加來道雄：物理讓我與不可能事物的一生戀情
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撰文 | 加來道雄（日裔美國(guó)籍理論物理學(xué)家、未來學(xué)家）
是否會(huì)有那么一天，我們能穿墻而過、建造飛行速度超過光速的飛船、解讀他人的思想、隱身、以意念之力移動(dòng)物體、瞬間將我們的軀體傳送到太空？
自幼我就對(duì)這些問題著迷。與許多物理學(xué)家一樣，在成長(zhǎng)的過程中，我被時(shí)間旅行、激光槍、力場(chǎng)、平行宇宙等獲得實(shí)現(xiàn)的可能性深深吸引。魔術(shù)、幻想和科幻小說都是我任憑想象力馳騁的廣闊游樂場(chǎng)。
它們開始了我與不可能的事物的一生的戀情。
我還記得觀看電視上重播《飛俠哥頓》的情形。每個(gè)星期六，我都與電視機(jī)如膠似漆，對(duì)飛俠、扎爾科夫博士與戴爾·阿登的冒險(xiǎn)經(jīng)歷和那些令人目眩神迷的未來科技裝備（火箭飛船、隱形盾、激光槍、空中城市）驚嘆不已。我從未錯(cuò)過任何一個(gè)星期的播出，它為我開啟了一個(gè)全新的世界。
我一想到有一天能坐火箭登上一個(gè)陌生星球并探索其獨(dú)特的地貌就激動(dòng)萬分。我被拽入了這些驚人發(fā)明的磁場(chǎng)中，明白自己的命運(yùn)以某種形式與這部劇中展現(xiàn)的科學(xué)奇跡緊密相連。
如同事實(shí)所證明的那樣，我的經(jīng)歷并非個(gè)例。許多極為杰出的科學(xué)家最初都是通過接觸科幻作品對(duì)科學(xué)產(chǎn)生興趣的。
偉大的天文學(xué)家埃德溫·哈勃沉迷于儒勒·凡爾納的作品。在閱讀了凡爾納的作品后，哈勃放棄了一份前途光明的法律工作，并且違背他父親的意愿，開始從事科學(xué)方面的職業(yè)，最終成為20世紀(jì)最偉大的天文學(xué)家。
著名天文學(xué)家和暢銷書作者卡爾·薩根發(fā)現(xiàn)埃德加·賴斯·巴勒斯的《火星上的約翰·卡特》系列小說點(diǎn)燃了自己的想象力，夢(mèng)想有一天能像約翰·卡特那樣探究火星上的沙粒。
阿爾伯特·愛因斯坦去世時(shí)我還是個(gè)孩子，但是我記得人們?cè)?jīng)低聲談?wù)撍纳脚c死亡。次日，我從報(bào)紙上看到了一張他書桌的照片，上面擺著他最偉大的、未完成的研究成果的手稿。我問自己，什么事情如此重要，以至當(dāng)代最偉大的科學(xué)家都無法完成？
報(bào)紙上的那篇文章宣稱愛因斯坦有一個(gè)不可能實(shí)現(xiàn)的夢(mèng)想，一個(gè)異常困難、人類無法解答的難題。我花費(fèi)了數(shù)年才弄明白那份手稿的內(nèi)容：一個(gè)宏大的、統(tǒng)一的“萬有理論”。他的夢(mèng)想——花費(fèi)了他人生最后30年的夢(mèng)想——幫助我將精力集中到自己的想象上。我希望我能夠?yàn)閻垡蛩固沟奈淳故聵I(yè)盡一份綿薄之力，將一切物理定律統(tǒng)一到一個(gè)理論中。
當(dāng)我更大一些的時(shí)候，我意識(shí)到，雖然飛俠哥頓是個(gè)英雄，并且永遠(yuǎn)能獲得女孩的青睞，但事實(shí)上使這部劇獲得成功的是科學(xué)家。沒有扎爾科夫博士，就沒有火箭飛船，就沒有赴蒙格星球的旅行，地球就不可能被拯救。英雄氣概得靠邊站，沒有科學(xué)就不會(huì)有科幻。
我開始明白，從這些故事所涉及的科學(xué)原理來看，它們是完全不可能實(shí)現(xiàn)的，它們僅僅是想象力馳騁的產(chǎn)物。長(zhǎng)大成人意味著將這樣的幻想擱置起來。
我被告知，在真正的生活中，一個(gè)人必須放棄不可能的事物，轉(zhuǎn)而擁抱現(xiàn)實(shí)。
如果我要繼續(xù)迷戀不可能的事物，解決之道就進(jìn)入了物理學(xué)領(lǐng)域。如果缺少前沿物理學(xué)方面的堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)，我將永遠(yuǎn)對(duì)著未來科技苦思冥想，而不明白它們究竟是否可行。我意識(shí)到自己必須專注于高等數(shù)學(xué)，并且學(xué)習(xí)理論物理學(xué)。因此我這么做了。
上高中的時(shí)候，我在我母親的汽車庫里組裝了一臺(tái)核粒子加速器作為科學(xué)展覽參展作業(yè)。我去西屋電氣公司收集了400磅變壓器廢鋼。圣誕節(jié)期間，我在高中的足球場(chǎng)上繞了22英里長(zhǎng)的銅絲。最終，我制造出了一臺(tái)功率為230萬電子伏特的電子感應(yīng)加速器，它需要消耗6千瓦電力（相當(dāng)于我家房子輸出的總功率），能產(chǎn)生相當(dāng)于地球磁場(chǎng)20000倍的磁場(chǎng)，目標(biāo)是制造出威力足以產(chǎn)生反物質(zhì)的γ 射線（伽馬射線）。
我的科學(xué)展覽項(xiàng)目使我進(jìn)入了國(guó)家科學(xué)展，最后還使我實(shí)現(xiàn)了夢(mèng)想，獲得了哈佛大學(xué)的獎(jiǎng)學(xué)金。在那里，我最終得以追求我成為一名理論物理學(xué)家的目標(biāo)，并且追隨我的偶像——愛因斯坦的腳步。
如今，我還會(huì)收到來自科幻小說作家和劇本作家的電子郵件，讓我?guī)椭麄兲剿魑锢矶傻臉O限，使他們的故事更具說服力。
01
“不可能”是相對(duì)的
作為一名物理學(xué)家，我認(rèn)識(shí)到“不可能”往往是一個(gè)相對(duì)的概念。在我年少的時(shí)候，有一天我的老師走近墻上的世界地圖，指著南美洲和非洲的海岸線。“這難道不是一個(gè)奇怪的巧合嗎？”她說，“兩者的海岸線形狀相互吻合，不就像一塊拼圖嗎？有些科學(xué)家推測(cè)它們可能曾經(jīng)是同一塊遼闊大陸的兩個(gè)部分。但那是愚蠢的。不可能存在能推開兩塊巨大的陸地的力量。這樣的想法是無可救藥的?！?/span>
在這之后的一年我們學(xué)到了恐龍。我們的老師告訴我們，恐龍統(tǒng)治地球數(shù)百萬年，然后有一天它們?nèi)肯Я耍y道這不是怪事嗎？沒有人知道它們?yōu)槭裁礈缃^。一些古生物學(xué)者認(rèn)為可能是一顆來自太空的流星殺死了它們，但那是不可能的，那更像科幻小說里發(fā)生的事情。
今天，我們知道，在板塊構(gòu)造中大陸確實(shí)會(huì)移動(dòng)，并且6500萬年之前一顆直徑達(dá)6英里的巨大流星最有可能是毀滅恐龍與地球上許多生命的元兇。在我自己的短暫人生歷程中，我已經(jīng)一次又一次目睹看起來不可能的事物成為確定無疑的科學(xué)事實(shí)。所以，或許有一天我們能將自己從一處傳送到另一處，或者能建造出一艘能在某一天帶我們到達(dá)幾光年之外的星球的宇宙飛船，這些難道是不可能的嗎？
一般來說這樣的偉業(yè)在如今的物理學(xué)家看來是不可能實(shí)現(xiàn)的。它們是否會(huì)在幾個(gè)世紀(jì)內(nèi)，或者科技更加發(fā)達(dá)的幾千年后，又或者100萬年后成為可能呢？如果我們通過某種途徑遇見一種領(lǐng)先我們100萬年的文明，那么他們的常用科技對(duì)我們來說會(huì)不會(huì)看起來像“魔法”呢？某些事物僅僅因?yàn)樵诮裉焓恰安豢赡艿摹?，在未來的幾個(gè)世紀(jì)或數(shù)百萬年中就仍舊是不可能的嗎？
科學(xué)在20世紀(jì)取得了長(zhǎng)足的發(fā)展，特別是誕生了量子理論與廣義相對(duì)論，現(xiàn)在我們已經(jīng)可以大致估計(jì)這些夢(mèng)幻般的科技將在何時(shí)（如果的確會(huì)有那么一天）可能被實(shí)現(xiàn)?，F(xiàn)在，隨著更為先進(jìn)的理論（比如弦理論）的產(chǎn)生，連一些屬于科幻范疇的概念（如時(shí)間旅行和平行宇宙）也正在被物理學(xué)家們重新評(píng)估。回想150年以前那些被當(dāng)時(shí)的科學(xué)家們宣布為“不可能”的科技成果，如今已經(jīng)成為我們?nèi)粘Ｉ畹囊徊糠帧?/span>
儒勒·凡爾納在1863年寫完了一部小說—— 《20世紀(jì)的巴黎》。這部小說被塵封起來，并且被遺忘了一個(gè)多世紀(jì)，直到凡爾納的重孫發(fā)現(xiàn)它，并且在1994年將其首次出版。在書中，凡爾納預(yù)言了巴黎在1960年可能會(huì)呈現(xiàn)的面貌。他的小說中充滿了在19世紀(jì)看來顯然不可能的科技，包括傳真機(jī)、一個(gè)世界性的通信網(wǎng)絡(luò)、玻璃建造的摩天大樓、燃?xì)鈩?dòng)力汽車和高速高架火車。
不出意料，凡爾納之所以能做出這樣了不起的精確預(yù)測(cè)，是因?yàn)樗两诳茖W(xué)的世界中，從他周圍的科學(xué)家那里汲取智慧。對(duì)于科學(xué)基礎(chǔ)原理的深刻理解使他做出了這樣驚人的預(yù)言。
令人遺憾的是，19世紀(jì)一些最偉大的科學(xué)家持相反的立場(chǎng)，并且宣布許多科技是不可實(shí)現(xiàn)的，毫無指望。開爾文勛爵或許是維多利亞女王時(shí)代最杰出的物理學(xué)家（他葬于威斯敏斯特教堂，在艾薩克·牛頓的身邊），他宣稱像飛機(jī)那樣“比空氣更重的”裝置是不可能實(shí)現(xiàn)的。他認(rèn)為X光是無聊的把戲，無線電沒有未來。發(fā)現(xiàn)了原子核的科學(xué)家盧瑟福爵士對(duì)制造原子彈的可能性不屑一顧，認(rèn)為那是妄想。
19世紀(jì)的化學(xué)家宣布尋找“賢者之石”——神話故事中的一種可以化鉛成金的物質(zhì)，一個(gè)科學(xué)的死胡同。19世紀(jì)的化學(xué)建立在元素像鉛那樣永恒不變的理論基礎(chǔ)上。然而，如今我們?cè)瓌t上可以用現(xiàn)在的核粒子加速器把鉛變成金子。想想吧，現(xiàn)今的電視機(jī)、計(jì)算機(jī)和互聯(lián)網(wǎng)在20世紀(jì)初看起來是多么不切實(shí)際。
黑洞曾被認(rèn)為是科學(xué)幻想。愛因斯坦本人在1939年寫過一篇論文，“證明”黑洞永遠(yuǎn)不可能形成。然而，今天哈勃太空望遠(yuǎn)鏡和錢德拉X 射線天文望遠(yuǎn)鏡已經(jīng)觀察到了太空中數(shù)千個(gè)黑洞。
這些科技之所以被視為“不可能”，是因?yàn)樵?9世紀(jì)以及20世紀(jì)前期，物理與科學(xué)的基本定律尚未被知曉?？紤]到當(dāng)時(shí)對(duì)科學(xué)理解的巨大空白，特別是在原子層面上的空白，這些發(fā)展被認(rèn)為不可能也不足為奇。
02
研究“不可能”
對(duì)不可能的事物的認(rèn)真研究常常會(huì)開拓出完全出人意料的科學(xué)疆域。舉例來說，幾個(gè)世紀(jì)以來，物理學(xué)家對(duì)于“永動(dòng)機(jī)”的探索徒勞無功，令人沮喪，這使物理學(xué)家們得出結(jié)論——這樣的機(jī)器是不可能存在的，迫使他們提出了能量守恒和熱力學(xué)三大定律的假設(shè)。如此一來，對(duì)制造永動(dòng)機(jī)的徒勞探索開啟了熱力學(xué)的全新領(lǐng)域，在某種程度上為蒸汽機(jī)、機(jī)械時(shí)代和現(xiàn)代工業(yè)社會(huì)奠定了基礎(chǔ)。
19世紀(jì)末，科學(xué)家們認(rèn)定地球“不可能”有數(shù)十億年的歷史。開爾文勛爵斷然宣布熔融的地球可以在未來的2000萬年到4000萬年間冷卻，駁斥了宣稱地球可能有幾十億年歷史的地質(zhì)學(xué)家和達(dá)爾文主義生物學(xué)家。由于居里夫人和其他科學(xué)家發(fā)現(xiàn)核力，證明了地心在放射性衰變的加熱下，可以將熔融狀態(tài)保持幾十億年，“不可能”被證明為完全可能。
我們對(duì)不可能的事物的忽略會(huì)給自己帶來危險(xiǎn)。
20世紀(jì)20年代和30年代，現(xiàn)代火箭學(xué)的奠基人羅伯特·戈達(dá)德曾遭到認(rèn)為火箭永遠(yuǎn)無法在太空運(yùn)行的人的嚴(yán)重非難。他們挖苦他，并將他的追求稱作“戈達(dá)德的蠢事”。1921年，《紐約時(shí)報(bào)》這樣挑剔戈達(dá)德博士的作品：“戈達(dá)德教授不知道作用力與反作用力之間的聯(lián)系，也不知道必須有一些比真空更合適的事物用來進(jìn)行反作用。他似乎缺乏高中物理的基本知識(shí)?！被鸺遣豢赡艹晒Φ?，編輯唏噓道，因?yàn)樵谔諞]有可以用以推進(jìn)的空氣。
令人悲哀的是，有一位國(guó)家元首切實(shí)理解了戈達(dá)德的“不可能的”火箭意味著什么，他就是阿道夫·希特勒。第二次世界大戰(zhàn)期間，德國(guó)先進(jìn)得不可思議的V-2火箭如雨點(diǎn)般在倫敦落下，造成了眾多的死亡與巨大的毀壞，幾乎使倫敦屈服。
對(duì)不可能的事物的研究可能也改變了世界的歷史進(jìn)程。
20世紀(jì)30年代，人們廣泛認(rèn)為，甚至愛因斯坦也認(rèn)為，原子彈是“不可能的”。根據(jù)愛因斯坦的方程E=mc2，物理學(xué)家們了解到，原子核的深處蘊(yùn)含著巨大的能量，但是由單個(gè)原子核釋放的能量實(shí)在微不足道。不過，原子物理學(xué)家利奧·齊拉特記得自己讀過H.G. 威爾斯出版于1914年的小說《世界解放》（The World Set Free），在小說中威爾斯預(yù)測(cè)了原子彈的發(fā)展。
書中說，原子彈的奧秘將在1933年由一位物理學(xué)家解開。齊拉特是在1932年偶然看到這本書的，在這本小說的激勵(lì)下，他在1933年（威爾斯于20 年前所預(yù)測(cè)的年份）碰巧產(chǎn)生了通過一個(gè)鏈?zhǔn)椒磻?yīng)放大單個(gè)原子能量的構(gòu)想，這樣一來，分裂一個(gè)鈾核產(chǎn)生的能量可以被放大幾萬億倍。齊拉特隨即開始進(jìn)行一系列關(guān)鍵性試驗(yàn)和與愛因斯坦以及富蘭克林·羅斯?？偨y(tǒng)的秘密談判，談判促成了制造原子彈的曼哈頓計(jì)劃。
一次又一次，我們看到，對(duì)不可能的事物的研究打開了全新的視野，拓展了物理學(xué)和化學(xué)的疆界，并且迫使科學(xué)家們重新對(duì)自己所說的“不可能”下定義。正如威廉·奧斯勒爵士所言：“一個(gè)時(shí)代的信仰在下一個(gè)時(shí)代成為謬誤，過去的荒唐愚蠢卻成為明日的睿智?！?/span>
許多物理學(xué)家贊同《永恒之王》（The Once and Future King）作者T.H. 懷特的名言：“凡未被禁止之物皆是必然！”在物理學(xué)中，我們一直都能找到相應(yīng)的證據(jù)。除非有物理定律明明白白地不允許一種新現(xiàn)象產(chǎn)生，否則我們最后總能發(fā)現(xiàn)它存在。（在尋找新的亞原子粒子的過程中，這種情況就發(fā)生了好幾次。在探索禁忌事物的極限時(shí)，物理學(xué)家們常常會(huì)意外地發(fā)現(xiàn)新的物理定律。）T.H. 懷特的名言或許可以有這樣一個(gè)推論：“凡并非不可能之物皆是必然！”
舉例來說，宇宙學(xué)家斯蒂芬·霍金試圖找到一條禁止時(shí)間旅行的新物理定律，以證明時(shí)間旅行是不可能的，他把這一定律稱作“時(shí)序保護(hù)猜想”。不幸的是，在辛勤工作多年后，他未能證明這一原理。事實(shí)上，與之相反的是，物理學(xué)家們現(xiàn)在已經(jīng)證明，禁止時(shí)間旅行的定律超出了當(dāng)今數(shù)學(xué)的范疇。如今，由于沒有物理定律可以否定時(shí)間機(jī)器的存在，因此物理學(xué)家們不得不慎之又慎地對(duì)待時(shí)間機(jī)器存在的可能性。
已經(jīng)有一種不可能的技術(shù)現(xiàn)在被證明為可能，那就是隱形傳送（至少在原子層面上可行）。甚至在幾年前物理學(xué)家們還認(rèn)為將一個(gè)物體從一個(gè)點(diǎn)傳送或發(fā)送到另一個(gè)點(diǎn)違背量子物理的定律。最初創(chuàng)作電視劇《星際迷航》（Star Trek）劇本的編劇們被物理學(xué)家們批評(píng)、挖苦，以至他們加入了“海森堡補(bǔ)償器”來解釋他們的傳送器，以彌補(bǔ)這一漏洞。今天，由于近期的重大科學(xué)突破，物理學(xué)家們可以將原子從房間的一邊傳送到另一邊，或者在多瑙河下傳送光子。
03
預(yù)測(cè)未來
做出預(yù)測(cè)總是要冒很大風(fēng)險(xiǎn)，特別是對(duì)于未來數(shù)百到數(shù)千年內(nèi)的預(yù)測(cè)。物理學(xué)家尼爾斯·玻爾說：“做預(yù)測(cè)困難重重，尤其是事關(guān)未來。”但是，儒勒·凡爾納所處的時(shí)代與當(dāng)今有一個(gè)根本的區(qū)別。今天，物理的基本定律已經(jīng)幾乎都被知曉了。當(dāng)今的物理學(xué)家了解驚人的43個(gè)數(shù)量級(jí)，內(nèi)到質(zhì)子，外到膨脹中的宇宙。結(jié)果，物理學(xué)家們可以懷著適當(dāng)?shù)淖孕抨愂鑫磥砜萍嫉拇蟾琶婷?，并且更好地區(qū)分那些未必可能的科技和真正不可能的科技。
卡爾·薩根曾經(jīng)寫道：“對(duì)于一種文明來說，有上百萬年的歷史意味著什么？我們已經(jīng)擁有射電望遠(yuǎn)鏡和宇宙飛船好幾十年，我們有幾百年的科技文明歷史……先進(jìn)文明領(lǐng)先我們上百萬年，正如我們領(lǐng)先灌叢嬰猴和獼猴那么久?！?/span>
在我自己的研究工作中，我專門集中精力在完成愛因斯坦“萬有理論”的夢(mèng)想上。從個(gè)人角度而言，我發(fā)現(xiàn)，致力于發(fā)現(xiàn)一種最終可能回答當(dāng)今科學(xué)中一些最困難的不可能的問題的“終極理論”，是令人振奮的。這些問題有時(shí)間旅行是否可行、黑洞的中央有什么和宇宙大爆炸前的情形等。
我仍然陶醉于我與不可能的事物的終身戀愛，并且想知道這些不可能的事物中是否能有一些進(jìn)入日常生活的范疇。
注：本文整合自《不可思議的物理》前言，加來道雄著。
