[读书笔记]不可思议的物理:对光炮、力场、隐形传送和时间旅行世界的科学探索 :: 加来道雄 著 晓颖 译 上海科学技术文献出版社

1 前言

作者从小就对科幻着迷:是否有一天,我们能穿墙而过、建造超光速飞船、解读他人思想、 隐形、用意念移动物体、瞬间转移?

如果要继续自己对不可思议事物的迷恋,解决之道就是进入物理学领域。

 

1.1 “不可能”是相对的

凡尔纳在19世界的科幻小说中幻想了传真机、世界性通讯网络、玻璃建造的摩天大楼、燃气 动力汽车和高速高架火车,这些当时的不可能,现在都已实现。

曾经,开尔文宣称“比空气更重的”飞机装置是不可能实现的、无线电没有未来、X射线将 被证明是一场骗局;卢瑟福认为从原子中获取能量是不可能的;爱因斯坦曾写过论文“证明”黑洞是不可能形成的;……

 

1.2 “研究”不可能的意义

研究不可能常会开拓出完全出人意料的富饶疆域。对永动机的探索开启了热力学的全新领域, 为蒸汽机、机械时代和现代工业社会奠定了基础;当初甚至爱因斯坦也认为原子弹是不可能 的,但对原子弹的深入研究改变了世界历史进程。

一次次,对不可能事物的研究迫使人们重新对自己所说的“不可能”下定义。本书的目的是 思索那些目前被认为不可能,但在今后数十年、数百年有可能变得司空见惯的科技。

 

1.3 预测未来 不可思议的三个类别

一等不可思议:目前不可能、但不违反已经物理定律的科技(比如原理上简单、技术上极复杂),包括隐形传送、反物质发动机、某些形式的心灵感应、意志力和隐形。

二等不可思议:游走在我们对于物理世界的认知边缘的科技,如果可能,或许在未来1000到100万年能实现,包括时间机器、超空间旅行和穿越虫洞。

三等不可思议:违反“已知”的物理定律的科技。一旦被证明确实可能,将对我们对于物理学的认识发生根本转变。

 

2 一等不可思议

2.1 力场

隐形屏蔽罩:等离子体窗+激光帘幕+碳纳米管和光致变色材料组合成的屏障,用于抵抗激光、粒子和炮火的冲击。

磁悬浮:抵抗引力;室温超导体的迈斯纳效应。

 

2.2 隐形

超材料途径:调控折射率。硅片刻蚀、光子晶体、或等离子体材料:目前只针对二维中的单一频率,如何实现三维、全波段?

全息图途径:将拍摄的周围的三维影像投射到人前面的全息银幕上。挑战是拍摄速度、存储和处理密度以及银幕。

 

2.3 光炮和死星

历史上的光束武器:阿基米德!太阳反射镜组聚焦光烧毁敌舰船帆。

理论上,激光束中能集中的能量无上限。问题是靠啥装置来产生这么多能量?以至于能毁 灭一个星球!惯性约束聚变?磁约束聚变?

一颗氢弹能释放的能量也没有物理极限:由多级组成,一级级聚焦放大。(实际受限于材 料)

方案一:核能驱动的X射线激光器。要炸毁一个星球需要成千上万个同时开火。或许未来 数百万年有个银河帝国可以造出这样一件武器。

方案二:直接利用伽玛暴的能量:在恒星死亡坍缩和变成超新星之前控制它的自转,将释 放出的伽玛射线瞄准目标点。一个非常先进的文明可以做到这一点。

 

2.4 隐形传送

EPR佯谬:爱因斯坦(Einstein)-波多尔斯基(Podolsky)-罗森(Rosen)。量子纠缠态。 的确超光速,但信息是随机的,因此是无用的。

量子隐形传送:光子->原子->光子原子气体,实验客体越来越复杂,但离真正宏观物理还 差很远,要实现传送每个物体,可能还需几个世纪或更长时间。

不涉及纠缠态的隐形传送:玻色爱因斯坦凝聚(BEC)->冷却(全基态,相干)->释放光 (带有描述初始物质束必需的全部量子信息)->另一组BEC还原。

量子计算机:光翻转自旋。

最大的困难:维持原子之间的相干性!

 

2.5 心灵感应

大脑扫描->磁共振成像(MRI)测谎仪,MRI思维图形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。

灵敏的探测器、传感器,海量数据处理计算机。大脑本身不是计算机而是神经网络,可能 探测整个大脑思维深层次工作方式得归类于二等不可思议。

 

2.6 意志力

生物反馈:大脑输出波形->电信号->计算机处理、执行或反馈。

已在实验上实现的:身体瘫痪的人(能制造出26个在显示屏上可辨认的波形)用思维打字; 植入芯片,通过思考特定想法,将信号传给计算机实现控制,比如换电视频道、调整音量、 画一个粗略的圆圈、移动计算机光标、开关机械手、玩电子游戏、阅读电子邮件。

纳米机器人:随意组装原子,制造任何东西。

 

2.7 机器人

人工智能可能么?计算机擅长逻辑,如数学和计算,但辨识形状和常识很困难。

神经网络系统机器人;神经元不够;不基于硅的新型计算机。

情感机器人?如果地球上一切都是理性,什么也不会发生?

 

2.8 外星人和UFO

寻未果。

它们的面貌如何:需要视觉或感觉、手(便于抓)、交流(如说话)。

生物军备竞赛:推进了生物智慧。

标度率:巨型生物或许不存在。尺度不一样,物理定律也不一样。

文明的崛起可看作能源消耗不断上升的过程。俄罗斯天体物理学家Nikolai Kardashev以消耗的能源划分文明程度:

I型文明:能够完全利用一个行球的能量,比如利用火山能、操纵气候、控制地震。(人类目前还只能利用照到地球上的太阳能的很小一部分)

II型文明:能完全利用恒星(如太阳)的能量,比I型文明强大100亿倍。

III型文明:能完全利用一整个星系的能量,比II型还强大100亿倍。如能利用位于银河中心的黑洞的能量。

UFO:不扰乱电力,安静悬浮,磁力驱动,并且是磁单极子,不然在磁场中会旋转。

 

2.9 恒星飞船

必要性:十亿年后,太阳膨胀吞噬地球;50亿年后完全吞噬;百亿年后,太阳和银河系死去。

最近的星系半人马座在4光年外,传统的化学推进火箭,需耗时7万年才能到。

离子和等离子体发动机:需要数量惊人的燃料,外加很长的时间。

太阳帆: 数百英尺宽,数千强大的激光照数十年,而且还只能单程…

冲压式喷气核聚变发动机:光子-光子聚变反应?

核电火箭:爆炸,庞大、沉重,需在太空中建造。

反物质:最强有力的能源,17g可飞到半人马座,4mg可以在几星期送火箭到火星;费米国家实验室一年能制造15微毫克的反物质。

太空升降舱:缆绳张力60-100Gpa,碳纳米纤维能承受120Gpa,但只有15mm长,而且有杂质缺陷问题,一个分子的误差可能导致强度减70%.

弹弓效应:旋转中子星抛射;轨道炮:加速度大,但人承受不了。暂时冻结生命,暂停。

太空旅行的危险:辐射、小行星。

 

2.10 反物质和反宇宙

存储方式:潘宁阱(Penning trap):磁场,低温,反物质波长比壁原子长数倍,因此反射而不是对消。

大爆炸后,正、反物质对消不对称,微小失衡,CP不守恒的证据。(C电荷,P宇称,T时间,P、CP不守恒,CPT守恒,即反转CPT,物理定律不变,即一个左右反转、正反物质变换、且时间倒退的宇宙是完全遵循物理定律的,是完全可以的,但是我们无法与之交流,因为我们告诉他们的的一切都是他们未来的一部分,那么他们将听完后马上忘记一切。)

 

3 二等不可思议

3.1 比光还快

相速度大于c,EPR佯谬,但不携带信息。

以广义相对论为依据来行动:

拉伸空间:利用空间变形运动得比光快,比如对折空间,转眼间到达遥远的另一边。

撕裂空间:虫洞,从洞中走捷径穿越时间和空间。

需巨大的负能量,而且要稳定,人能承受;普朗克能量1020亿ev,利用现代创记录的激光尾场加速器,需要10光年长,或许一个III型文明能具备。

由于涉及时空、巨大能量,对广义相对论和量子力学统一的基本理论还不清楚,现有物理定律在面临这些对象时已经失效,因此是二等不可思议。

 

3.2 时间旅行

旋转宇宙、虫洞。

时间悖论的限制:

1)回到过去只是简单的重复历史,不具有自由意志;

2)有自由意志,因此可以改变过去,但有一定限度,比如你试着在出生之前杀死自己的父母,就会有某种神秘的力量阻止悖论发生,好比有一条物理定律使我们无法在天花板上行走,尽管我们或许想这样做;

3)平行宇宙,多世界。当改变过去时实际是一个打开的平行宇宙。如果你在出生前杀死了自己的父母,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,并与你的父母有完全相同的记忆和性格,但他们不是你真正的父母。

 

3.3 平行宇宙

1)超空间、或者高维空间:

我们看不见上帝,或许是因为他生活在更高维度的层次中。

五维圆柱:Kaluza,广义相对论+麦克斯韦光学,引力与光的统一,光是第五维度中的 涟漪。由于没有见到第五维的证据,它一定是被卷得非常小,就像远看一个二维的纸卷 成圆筒,远看就像一条一维的线条。

弦理论:标准模型至少19个自由参数,且不包含引力,只是弦的最低颤动。早期弦论有 五个版本,是十维空间。后来添加了第十一维,变成一个统一的膜理论。意味着宇宙是 一个漂浮在十一维时空中的一张膜。

 

2)多元宇宙:

超弦理论提出了我们的宇宙存在于一个其它宇宙的多元宇宙的可能性。

有理论认为暗物质是漂浮于一个平行宇宙中的普通物质,一个漂浮于我们之上的另一个 膜宇宙中的普通星系。引力作为时空的弯曲可以在各宇宙间流动,但光不可见,属于较 低振动,而暗物质可能是较高振动的集合。

存在数十亿个平行宇宙,有的已死亡,而我们的宇宙刚好是参数被微调成适宜生命存在 的那个。

 

3)量子平行宇宙

量子多重态,波函数从未崩塌,它只是继续发展,分裂成无数个宇宙。每当有量子世界 发生,就会有平行宇宙大量繁殖和分化出来。每一刻都有更多复制品突然出现,开始延 续我们许许多多的“另一种”未来。比如对薛定谔的猫的测量后果是宇宙分裂为二,活着的猫位于其中一半,而死去的猫位于另一半中。这意味着在另一个平行宇宙 中希特勒赢得了二次世界大战。

目前宇宙的极大与量子化的极小存在深刻矛盾。但宇宙诞生之处,宇宙也曾经小于一个 电子,既然电子能被量子化,存在于平行状态中,那么宇宙也一定存在于平行状态中。

平行宇宙间取得联系的可能并不能排除,但由于消相干,这会是极为稀有的事件。或许 一个III型文明可以考虑利用一个星系能量的激光束实现传说中的普朗克能量,打开一 个通往其它宇宙的虫洞或放大时空泡沫。在那个水平上所有已知的物理定律都已失效。

暴胀:足够的能量造成一场时空的巨大爆炸,一个微小气泡膨胀成一个婴儿宇宙。暴胀 子破坏时空稳定,造成气泡形成与膨胀。用磁单极子点燃婴儿宇宙的提议。

宇宙的进化:宇宙基本参数“DNA”的进化,宇宙间的“自然选择”。适者生存意味着 最适宜产生先进文明的宇宙能生存。一个先进文明能创造出基本常数略有不同的婴儿宇 宙,那么这一婴儿宇宙将能随时间进化,一代代略微不同。

 

4 三等不可思议

4.1 永动机

三大定律与对称性:Emmy Noether定理。

空间平移对称性->动量守恒

空间旋转对称性->角动量守恒

时间平移对称性->能量守恒

如果宇宙的规则在经过漫长的时间后仍旧保持不变,则系统能量守恒。就我们目前从观测 最早的数十亿年前、位于宇宙边缘的遥远星系中得出的结论,物理定律在这么长的时间范 围内都没变过,意味着能量守恒。但是这一对称性可能在罕见、异常的情况下打破么?如 果在我们未知的宇宙范围内,这些定律的对称性在古怪、出乎意料的地方打破的话,能量 守恒仍旧可能遭到违反。如果物理定律随着时间推移而变动,或随着距离改变而改变,这 就有可能发生!

来自真空的能量:真空涨落,极短的时间内,能量不守恒。73%的宇宙是暗能量,将星系 推离,加速膨胀。如何利用?

能量守恒是由于深层次、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发生重大改变。因此制造永动机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。

 

4.2 预知

牛顿理论:牢固建立在因果律上,预知违反了因果铁律,是不可能的。

麦克斯韦理论:波动方程的解一个延迟波,一个超前波,来自未来,到达过去!或许不该 被舍掉?

量子理论:费曼认为反物质就是在时间中逆行的普通物质,因为当时间、电荷反向时,狄拉 克方程不变。宇宙是同一个电子不断在时间上前进后退的一小片时间碎片,这解释了为啥 所有的电子都一样。反物质的存在维护了因果律,因果律没有遭到违反。事实上,反物质对于因果律的修复是必须的。

来自未来的快子:速度大于光速,并且获得能量时便减速,直到达到光速。只需简单的在 爱因斯坦方程中用im代替m。违反了因果律。大爆炸从假真空态开始,由于快子的存在, 变成能量最低的真真空态。暴胀场就是一个快子,使真空不稳定,微小气泡产生,并在早 于宇宙开始前就消失了。Higgs玻色子也由快子变化而来,假真空中,粒子没有质量,但 快子的存在导致真空不稳定,转变为真真空,Higgs粒子也变成了一种普通粒子,亚原子 粒子开始有了质量。

 

5 后记 不可思议事物的未来

5.1 探索大爆炸前时期

宇宙微波背景辐射探测只能测量到大爆炸30万年后——此时形成了第一批原子——所放出的微波辐射。中微子探测能测量到大爆炸发生1秒后的情形。膨胀区放出的引力波是发生大爆炸10-35秒后的宇宙遗骸。

引力波必然存在,想象太阳突然消失的信息如何抵达地球。时空的弯曲伸展如同一张弄皱的床单,它的快速抖动,会在表面泛起波纹,并以一定速度运动,这就如同引力波。

引力波探测工具:LIGO-激光干涉引力波天文台(2003)、LISA-激光干涉空间天线(2015)、BBO-大爆炸探测者(2025)。

 

5.2 宇宙的终结

宇宙常数真的是常数么?

超弦理论是“Theory of Everything”的最有力竞争者。但如何验证?间接 验证,如同通过黑洞周围的吸积盘来验证黑洞。可能方式:LHC、引力波探测器、暗物 质探测、通过分析毫米尺度上牛顿平方反比定律的偏差来探究高维度的存在、宇宙射线、 或许找到被大爆炸膨胀到拥有宇宙维度的超弦?

 

5.3 物理学是不完整的么?

哥德尔定理。既然数学是不完整的,而物理的语言又是数学,那么就永远有我们无法了 解的物理理论,因此万物至理是不可能的。

但是,哥德尔定理是自我指设的,以分析指 向自身的命题为起点。因此,研究排除了所有自我指设的命题,就可以避免哥德尔定理 的矛盾。

此外,自然或许是无穷无尽的,但它的法则可能是屈指可数的。比如象棋规则有限而简 单,但可能下出的棋局种类却是天文数字。我们的目标是找到物理学的法则。

目前,只用两个方程-爱因斯坦的引力定律加标准模型-就可以写下统治所有已知物理现 象的定律,包括43个数量级,从100多亿光年外的遥远宇宙到夸克和中微子的微观世界。 从某种程度上说,我们已经有一个关于大多数现象的完备理论。

或许总有事物是我们所不可及的,亦无法探究(比如电子的精确位置,或是光速之外的 世界),但基本的定律是可知的、有限的。我们并没有走到终点,只是一个新的起点。 无论我们发现了什么,前方也总还有新的地平线等着我们跨越。

 

Date: 2013-03-24 17:03:43 CST

Author: Livingood

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