不可能的物理学（适合高中生看的物理杂志）

　　不可能的物理学（适合高中生看的物理杂志）
　　图片来自rafu.com
　　撰文 | 加来道雄（日裔美国籍理论物理学家、未来学家）
　　是否会有那么一天，我们能穿墙而过、建造飞行速度超过光速的飞船、解读他人的思想、隐身、以意念之力移动物体、瞬间将我们的躯体传送到太空？
　　自幼我就对这些问题着迷。与许多物理学家一样，在成长的过程中，我被时间旅行、激光枪、力场、平行宇宙等获得实现的可能性深深吸引。魔术、幻想和科幻小说都是我任凭想象力驰骋的广阔游乐场。
　　它们开始了我与不可能的事物的一生的恋情。
　　我还记得观看电视上重播《飞侠哥顿》的情形。每个星期六，我都与电视机如胶似漆，对飞侠、扎尔科夫博士与戴尔·阿登的冒险经历和那些令人目眩神迷的未来科技装备（火箭飞船、隐形盾、激光枪、空中城市）惊叹不已。我从未错过任何一个星期的播出，它为我开启了一个全新的世界。
　　我一想到有一天能坐火箭登上一个陌生星球并探索其独特的地貌就激动万分。我被拽入了这些惊人发明的磁场中，明白自己的命运以某种形式与这部剧中展现的科学奇迹紧密相连。
　　如同事实所证明的那样，我的经历并非个例。许多极为杰出的科学家最初都是通过接触科幻作品对科学产生兴趣的。
　　伟大的天文学家埃德温·哈勃沉迷于儒勒·凡尔纳的作品。在阅读了凡尔纳的作品后，哈勃放弃了一份前途光明的法律工作，并且违背他父亲的意愿，开始从事科学方面的职业，最终成为20世纪最伟大的天文学家。
　　著名天文学家和畅销书作者卡尔·萨根发现埃德加·赖斯·巴勒斯的《火星上的约翰·卡特》系列小说点燃了自己的想象力，梦想有一天能像约翰·卡特那样探究火星上的沙粒。
　　阿尔伯特·爱因斯坦去世时我还是个孩子，但是我记得人们曾经低声谈论他的生平与死亡。次日，我从报纸上看到了一张他书桌的照片，上面摆着他最伟大的、未完成的研究成果的手稿。我问自己，什么事情如此重要，以至当代最伟大的科学家都无法完成？
　　报纸上的那篇文章宣称爱因斯坦有一个不可能实现的梦想，一个异常困难、人类无法解答的难题。我花费了数年才弄明白那份手稿的内容：一个宏大的、统一的＂万有理论＂。他的梦想——花费了他人生最后30年的梦想——帮助我将精力集中到自己的想象上。我希望我能够为爱因斯坦的未竟事业尽一份绵薄之力，将一切物理定律统一到一个理论中。
　　当我更大一些的时候，我意识到，虽然飞侠哥顿是个英雄，并且永远能获得女孩的青睐，但事实上使这部剧获得成功的是科学家。没有扎尔科夫博士，就没有火箭飞船，就没有赴蒙格星球的旅行，地球就不可能被拯救。英雄气概得靠边站，没有科学就不会有科幻。
　　我开始明白，从这些故事所涉及的科学原理来看，它们是完全不可能实现的，它们仅仅是想象力驰骋的产物。长大成人意味着将这样的幻想搁置起来。
　　我被告知，在真正的生活中，一个人必须放弃不可能的事物，转而拥抱现实。
　　如果我要继续迷恋不可能的事物，解决之道就进入了物理学领域。如果缺少前沿物理学方面的坚实基础，我将永远对着未来科技苦思冥想，而不明白它们究竟是否可行。我意识到自己必须专注于高等数学，并且学习理论物理学。因此我这么做了。
　　上高中的时候，我在我母亲的汽车库里组装了一台核粒子加速器作为科学展览参展作业。我去西屋电气公司收集了400磅变压器废钢。圣诞节期间，我在高中的足球场上绕了22英里长的铜丝。最终，我制造出了一台功率为230万电子伏特的电子感应加速器，它需要消耗6千瓦电力（相当于我家房子输出的总功率），能产生相当于地球磁场20000倍的磁场，目标是制造出威力足以产生反物质的γ 射线（伽马射线）。
　　我的科学展览项目使我进入了国家科学展，最后还使我实现了梦想，获得了哈佛大学的奖学金。在那里，我最终得以追求我成为一名理论物理学家的目标，并且追随我的偶像——爱因斯坦的脚步。
　　如今，我还会收到来自科幻小说作家和剧本作家的电子邮件，让我帮助他们探索物理定律的极限，使他们的故事更具说服力。
　　01 ＂不可能＂是相对的
　　作为一名物理学家，我认识到＂不可能＂往往是一个相对的概念。在我年少的时候，有一天我的老师走近墙上的世界地图，指着南美洲和非洲的海岸线。＂这难道不是一个奇怪的巧合吗？＂她说，＂两者的海岸线形状相互吻合，不就像一块拼图吗？有些科学家推测它们可能曾经是同一块辽阔大陆的两个部分。但那是愚蠢的。不可能存在能推开两块巨大的陆地的力量。这样的想法是无可救药的。＂
　　在这之后的一年我们学到了恐龙。我们的老师告诉我们，恐龙统治地球数百万年，然后有一天它们全部消失了，难道这不是怪事吗？没有人知道它们为什么灭绝。一些古生物学者认为可能是一颗来自太空的流星杀死了它们，但那是不可能的，那更像科幻小说里发生的事情。
　　今天，我们知道，在板块构造中大陆确实会移动，并且6500万年之前一颗直径达6英里的巨大流星最有可能是毁灭恐龙与地球上许多生命的元凶。在我自己的短暂人生历程中，我已经一次又一次目睹看起来不可能的事物成为确定无疑的科学事实。所以，或许有一天我们能将自己从一处传送到另一处，或者能建造出一艘能在某一天带我们到达几光年之外的星球的宇宙飞船，这些难道是不可能的吗？
　　一般来说这样的伟业在如今的物理学家看来是不可能实现的。它们是否会在几个世纪内，或者科技更加发达的几千年后，又或者100万年后成为可能呢？如果我们通过某种途径遇见一种领先我们100万年的文明，那么他们的常用科技对我们来说会不会看起来像＂魔法＂呢？某些事物仅仅因为在今天是＂不可能的＂，在未来的几个世纪或数百万年中就仍旧是不可能的吗？
　　科学在20世纪取得了长足的发展，特别是诞生了量子理论与广义相对论，现在我们已经可以大致估计这些梦幻般的科技将在何时（如果的确会有那么一天）可能被实现。现在，随着更为先进的理论（比如弦理论）的产生，连一些属于科幻范畴的概念（如时间旅行和平行宇宙）也正在被物理学家们重新评估。回想150年以前那些被当时的科学家们宣布为＂不可能＂的科技成果，如今已经成为我们日常生活的一部分。
　　儒勒·凡尔纳在1863年写完了一部小说—— 《20世纪的巴黎》。这部小说被尘封起来，并且被遗忘了一个多世纪，直到凡尔纳的重孙发现它，并且在1994年将其首次出版。在书中，凡尔纳预言了巴黎在1960年可能会呈现的面貌。他的小说中充满了在19世纪看来显然不可能的科技，包括传真机、一个世界性的通信网络、玻璃建造的摩天大楼、燃气动力汽车和高速高架火车。
　　不出意料，凡尔纳之所以能做出这样了不起的精确预测，是因为他沉浸于科学的世界中，从他周围的科学家那里汲取智慧。对于科学基础原理的深刻理解使他做出了这样惊人的预言。
　　令人遗憾的是，19世纪一些最伟大的科学家持相反的立场，并且宣布许多科技是不可实现的，毫无指望。开尔文勋爵或许是维多利亚女王时代最杰出的物理学家（他葬于威斯敏斯特教堂，在艾萨克·牛顿的身边），他宣称像飞机那样＂比空气更重的＂装置是不可能实现的。他认为X光是无聊的把戏，无线电没有未来。发现了原子核的科学家卢瑟福爵士对制造原子弹的可能性不屑一顾，认为那是妄想。
　　19世纪的化学家宣布寻找＂贤者之石＂——神话故事中的一种可以化铅成金的物质，一个科学的死胡同。19世纪的化学建立在元素像铅那样永恒不变的理论基础上。然而，如今我们原则上可以用现在的核粒子加速器把铅变成金子。想想吧，现今的电视机、计算机和互联网在20世纪初看起来是多么不切实际。
　　黑洞曾被认为是科学幻想。爱因斯坦本人在1939年写过一篇论文，＂证明＂黑洞永远不可能形成。然而，今天哈勃太空望远镜和钱德拉X 射线天文望远镜已经观察到了太空中数千个黑洞。
　　这些科技之所以被视为＂不可能＂，是因为在19世纪以及20世纪前期，物理与科学的基本定律尚未被知晓。考虑到当时对科学理解的巨大空白，特别是在原子层面上的空白，这些发展被认为不可能也不足为奇。
　　02 研究＂不可能＂
　　对不可能的事物的认真研究常常会开拓出完全出人意料的科学疆域。举例来说，几个世纪以来，物理学家对于＂永动机＂的探索徒劳无功，令人沮丧，这使物理学家们得出结论——这样的机器是不可能存在的，迫使他们提出了能量守恒和热力学三大定律的假设。如此一来，对制造永动机的徒劳探索开启了热力学的全新领域，在某种程度上为蒸汽机、机械时代和现代工业社会奠定了基础。
　　19世纪末，科学家们认定地球＂不可能＂有数十亿年的历史。开尔文勋爵断然宣布熔融的地球可以在未来的2000万年到4000万年间冷却，驳斥了宣称地球可能有几十亿年历史的地质学家和达尔文主义生物学家。由于居里夫人和其他科学家发现核力，证明了地心在放射性衰变的加热下，可以将熔融状态保持几十亿年，＂不可能＂被证明为完全可能。
　　我们对不可能的事物的忽略会给自己带来危险。
　　20世纪20年代和30年代，现代火箭学的奠基人罗伯特·戈达德曾遭到认为火箭永远无法在太空运行的人的严重非难。他们挖苦他，并将他的追求称作＂戈达德的蠢事＂。1921年，《纽约时报》这样挑剔戈达德博士的作品：＂戈达德教授不知道作用力与反作用力之间的联系，也不知道必须有一些比真空更合适的事物用来进行反作用。他似乎缺乏高中物理的基本知识。＂火箭是不可能成功的，编辑唏嘘道，因为在太空没有可以用以推进的空气。
　　令人悲哀的是，有一位国家元首切实理解了戈达德的＂不可能的＂火箭意味着什么，他就是阿道夫·希特勒。第二次世界大战期间，德国先进得不可思议的V-2火箭如雨点般在伦敦落下，造成了众多的死亡与巨大的毁坏，几乎使伦敦屈服。
　　对不可能的事物的研究可能也改变了世界的历史进程。
　　20世纪30年代，人们广泛认为，甚至爱因斯坦也认为，原子弹是＂不可能的＂。根据爱因斯坦的方程E=mc2，物理学家们了解到，原子核的深处蕴含着巨大的能量，但是由单个原子核释放的能量实在微不足道。不过，原子物理学家利奥·齐拉特记得自己读过H.G. 威尔斯出版于1914年的小说《世界解放》（The World Set Free），在小说中威尔斯预测了原子弹的发展。
　　书中说，原子弹的奥秘将在1933年由一位物理学家解开。齐拉特是在1932年偶然看到这本书的，在这本小说的激励下，他在1933年（威尔斯于20 年前所预测的年份）碰巧产生了通过一个链式反应放大单个原子能量的构想，这样一来，分裂一个铀核产生的能量可以被放大几万亿倍。齐拉特随即开始进行一系列关键性试验和与爱因斯坦以及富兰克林·罗斯福总统的秘密谈判，谈判促成了制造原子弹的曼哈顿计划。
　　一次又一次，我们看到，对不可能的事物的研究打开了全新的视野，拓展了物理学和化学的疆界，并且迫使科学家们重新对自己所说的＂不可能＂下定义。正如威廉·奥斯勒爵士所言：＂一个时代的信仰在下一个时代成为谬误，过去的荒唐愚蠢却成为明日的睿智。＂
　　许多物理学家赞同《永恒之王》（The Once and Future King）作者T.H. 怀特的名言：＂凡未被禁止之物皆是必然！＂在物理学中，我们一直都能找到相应的证据。除非有物理定律明明白白地不允许一种新现象产生，否则我们最后总能发现它存在。（在寻找新的亚原子粒子的过程中，这种情况就发生了好几次。在探索禁忌事物的极限时，物理学家们常常会意外地发现新的物理定律。）T.H. 怀特的名言或许可以有这样一个推论：＂凡并非不可能之物皆是必然！＂
　　举例来说，宇宙学家斯蒂芬·霍金试图找到一条禁止时间旅行的新物理定律，以证明时间旅行是不可能的，他把这一定律称作＂时序保护猜想＂。不幸的是，在辛勤工作多年后，他未能证明这一原理。事实上，与之相反的是，物理学家们现在已经证明，禁止时间旅行的定律超出了当今数学的范畴。如今，由于没有物理定律可以否定时间机器的存在，因此物理学家们不得不慎之又慎地对待时间机器存在的可能性。
　　已经有一种不可能的技术现在被证明为可能，那就是隐形传送（至少在原子层面上可行）。甚至在几年前物理学家们还认为将一个物体从一个点传送或发送到另一个点违背量子物理的定律。最初创作电视剧《星际迷航》（Star Trek）剧本的编剧们被物理学家们批评、挖苦，以至他们加入了＂海森堡补偿器＂来解释他们的传送器，以弥补这一漏洞。今天，由于近期的重大科学突破，物理学家们可以将原子从房间的一边传送到另一边，或者在多瑙河下传送光子。
　　03 预测未来
　　做出预测总是要冒很大风险，特别是对于未来数百到数千年内的预测。物理学家尼尔斯·玻尔说：＂做预测困难重重，尤其是事关未来。＂但是，儒勒·凡尔纳所处的时代与当今有一个根本的区别。今天，物理的基本定律已经几乎都被知晓了。当今的物理学家了解惊人的43个数量级，内到质子，外到膨胀中的宇宙。结果，物理学家们可以怀着适当的自信陈述未来科技的大概面貌，并且更好地区分那些未必可能的科技和真正不可能的科技。
　　卡尔·萨根曾经写道：＂对于一种文明来说，有上百万年的历史意味着什么？我们已经拥有射电望远镜和宇宙飞船好几十年，我们有几百年的科技文明历史……先进文明领先我们上百万年，正如我们领先灌丛婴猴和猕猴那么久。＂
　　在我自己的研究工作中，我专门集中精力在完成爱因斯坦＂万有理论＂的梦想上。从个人角度而言，我发现，致力于发现一种最终可能回答当今科学中一些最困难的不可能的问题的＂终极理论＂，是令人振奋的。这些问题有时间旅行是否可行、黑洞的中央有什么和宇宙大爆炸前的情形等。
　　我仍然陶醉于我与不可能的事物的终身恋爱，并且想知道这些不可能的事物中是否能有一些进入日常生活的范畴。