么面貌。人类的生命有限，但我们对在自己离去后会发生什么却又极为好奇。

尽管我们进行时间旅行的渴望或许就如人类历史一样古老，但似乎首篇关于时何旅行的故事是在1733年由塞缪尔·麦登（Samuel Madden）所写的《20世纪大事记》（Memoirs of tietury），关于一位来自1997年的天使跨越了250年到了过去，目的是将描述未来世界的文件交给一位英国大使。

这样的故事还有很多。1838年的匿名写作的短篇小说《误车：时光倒错》（Missing One’s Coach : An Anachronism）内容是关于一个等候马车的人突然发现自己身处1000年前。他遇见一位来自古老隐修院的僧侣，并且试着向对方解说在之后1000年中历史将会如何发展，然后，他发现自己如先前一般被不可思议地送回了当前，不同的是他已经错过了马车。

连査尔斯·狄更斯（Cmas Carol）也是某种意义上的时间旅行故事，因为埃比尼泽·斯克鲁奇（Ebenezer Scrooge）被带到了过去和未来，目睹了从前的世界和他死后的世界。

在美国文学中，时间旅行首次出现在马克·吐温1889年的小说《亚瑟王朝廷上的康涅狄格美国佬》（A Connecticut Yankeein King Art）中。一位19世纪的美国佬被拖回了时间之中，最后出现在公元前528年亚瑟王的朝廷上。他被投入牢狱，即将被绑在火刑柱上烧死，但他随机宣布他有将太阳抹去的能力，因为他知道就在那一天会发生一次日食。当太阳被遮蔽，暴民们大为惊恐，同意释放他，并向他承诺好处，作为将太阳归还的交换。

但是首部严肃尝试时间旅行的小说是ime Machine），在小说中主人公被送到了几百年后的未来。在那遥远的未来，人类本身由于基因分成了两个种族《险恶的莫洛克斯（Moorlocks），他们维护着沾满污垢的地下机器；以及百无一用的、孩子气的艾洛伊（Eloi），他们在地上世界跳舞，永远都意识不到自己可怕的命运（被莫洛克斯吃掉）。

在此之后，时间旅行已经成为科幻作品的常见特色，从《星舰迷航》到《回到未来》。在《超人I》中，当超人得知路易斯·莱恩（Lois Lane）已经死去后，他不顾一切地决定让时光倒流，他让自己绕着地球极速飞行，比光速更快，直到时间本身倒转。地球减慢速度，停止，最终向着相反的方向自转，直到地球上所有的钟都向后倒走。洪水迅速后退，破裂的大堤奇迹般地自我修复，路易斯·莱恩从死亡的国度回来了。

从科学的角度来看，时间旅行在牛顿的宇宙中是不可能的。在牛顿的宇宙中，时间被视作一支箭，一旦射出就永远不能向后折回，地球上的一秒钟在整个宇宙中都是一秒钟，这一构想被爱因斯坦推翻，他证明时间更像是一条蜿蜒过宇宙的河流，在恒星和星系中蛇形而过时其流速会加快或减慢，因此，地球上的一秒钟并不是绝对的，当我们在宇宙各处旅行时，时间各不相同。

就像我早先探讨的那样，根据爱因斯坦的狭义相对论，火箭移动越快，它内部的时间流逝越慢。科幻作家们推测，如果能打破光障就能回到过去。但这是不可能的，因为要达到光速必须具有无穷大的质量，光速是所有火箭的终极障碍。《星舰迷航IV:抢救未来》中，“企业号”的船员劫持了一艘克林贡宇宙飞船，并且用它绕着太阳转圈飞行，就像个弹弓一样打破了光障，到达了20世纪60年代的旧金山。但这违反了物理定律。

但是，去未来的时间旅行是可能的，并且已经被用实验证明了数百万次。的主人公去往遥远未来的旅程其实在物理学上是可能的。比如说，如果一位宇航员以接近光速的速度移动，假定他会花费1分钟到达最近的恒星，地球上的时间已经流逝了4年，但是对他而言仅仅过去了1分钟，因为火箭内部时间会减速流逝。因此，根据地球上已经经历的，他就已经旅行到了未来的4年之后（我们的宇航员每次进入太空时其实都短暂地进入了未来。当他们在地球上空以每小时18000英里的速度移动时，他们的时钟比地球上的时钟走得稍稍慢一点。因此，在国际空间站执行1年的任务之后，他们返回地球时其实进入了不到1秒之后的未来。进入未来的世界纪录目前由俄罗斯宇航员瑟杰·阿达耶夫［Sergei Avdeyev］保持，他在太空中渡过了748天，并因此到达了0.02秒之后的未来）。

因此，能将我们带到未来的时间机器符合爱因斯坦的狭义相对论。但是回到过去呢？

如果我们能够回到过去，历史就不可能写就了。一旦历史学家记录了过去的历史，就有人可以回到过去并改写它。时间机器不但会使历史学家失业，还能使我们随心所欲地更改时间的进程。例如，我们回到恐龙的时代，并且偶然地踩到了某个碰巧是我们祖先的哺乳动物，或许我们会意外地消灭整个人类。当来自未来的游客搅黄历史事件，并且尝试寻找最佳拍照角度的时候，历史将成为一部没完没了、颠三倒四的剧集。

<h3>时间旅行：物理学家的游乐场</h3>

或许在黑洞和时间机器的密集数学方程方面最为闻名的人是宇宙学家史蒂芬·霍金。不同于其他早早就以数学物理受人注目的学习相对论的学生，霍金年轻时其实不是个优秀的学生。他显然极为聪明，但他的老师们常常会注意到他没有将精力集中在学习上，并且从来不发挥他的全部潜力。但是转折点在1962年到来了，在从牛津毕业后，他开始注意到ALS（肌萎缩侧索硬化症，amyotroperal sclerosis，又称葛雷克氏症）的症状。他被自己患有这一运动神经元上的不治之症的消息惊呆了，这病将剥夺他的所有运动功能，并可能很快致他死命。最初这一消息令他极为难过，如果自己无论如何都会很快死去，获得PhD学位又有何用呢？

但当他熬过了最初的震惊，他有生以来第一次集中了精神。他意识到自己没有多长时间可以活了，开始猛攻广义相对论中某些最困难的问题。在20世纪70年代早期，他发表了一系列里程碑式的论文，证明爱因斯坦理论中的“奇点”（singularity，在这个位置引力场变得无穷大，比如黑洞的中心和在宇宙大爆炸的瞬间）是相对论不可或缺的一部分，并且无法轻易摒除（就像爱因斯坦所认为的那样）。在1974年，霍金还证明了黑洞并不完全是黑的，而是逐渐放射出辐射，现在这被称为“霍金辐射”，因为辐射连黑洞的引力场都能穿透。这篇论文是量子理论在相对论上的第一次重要应用，并且是他最著名的研究成果。

正如所料，ALS慢慢使他的手、腿和声带瘫痪，但速度比医生最初预计的慢得多。因此，他已经经历了许多普通人的人生重大事件，成为三个孩子的父亲（他现在是一位祖父了），在1991年与第一任妻子离婚，四年后娶了他的语音合成器制造者的妻子，并在2006年申请与第二任妻子离婚。在2007年，他登上喷气飞机进行无重力飞行，实现毕生心愿的消息被大为宣扬。他的下一目标是升入太空。

如今他几乎完全瘫痪在轮椅中，通过眼睛的活动与外界交流。然而，尽管身患难以忍受的残疾，他仍旧能开玩笑、写论文、作演讲，并且参加论战。他依靠移动双眼就比那些能够完全控制自己躯体的整队科学家更多产（他在剑桥大学的同事，女王任命的皇家天文学家马丁·瑞斯爵士曾经向我吐露，霍金的残疾的确妨碍了他进行保持自己研究领域内顶尖地位所需要的单调计算。因此，他转而集中精力提出新颖的思想，而不是完成困难的运算，这可以由他的学生来做）。

1990年，霍金读了同事的一篇论文，那上面提出了一种类型的时间机器，他立刻产生了怀疑。他的习惯告诉他，时间旅行是不可能的，因为不存在来自未来的旅行者。如果时间旅行就如星期天在公园里野餐一样常见，那么来自未来的时间旅行者应当会举着相机纠缠我们，要求我们为他们的相片集摆姿势。

霍金还向全世界的物理学家提出了一项挑战。他宣布，应当有一条定律使时间旅行不可能实现，他提出了“时序保护猜想”以从物理定律上禁止时间旅行，以“为历史学们保障历史的安全”。

然而，令人宭迫的是，无论物理学家们多么努力地尝试都无法找出一条不允许时间旅行的定律。看起来时间旅行似乎符合已知的物理定律。由于无法找出任何禁止时间旅行的物理定律，霍金最近改变了主意。他说的“时间旅行或许可行，但是它不实际”，在伦敦的报纸上被大肆报道。

时间旅行一度被认为是边缘科学，突然间却成了理论物理学家们的游乐场。加州理工学院的物理学家基普·索恩写道：“时间旅行曾经仅仅是科幻作家们的领地。严肃的科学家对其像躲避瘟疫一般唯恐避之不及——哪怕是在用笔名写小说或是私下里阅读的时候。时代真是变了！现在能够在严肃科学期刊上发现关于时间旅行的学术性分析，出自著名的理论物理学家之手……为什么会发生这样的改变？因为我们物理学家已经意识到时间的本质是一个极为重要的议题，不能仅仅被遗落在科幻作家手中。”

所有这些混乱与兴奋的原因是，爱因斯坦的方程允许很多种时间机器存在（然而，它们是否能经得起量子理论的挑战仍不确定）。在爱因斯坦的理论中，事实上我们常常遇到某种叫“封闭式类时间曲线”（closed time-like curves）的东西，它是允许回到过去的时间旅行路径的专业术语。如果我们沿着一条封闭式类时间曲线的路径前进，我们将踏上一次旅程，并且回到我们出发之前的时间里来。

第一种时间机器包含了一个虫洞。爱因斯坦方程有许多解连接了空间中两个相距遥远的点。但是由于空间和时间在爱因斯坦的理论中密不可分地相互纠结，这同一个虫洞也可以连接时间中的两个点。掉入虫洞，你可以（至少在数学上）游历到过去。可以想象，你随后能够回到开始的那一刻，并且遇到离去之前的你自己。但是，正如我们在之前的章节中所提到的，穿过一个黑洞中心的虫洞是一次单程旅行。如物理学家理查德·戈特（Rict）所说的：“我不认为一个人在黑洞中回到过去的时光会存在什么疑问，问题是他是否还能重新出现，夸耀他的经历。”

另一种时间机器包括一个旋转的宇宙。1949年，数学家科特·哥德尔发现了第一个包含时间旅行的爱因斯坦方程的解。假如宇宙旋转的话，那么如果你在宇宙中以足够快的速度移动，你或许会发现自己身处过去，并且到达了自己出发之前的时间。因此，一次环绕宇宙的旅行也是一次回到过去的旅行。当天文学家们拜访高级研究所的时候，哥德尔常会问他们是否找到了宇宙在旋转的证据，当他们告诉他有清楚的证据表明宇宙在膨胀，但是宇宙的净转动可能是零，他很失望（否则，时间旅行或许会很平常，历史会像我们所了解的那样崩溃）。

第三，如果你绕着一根无限长的、旋转的圆柱走，你可能同样会发现自己回到了自己离开之前（这个解是由.J.范斯托克姆［.J. van Stockum］在1936年发现的，早于哥德尔的时间旅行解，但范斯托克姆看来没有意识到他的解允许时间旅行）。既然如此，如果你在五月节绕着一根旋转的五月柱跳舞，你或许会发现自己身处四月（然而，这一方案的问题在于圆柱必须是无限长的，并且旋转的非常快，以致于大多数材料会被飞甩出去）。

最近的时间旅行例子由普林斯顿的理査德·戈特在1991年发现。他的解是以发现巨大的宇宙弦（可能是最初的大爆炸的残存物）为根据的。他假设有两根大型宇宙弦几乎要相撞。如果快速绕这两根快要相撞的宇宙弦移动，你将回到过去。这种类型的时间机器优势在于不需要无限长的圆柱、旋转的宇宙或者黑洞（然而，这一方案的问题在于必须先找到漂浮于太空中的巨大宇宙弦，随后使它们以精确的方式相撞。回到过去的可能性只能持续一段短暂的时间），戈特说：“一根收缩回路大到需要你用上一年，绕它一圈的弦质量-能量必须超过整个星系的一半。”

但是，时间机器最有前景的方案是前一章中提到过的“可穿越的虫洞”，一个时空中的洞，在其中人可以自由地在时间中前进和后退。理论上说，可穿越虫洞不仅能提供超光速旅行，还可以提供时间旅行。可穿越虫洞的关键是负能量。

—个可穿越虫洞时间机器将由两个房间组成，每个房间由两个分开一小段距离的同心球体组成。使外侧的球体向内聚爆，两个球体会制造卡西米尔效应，并因此产生负能量。假设一个III型文明能够将这两个房间用一个虫洞连接起来（可能从时空泡沫中获取一个）。随后，将第一个房间以近光速送入太空。那个房间里的时间会减慢，这样两个时钟就不再同步了。两个房间内的时间以不同的速度流逝，而它们由一个虫洞相连。

如果身处第二个房间内，你可以立即穿过虫洞到达第一个房间，那里的时间比较早。这样你就回到了过去。

这一方案面临难以克服的问题。虫洞可能会很小，比一个原子还小得多。金属板可能必须向内收紧到普朗克长度的距离，以制造足够的负能量。最后，你只能够回到时间机器被制造的时间点。在那之前，两个房间的时间流逝速度是相同的。

<h3>悖论和时间谜题</h3>

时间旅行提出了各种问题，既有技术性的也有社会性的。拉瑞·戴维尔（Larry Dwyer）提出了伦理、法律和道德上的议题，他记录道：“一个挥拳殴打年轻的自己（或者情况相反）的时间旅行者应该被控袭击吗？谋杀他人后逃回过去寻求庇护的时间旅行者应当在过去为他在未来所犯下的罪行受审吗？如果他在过去结了婚，他应当为重婚受审吗？即使他的另一个妻子在差不多接下来5000年里都不会出生。”

但最尖锐的问题或许是由时间旅行引起的逻辑悖论。比如，如果我们在自己出生之前杀死了自己的父母会怎样？这在逻辑上是不可能的，它有时被称为“祖父悖论”（grandfather paradox）。

解决这些悖论有三种方法。第一种，或许你在回到过去的时候只是简单地重复历史，因此就使过去实现了。这样的话，你就不具有自由意志。你被迫如已经记录的那样完成过去。这样，如果你回到过去，将时间旅行的秘密告诉了年轻的自己，那么事情就是注定要如此发生的。时间旅行的秘密来自未来。这是命运（但这没有告诉我们最初的想法来自哪里）。

第二种，你具有自由意志，因此你可以改变过去，但在一定限度之内。你的自由意志无法制造出时间悖论。每当你试着在自己出生前杀死自己的父母，就会有一股神秘的力量阻止你达到目的。这种方式被俄罗斯物理学家伊戈尔·诺维科夫（Igor Novikov）大为提倡（他辩称，有一条物理定律使我们无法在天花板上行走，尽管我们或许想这么做。因此，或许有一条物理定律使我们无法在自己出生前杀死自己的父母。某条古怪的定律妨碍我们达到目的）。

第三，宇宙分裂为两个宇宙。在其中一条时间轴上，你杀死的人仅仅是看上去像你的父母，但他们不是你的父母，因为你正处于一个平行宇宙中。最后的这种方式似乎是唯一符合量子理论的，如同我将在后一章讨论多元宇宙的时候所提到的那样。

第二种可能在影片《终结者3》（terminator 3）中获得了探索。影片中阿诺德·施瓦辛格（Arnold Schwarzenegger）扮演一个来自未来的机器人。在那里，凶残的机器人已经接管了一切。寥寥无几的幸存人类像动物一般被机器穷追不舍，由一位伟大的领袖领导，机器人无法杀死他。机器人对此深感不满，派出一系列机器人杀手回到伟大领袖出生之前，去杀死他的母亲。但是，在史诗般的战斗之后，人类文明最终在电影末尾被摧毁了，就如它命中注定的那样。

《回到未来》探索了第三种方式。布朗（Brown）博士发明了一辆以钚为燃料的德罗宁（DeLorean）汽车，它其实是一台可以回到过去的时间机器。迈克尔·福克斯（Michael J.Fox）（饰演马蒂·麦克弗莱）进入了机器，并且回到过去，遇见了自己青少年时期的母亲，随后他们坠入了爱河。这提出了一个难题：如果马蒂·麦克弗莱的母亲拒绝了他的父亲，那么他们就不会结婚，而迈克尔·J.福克斯扮演的角色将永远不会出生。

布朗博士略微澄清了这一问题。他走向黑板，画了一条水平线，代表我们的宇宙的时间轴。随后他又画了第二条线，从第一条线分叉出来，代表当你改变过去时一个打开的平行宇宙。这样，毎当我们回到时间的河流中，河流就会分叉为两股，一根时间轴变成两根时间轴，或者它被称作“多世界”（many worlds）方法，我们将在下一章中进行讨论。

这表示所有的时间旅行悖论都可以解决。如果你在自己出生前杀死了自己的父母，这仅仅表示你杀死了某两个在基因上与你父母完全相同的人，并与你的父母有着相同的记忆和性格，伹他们不是你真正的父母。

“多世界”概念解决了时间旅行的至少一个主要问题。对物理学家来说，时间旅行（除找到负能量之外）所受到的最大非议在于辐射效应会逐渐增强，最后要么你在进入机器的瞬间被杀死，要么虫洞在你身上崩塌。辐射效应会增强是因为任何进入时间之门的辐射都会被送回过去，它最后会在宇宙中游荡，直至它到达现在，随后再次落入虫洞，由于辐射能无数次进出虫洞入口，虫洞内部的辐射能强到不可思议——强烈得足以杀死你，但是“多世界”解释解决了这个问题。如果辐射进入时间机器，并且被送往过去，那么它会进入一个新的宇宙，它无法一次、一次又一次地重复进入时间机器。这明确地意味着有无数个宇宙，每个宇宙一个循环，每个循环只有一道辐射，而不是无限量的辐射。

在1997年，当三位物理学家证明霍金禁止时间旅行的方案有先天缺陷时，这一讨论有点被解释清楚了。伯纳德·凯（Bernard Kay）、马瑞克·莱迪兹科斯基（Marek Radziko ald）证明，时间旅行符合所有已知的物理定律，除了一处。在时间中旅行时，所有可能出现的问题都集中在视界上（位置靠近虫洞的入口）。但是视界恰好位于我们预计爱因斯坦理论失灵、而量子理论开始生效的位置。问题在于，每当我们试图计算进入一台时间机器时的辐射效应，我们都不得不使用一种将爱因斯坦广义相对论和辐射的量子理论相结合的理论。但是，每当我们天真地试图结合这两种理论，得到的理论都是毫无意义的：它产生一系列无限的答案，而这些答案没有意义。

这是一种万物至理开始起作用的位置。困扰物理学家的穿越虫洞旅行的一切问题（比如，虫洞的稳定性、可能杀死人的辐射以及进入虫洞时虫洞会闭合）都集中于视界，那正是爱因斯坦理论失去意义的地方。

因此，理解时间旅行的关键在于理解关于视界的物理，只有一种万物至理才能解释它。这就是为什么如今的大多数物理学家认同明确解决时间旅行问题的唯一方法就是提出一种引力和时空的完整理论。

万物至理会联合宇宙的四种力，并且使我们能够估计出当我们进入一台时间机器时会发生的情况。只有一种万物至理才能成功计算出一个虫洞所制造的全部辐射效应，并且肯定地解决当我们进入时间机器时虫洞的稳定性问题。即便如此，我们可能还必须等上几个世纪甚至更久，才能等到一台机器来测试这些理论。

由于时间旅行的原理与关于虫洞的物理联系极为紧密，时间旅行似乎符合“二等不可思议”的要求。

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注释：

第二章二等不可思议 13.平行宇宙

<small>“可是，先生，您的意思真的是，”彼得说，“会存在另外的世界——到处都有，比如就在拐角处？”</small>

<small>“没有比这更有可能的事情了，”教授说……当他低声自言自语，“我奇怪他们究竟在学校里教了他们什么。”</small>

<small>——C.S.刘易斯（C.S.Leche ardrobe）</small>

<small>听着：隔壁还有另一个浩瀚宇宙，咱们去吧！</small>

平行宇宙真的可能存在吗？他们是好莱坞编剧最爱的设定，就像在《星舰迷航》名为《镜子，镜子》（Mirror，Mirror）的一集中那样。科克船长被意外传送到了一个古怪的平行宇宙中。在那里，星际联邦是一个由野蛮征服、贪婪和掠夺维系的邪恶帝国。在那个宇宙中，史波克（Spock）留着吓人的胡子，而科克船长是一群贪婪的海盗的首领，通过奴役敌人和暗杀上级往上爬。

平行宇宙让我们得以探索“如果……会怎样”的世界，以及其美味、迷人的可能性。比如，在《超人》漫画中，有好几个平行宇宙，在那里，超人的家乡氪星（Krypton）没有爆炸，或者超人最终泄露了自己的身份：温文有礼的克拉克·肯特（Clark Kent），或者他娶了路易斯·莱恩并且有了超人宝宝。但是，平行宇宙仅仅是《阴阳魔界》的重演，还是在现代物理学中具备基础呢？

纵观历史，几乎在每个古代社会，人们都相信有其他层次的存在，有天神和幽灵的居所。基督教徒相信天堂、地域和炼狱，佛教徒相信涅槃和各种形态的意识，印度教徒则拥有数千种层次的存在。

基督教神学家茫然不知如何解释天堂所在的位置，他们常常推测上帝居住在更高维度的层次中。令人吃惊的是，如果更高维空间的确存在，那么许多被认为是上帝所具备的特性或许会成为可能。一个高维空间的生物或许能够随意消失又出现，或者能够穿墙而过——这是通常被认为属于上帝的能力。

近来，平行宇宙的概念成了理论物理学家之间辩论最为热烈的话题之一。事实上，有数种形式的平行宇宙迫使我们重新思考“真实”的含义。在这一有关各种平行宇宙的辩论中，最处于风口浪尖的莫过于真实的含义本身。

在科学文献中讨论最激烈的有至少三种类型的平行宇宙：

<h3>超空间</h3>

有一种平行宇宙是历史最悠久的辩论对象——高维空间。我们生活在三维（长、宽、高）空间内，这是常识。无论我们如何将一个物体在空间中移动，所有的方位都可以用这三种坐标表示。事实上，我们可以用这三个数字标出宇宙中任何物体的方位，从我们的鼻尖到所有星系最遥远的角落。

第四维空间似乎有违常识。比如，如果让一个房间充满烟雾，我们不会看到烟雾消失在另一个维度中。我们不会在宇宙的任何地方见到物体突然消失，或者飘荡到另一个宇宙去。这意味着任何高维空间——如果它们的确存在的话，都必须比一个原子更小。

三维空间构成了古希腊几何学的根本基础。比如，亚里士多德在他的文章《论天》（On olemy）提出了第一条证明高维空间“不可能存在”的“证据”。在他的论文《论距离》（On Distance）中，他作了以下推理。作三条相互垂直的直线（就像构成房间角落的三条直线那样）。很明显，他说，与其他三条直线相互垂直的第四条直线是不可能画出来的，因此第四维空间肯定是不存在的（他证明的事实上是我们的大脑无法将第四维度视觉化。你桌上摆放的PC机一直都在超空间内进行运算）。

在长达两千年的时间里，任何胆敢谈论第四维度的数学家都要冒被嘲讽的风险。在1685年，数学家约翰·瓦里斯（John allis）攻击第四维度，称它为“造化的怪胎，比和半人马更不靠谱。”在19世纪，“数学王子”卡尔·高斯（Karl Gauss）计算出了大量第四维度相关的数学，但由于它们可能引起激烈的攻击而不敢发表。但是，高斯私下做了实验，测试平面的三维古希腊几何学是否的确描述了整个宇宙。在一次实验中，他让助手们留在三座山顶上，每人手执一盏灯笼，由此构成了一个巨大的三角形。高斯随后测量三角形每个角的度数。让他失望的是，他发现三角形的内角和都是180°。他总结说，如果规范的古希腊几何学有什么误差的话，那么这些误差—定非常微小，无法用他的灯笼发现。

高斯将问题留给了他的学生格奥尔格·波恩哈德·黎曼（Georg Bernhard Riemann），黎曼写下了基础高维度数学（在数十年后被大量引入了爱因斯坦的广义相对论中）。在一阵强烈的反对旋风中，在一次黎曼所作的著名演说中，他推翻了有两千年历史的古希腊几何学，并且建立了高等、弯曲的维度的基本数学，至今我们仍然在使用它。

在黎曼非凡的发现于19世纪后期的欧洲广为传播之后，“第四维度”在艺术家、音乐家、作家、哲学家和画家中变得大受欢迎。艺术史学家琳达·达伦波（Linda Dalrymple）认为，毕加索的立体主义事实上是从第四维度获得了部分灵感（毕加索绘画中双眼面对前方、鼻子面向另一方的妇人是一次将四维角度形象化的尝试，因为从第四维空间可以同时看到妇人的脸、鼻子和后脑勺）。亨德森写道：“就如黑洞一样，‘第四维度’拥有神秘的特质，无法完全了解，哪怕是科学家们自己。不过，‘第四维度’的影响力远比黑洞或者其他1919年后更新的科学假说更为深远，除了广义相对论。”

另一些画家也进行了关于四维的创作。在萨尔瓦多·达利（Salvador Dali）的《十字架上的基督》（Cus ence of Memory）中，他试图将时间表现为第四维度，因此用那只融化的钟作为隐喻。马塞尔·杜尚（Marcel Ducaircase）试图通过捕捉一位走下楼梯的裸女的时移动态来表现时间是第四维度。第四维甚至出现在王尔德的短篇小说《坎特维尔的幽灵》（terville G）中，一个居住在四维空间中的幽灵在一座房屋里徘徊不去。

四维空间还出现在一些tner Story）和《奇异的探访》（t）（在后者中——它从此成了大量好莱玛电影和科幻小说的灵感基础，我们的宇宙与一个平行宇宙相撞。一位来自另一个宇宙的可怜的天使在偶然被猎人射中后落入了我们所在的宇宙。我们宇宙中的贪婪、小气和自私使天使感到恐惧，并且最终自杀）。

罗伯特·海茵莱因（Robert ）中用略带挖苦的方式对平行宇宙进行了探索。海茵莱因想象了四个勇敢的人驾驶着一位疯子教授的跨维度跑车在平行宇宙中嬉闹冒险。

在电视剧《旅行者——平行世界》（Sliders）中，一个年轻男孩从书中得到灵感，制造了一台能让他在平行宇宙间“滑翔”的机器（那孩子读的其实是我的书——《超空间》［hyperspace］）。

但是，在历史上，四维空间被物理学家认为不过是一种好奇心的产物，有关高维空间的证据从来没有被发现过。当1919年物理学家西奥多·卡鲁扎（theodor Kaluza）写出一篇备受争议的论文，提及高维空间的存在之后，这一切开始发生了改变。他从爱因斯坦的广义相对论入手，但将广义相对论放到了五维之中（时间是一个维度，空间是四个维度，因为时间是第四个时-空维度，现在物理学家将第四维度称作五维。）如果第五维度被压缩得越来越小，则方程式会魔法般地分裂为两个部分。其中之一描述爱因斯坦的标准相对论，但另一部分变成了麦克斯韦的光学理论！

这是令人震惊的发现。或许光的秘密隐藏在第五维度中！爱因斯坦本人也被这个解震撼了，它似乎给出了光和引力的完美统一（爱因斯坦对卡鲁扎的解法非常震惊，他反复思索了两年才最终同意让这篇论文发表）。爱因斯坦给卡鲁扎写信说道：“通过一根五维圆柱实现（一种统一理论）的想法我从来没想到过……一看之下，我非常喜欢你的想法……你的理论的形式统一令人吃惊。”

多年以来，物理学家一直问着这样一个问题：如果光是波，那么波动是什么？光能够在空的空间中穿越数十亿光年的距离，但空的空间是真空，没有任何内容。那么，真空中的波动是什么？使用卡鲁扎的理论我们就有了回答这个问题具体的方案：光是第五维度中的涟漪。麦克斯韦方程精确地描述了光的全部性质，被证明完全是在第五维度中移动的光的方程。

想象在一个浅浅的池塘中游泳的鱼。它们或许从来没有怀疑过有第三个维度存在，因为它们的眼睛长在两侧，并且它们只能向前或者向后向左或者向右地游。第三个维度对它们而言或许会显得不可能。但，接下来想象池塘上落下的雨。尽管它们无法看到第三维度，但是它们能够清楚地看到池塘表面涟漪的影子。同样，卡鲁扎的方程将光解释为在第五维度中移动的涟漪。

卡鲁扎还对五维空间在何处作出了解答。由于我们没有见到关于第五维度的证据，它一定是被“卷”得非常小，以至于无法观察到（想象将一张二维的纸紧紧卷起，变成一根圆筒。从远处看去，圆筒就像一条一维的线条。这样，一件二维物体可以卷起来变成一件一维物体）。

卡鲁扎的论文最初引起了轰动。但在后来的岁月里，对他的理论出现了反对的声音。这一新的第五维度有多大？它是如何被卷起的？没有答案。

爱因斯坦在几十年的时间里时不时地继续研究这一理论。当他在1955年去世后，这一理论很快被遗忘，仅仅成为物理发展史中一个古怪的注脚。

<h3>弦理论</h3>

这一切都在一种令人吃惊的新理论出现后发生了改变，这种理论叫超弦理论（super string tandard model）的系统得以将粒子们进行分类。数十亿美元、数千工程和物理学家的汗水以及20个诺贝尔奖都一件一件地投入给了艰难集合而成的标准模型。这是一种真正了不起的理论，似乎与所有亚原子物理相关的实验数据都相符。

但是，尽管标准模型取得了实验上的巨大成功，但它却被一项严重缺陷所拖累。正如史蒂芬·霍金所说：“它很丑陋，并且是临时性的。”它包括至少19个自由参数（包括粒子质量和它们与其他粒子相互作用产生的强度）、36个夸克和反夸克、3个精确又丰富的亚粒子副本，以及许多名字古怪的亚原子粒子，比如τ中微子（tau neutrino）、杨－密尔斯胶子（Yang－Mills gluon）、希格斯玻色子（icle）。更糟糕的是，标准模型没有提到引力。似乎很难相信大自然在其最重要、最根本的层面上会如此无序和极度不优雅。这是一种除去它的母亲之外不招任何人喜欢的理论。标准模型彻头彻尾的丑陋迫使科学家重新分析他们所有关于自然的假设，看看有什么地方大错特错了。

如果分析过去几个世纪的物理学，那么前一个世纪中最重要的成就是将所有基础物理学总结为两个伟大的理论：量子理论（以标准模型为代表）和爱因斯坦的广义相对论（描述万有引力），值得注意的是，它们合在一起代表了基础层次上所有物理学知识的总和。前者描述了非常微小的亚原子量子的世界，在那里粒子们表演了一场精彩的舞蹈，时有时无，在同一时间出现在两个不同地点。后者描述了巨大物体的世界，比如黑洞和大爆炸，并且使用了“光滑表面”、“拉伸的织物”以及“扭曲面”这样的语言。两种理论在各方面都截然相反，使用不同的数学、不同的假设和不同的物理图像。就好像大自然有两只手，哪只都不与对方进行沟通。此外，所有将两种理论联合的尝试都徒劳无功。在50年的时间里，试图强行促成量子理论和广义相对论联合的尝试都只产生了数量极多、毫无意义的结果。

超弦理论的降临改变了这一切。超弦理论断定电子和其他亚原子粒子不过是一根弦的不同振动形式，它像一个微型橡皮筋那样起作用，如果击打橡皮筋，它将以不同的方式振动，每种振动相当于一种不同的亚原子粒子。这样，超弦理论解释了目前为止已经在我们的粒子加速器中发现的数百种亚原子粒子，爱因斯坦的理论事实上仅仅是弦最低水平的振动之一。

超弦理论被认为是一种“万物至理”，传说中爱因斯坦在人生最后30年中为之困惑的理论。爱因斯坦想要一种单一的、全面的理论概括所有物理定律，能够使他“读取上帝的意志”。如果超弦理论能正确统一万有引力和量子理论，那么它或许象征着两千年前古希腊人提出物质由何组成的疑问以来科学的最高成就。

但是，超弦理论的古怪特点在于这些弦只能在特定的时空维度中颤动，它们只能在十维中颤动。如果试图在其他维度中创造一种弦理论，它会在数学上崩溃。

当然，我们的宇宙是四维的（三维的空间和一维的时间）。这意味着其他六维肯定以某种未知的方式崩溃了，或者就像卡鲁扎的第五维度那样卷起来了。

近来，物理学家们对证明这些高维空间的存在进行了严肃的思考。或许证明高维空间存在的最简单方法是从牛顿的万有引力定律中找出差错。在高中里，我们学到当我们进入太空的时候地球引力会减小，更精确地说，引力的减小与距离的平方成正比。但这只是因为我们生活在一个三维世界中（想象一个包围地球的球体。地球的引力均匀地展开，遍布球体表面。如此一来，球体越大，引力越小。伹由于球体表面大小与其半径的平方成正比，遍布球体表面的引力的强度会与半径的平方成反比）。

如果宇宙有四个空间维度，那么引力的减弱应当与分离距离的立方成正比，如果宇宙有n个空间维度，那么引力应当以n－l次幂减弱。牛顿著名的反平方定律经测试被证明在天文距离下极为准确，那就是为什么我们能以惊人的精确度让空间探测器翱翔过土星的光环。但在近期之前，牛顿的反平方定律都从未在实验室中进行过短距离测试。

首次在短距离内测试反平方定律的实验于2003年在科罗拉多大学进行，结果为负。看来不存在平行宇宙，至少在科罗拉多没有。但是这一负结果只不过吊起了其他物理学家们的胃口，他们希望这一实验能以更高的精确度再次进行。

此外，2008年在瑞士日内瓦郊外投入使用的大型强子对撞机将用于寻找名叫“超粒子”（sparticle 或 superparticle）的新型粒子，它是一种超弦较高的振动形式（你在自己周围所看到的一切都只是超弦的最低振动）。如果超粒子由LhC发现，那它可能标志着一场我们看待宇宙方式的革命，在这样的宇宙中，标准模型仅仅代表超弦的最低颤动。

基普·索恩说：“到2020年，物理学家们会理解量子引力的定律，它将被发现是超弦理论的一种变型。”

除了高维空间之外，超弦理论还预测了其他平行宇宙，那就是“多元宇宙”。

<h3>多元宇宙</h3>

关于超弦理论还有一个令人不安的问题：为什么超弦理论必须有五个不同的版本？超弦理论可以成功统一量子理论和万有引力，但要做到这点可以有五种方式。这相当令人尴尬，因为大多数物理学家都想要一种独一无二的“万物至理”。比如，爱因斯坦想知道是否“上帝在创造宇宙的时候有其他选择”。他的信念是，统—切的场理论应当是唯一的。那么，为什么会有五种超弦理论？

1994年，另一则令人吃惊的消息炸开了锅。普林斯顿高级研究所的爱德华·威腾（Edten）和剑桥大学的保罗·汤森（Paul townsend）推断，所有的五种弦理论其实是同一种弦理论——只要我们添加第十一个维度。从第十一维度的着眼点来看，所有的五种理论就合并成了一种！这理论终究是独一无二了，只要我们攀上第十一维的高峰。

在第十一维度中，可以存在一种新的数学对象，叫做膜（membrane，比如一个球体的表面）。这里有一种惊人的意见：如果一个人从十一维掉人十维，全部的五种超弦理论都会出现，从一层膜开始。因此，所有的五种超弦理论都不过是将一层膜从十一维时空转移到十维时空。

（为了将之形象化，想象一个在中间扣着一条橡皮筋的水皮球，想象用一把剪刀把球一剪为二，一半在橡皮筋上，一半在橡皮筋下，因此，将水皮球的上半部和下半部去掉后剩下的就是橡皮筋——一根弦。以同样的方法，如果我们卷起第十一维，一张膜所留下的就只是它的中纬线，那是一根弦。事实上，这样的切割有五种方式可以达到，使得我们在十维中有了五种不同的超弦理论。）

第十一维度给予了我们全新的图景。它还意味着或许宇宙本身是一张膜，漂浮在一个十一维时空中。而且，并非所有这些维度都必须很小，事实上，有些维度可能是无限大的。

这提出了我们的宇宙存在于一个其他宇宙的多元宇宙中的可能性。想象—大堆漂浮的肥皂泡，或者膜。每个肥皂泡代表一整个飘浮在一个更大的十—维超空间中的宇宙。这些肥皂泡可以与其他肥阜泡相互联合，或者破裂，甚至短暂出现又消失。我们可能生活在仅仅是这些肥皂泡宇宙之一的表面上。

麻省理工学院的麦克斯·泰格马克（Max tegmark）认为，在50年内，“这些‘平行宇宙’的存在再不会比在100年前其他星系的存在更富争议——当时我们的宇宙被称为岛宇宙（island universe）。”

超弦理论预测有多少宇宙？超弦理论有一个令人窘迫的特征——宇宙可能有上万亿上万亿个，个个符合相对论和量子理论。有一种估计宣布这样的宇宙可能有1古戈尔个（1古戈尔是1后面加上100个0）。

—般来说，这些宇宙之间的交流是不可能的。我们身体的原子就像是被捕蝇纸困住的苍蝇。我们能够在自己的膜宇宙的三维中任意行动，但是我们不能跳下宇宙进入超空间，因为我们被黏在了自己的宇宙里。但引力作为时空的弯曲可以自由在宇宙间的空间里漂浮。

事实上，有一种理论认为暗物质——一种包围宇宙的不可见物质，也许是漂浮于一个平行宇宙中的普通物质。正如h.G.威尔斯的小说《隐形人》中那样，一个人如果漂浮于我们之上的第四维中，他就会隐形。想象两张平行的纸张，有人漂浮于其中上方的纸张之上。

以这种方式，有推测称，暗物质或许是一个溧浮于我们之上另一个膜宇宙中的普通星系。我们能够感觉到这个星系的引力，因为引力会慢慢在宇宙之间流动，但是另一个星系对我们而言会是不可见的，因为光在星系下面移动，这样，这个星系将具有引力，但不可见，这符合对于暗物质的描述（还有另一种可能，暗物质或许由超弦的下一级振动组成。我们看到的周围的一切，比如原子和光，都不过是超弦的最低振动。暗物质可能是较高振动的集合）。

自然，大多数平行宇宙可能已经死去，由没形的亚原子粒子——比如电子和中微子——气体组成。在这些宇宙中，质子或许是不稳定的，因此我们所知的一切物质都会慢慢衰变和溶解。由原子和分子组成的复杂物质在许多这样的宇宙中或许不可能存在。

其他平行宇宙则可能恰恰相反，具有远远超出我们想象的复杂物质形式。它们可能并不只有一种由质子、中子和电子组成的原子，而是具有数量令人眼花缭乱的其他稳定物质形态。

这些膜宇宙也可能相撞，制造出宇宙焰火。普林斯顿的一些物理学家相信，我们的宇宙可能是1370亿年前两张巨大的膜相撞而产生的。那场巨大碰撞的冲击波造就了我们的宇宙，他们认为。值得注意的是，在探索这一奇怪想法的实验结果时，它们看起来符合目前绕地球运转的MAP（威尔金森微波各向异性探测器）人造卫星发来的结果（它被称为“大冲撞”［big splat］理论）。

多元宇宙的理论具备一项对其有利的事实。当我们分析自然的常数时，我们发现它们被“调节”得非常精确，允许生命存在。如果增加核力的强度，那么恒星们就会以过快的速度烧尽，无法让生命产生。如果降低核力的强度，那么恒星永远不会烧着，生命无法存在。如果加强万有引力，那么我们的宇宙会在一场“大挤压”（Big Crunch）中快速死去。如果减弱万有引力，那么宇宙会膨胀成一场“大冻结”（Big Freeze）。事实上，大自然的常数中有大量“偶然”，允许生命存在。看起来，我们的宇宙存在于一个具有很多参数的“可居住区”内，所有的参数都被“微调”成适宜生命存在。因此，我们要么接受这么个结论：存在某种形式的上帝，选择了我们的宇宙“刚好”适合生命；要么存在着数十亿个平行宇宙，其中有许多已经死亡。正如弗里曼·戴森所说：“宇宙似乎知道我们即将到来。”

剑桥大学的马丁·瑞斯爵士曾经写道，这一精确的调节其实是多元宇宙的铁证。有五种物理常数（比如不同的力的强度）被微调到适宜生命的存在，他认为还有无限多的宇宙，其自然参数不符合生命的要求。

这就是所谓的“人择原理”。比较温和的说法仅仅认为我们的宇宙是经微调后适宜生命的（因为我们在此是第一次作出这一论断）。比较激进的说法是：或许我们的存在是某种设计的副产品，或者有意而为。大多数宇宙学家会同意人择原理这个较为温和的说法，但是关于人择原理是能够带来新发现和新结论的新科学原理，还是仅仅对简单事实的陈述，则存在许多争论。

<h3>量子理论</h3>

除了高维空间和多元宇宙之外，还有一种类型的平行宇宙，它使爱因斯坦头痛不已，如今仍不断折磨着物理学家们，那就是由普通量子力学预测的量子宇宙。量子物理学中的矛盾似乎非常棘手，以至于诺贝尔奖得主理査德·费曼喜欢说，没有谁真正懂得量子理论。

具有讽刺意味的是，尽管量子理论是人脑有史以来提出的最成功的理论（通常精确到一百亿分之一以内），但它基于松散的机会、运气和概率之上。和牛顿理论不同，牛顿理论对物体的运动作出了确切、坚定的解答，量子理论只能给出一定的可能性。现代的奇迹，如激光、互联网、计算机、电视机、移动电话、雷达、微波炉等等，都建立在多变的可能性之上。

这一问题最辛辣的实例之一是著名的“薛定谔猫”（Sc）问题（由量子理论的奠基人之一设计，他矛盾地提出了这一问题，为的是粉碎这一可能存在的解释）。薛定谔反对对他理论的这一解释，说：“如果有人非要坚持这该死的量子跳跃，那么我会后悔被卷进了这码事里。”

薛定谔猫悖论是这样的：一只猫被放在一个密封盒子里。在盒中，一把枪瞄准了猫（扳机被与一个放置在一块铀旁边的盖革计数器［Geiger counter］相连接）。通常，当铀原子开始衰变，它会启动盖革计数器，随后使枪开火，把猫杀死。铀原子要么衰变，要么不会衰变。猫非生即死。这不过是常识。

但在量子理论中，我们不能确切地知道铀是否会衰变。因此我们不得不添加两种可能性，添加一个衰变原子的波函数和一个未衰变原子的波函数。但这意味着，为了描述那只猫，我们不得不添加猫的两种状态，因此猫不是生就是死。它代表着一只死去的猫和一只活着的猫的总和！

正如费曼曾经写道的那样，量子力学“把自然描述得从常识观点看来荒诞可笑。并且它与实验结果完全一致。因此，我希望你们能够接受自然的本来面目——荒诞可笑。”

对于爱因斯坦和薛定谔来说，这有违常理。爱因斯坦信仰“客观事实”，—种常理，牛顿学说认为在常理中物体以确切的状态存在，而不是以许多可能的状态存在。然而，这一古怪的解释却处于现代文明的核心。没有了它，现代电子学（以及我们身体的原子）无法存在（在我们的正常世界中，我们有时会开玩笑说要“有点儿怀孕”是不可能的。但在量子的世界中，事情会更离谱。我们同时以所有可能的肉体形式存在：没怀孕的、怀孕的、孩子、老妇人、青少年、职业女性，等等）。

要解决这一高难度的悖论有几种方式。量子理论的缔造者相信哥本哈根派，认为一旦打开盒子，就可以作出衡量，并且判断猫是死是活，波函数“崩塌”成了一个单独的状态，常识开始掌控一切。波已经消失，只留下粒子。这意味着，猫现在进入了一种确定的状态（不是生就是死），并且不再被波函数所描述）

这样一来，一道隐形屏障将原子的古怪世界和人类的宏观世界隔离开来。对于原子世界而言，一切都由可能性的波来描述，在其中，原子可以同时存在于许多位置。在某个位置的波越大，在那一点发现粒子的可能性就越大。但对于大型物体来说，这些波就崩塌了，而物体存在于确切的状态中，因此常识就取得了胜利。

（当客人们去爱因斯坦的家时，他会指着月亮发问：“月亮是因为有一只老鼠看着它所以存在的吗？”在某种意义上，哥本哈根派对此作出的回答或许会是肯定的。）

大多数博士阶段的物理学课本都虔诚地忠于最初的哥本哈根派，但许多研究物理学家已经抛弃了它。我们现在拥有纳米技术，并且能操控单个原子，因此时有时无的原子可以用我们的扫描隧道显微镜进行任意控制。没有隐形的“墙”分隔微观和宏观世界，有的只是一个连续统一的整体。

目前，关于如何解决这一争端并无一致意见，这个问题攻击着现代物理学的心脏。在会议上，有许多种理论相互激烈竞争。一种少数派意见认为，一定有一种“宇宙意识”遍布宇宙。当作出度量的时候，物体会突然出现，而作出度量的是有意识的生物。因此，必定有遍布宇宙的宇宙意识决定了我们所处的状态。有些物理学家——如诺贝尔奖得主尤金·维格纳辩称，这证明了上帝或某种宇宙意识的存在（维格纳写道：“不涉及意识就不可能完全一致地制定出［量子理论］的定律。”事实上，他甚至表达了对印度教吠檀多哲学［Vedanta philosophy］的兴趣，在这种学说中，宇宙被一种包含一切的意识所支配）。

对于这一悖论的其他观点是“多世界”构想，由休·埃弗莱特（t）在1957年提出，陈述宇宙不过是分裂为二，活者的猫位于其中一半，而死去的猫位于另一半中。这表示每当有量子事件发生，就会有平行宇宙大量繁殖和分化出来。每个可能存在的宇宙都是如此。一个宇宙越是荒诞，它的可能性就越小，但这些宇宙依旧存在。这意味着在一个平行宇宙中纳粹赢得了第二次世界大战，或者在一个世界中西班牙无敌舰队从未被打败，每个人都说西班牙语。换言之，波函数从未崩溃。它只是继续发展，愉快地分裂成无数个宇宙。

如麻省理工学院物理学家艾伦·古斯（Alan Guth）所说：“有一个宇宙，在那里猫王仍然活着，阿尔·戈尔（Al Gore）是总统。”诺贝尔奖得主弗兰克·维尔泽克（Frank ilczek）说：“我们脑中时常浮现出这样的意识，有无穷多我们自身的轻微变异版本正过着他们的平行人生，每一刻都有更多复制品突然出现，开始延续我们那许许多多的‘另一种’未来。”

有一种观点正在物理学家中越来越受认同，它被称作“消相干”。这一理论认为，所有这些平行宇宙都有可能，但我们的波函数已经与它们消相干了（即不再与它们一致振动），并因此不再与它们互动。这意味着在你的起居室里，你可能同时与恐龙、外星人、海盗、独角兽的波函数共存，它们全都深信它们的宇宙是“真正的”那个，但我们不再与它们“协调一致”了。

根据诺贝尔奖得主斯蒂文·温伯格（Steven einberg）的看法，这就像在自家起居室里将收音机调到另一个电台。你知道自己的起居室充满了来自全国和全世界各地大量无线电台的信号，但是你的收音机只能调到一个电台。它与其他的电台都“消相干”了（总而言之，温伯格注意到“多世界”构想是“一个不幸的构想，除了所有其他想法之外”）。

因此，是否存在来自一个邪恶的、劫掠较弱的星球、屠杀自己敌人的星际联邦的波函数？或许有，但即便有的话，我们也已经与那个宇宙不相干了。

<h3>量子宇宙</h3>

当休·埃弗莱特与其他物理学家讨论他的“多宇宙”理论时，他获得的是令他困感不解或是漫不经心的反馈。有位物理学家，德克萨斯大学（University of texas）的布莱斯·德维特（Bryce Deitt）反对这一理论，因为“我感觉不到自己分裂但埃弗莱特说，这是类似于伽利略对那些说自己感觉不到地球在转动的批评者们的回答（最终德维特胜过了埃弗莱特一方，并且被称为这一理论的主要反对者）。

数十年来，“多世界”理论在晦暗不明中失去了活力。它太奇异了，不像是真的。埃弗莱特在普林斯顿的顾问约翰·韦勒（John heeler）最终总结说，与该理论相联系的“额外累赘”太多。但埃弗莱特的理论如今突然风行起来原因是物理学家试图将量子理论应用于最后一块拒绝被量子化的领域——宇宙本身。将测不准原理运用于整个宇宙会自然得出多元宇宙。

“量子宇宙学”的概念最初似乎在名称上是自相矛盾的：量子理论涉及的是极小的原子世界，而宇宙学涉及的是整个宇宙。但想想这个：在大爆炸的那一刻，宇宙比一个电子还小得多。每一个物理学家都认同电子必须被量子化，即它们是由一个或然性波动方程（狄拉克方程）描述的，并且能存在于平行状态中。因此，如果电子必须被量子化，如果宇宙曾经小于一个电子，那么宇宙一定也存在于平行状态中——一种自然通往“多世界”的方式。

然而，尼尔斯·玻尔的哥本哈根解释在应用于整个宇宙的时候遇到了问题。哥本哈根解释尽管在地球上的每一门博士阶段的量子力学课程中都要传授，但它依靠的是一个作出观察的“观察者”和波函数的崩溃。定义宏观世界时观察程序是必不可少的。但是在观察整个宇宙的时候，怎么能置身宇宙“之外”呢？如果有一个波函数描述了宇宙，那么一个“在外面”的观察者如何能使宇宙的波函数崩溃？事实上，有些人将从宇宙“之外”观察宇宙的不可行视作哥本哈根解释的致命缺陷。

在“多世界”方法中，对这一问题的解答很简单：宇宙不过是存在于许多平行状态中，它们全都由一个主波函数定义，称作“宇宙波函数”（ion of the universe）。在量子宇宙学中，宇宙是从真空的量子涨落开始的，即一个时空泡沫中的微小气泡。时空泡沫中的大多数婴儿宇宙都经历过—次大爆炸，并且随后立刻经历一次大挤压。这就是为什么我们永远都看不到它们，因为它们极小、寿命极短，在真空中时隐时现，这意味着，甚至“无物”也与婴儿宇宙一起沸腾和时有时无，但在一定比例上，这太小，无法用我们的仪器发现。但是出于某些原因，时空泡沫中有一个气泡没有重新坍缩、造成大挤压，而是继续膨胀，这就是我们的宇宙。根据艾伦·古斯的说法，这意味着整个宇宙就是一顿免费午餐。

在量子宇宙学中，物理学家们从一个薛定谔方程的模拟入手，它支配电子和原子的波函数。他们使用作用于“宇宙波函数”的德维特-韦勒方程。通常，薛定谔波函数定义的是时间与空间中的每一点，因此你就可以计算在时间和空间的那一点寻找到电子的可能性。但是“宇宙波函数”定义的是所有可能存在的宇宙。如果宇宙波函数碰巧在定义某个特定宇宙时很大，那就意味着那个宇宙很可能会是一个特殊的宇宙。

霍金推动了这一观点。他宣布，我们的宇宙是宇宙中特殊的存在。我们的宇宙波函数较大，而对于其他大多数宇宙则接近零。这样，其他宇宙存在于多元宇宙中就有了微小但是确定的可能性。事实上，霍金试图用这种方式得出膨胀率。在这幅图景中，一个膨胀的宇宙比不膨胀的宇宙更有可能存在，因此我们的宇宙是膨胀的。

我们的宇宙来自时空泡沫的“虚无”，这一理论似乎完全无法验证，但它符合一些简单的观测结果。首先，许多物理学家指出，我们宇宙中的正电荷总数和负电荷总数相抵刚好为零，这非常惊人，至少在实验的精确性之内是如此。我们认为太空中的引力是主导力量，这是事实，但这不过是由于正负电荷精确地相互抵消了。如果地球上的正负电荷之间出现最最微小的不平衡，那么它或许就足以将地球撕裂，战胜将地球维持成一个整体的引力。要解释正负电荷之间如此平衡有一个简单的方法：假设我们的宇宙来自于“虚无”，并且“虚无”没有电荷。

其次，我们的宇宙的旋转为零。尽管科特·哥德尔用多年时间试图通过累加各个星系的旋转来证明宇宙在旋转，但如今天文学家们相信整个宇宙的旋转为零。如果宇宙出自“虚无”的话这个现象就很容易解释了，因为“虚无”的旋转为零。

第三，我们的宇宙出自“虚无”有助于解释为什么宇宙的物质－能量内容总和是如此之小，甚至可能是零。当我们将物质的正能量和与引力相关的负能量相加，两者似乎完全相互抵消。根据广义相对论，如果宇宙是封闭的、有限的，那么宇宙的物质-能量总量应该刚好为零（如果我们的宇宙是开放的、无限的，这就不见得对了。不过暴胀理论确实表明我们宇宙中的物质-能量总量极小）。

<h3>宇宙间进行联系？</h3>

这就留下了一些颇耐人寻味的问题：如果物理学家不能排除几种平行宇宙的可能形式，那么有可能与它们取得联系吗？有可能造访它们吗？或者来自其他宇宙的生物是否有可能已经拜访过我们？

与其他和我们的宇宙消相干的量子宇宙进行联系似乎非常不可能。我们与这些别的宇宙消相干的原因是我们的原子撞击周围环境中的无数其他原子，每当有碰撞发生，那个原子的波函数似乎会略有“崩溃”，即平行宇宙的数量减少。每次撞击都使可能性的数量减少。数万亿个这样的原子“迷你崩溃”的总数造成了我们身体的原子完全在一个有限状态中崩溃的假象。爱因斯坦的“客观实际”（objective reality）是一种幻觉，由我们的身体中有如此多的原子这一事实造成，每个原子都与另一个碰撞，每次都减少了可能存在的宇宙的数量。

这就像从一架相机里看一幅焦点没对准的画面。这与微观世界相符合，在那里一切都似乎是失真和模糊的。但随着你调整相机的焦距，画面就会变得越来越明晰。这对应了数万亿次与邻近原子的微型碰撞，每次都减少了可能存在的宇宙。以这个方法，我们能顺畅地完成从模糊的微观世界到宏观世界的转变。

因此，与其他和我们相近的量子宇宙相互影响的可能性并不是零，但是它随着我们身体内原子的数量快速减小。由于在你的体内有数万亿个原子，你能与由恐龙或者外星人组成的其他宇宙交流的可能性无穷小。你可以计算出，你或许要等待比宇宙的寿命还要长得多的时间才能等来这样的事件发生。

因此，与量子平行宇宙取得联系的可能并不能被排除，伹由于我们已经与它们消相干，这会是极为稀有的事件。但是，在宇宙学中，我们会遭遇一种不同类型的平行宇宙：一种相互共存的多元宇宙，就像是在一个泡泡浴里漂浮的肥皂泡。在多元宇宙中与其他宇宙取得联系是一个不同的问题。这无疑是一个非常难以完成、但对于III型文明而言有可能的任务。

如前文所述，在太空中打开一个洞或者放大时空泡沫所必需的能量相当于普朗克能量。在那个水平上所有已知的物理学定律都将失效。时空在那个能量水平上不稳定，而这就开启了我们离开自己的宇宙的可能性（假设其他宇宙存在，并且我们没有在整个过程中被杀死的话）。

这并不是一个纯粹的学术性问题，因为宇宙中的所有智能生命终将面对宇宙的末日。最终，多元宇宙的理论或许能成为我们宇宙中所有智能生命的救赎。最近，来自正围绕地球运转的MAP人造卫星的数据确认了宇宙正在以越来越快的速度膨胀。有一天，我们或许将全部在物理学家称作大冻结的浩劫中灭亡。最后，整个宇宙将陷入黑暗，天空中所有的星星都不会再闪耀，宇宙将由死去的星体、中子星和黑洞组成，甚至连这些天体的原子也可能会开始衰变。温度或许会达到接近绝对零度，使生命无法存在。

随着宇宙向那一点接近，一个面临宇宙最终死亡的先进文明可以考虑踏上去往其他宇宙的终极旅程。对于这些生物而言，选择是被冻死或者离开。物理定律对于所有智能生命而言是一道死刑执行令，但在这些定律之中有允许逃脱的条款。

这样一个文明必须利用巨大的核粒子加速器和大如一个太阳系或者星团的激光束来将巨大的能量集中于一点，以实现传说中的普朗克能量。这么做可能足以开大一个通往其他宇宙的虫洞或大门。一个III型文明宇宙可能会在踏上去其他宇宙的旅程时使用可供他们利用的巨大能量打开一个虫洞，离开死去的宇宙从头来过。

<h3>实验室中的婴儿宇宙</h3>

尽管这些想法有部分显得令人难以置信，但物理学家已经对它们进行了严谨的考虑。比如，在试图理解大爆炸如何开始的时候，我们必须分析可能导致最初爆炸的条件。换言之，我们必须问：如何能在实验室里制造出一个婴儿宇宙？斯坦福大学的安德烈·林第（Andrei Linde）暴胀宇宙学说的创造者之一，他说如果我们能制造出婴儿宇宙，那“或许就是时候让我们重新将上帝定义为比仅仅是宇宙的创造者更为成熟的事物了”。

这个构想并不新颖。多年前，当物理学家计算出点燃大爆炸所需的能量，“人们立刻开始好奇如果将大量能量放置于实验室的一个空间中会怎样——同时让许多大炮开火。你能集中足够的能最启动一场迷你大爆炸吗？”林第问。

如果将足够的能量集中到一点上，所能得到的将是时空的一次坍缩，变成黑洞，再也没有其他的了。但是，在1981年，麻省理工学院的艾伦·古斯和林第提出了“暴胀宇宙”理论，它到如今已在宇宙学家中引起了巨大的兴趣，根据这一构想，大爆炸是从涡轮增压膨胀开始的，比过去所认为的快得多。（暴胀宇宙构想解决了宇宙学中的许多顽固问题，比如为什么宇宙如此均匀一致。无论我们看什么方位，从夜空的一部分到对面的一侧，我们看到的都是均匀单一的宇宙，尽管在大爆炸之后没有足够的时间让这些相距遥远的地区取得联系。根据暴胀宇宙理论，这一迷题的答案是时空的一小块相对均匀的碎片被放大成了整个我们可见的宇宙。）为了启动膨胀，古斯假设在时间的开端有微小的时空气泡，其中之一大大地膨胀，成为了今天的宇宙。

一下子，暴胀宇宙理论解答了大量的宇宙学疑问。除此之外，它符合所有如今从太空中MAP和COBE人造卫星源源不断传来的数据。事实上，它无疑是大爆炸理论的主要候选者。

然而，暴胀宇宙理论提出了一系列令人窘迫的问题。这个气泡为什么会开始膨胀？是什么使膨胀停止，造成了如今的宇宙？如果膨胀曾经发生过，那么它还会再次发生吗？具有讽刺意味的是，尽管宇宙膨胀构想是宇宙学中的先锋理论，但关于是什么使得膨胀开始以及它为何停止却几乎一无所知。

为了解答这些令人不安的疑问，麻省理工学院的艾伦·古斯和爱德华·法利（Edward Fahri）于1987年提出了另一个假设性的问题：一个先进的文明会如何使自己的宇宙膨胀？他们认为，如果他们能够回答这个问题，他们或许也就能够回答为什么宇宙以膨胀开始这个深层次问题。

他们发现，如果将足够的能量集中在一点上，微小的时空气泡会自动生成。但如果气泡过小，它们会消失，回复到时空泡沫中去。只有当气泡够大的时候，它们才能膨胀成一个完整的宇宙。

从外界来看，这一新的宇宙的诞生不会有多骇人，或许不比引爆一枚50万吨当量的核弹更惊人。它看起来会像是一个小气泡从宇宙中消失，造成了一次小型核爆炸。但是在气泡之内，或许有一个新的宇宙膨胀而出了。想象一个肥皂泡分裂或派生出一个更小的气泡，造成一个婴儿肥皂泡。同样地，在宇宙内，你将看到一场时空的巨大爆炸以及一个完整宇宙的诞生。

自1987年以来，已有许多理论试图验证引入能量是否可以使一个大气泡膨胀成一整个宇宙。最被广为接受的理论是，一种名叫暴胀子（inflaton）的新粒子破坏了时空的稳定，造成这些气泡形成与膨胀。

最近的一场争论在2006年爆发，物理学家们开始严肃对待使用磁单极子点燃婴儿宇宙的提议。尽管只具有正极或者负极的磁单极粒子从未被发现过，但据信它们支配过最初的早期宇宙。它们过于巨大，很难在实验室里制造。但正是由于它们如此巨大，如果我们将更多能量注入一个磁单极子中，我们或许能够点燃一个婴儿宇宙，使其膨胀，变成一个真正的宇宙。

为何物理学家们想要制造一个宇宙？林德说：“从这个角度看来，我们人人都能成为上帝。”但是，希望制造一个新宇宙有更加实际的理由：最终，从我们的宇宙的死亡中逃脱。

<h3>宇宙的进化？</h3>

有些物理学家将这一构想推广得更远，达到科幻的程度，以提问是否有智慧的存在参与设计了我们的宇宙。

在古斯/法利的图景中，一个先进文明能创造出一个婴儿宇宙，但是物理常数（例如电子和质子的质量，以及四种力的强度）是相同的。但如果一个先进文明能够创造出基本常数略有不同的婴儿宇宙呢？那么，这一婴儿宇宙将能够随着时间“进化”，每一代的婴儿宇宙都与前一代略微不同。

如果我们把基本常数看作一个宇宙的“DNA”，那就意味着智能生命或许可以制造出与DNA有细微差别的DNA。最终，宇宙们将会进化，并且能够进行繁殖的宇宙将会是那些具有允许生命存在与繁荣的最佳“DNA”的宇宙。物理学家爱德华·哈里森（Edward harrison）在过去由李·斯莫林（Lee Smolin）提出的想法基础上，提出了一种宇宙间的“自然选择”。支配多元宇宙的宇宙恰恰是那些具有最佳DNA的宇宙，它们符合先进文明产生的要求，而先进的文明又反过来制造出更多婴儿宇宙。“适者生存”意味着最适宜产生先进文明的宇宙能生存。

如果这一构想正确，那它将可以解释宇宙的基本常数为什么是“微调”后适合生命的。这完全意味着具备适宜的基本常数的宇宙适合生命存在，是在多维宇宙中繁殖增生的宇宙。

（尽管这个“宇宙进化”构想颇具吸引力，因为它或许能解释人择原理问题，但该构想的难点在于其不可测试，并且无法被证明真伪。我们将不得不等到我们拥有一种完整的万物至理才能弄懂这一构想。）

当前，我们的科技远不足以证明这些平行宇宙的存在。因此，所有这些平行宇宙都算作“二等不可思议”——如今不可能，但不与物理定律相悖。在长达数千年到数百万年的时间中，这些推测可能会成为一个III型文明新科技的基础。

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注释：

第三章三等不可思议 14.永动机

<small class="right">——J.B.S.哈尔登（J.B.S.haldane），1963</small>

在艾萨克·阿西莫夫的经典小说《众神自己》（themselves）中，一位2070年的无名化学家偶然得出了有史以来最伟大的发现：电子泵，它可以凭空生产出无限量的能量。其影响是立竿见影的，也是深远的，他被誉为有史以来最伟大的科学家，因为他满足了文明对能源无法遏制的渴求。“这是全世界的圣诞老人和阿拉丁神灯。”阿西莫夫写道。他组建的公司很快成为地球上最有钱的公司之一，使石油、天然气、煤和核工业消失大吉。

世界被免费的能源所淹没，文明沉醉于这一新发现的能源。当人人都在庆贺这一伟大成就时，一位孤独的物理学家却感到忧虑。“这所有的免费能源是打哪儿来的呢？”他问自己，最终他揭开了秘密。免费的能源是付出可怕的代价才产生的，这些能源来自一个太空中的洞，它将我们的宇宙与一个平行宇宙相连接，能量突然涌入我们的宇宙引起了连锁反应，将最终毁灭星体和星系们，把太阳变成超新星，并且由此毁灭地球。

自有史以来，传说中的“永动机”一直是发明家、科学家以及江湖术士和职业骗子们的神圣梦想——一台永远运行而不损失任何能量的装置，更强的版本则是一台创造能量比其消耗能量更多的装置，比如电子泵，它会创造免费的、无限的能量。

在未来的岁月中，随着我们的工业化世界逐渐把石油用尽，寻找大量新兴清洁能源的压力将会出现。飞涨的燃气价格、不断下降的产量、愈演愈烈的污染以及大气变化——都加剧着对能源全新的、强烈的需求。

如今，一些科学家利用对于制造无限量免费能源的关注，想将他们的发明以数亿美元的价格出售。许多发明家被财经媒体哗众取宠的断言所诱惑，周期性地争相做这样的事情，那些断言常常将这些异端者吹捧成下一个爱迪生。

永动机的风行流传甚广。在《辛普森一家》（tA的散伙》（tA Disbands）的一集中，丽莎（Lisa）在一次教师罢工期间制造了她自己的永动机。这使得霍默（horner）庄严宣布道：“丽莎，上这儿来……在这个房间里我们遵守热力学定律！”

在电脑游戏《模拟人生》（t），以及尼克国际儿童频道（Nickelodeon）的节目《侵略者Zim》（Invader Zim）中，永动机在剧情中占据了醒目的位置。

但如果能源如此宝贵，那么我们制造出一台永动机的可能性有多少呢？这样的装置确实不可能实现吗？又或者，它们的诞生会修正物理学定律吗？

<h3>透过能源看历史</h3>

对文明而言，能源必不可少。事实上，人类的全部历史都可以使用能源这面透镜观看。对于99.9%的人类存在而言，原始社会就是流浪、挣扎在食物的匮乏和狩猎之中。生命是残酷的，也是短暂的。可利用的能源为1/5匹马力——自身肌肉的力量。分析我们祖先的骨骼，会发现严重磨损的痕迹，这是由日常生存的重负造成的。人的平均的预期寿命低于20岁。

但在约1万年前，最后一个冰川纪结束后，我们发现了农业，并且驯养动物，特别是马，逐渐将我们的能量输出提高到了一匹或两匹马力。这开始了人类历史上的第一次重大革命。有了马和牛，一个人就有了足够的能量自己耕种一整块田地、日行数十英里，或者将数百磅的石块或谷物从一处搬到另一处。在人类历史上头一次，家庭拥有了剩余的能量，结果造就了我们最初的城市。额外的能量意味着社会有能力支撑一个工匠、建筑师、建造工和文士的阶层，这样一来古代文明便得以繁荣昌盛。很快，雄伟的金字塔和帝国就在丛林和沙漠中竖起。人的平均预期寿命达到了约30岁。

随后，约300年以前，人类历史上的第二次重大革命发生了，随着机器和蒸汽动力的出现，可供一个人使用的能量窜升到数十匹马力。利用蒸汽机车，人们如今能够在数天内穿越整片大陆。机器能够耕耘整片土地，将数百名乘客送出数千英里，并且使我们得以建造巨大又高耸的城市。到1900年，美国人的平均预期寿命几乎达到了50岁。

今天，我们正处于人类历史上的第三次重大革命——信息革命之中。由于人口爆炸，以及我们对电力和能源的如饥似渴，我们的能源需求飞涨，而且我们的能量补给已经被过度使用到了极限。可供一个人使用的能量现在以数千匹马力计。我们相信一辆汽车能够产生数百匹马力。不出所料，这样对能量愈演愈烈的需求引起了对更强大的能源的关注，其中包括永动机。

<h3>历史上的永动机</h3>

对永动机的追寻自古就有。首次制造永动机的纪录是在8世纪的巴伐利亚，其后1000年中出现的改良型永动机都以此为蓝本，它的基础部分是一连串小磁铁附在一个轮子上，就像一个摩天轮。轮子被放在地面一块较大的磁铁之上。当轮子上的磁铁一块块经过静止的大磁铁上方，它们应该会被大磁铁吸引，随后排斥，由此推动轮子，制造出永恒运动。

另一种别出心栽的设计是1150年由印度哲学家婆什迦罗（Bhaskara）发明的，他提出了一种永远转动的轮子——在轮子的边缘加一枚砝码，使轮子由于不平衡而转动。砝码会在旋转的时候做功，随后它将回到最初的位置。婆什迦罗称，通过一次又一次反复这一过程，可以凭空获取无限的功。

巴伐利亚永动机和婆什迦罗永动机以及它们的许多后继者都具有同样的要素：某种类型的轮子，能够无须添加任何能量就旋转一圈，在这个过程中产生可利用的功（仔细检査这些设计精巧的机器通常会发现，事实上每转一圈能量都在损失，或是可使用的功无法被获取）。

文艺复兴的到来加快了永动机的产生。在1633年，一台永动机获取了第一个专利许可证。到1712年，约翰·白斯勒（Joer）在分析了约300种不同的类型后，提出了他自己的设计（根据传说，他的女仆后来揭发他的机器是一场骗局）。甚至连文艺复兴时期的伟大画家和科学家列奥纳多·达·芬奇也对永动机产生了兴趣。尽管他在公开场合斥责永动机，将其与对“贤者之石”的徒劳搜寻相提并论，伹私下里在自己的笔记本里绘制了精巧的自我驱动永动机的草图，包括一个离心泵和一个用于在火上旋转烤肉叉的旋转式烟囱帽。

到1755年，被提交的设计数量极多，以至于巴黎的皇家科学院宣布将“不再接受或受理有关永动机的方案”。

永动机历史学家亚瑟·奥德-胡姆（Arthur Ord-hume）就这些发明者不知疲倦的奉献进行了写作，他们辛勤工作着，哪怕成功机会微乎其微。胡姆将他们与古代的炼金术士相提并论。但是，他写道：“哪怕是炼金术士都会承认自己的失败。”

<h3>恶作剧与骗局</h3>

造出永动机的奖励非常巨大，骗局成了家常便饭。在1813年，查尔斯·李德黑法（C Fulton］仔细检査机器后，发现有一条隐蔽的羊肠线传送带驱动着机器。这条传送带又连接到一个在阁楼中悄悄转动一个曲柄的男子那里）。

科学家工程师们同样被卷进了永动机的狂热中。1870年，《科学美国人》（Scientific American）被一台由E.P.威利斯（E.P.illis）制造的机器愚弄了，杂志刊登了一篇标题耸人听闻的报导《有史以来最伟大的发现》（Greatest Discovery Ever Yet Made）。但稍后调査者发现，威利斯的永动机有着隐蔽的能量来源。

在1872年，约翰·厄恩斯特·沃瑞尔·凯利（Jo orrell Kelly）制造了那个时代最轰动、也最赚钱的骗局，骗得近500万美元，在19世纪晚期这是一个天文数宇。他的永动机的基础是共振调音叉，他声称它们在“乙醚”中浸泡过。凯利这个没有科学背景的人会邀请富有的投资人到他家，在那里他会用他的液压气动振颤真空发动机（ic-Pulsating-Vacuo-Engine）使他们惊喜万分，这一机器会在没有外界能量来源的情况下高速运转。急切的投资者们被这一自我驱动装置迷住了，争相把钱倒进他的保险柜。

后来，几个幻想破灭的投资者愤怒地控告他欺诈，他也的确在监狱里度过了一些日子，但他死时仍是一个有钱人。在他死后，调查者们在他的机器中发现了构思绝妙的秘密。当他的房子被拆除的时候，地下室地板和墙壁中隐藏的管子被发现，它们秘密将压缩空气送入他的机器，而这些管子是由一个飞轮提供能量的。

甚至连美国海军和总统都上了一台永动机的当。在1881年，约翰·加姆吉（John Gamgee）发明了一台液氨机器。冷氨的蒸发会制造出膨胀的气体，推动一枚活塞，这样就能够利用海洋本身的热量为机器提供能量。美国海军被从海洋中获取无尽能量这一念头给迷住了，于是批准了这一装置，甚至还将它演示给詹姆士·加菲尔德（James Garfield）总统看。问题是，蒸汽无法被彻底凝结回液体，因此整个循环无法完成。

报送给美国专利与商标局（U.S.Patent and trademark Office，OSPtO）的永动机方案很多，因此该局拒绝在没有提交操作模型的情况下为这类装置授予专利。在某些罕见的情况下，当专利审査员无法从模型上发现明显的缺陷时会授予专利。USPtO宣布：“除了涉及永动机的案例之外，我局通常不要求提交模型以演示装置的可操作性。”（这一漏洞使寡廉鲜耻的发明者们可以号称USPtO已经正式认可自己的机器，由此说服天真的投资人为他们的发明提供资金。）

然而，从科学的角度看，对永动机的追求并非一无所获。相反，尽管发明者们从来没能制造出一台永动机，但为制造这样一台传说中的机器所投入的巨大时间和精力使物理学家们谨慎地研究起热力发动机的本质（同样，炼金术士们对能将铅变成金子的贤者之石的徒劳搜寻也揭示了一些化学的基本定律）。

比如，在17世纪60年代，约翰·考克斯（John Cox）开发出了一台真正能够永远走下去的时钟，动力来自大气压力的变化。气压的变化会推动一个气压表，气压表随即会转动钟的指针，事实上，这台钟甚至时至今日仍旧存在并运转着。钟能永远运转是因为其能量以大气压力变化的形式从外界获取。

像考克斯的钟那样的永动机最终使科学家们假设这样的机器能够永远运转，只要有能量从外界送入该装置，即总体能量守恒。这个理论最终导致了热力学第一定律的诞生——物质和能量的总量无法被创造或消灭。最终，推断出了三大热力学定律。第二定律陈述，熵的总量永远是增加的（粗略地说，这一定律表明，热量只能自发地从高温向低温处流动）。第三定律陈述，绝对零度永远不可能达到。

如果我们将宇宙比作一场博弈，而博弈的目的是获取能量，那么三大定律可以被改头换面成下面这样：

<small>“你无法以无物换有物。”（第一定律）</small>

<small>“你无法打破平衡。”（第二定律）</small>

<small>“你连退出游戏都不可能。”（第三定律）</small>

（物理学家们小心翼翼地宣布这些定律未必永远都是绝对正确的。然而，差错从来没有被发现过。任何试图证明这些定律有误的人都必须对抗几个世纪以来的严谨科学实验。我们将简短地讨论这些定律可能存在的缺陷。）

在19世纪科学引以为荣的成就中，这些定律经历过悲剧，也经历过胜利。这些定律的缔造者之一，伟大的德国物理学家路德维希·波尔兹曼（Ludzmann）自杀身亡，部分是由于他在制定这些定律时引起的争端。

<h3>路德维希·波尔兹曼和熵</h3>

波尔兹曼是一个胸部发达、健壮如熊的矮个子男人，留着巨大的、丛林般的络腮胡。然而，他可畏的、粗野的外表掩盖了他为保卫自己理论所受的创伤。尽管牛顿定律到19世纪已经根基稳固，但波尔兹曼认为这些定律还从未被精确地应用于极富争议的原子概念，那是一个尚未被许多重要科学家接受的概念（我们有时会忘记，仅仅是一个世纪之前还有大把科学家坚持认为原子不过是个巧妙的噱头，而非真正的实体。原子们小得不可思议，他们称，它们或许压根儿不存在）。

牛顿证明，是机械力而非精神或渴求可以决定一切物体的运动，波尔兹曼随后用一个简单的假设优雅地获得了许多气体定律，这个假设是：气体由微小的原子组成，像台球们一样，遵守由牛顿制定的力的定律。对波尔兹曼而言，一间有气体的房间就像一个充满微型钢球的盒子，它们每个都按照牛顿的运动定律在墙上和其他球体上跳来跳去。在物理学最伟大的著作之一中，波尔兹曼（还有独立的詹姆士·克拉克·麦克斯韦）从数学上证明了这一简单设想将如何造成令人大为惊叹的新定律，并且开辟了一个名叫统计力学（Statistical Mechanics）的物理学新分支。

突然间，从第一原理中可以获取许多物质的性质了。由于牛顿定律规定能量在应用于原子时必须守恒，原子间的每一次撞击都保存了能量，这意味着整间屋子数万亿个原子同样保存了能量。能量的守恒如今不仅可以通过实验确定，还通过第一原理进行证明了，那就是原子的牛顿机械运动。

但在19世纪，原子的存在仍是议论的热点，并且被许多著名科学家，如哲学加家恩斯特·马赫（Emst Mach）所嘲笑。波尔兹曼是一个敏感又常常情绪低落的人，他不安地发现自己成了避雷针，成了常常被反原子者恶毒攻击的焦点。对于反原子者来说，任何无法测量的事物都不存在，包括原子。让波尔兹曼更觉耻辱的是，他的许多论文被德国的一本重要物理学期刊编辑拒绝刊登，因为编辑坚持认为原子和分子是绝对的便利理论工具，而不是真正存在于自然界的物体。

个人攻击让波尔兹曼感到疲惫不堪、苦恼愁苦，遂于1906年自缢，当时他的妻子和孩子去了海滩。令人难过的是，他没有意识到仅仅在一年之前，一位自视甚高、名叫阿尔伯特·爱因斯坦的年轻物理学家已经完成了不可能的任务，他写了第一篇证明原子存在的论文。

<h3>总熵永远是增加的</h3>

波尔兹曼的研究以及其他物理学家的工作促进澄清了永动机的本质，将永动机分为两类。第一种类型的永动机违反热力学第一定律，即它们产生的能量事实上比消耗的能量多。每一次，科学家们都发现这一类的永动机依赖隐藏的外部能量来源，无论是通过欺诈，还是由于发明者并未意识到外界能量来源。

第二种类型的永动机更为精细。它们遵守热力学第二定律。理论上一台第二种类型的永动机不产生多余的热量，因此它是100%有效的。然而，第二定律表明，这样一台机器是不可能存在的——多余的热量必定会产生，而且因此，宇宙中的无序和杂乱，或者说熵（温度除热能所得的商），永远都在增加。无论一台机器的效率有多高，它永远都会排出一些多余热量，从而提高宇宙的熵。

总熵永远增加，这一事实是人类历史的核心所在，同样也是大自然的核心所在。根据第二定律，毁灭远远比建造容易。某些事物，如墨西哥的阿兹特克帝国（Aztec Empire），或许要花费数千年来建立，却能在至多数月之间毁于一且。一队由乌合之众组成的、装备着马匹和枪支的西班牙征服者们完全摧毁了这个帝国。

每当你照镜子时看到一丝新的皱纹或者一根新的白发，你就是在观察第二定律的效应。生物学家告诉我们，衰老过程是细胞与基因中遗传误差的逐渐累积，因此细胞的功能慢慢退化。衰老、生锈、崩裂以及坍塌，也都是第二定律的示例。

天文学家亚瑟·爱丁顿（Arton）曾经这样评论第二定律意义深远的性质：“我认为，熵永远增加的定律在自然界的法则中具有至高无上的地位……如果你的理论被发现违背热力学第二定律，我就不能让你抱有希望了；它只会在深深的耻辱之中崩溃。”

哪怕在今天，雄心勃勃的工程师们（以及聪明的江湖骗子）仍旧不断宣布发明了永动机。最近，《华尔街日报》要求我对一位发明者作出评论，事实上他已经说服投资者为他的机器投入了数百万美元。激动人心的文章被发表在主流财经报纸上，由不具备科学背景的记者写就，滔滔不绝地述说这一发明改变世界的可能性（并且在这一过程中产生梦幻般的盈利）。“天才还是狂人？”标题高呼道。

投资者们为这个装置烧了大把的钱，而它违背了在高中时传授的基本物理和化学原理（令我震惊的并非是有人试图欺骗缺乏警惕的投资人——这自打时间初始以来就存在了。令人吃惊的是这个发明者如此轻易便欺骗了富有的投资者们，只因为他们缺乏对基本物理学知识的了解）。我向《华盛顿日报》重复了谚语“蠢人有钱留不住”和P.t.巴纳姆的名言（P.t.Barnum）“每分钟都有傻子诞生”。《金融时报》（Financial times）、《经济学人》（Economist）和《华尔街日报》都曾为形形色色兜售自己永动机的发明者们刊登大篇幅专题文章，或许这并不叫人奇怪。

<h3>三大定律与对称性</h3>

但这一切提出了一个更深层次的问题：为什么热力学的铁则会保有至高的地位？这是一个自三大定律首次被提出以来就一直困扰科学家们的谜团。如果我们能够回答这个问题，那么或许我们能在三大定律里发现漏洞，而其中的含义极度令人震惊。

在读研究生时的某一天，我在终于得知能量守恒定律真正的开端后顿时失语。物理学的基本原则之一（由数学家艾米·诺特［Emmy Noether］在1918年发现）是，无论何时，当一个系统处理对称性问题时都得出能量守恒定律。如果宇宙的规则在经过漫长的时间后仍旧保持不变，那么令人惊讶的结果就是这个系统能实现能量守恒。（此外，如果向任意方向移动，物理规则都保持相同，那么动量同样在任何一个方向上都守恒。如果物理定律在旋转中保持不变，那么动量也是守恒的。）

对我而言，这很令人吃惊。我意识到，当我们分析来自数十亿光年之外、位于宇宙边缘的遥远星系的星光时，我们会发现它们的光谱与我们在地球上发现的光谱完全一致。在地球和太阳诞生前数十亿年前放射出的光的遗迹中，我们见到了明明白白与如今在地球上发现的氢原子、氦原子、碳原子、氖原子等等的光谱相同的“指纹”。换言之，物理学的基本定律在数十亿年中都没有改变，并且直至宇宙的边缘都保持稳定。

至少，我意识到诺特的定理意味着，能量的守恒可能会持续数十亿年，要不就是永远。据我们所知，没有一条物理学基本定律随着时间改变，这就是能量之所以守恒的原因。

诺特的定理对现代物理学的意义是深远的。毎当物理学家创造出一种新的理论，无论它是陈述宇宙的开端、夸克与其他亚原子粒子的相互作用，还是反物质，都要首先从该系统遵循的对称性入手。事实上，对称性如今被认定是创造新理论的指导性原则。在过去，对称性被认为是一个理论的副产品——一个有吸引力但根本无用的理论特征，漂亮，但无关紧要。今天，我们认识到对称性是定义任何理论的关键性特征。在创造新理论时，我们物理学家首先从对称性入手，随后围绕着它建立理论。

（令人遗憾的是，艾米·诺特就像她的前辈波尔兹曼一样，不得不为了取得认同而竭尽全力地斗争。作为一位女数学家，她由于自己的性别而无法在主要学术机构获得长期职位。诺特的良师益友、大数学家大卫·希尔伯特［David ］因为没能给诺特取得职位而为她不平，他愤怒地说：“我们这儿是什么地方？大学还是浴池？”）

这提出了一个令人不安的问题。如果能量之所以守恒是因为物理学定律不随时间而改变，那么这一对称性可能在罕见、异常的情况下被打破吗？在宇宙范围内，如果我们定律的对称性在古怪、出乎意料的地方被打破的话，能量守恒仍旧有可能遭到违反。

如果物理学定律随着时间的推移而变动，或者随着距离的改变而改变，这就有可能会发生（在阿西莫夫的小说《众神自身》中，这一对称性由于太空中有一个将我们的宇宙和一个平行宇宙连接起来的洞而被打破了。在太空中，洞的周围区域的物理定律发生了变化，由此使得热力学定律瓦解。因此，能量守恒可以在太空中有洞——也就是虫洞的情况下被违反）。

另一个目前有激烈争议的漏洞是能量能否来自于虚无。

<h3>来自真空的能量</h3>

有一个诱人的问题：从虚无之中可以获取能量吗？物理学家们是在最近才认识到，真空的“虚无”根本不是空的，而是充斥着各种活动。

这一想法的支持者之一是20世纪的怪才尼古拉·特斯拉（Nikola tesla），托马斯·爱迪生（t energy），即真空可能拥有无法计数的能量。如果这是真的，那么真空就是终极的“免费午餐”，能够确确实实地以稀薄的空气供给无限的能量。真空并不像被人们认为的那样空无一物、不具有任何物质，而是最大的能量货栈。

特斯拉出生于一个今属塞尔维亚（Serbia）的小镇，他在1884年身无分文地来到美国。他很快就成为托马斯·爱迪生的助手，但由于才华横溢，他变成了爱迪生的竞争对手。在一场著名的、被历史学家誉为“电流之战”的竞赛中，特斯拉与爱迪生进行了较量。爱迪生认为他能够使用他的直流电（DC）机使全世界电气化，而特斯拉则是交流电（AC）的发明者，并且成功地证明了他的方法远比爱迪生的优越，在传送距离内造成的功率损耗要小得多。如今，整个地球的电气化都是在特斯拉的专利、而不是爱迪生的专利基础上进行的。

特斯拉的发明与专利数目超过700项，而且包括一些现代电气史上最重要的里程碑。历史学家已经证实特斯拉发明无线电早于古利埃尔莫·马可尼（Gugllelmo Marconi）（他被公认为无线电的发明者），在威尔姆·伦琴正式发现X射线之前，他已经在研究X射线（马可尼和伦琴后来都因为可能是由特斯拉数年前作出的发现而获得了诺贝尔奖）。

特斯拉还相信他能够从真空中获取无限的能量，这是一个他不幸未能在自己的笔记中证明的断言。乍一看，“零点能”（或者说一个真空中蕴含的能量）似乎违反了热力学第一定律。尽管零点能违背了牛顿力学，但是零点能的概念最近从一个出人意料的方向再次出现了。

当科学家们分析来自目前围绕地球轨道运行的人造卫星——比如MAP人造卫星的数据时，他们得出了令人吃惊的结论——宇宙有整整73%是由“暗能量”组成的，那是一种纯净真空中的能量。这意味着，在整个宇宙中，分离各个星系的真空就是最大的能量蓄水池（这种暗能量极为巨大，它将星系推离彼此，而且最终可能在一场大冻结中把宇宙撕裂）。

暗能量遍布宇宙，甚至存在于你的起居室和身体内。外层空间中暗能量的总量真是天文数字，超出了所有星体和星系的能量总和。我们同样可以计算地球上暗能量的总量，那相当之少，少得不足以为一台永动机提供动力。特斯拉在暗能量的问题上说对了，但是在地球的暗能量总量上犯了错。

可是，他真的错了吗？

现代物理学中最令人尴尬的空白之一是，没有人能够计算出我们通过人造卫星可测得的暗能量总量。如果使用原子物理学计算宇宙中暗能量的总值，我们会得出一个误差达10的120次方倍的数字！那是在1之后加上120个0！这是目前为止在一切物理学说中理论与实验最严重的不匹配。

关键在于，没有人知道如何计算“虚无中的能量”。这是物理学中最重要的问题之一（因为它将最终决定宇宙的命运），但是在目前，我们对于如何计算它感到束手无策。没有理论能够解释暗能量，尽管有关其存在的实验证据正摆在我们面前。

因此，真空的确具有能量，正如特斯拉所认为的那样。但是能量的总量可能太小，无法作为可使用的能量来源加以利用。在星系之间有数量巨大的暗能量，但是在地球上能找到的量却很小。而令人尴尬的是，没有人知道如何计算这种能量，或者它来自何处。

我的观点是，能量守恒是由于深层次的、宇宙学上的原因造成的。任何对这些定律的违背都必定意味着我们对于宇宙进化的认知会发生重大改变。暗能量之谜迫使物理学家们迎难而上，正视这个问题。

由于制造一台真正的永动机或许需要我们在宇宙学的范畴内重新对物理学的基本定律进行评估，因此我将永动机归类为“三等不可思议”，即：它们要么真的是不可能，要么我们就必须在宇宙学的范畴内从根本上改变我们对于基本物理学的理解，以使制造这样一台机器成为可能。暗能量仍然是现代物理学中未完成的伟大篇章之一。

第三章三等不可思议 115.预知

<small>矛盾的是，其相要倒立起来去吸引注意力。</small>

<small class="rigta）</small>

预知或者预见未来这样的事物是否存在？这一古老的概念在每一种宗教中都有所表现，可以追溯到古希腊和古罗马神谕，以及《旧约全书》（Old testament）中的先知。但是，在这样的故事中，预言的天赋也可能是一种诅咒。古希腊神话中有卡桑德拉（Cassandra）的故事，她是特洛伊（troy）国王之女。她的美貌吸引了太阳神阿波罗（Apollo）的注意。为了赢得她的青睐，阿波罗承诺给予她预见未来的能力。但是卡桑德拉傲慢地拒绝了阿波罗的求爱。阿波罗大发雷霆之下扭曲了他的礼物，如此一来，卡桑德拉能够预见未来，但没有人会相信她。当卡桑德拉警告特洛伊的民众他们的劫数行将到来时，没有人听她的话。她预言了特洛伊木马的秘密、阿伽门农（Agamemnon）之死，甚至还有她本人的死亡。但特洛伊人非但不听从她的话，反而认为她疯了，并且将她关了起来。

诺查丹马斯（Nostradamus）在16世纪写到过，距今更近一些的埃德加·凯西（Edgar Cayce）也宣布过，说他们能揭开时间的面纱。尽管已经有许多言论宣称他们的预言成真（例如，正确预测第二次世界大战、肯尼迪总统遇刺以及苏联解体），但是这些预言家用以书写自己诗句的行文令人费解，如寓言一般，会造成许多种自相矛盾的解释。比如，诺查丹马斯的四行诗非常笼统，从中几乎想读出什么就能读出什么来（人们已经这么做了）。其中—首四行诗写道：

<small>来自咆哮的世界中心的大火使地球颤抖</small>

<small>两大贵族将进行一场无益的长期战争</small>

<small>新生的泉水流淌成一条新的红河</small>

有些人称这首诗证明诺查丹马斯预见了2001年9月11日纽约世贸中心双塔的毁灭。但是，几个世纪以来，这首诗已经被赋予了许多种其他的解释。其隐喻过于模糊，许多种解读都有可能。

对描写君王迫在眉睫的厄运、帝国的崩溃的剧作家们来说，预知同样是他们最喜爱的设定。在莎士比亚的《麦克白》中，预知对于该剧主题和麦克白的野心都起着至关重要的作用。麦克白遇到了三个女巫，她们预见他将崛起，成为苏格兰之王。他凶残的野心被女巫们的预言所点燃，开始了一系列血腥、可怕的行动消灭自己的敌人，包括杀害对手麦克德夫（Macduff）无辜的妻子和孩子。

在犯下一系列骇人罪行夺得王位后，麦克白从女巫那里得知，他将永远不会在战斗中败北或“被人征服，除非有一天巨大的勃南森林（Birnam ood）会冲着他向高处（邓锡南山，Dunsinane hills）移动”，并且“没有一个妇人所生下的人可以伤害麦克白”。麦克白对这一预言感到宽慰，因为一片森林是无法移动的，所有人都是由妇人所生的。但是巨大的勃南森林真的移动了，麦克德夫的军队将自己隐藏在采自勃南森林的细枝之下，向着麦克白前进，并且麦克德夫本人是通过剖腹产出生的。

<h3>我们能预见未来吗？</h3>

严格的科学测试能证明某些个人可以看到未来吗？在第12章中我们看到，时间旅行或许符合物理定律，伹那是对于一个先进的III型文明而言。而预知在当今的地球上可能吗？

在莱因研究中心进行的详细测试似乎意味着有些人可以看到未来，即：他们能在卡片被揭开前识别出它们，但反复进行的实验证明这一效应非常有限，并且通常会在其他人试图重复实验结果的时候消失。

事实上，预知很难与现代物理学取得一致，因为它违反了因果律——原因和结果的定律。结果发生于起因之后，反之不成立。所有到目前为止被发现的物理定律内在包含了因果律。对因果律的违反将标志着物理学基础的大崩溃。牛顿力学是牢固地建立在因果律之上的，牛顿的定律包含了一切，如果知道宇宙中所有分子的方位与位置，就能够计算出这些原子们未来的运动。这样一来，未来就是可计算的了。大体上，牛顿力学说的是，如果你拥有一台够大的计算机，就能计算出一切未来的事件。根据牛顿的理论，宇宙就像一台巨大的时钟，在时间的初始由上帝上了发条，并且永远都按照他的法则跳动。牛顿的理论中没有预知的位置。

<h3>回到过去</h3>

然而，当我们讨论麦克斯韦的理论时，事情就变得复杂多了。当我们解开麦克斯韦关于光的方程，我们发现的不是一个解，而是两个：一个“延迟”的波，代表着光从一点到另一点的标准运动；但还有一个“超前”的波，光束在时间上会回到过去。这一超前的波来自未来，到达的却是过去！在100年中，当工程师们遇到这一“超前的”、回到过去的解时，他们简单地将它作为一个数学上的偶然加以忽略。由于延迟波非常精确地预测无线电、微波、电视、雷达和X射线的活动，他们轻易地将超前的解丢出了窗外。延迟的解精彩又美丽，并且很成功，工程师们简单地忽略了她丑陋的孪生姐妹。为什么要跟成功过不去？

但对于物理学家而言，超前解在过去的整个世纪中都是一个困扰他们的问题。由于麦克斯韦方程是现代社会的支柱之一，这些方程的任何解都必须非常严谨地加以对待，即使牵涉到接受来自未来的波。要完全忽略来自未来的超前波似乎是不可能的。什么大自然会在其最基础的层面上给予我们这个古怪的解？这是一个残酷的玩笑，或者它具备更深的意义？

神秘主义者们开始对这些超前波产生兴趣，猜测它们似乎是来自未来的讯息。或许，如果我们能够以某种方式驾驭这些波，那么我们也许可以将信息送回过去，由此提醒前人们注意即将到来的事件。比如，我们可以送回一条消息给自己1929年的祖父母，提醒他们在大崩盘之前卖光他们所有的股票。这样的超前波不像时间旅行那允许样我们亲自造访过去，但能使我们将信件和信息送回过去，提醒人们注意尚未发生的重大事件。

这些超前波在由理査德·费曼进行研究之前是一个谜，他对回到过去这—构想产生了强烈的兴趣。在参与了制造出首枚原子弹的曼哈顿计划之后，费曼离开了洛斯阿拉莫斯，去了普林斯顿大学，在约翰·惠勒手下工作。在分析狄拉克在电子方面的原作时，费曼发现了某些非常奇怪的东西。如果他简单地将狄拉克方程中时间的方向反转，并且将电荷同样反转的话，方程就可以保持不变。换言之，一个在时间中后退的电子与一个在时间中前进的反电子是一样的！通常，一个成熟的物理学家或许会忽略这一解释，认为它仅仅是一个小把戏，一个不具备意义的数学小戏法。在时间中后退似乎没有任何意义，然而狄拉克的方程在这一点上却明白无误。换言之，费曼找到了自然允许这些时间倒退的解的原因：它们表现了反物质的运动！如果费曼是一位更资深的物理学家，他或许会将这个解抛到脑后。但作为一名地位不高的研究生，他决定进一步追求令他好奇的事物。

当费曼继续钻研这个令人伤脑筋的问题时，年轻的他留意到了某些更奇怪的现象。通常，如果一个电子和一个反电子相撞，它们会产生对消，并且制造出一道γ射线。他将这画在了一张纸上：两个物体相互碰撞，造成了一阵能量的爆发。

但是，如果在这之后改变反电子的电荷，它就成了一个在时间中倒退的普通电子。随后可以将同一幅示意图中时间的箭头改为反转。现在电子似乎在时间中前行了，然后再突然逆转方向。电子在时间中调了一个头，现在在时间里后退了，在这个过程中释放出能量的爆发。换言之，这是同一个电子。电子-反电子对消过程不过是同一个电子在时间中作出逆行造成的后果！

因此，费曼揭开了反物质的秘密：它不过是在时间中逆行的普通物质。这一简单的观察结果立即解释了所有的粒子都拥有反粒子配偶的谜：这是因为所有的粒子都可以在时间中后退，因此就被改头换面成了反物质（这一解释与先前提及的“狄拉克海”相同，但更加简单，并且是目前被广为接受的解释）。

现在，让我们假设有一团反物质与普通物质相撞，制造了一场巨大的爆炸。有数万亿电子和数万亿反电子对消了。但，如果我们逆转反电子的箭头方向，将它变成一个在时间中逆行的电子，那就意味着同一个电子曲曲折折地前行、后退了数万亿次。

还有另一个更加不寻常的后果：在一团物质中必须只有一个电子。同一个电子高速前后移动，在时间中曲折前进。每当它一调头就成为反物质。但如果它在时间上再次调头，它就变成了另一个电子。

（费曼与他的论文导师约翰·韦勒随即推断，整个宇宙可能都是由这样—个在时间中曲折地前进、后退的电子构成。想象一下在最初的大爆炸混乱中产生的仅仅有一个电子，数万亿年后，这个电子将最终与世界末日的剧烈灾难相遇，在那时，它将调头，并且在时间中逆行，在这一过程中释放出一道射线。随即，它将回到最初的大爆炸时，并且随之进行另一次调头。这个电子随后会在大爆炸到世界末日之间进行重复的曲折前行、后退。21世纪，我们的宇宙不过是这个电子整个旅程中的一小片时间碎片，在其中我们看到数万亿电子和反电子，即可见的宇宙。尽管这个理论似乎很奇怪，但是它能解释一个量子理论中的奇特事实：为什么所有的电子都是一样的。在物理学中，电子无法进行归类。不存在“绿色电子”或者“约翰电子”。电子不具备个性特征。你无法像科学家们有时给野生动物戴上标签以进行研究那样，给一个电子“套上标签”。或许其原因就是整个宇宙是由同一个在时间中前后跳跃的电子构成。）

但是，如果反物质是回到过去的普通物质，那么将一条消息送回过去有可能吗？有可能把今天的《华尔街日报》送给你过去的自己，由此让你在股票市场上大发横财吗？

答案是否定的。

如果我们将反物质仅仅作为物质的另一种新奇的形式对待，并且随即用反物质做一次实验，则结果不违反因果律。原因和结果仍旧不变。如果我们现在逆转反电子的时间方向，使它在时间中后退，那么我们不过是进行了一次数学操作，物理原理保持不变。物理上什么都没有变化，所有的实验结果都保持不变。因此，把电子看作在时间里前行和后退有着充分的依据。但是，每当电子在时间中后退，它仅仅是实现了过去。因此，要拥有一个前后—致的量子理论，来自未来的超前解似乎必不可少，但它们最终并不违反因果律。（事实上，没有这些古怪的超前波，因果律就会违反量子理论。费曼证明，如果将超前波和延迟波的作用相加，我们会发现违反因果律的项刚好全部都约去了。因此，反物质是维护因果律所必需的。没有反物质，因果律或许会崩溃。）

费曼继续探究这个疯狂想法的起源，直到它最终成长为一套完整的电子量子理论。他的创作——量子电动力学（quantum electrodynamics，QED），已经在实验中被证明误差小于100亿分之一，使其成为有史以来最精确的理论之一。这使他和他的同事朱利安·施温格（Julian Sciro tomonaga）在1965年夺得了诺贝尔奖。

（在费曼的诺贝尔奖获奖演说中，他说，作为一个年轻人，他冲动地与这些来自未来的超前波坠入了爱河，就如与一位美丽的少女坠入爱河一样。今天，那位美丽的少女已经长大，成为一名成熟的妇人，并且是许多孩子的母亲。这些孩子之一便是他的量子电动力学理论。）

<h3>来自未来的快子</h3>

除了来自未来的超前波以外（它们已经在量子理论中一次又一次地证明了自己的效用），量子理论中还有另一个古怪的概念，似乎同样疯狂，但或许并不同样有用。这就是“快子”的概念，它在《星舰迷航》中经常出现。每当《星舰迷航》的编剧需要某种新的能量形式来完成某种魔法般的操作，他们就将快子祭起。

快子生活在一个古怪的世界中，那里的一切都移动得比光更快。随着快子失去能量，它们会移动得更快，这有违常识。事实上，如果丧失所有能量，它们就会以无限大的速度移动。然而，当快子获得能量，它们便减速，直到达到光速。

使快子如此古怪的原因是，它们有着幻象中的质量（“幻想中的”意思是，它们的质量乘以了-1的平方根，或者说“i”）。如果我们简单地使用爱因斯坦的方程，并且用“im”代替“m”，那么不可思议的事情就会发生。突然，粒子比光移动得更快。

这一结果引发了奇怪的状况。如果一个快子穿越物质，它会因为与原子相撞而失去能量。但，当它失去能量，它的速度会加快，而这又进一步增强了其与原子的碰撞。这些碰撞会造成它失去更多能量，并由此加快速度，随着这成为一个剧烈的循环，快子自身会自然获得无限大的速度。

（快子与反物质和负物质不同。反物质具有正能量，以低于光速的速度运动，并且可以在我们的粒子加速器中被创造出来。根据理论，它会受到引力的作用落下。反物质相当于在时间中逆行的普通物质。负物质具有负能量，同样以低于光速的速度移动，但是在引力的作用下会向上。负物质从未在实验中被发现。理论上，大量的负物质可以被用作时间机器的燃料。快子以超光速移动，并且具有幻想中的质量，尚不清楚它们在引力作用下是向上还是向下运动。它们同样未在实验中被发现过。）

尽管快子十分古怪，但物理学家们认真地对它们进行研究，包括哥伦比亚大学的杰拉德·费因伯格和德克萨斯大学奥斯丁分校的乔治·苏达山（George Sudarshan），问题在于从来没有人在实验中看到过一个快子。快子的主要实验线索应当是其违反了因果律。费因伯格甚至建议物理学家们在接通一束激光之前对它进行检査。如果快子存在的话，那么或许来自激光束的光能在仪器被打开前就能测得。

在科幻故事中，快子常常被用于将信息送回给过去的先知们。但如果有人细査物理定律，他就会发现，这是否可行并不清楚。比如，费因伯格相信发射一个在时间中前行的快子与吸收一个在时间中逆行的负能量快子完全相同（类似于关于反物质的情形），并因此不违反因果律。

撇开科幻小说不谈，如今对于快子的现代诠释是，它们可能在大爆炸的瞬间就存在，违反了因果律，但它们现在不再存在了。事实上，它们可能已经在使得宇宙“爆炸”的过程中起到了不可或缺的作用。从这个意义上来说，快子对于一些大爆炸理论而言是必不可少的。

快子有一项怪异的性质。当把它们引入任何理论中，它们都会使“真空”即一个系统的最低能态失去稳定。如果一个系统中有快子，那么它就处于一个假真空（false vacuum）中，如此一来，这一系统便不稳定，并且会衰变为真真空（true vacuum）。

想象一座在湖中挡住水的水坝。它象征“假真空”。尽管水坝似乎非常稳固，但是存在一个低于水坝的能量状态。如果水坝上出现一道裂痕，那么整个系统就随着水流向海平面而获得真真空。

以同样的方式，据信大爆炸前的宇宙最初是从假真空之中开始的，那里存在着快子。而快子的存在意味着这并不是最低能态，因此整个系统也并不稳定。一个裂口出现在时空的结构上，代表着真真空。随着裂缝越来越大，一个泡出现了。在泡外，快子仍旧存在，但在泡内，快子全部消失了，随着泡的膨胀，我们发现了我们所知的宇宙，没有快子存在。这就是大爆炸。

宇宙学家非常认真地看待一项理论：一个被称为“暴胀”的快子开始了暴胀的最初进程。正如我们先前提到的，暴胀宇宙论陈述，宇宙最初是一个微型时空泡，经历过一场增压暴胀时期。物理学家们相信，宇宙最初始于假真空状态，暴胀场是一个快子。但是，快子的存在使真空不稳定微小的气泡们产生了。在其中一个气泡内部，暴胀场开始了真真空状态，这个泡开始迅速膨胀，直到它成为我们的宇宙。在我们的气泡-宇宙中，暴胀已经消失，因此它在我们的宇宙中不再能被发现。因此，快子标志着一种古怪的量子状态，在这种状态中，物体移动得比光速更快，并且甚至可能违反因果律。但是，快子在很久以前消失了，并且可能早于宇宙本身的诞生。

这一切听起来都像是吃饱了饭没事干的情况下作出的无法验证的推断。但是假真真空理论将接受其首次实验测试，当2008年大型强子对撞机在瑞士日内瓦郊外投入运行之后，LhC的关键目的之一将是找到“希格斯玻色子”——标准模型中的最后一个尚未被发现的粒子。这是拼图玩具的最后一片（希格斯粒子非常重要，但非常难以捕捉，诺贝尔奖得主莱昂·列德曼因此称之为“上帝粒子”）。

物理学家认为，希格斯玻色子最初是从快子变化而来。在假真空中，亚原子粒子全都没有任何质量。但是它的存在使真空不稳定，然后，宇宙就转变为一个新的真空。在这个新的真空中，希格斯玻色子变成了一种普通的粒子，亚原子粒子开始具有我们如今在实验室里进行测量的质量。如此，希格斯玻色子的发现将不仅完成标准模型最后的遗失篇章，还会证明快子状态曾经存在过，只是变成了一种普通粒子。

总而言之，预知被牛顿物理学所排除。因与果的铁律不可违背。在最子理论中，新的物质状态是可能的，比如反物质，它等同于在时间中逆行的物质，但是因果律没有遭到违反。事实上，在量子理论中，反物质对于因果律的修复是必须的。快子乍一看似乎有违因果律，但物理学家相信它们真正的意图是开始宇宙大爆炸，且它们因此再也无法被观察到。

因此，预知似乎可以排除了，至少在可以预见的未来中是如此，这使其成为一项“三等不可思议”。如果预知的确能在可重现的实验中被证明的话，它将严重动摇现代物理学的根本。

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