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- 前言(1)

- 前言(2)

- 前言(3)

- 前言(4)

- 前言(5)

- 力场(1)

- 力场(2)

- 力场(3)

- 力场(4)

- 力场(5)

- 力场(6)

- 力场(7)

- 隐形(1)

- 隐形(2)

- 隐形(3)

- 隐形(4)

- 隐形(5)

- 隐形(6)

- 隐形(7)

- 隐形(8)

- 隐形(9)

- 隐形(10)

- 光炮与死星(1)

- 光炮与死星(2)

- 光炮与死星(3)

- 光炮与死星(4)

- 光炮与死星(5)

- 光炮与死星(6)

- 光炮与死星(7)

- 光炮与死星(8)

- 光炮与死星(9)

- 光炮与死星(10)

- 隐形传送(1)

- 隐形传送(2)

- 隐形传送(3)

- 隐形传送(4)

- 隐形传送(5)

- 隐形传送(6)

- 隐形传送(7)

- 隐形传送(8)

- 隐形传送(9)

- 心灵感应(1)

- 心灵感应(2)

- 心灵感应(3)

- 心灵感应(4)

- 心灵感应(5)

- 心灵感应(6)

- 心灵感应(7)

- 心灵感应(8)

- 心灵感应(9)

- 心灵感应(10)

- 心灵感应(11)

- 心灵感应(12)

- 意志力(1)

- 意志力(2)

- 意志力(3)

- 意志力(4)

- 意志力(5)

- 意志力(6)

- 意志力(7)

- 意志力(8)

- 意志力(9)

前言(1)

如果一个想法在最初听起来并不荒谬可笑的话，那么就不要对它寄予太大希望了。

——阿尔伯特·爱因斯坦（Albert Einstein）

是否会有那么一天，我们将能穿墙而过、建造飞行速度超过光速的飞船、解读他人的思想、隐形、以意念之力移动物体、瞬间将我们的躯体传送到太空？

我自幼就对这些问题着迷。与许多物理学家一样，在成长的过程中，我被时间旅行、死光枪、力场、平行宇宙等等获得实现的可能性所深深吸引。魔法、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思议事物之间的终身恋情。

我记得观看电视上重播《飞侠哥顿》（Flash Gordon）的情形。每个周六，我都与电视机如胶似漆，对飞侠、扎可夫博士（Dr. Zarkov）与戴尔·雅顿（Dale Ardende）的冒险经历和他们那令人目眩神迷的未来科技装备惊叹不已：火箭飞船、隐形盾、死光枪、空中城市。我从未错过任何一个星期的播出。这个节目为我开启了一个全新的世界。我一想到有朝一日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集中展现的科学奇迹紧密相连了。

如同事实所证明的那样，我的经历并非特例。许多极为杰出的科学家最初都是通过接触科幻作品开始对科学产生兴趣的。伟大的天文学家爱德温·哈勃（Edwin Hubble）沉迷于儒勒·凡尔纳（Jules Verne）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，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（Carl Sagan），发现埃德加·赖斯·巴勒斯（Edgar Rice Burroughs）的《火星上的约翰·卡特》系列小说点燃了自己的想象力，便开始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，是什么能够如此重要，以至于当代最伟大的科学家都无法完成它？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、人类无法终结的难题。我花费数年时间弄明白了那份手稿的内容：一项宏伟的、一切归一的“万物至理”（theory of everything）。他的梦想——耗费了他人生最后30年的梦想，帮助我将精力集中到自己的想象上。我希望，我能够为完成爱因斯坦的工作尽一份绵薄之力，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，并且总能获得女孩的青睐，但事实上使这部剧集获得成功的却是科学家。没有扎可夫博士，就没有火箭飞船，没有赴蒙格星球（Mongo）的旅行，也不可能拯救地球。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思议的事物，转而拥抱现实。

然而，我得出结论，如果我要继续自己对于不可思议事物的迷恋，那么解决之道就是进入物理学领域。缺少了在前沿物理学方面的坚实基础，我将永远只能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。因此我那么做了。

前言(2)

上高中的时候，我在妈妈的车库里装配了一台核粒子加速器，作为科学展览的参展作业。我去西屋（Westinghouse）公司收集了400磅废变压器钢。在圣诞节期间，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230万电子伏的电子感应加速器，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2万倍的磁场，目标是能制造出威力足以产生反物质的γ射线。

我的科学展览项目使我进入了全国科学展，最后还使我梦想成真，获得了哈佛大学的奖学金。在那里，我最终得以追求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，我会不时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。

“不可能”是相对的

作为一名物理学家，我认识到“不可能”常常是一个相对而言的词汇。在长大的时候，我记得我的老师有一天走近挂在墙上的世界地图，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，简直就像一块拼图！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。不可能有力量能推开两块巨大的陆地。”“这样的想法是无可救药的。”她最后说。

那之后的一年，我们学到了恐龙。老师告诉我们，恐龙统治地球上百万年，然后有一天它们全部消失了。没有谁知道它们为什么死亡殆尽。难道这不是怪事吗？一些古生物学者认为可能有一颗来自太空的流星杀死了它们，但那是不可能的，那更像是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6 500万年之前一颗直径达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了看起来不可能的事情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个地方隐形传送到另一个地方，或者建造出一艘宇宙飞船在某一天带我们飞跃以光年计的距离到达其他星球，这些难道不可能吗？

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成为可能呢？或者是在几千年后，当我们的科技更加发达的时候？又或者是在100万年后？从另一个角度来说，如果我们通过某种途径遇见一种比我们领先100万年的文明，他们的常用科技对我们来说是否会显得“像魔法”呢？这是贯穿本书的中心问题之一，某些事物会仅仅因为在今天是“不可能的”，就在未来的数百年或百万年中仍旧是不可能的吗？

由于在过去一个世纪中科学取得了长足的发展，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一部分这些梦幻般的科技将在何时（如果的确会有那么一天的话）可能实现。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，现在也正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宣布为“不可能”的科技，如今已经发展成为我们日常生活的一部分。儒勒·凡尔纳在1863年写了一部小说：《20世纪的巴黎》（Paris in the 20th Century）。这部小说被尘封并且遗忘了长达一个多世纪，直到凡尔纳的重孙发现了它，并且在1994年首次出版。在书中，凡尔纳预言了巴黎在1960年可能会呈现的面貌。他的小说中充斥着在19世纪看来显然不可思议的科技，包括传真机、一个世界性的通讯网络、玻璃建造的摩天大楼、燃气动力汽车和高速高架火车。

前言(3)

我们忽略“不可能的事物”会给自己带来危险。在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（Robert Goddard）曾遭到认为火箭永远无法在外太空运行的人的严重非难，他们挖苦地将他的追求称作“戈达德的蠢事”。在1921年，《纽约时报》（New York Times）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，也不知道必需有些比真空更合适的事物用以进行反作用。他似乎缺乏高中课程传授的基本知识。”“火箭是不可能成功的，”编辑欷歔道，“因为在外太空没有可用以推进的空气。”令人悲哀的是，有一位国家元首切实理解了戈达德那“不可能的”火箭意味着什么——那就是阿道夫·希特勒（Adolf Hitler）。在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。

对不可思议事物的研究可能也改变了世界的历史进程。在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，原子物理学家里奥·齐拉特（Leo Szilard）记得读过威尔斯（H. G. Wells）1914年的小说《获得自由的世界》（The World Set Free），在小说中威尔斯预测了原子弹的发展。他在书中称原子弹的奥秘将在1933年由一位物理学家解决。齐拉特偶然在1932年看到了这本书。在这本小说的激励下，他在1933年——也就是威尔斯于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好几万亿倍。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（Franklin Roosevelt）总统的秘密谈判，谈判促成了制造原子弹的曼哈顿计划（Manhattan Project）。

一次又一次，我们看到对于不可能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（William Osler）爵士所言：“一个时代的信仰在下一个时代成为谬误，而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》（Once and Future King）作者怀特（T. H. White）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的存在。（在寻找新亚原子粒子的过程中这发生了不少次。在探索禁忌事物的极限时，物理学家们常常意外地发现新的物理定律。）怀特的名言或许可以有这么个推论：“凡并非不可能之物皆是必然！”

前言(4)

举例来说，宇宙学家史蒂芬·霍金（Stephen Hawking）试图找到一条禁止时间旅行的新物理定律，以证明这是不可能的，他把这一定律称作“时序保护猜想”（chronology protection conjecture）。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，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。

本书的目的是思索那些目前被认为“不可能”、而在今后数十年、数百年中可能变得司空见惯的科技。

已经有一种“不可能”的技术现在被证明为可能：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会说，将一个物体从一个点传送或发送到另一个点违背了量子物理的定律。最初写作电视剧《星舰迷航》（Star Trek）剧本的编剧们饱尝了来自物理学家的批评挖苦，以至于他们加入了“海森堡补偿器”（Heisenberg compensator）来解释他们的传送器，好弥补这一漏洞。今天，由于近期的重大科学突破，物理学家们可以将原子瞬间从房间的一边传送到另一边，或在多瑙河下将光子瞬间传送过河。

前言(5)

预测未来

作出预测总是得冒很大风险，特别是对于未来数百甚至数千年的预测。物理学家尼尔斯·玻尔（Niels Bohr）爱说：“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性的区别。今天，物理的基本定律已经大多被人知晓了。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。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仅仅是未必可能的科技和真正不可能的科技。

因此，在本书中，我将“不可思议”的事物分为三个类别。

第一类我称之为“一等不可思议”。它们是目前不可能、但不违反已知物理定律的科技。因此它们可能在本世纪或下个世纪内以改良后的形式成为可能。它们包括：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。

第二类我定义为“二等不可思议”。它们是游走在我们对于物理世界的认知边缘的科技。如果确实可能，它们或许将在未来1 000年到100万年的时间内实现。它们包括：时间机器、超空间旅行和穿越虫洞。

最后一类我称为“三等不可思议”。它们是违反已知物理定律的科技。令人惊讶的是，这类不可思议的科技非常少。一旦它们被证明确实可能，那将标志着我们对于物理学的认识将发生根本转变。

我感到这个分类至关重要，因为科幻小说中有如此之多的科技被科学家们不屑地视为全然不可能，而他们事实上想说的是，这些科技对于如人类这般原始的文明而言是不可能的。比如说，访问外星球被一概认为是不可能的，因为星球之间的距离过于遥远。当星际旅行对于我们的文明而言显然不可能的时候，或许它对于比我们领先数百年、数千年或数百万年的文明来说是可行的。所以，总结这样的“不可思议”非常重要。对于我们目前的文明而言是不可能的技术，对于其他类型的文明而言不见得同样不可能。关于什么可能、什么不可能的断言必须考虑到比我们领先数千年甚至数百万年的科技。

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之久，我们科技文明的历史是几百年……有上百万年历史的先进科技文明领先于我们，正如我们领先于灌丛婴猴和猕猴那么多。”

在我自己的研究工作中，我专门集中精力在完成爱因斯坦“万物至理”的梦想上。从个人角度而言，我发现，能致力于发现一种最终可能回答当今科学领域一些最困难的“不可思议”问题的“终极理论”着实令人振奋。这些问题有：时间旅行是否可行、黑洞的中央有什么、宇宙大爆炸前的情形等。我仍然陶醉于我与不可思议事物的终身恋爱，并且想知道这些不可思议的事物中是否能有一些进入日常生活的范畴。

力场(1)

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。

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。

III 任何足够高深的科技看起来都与魔法无异。

—— 亚瑟·C. 克拉克的三大定律

“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。

力场(2)

迈克尔·法拉第

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（theory of strings），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。

力场(3)

四 种 力

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：

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1 000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。

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。

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）。

力场(4)

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。等离子窗

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 Herschcovitch）于1995年在纽约长岛的布鲁克海文国家实验室（Brookhaven National 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。焊工的乙炔炬乙炔炬（acetylene torch）：燃烧乙炔的焊枪。——译者注喷出高热气流，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干蚀刻干蚀刻（dry etching）：蚀刻技术的一种，利用电浆将不要的薄膜去除。——译者注，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。

力场(5)

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。

磁 悬 浮

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。

力场(6)

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 Wars）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）。

力场(7)

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高斯高斯（gauss）：电磁单位，以德国数学家和物理学家高斯的姓氏命名。——译者注）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特斯拉特斯拉（tesla）：电磁单位，以出生于克罗地亚的科学家特斯拉的姓氏命名。——译者注（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。

隐形(1)

当你的想象力模糊不清时，你不能信赖你的双眼。

——马克·吐温（Mark Twaiin）

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。

隐形(2)

历史上的隐形

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《理想国》（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。

麦克斯韦方程和光的奥秘

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。

隐形(3)

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：开发隐形技术隐形技术（stealth technology）：又称隐身技术，准确的术语应该是“低可探测技术”，通过多种途径，设法尽可能减弱自身的特征信号，降低对外来电磁波、光波和红外线反射，达到与它所处的背景难以区分的目的，是一种研究如何减小目标的可探测性，使目标不易被探测器发现的技术。——译者注，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）。超材料与隐形

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［The Pentagon’s Defense Advanced Research Project Agency，DARPA］资助了这一研究）。

隐形(4)

微软（Microsoft）的前首席技术官纳森·梅尔沃徳（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。

隐形(5)

可见光范围的超材料

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”（photolithography）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 Karlsruhe）的史蒂芬妮·林登（Stefan Linden）、马丁·瓦格纳（Martin Wegener）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。

隐形(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。

通过等离子体光子实现隐形

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 Tech）的亨利·列兹克（Henri Lezec）、珍妮弗·迪昂（Jennifer Dionne）和哈利·爱特沃特（Harry Atwater）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。

隐形(7)

超材料的未来

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。

隐形(8)

隐形和纳米技术

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（Richard Feynman）向美国物理学会（American Physical Society）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巴克球巴克球（Buckyball）：最有名的纳米构造，是由60个碳原子组成的碳分子，形状很像足球。——译者注（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）。

隐形(9)

全息图与隐形

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（Tachi Laboratory）的川上直树（Naoki Kawakami）一直在为这一方法努力工作，这种工艺被称为“视觉伪装”（optical 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。

隐形(10)

第四维度实现隐形

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。

光炮与死星(1)

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。

——物理学家开尔文爵士，1899年

（原子）炸弹永远都不会爆炸。我以爆炸物专家的身份宣布。

——海军上将威廉·李海（William Leahy）

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 Skywalker）和达斯·维达（Darth Wader）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。

光炮与死星(2)

历史上的光束武器

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；古代北欧之神托儿（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 War）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《世界大战》（War of the Worlds）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。

光炮与死星(3)

量子革命

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”（photon）。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 Schrodinger）、韦纳·海森堡（Werner Heisenberg）的研究成果以及许多其他影响深远的研究的到来。根据量子理论，电子是一种粒子，但是有波与其相联系，使它既有粒子的属性也有波的属性。这样的波遵守一个方程，名叫薛定谔波动方程（Schrodinger wave equation），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 Mach），觉得它可能根本不存在。1925年以后，我们能够真实地深入观察原子的动态，并且精确地预测其性质。令人吃惊的是，这意味着如果拥有一台足够大的计算机，你就可以用量子理论的定律得出化学元素的性质。用同样的方法，牛顿物理学家们如果有一台足够大的计算机器，就可以计算出宇宙中所有天体的运动。量子物理学家们宣布，他们理论上可以计算出宇宙中一切化学元素的性质。如果某人拥有一台足够大的电脑，他同样可以写出整个人类的波函数（wave function）。

光炮与死星(4)

微波激射器和激光

1953年，加利福尼亚大学伯克利分校的查尔斯·汤斯（Charles Townes）教授和他的同事制造出了一种微波形式的相干射线，它被郑重地命名为微波激射器（Maser，microwave amplification through stimulated 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。

光炮与死星(5)

激光与聚变的种类

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：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。

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。

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。

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。

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。

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。激光和镭射枪

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?出某种形式的镭射枪和光?，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”。

光炮与死星(6)

死星所需的能量

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。

聚变的惯性约束

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（Lawson’s criterion）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（Shiva laser）是首个创造激光聚变的认真尝试，这是一个在加利福尼亚州劳伦斯·利弗莫尔国家实验室（Lawrence Livermore National 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。

光炮与死星(7)

聚变的磁约束

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 Thermonuclear Experimental 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（Cadarache）建造ITER。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。

光炮与死星(8)

核动力X射线激光器

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（Edward Teller）——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（Hertz 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ICBMICBM（International Ballistic Missile）：洲际弹道导弹。——译者注（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？

光炮与死星(9)

死星的物理学原理

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。γ射线爆发

光炮与死星(10)

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。

隐形传送(1)

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。

——尼尔斯·玻尔

我无法改变物理定律，船长！

——斯柯蒂（Scotty），《星舰迷航》中的总工程师

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》（New Testament）《使徒行传》（Acts）的文字似乎暗示着来自迦萨（Gaza）的腓利（Philip）到亚锁都（Azotus）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。）

隐形传送(2)

隐形传送和科幻小说

科幻小说最早提及隐形传送是在爱德华·佩奇·米切尔（Edward Page Mitchell）于1977年出版的小说《没有身体的人》（A Man without 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（Arthur Conan Doyle）爵士因为他的《夏洛克·福尔摩斯》（Sherlock Holmes）系列小说而知名，他对隐形传送的概念着迷得神魂颠倒。在年复一年地写作侦探小说和短篇小说后，他开始对《夏洛克·福尔摩斯》系列感到厌倦，并且最终杀死了他的侦探，让他与莫里亚蒂教授一起跌落瀑布赴死。可是公众的抗议是如此高涨，柯南·道尔被迫让神探复活了。由于不能杀死夏洛克·福尔摩斯，柯南·道尔转而决定创造一个全新的系列，主角是查林杰教授（Professor Challenger），福尔摩斯的同行。两者都具备解开谜团的敏捷智慧和锐利双眼。但福尔摩斯使用冷静、侦探式的逻辑破解复杂的案件；查林杰教授探索精神力量与超常现象的黑暗世界，包括隐形传送。在1927年的小说《分解机器》（The Disintegration 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《苍蝇》（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。

隐形传送(3)

隐形传送和量子理论

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（photon）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（wave of probability）。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。”）

隐形传送(4)

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《银河系漫游指南》（The Hichhiker’s Guide to the Galaxy）中采用。他需要一种便利的方式高速穿过银河系，所以他发明了“无限不可能发动机”（Infinite 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”。

隐形传送(5)

EPR实验

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。

隐形传送(6)

量子隐形传送

一切都在1993年改变了。由查尔斯·班奈特（Charles Bennett）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 Technology）的物理学家们成功地将三个铍原子纠缠在一起，并且将其中一个原子的性质转移到了另一个里。这项成就非常重要，以至于它上了《自然》（Nature）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 Bohr Institute）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。”

隐形传送(7)

不涉及纠缠态的隐形传送

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 Research Council Centre of Excellence for Quantum Atom Optics）的物理学家阿斯顿·布拉徳利（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，布拉徳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（Satyendranath Bose）在1925年预测到了，但是到1995年才最终在麻省理工学院（MIT）和科罗拉多大学（University of Colorado）被制造出来，整整过去了70个年头。

以下讲述布拉徳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。

隐形传送(8)

量子计算机

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。

隐形传送(9)

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”。

心灵感应(1)

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。

——约翰·惠勒（John Wheeler）

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。

——M. C. 埃舍尔（M. C. Escher）

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《基地》（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(2)

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。

心灵感应(3)

灵学研究

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 Psychical Research）主持的（“心理传心术”［mental telepathy］这一术语在那一年由研究社的一位合伙人FW梅尔斯［FW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（Joseph Banks Rhine）博士于1927年在美国开始了第一次系统和严肃的灵学研究，在北加利福尼亚的杜克大学创立了莱因研究所（Rhine Institute）（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 Wonder）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 Christopher）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（Walter 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。

心灵感应(4)

心灵感应与“星门”

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 Research Institute，SRI）的拉塞尔·塔格（Russell Targ）和哈罗德·普索夫（Harold Puthoff）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：在1986年利比亚（Libya）空袭前锁定卡扎菲（Gadhafi）上校

在1994年找出朝鲜的钚库存

在1981年于意大利找出一名被“红色旅”绑架的人质所在

找出一枚已经落到非洲的苏联Tu95炸弹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）。

心灵感应(5)

大脑扫描

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（Richard Carton）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 tomography，正电子发射体层摄影术）和MRI（magnetic 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）。

心灵感应(6)

MRI测谎仪

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（William 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（Northwestern 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。

心灵感应(7)

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”。

心灵感应(8)

通用翻译机

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《未来世界》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 Sunshine of the Spotless 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）。

心灵感应(9)

便携式MRI扫描仪

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（Michael Romalis）提出了一种新的技术，最终或许能把便携式MRI变成现实，由此可能把一台fMRI机器的价格大幅削减到1%。他们宣布，巨大的MRI磁铁可以用能探测到微弱磁场的超灵敏原子磁力仪（supersensitive 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。

作为神经网络的大脑

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。

心灵感应(10)

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Windows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。

心灵感应(11)

投射你的思想

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（Wilder 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。

大脑图谱

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（Human Genome Project）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。

心灵感应(12)

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。

意志力(1)

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。

——马克斯·普朗克

道出他人不会说出的事实是傻子的特权。

——莎士比亚

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》（The Man Who Would Work Miracles）（1936）的故事梗概，它根据威尔斯1911年的短篇小说改编（它后来被重新改编成电影《冒牌天神》［Bruce Almighty］，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》（The 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。）

意志力(2)

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。

意志力和现实世界

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（Johnny Carson）的表演中。参与这次史诗般的对抗的还有乌力·杰勒（Uri Geller）——一名以色列超能力者，声称能够用意念的力量折弯汤勺，以及“令人惊奇的兰迪”（The 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。

意志力(3)

意志力和科学

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（Michael Edwards）和史蒂夫·肖（Steve Shaw）。这两个男孩宣称能够折弯金属、通过思想在胶片上制造出图像、使用意志力移动物体和读心。心灵能力学家迈克尔·谭波尔（Michael Thalbourne）被深深打动，以至于他发明了“超能力者”（Psychokinete）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 Schmeidler）教授，曾是我在纽约城市大学的同事。一位《心灵学杂志》（Parapsychology Magazine）的前任编辑、心灵学协会（Parapsychology Association）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 Research，PEAR）项目中完成的，这一项目由罗伯特·G强（Robert 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。

意志力(4)

（1988年，美国陆军要求国家研究委员会［National Research Council］调查对超自然活动的报告。陆军急切地想要探索任何可以提供给美军部队优势的可能性，包括精神能力。国家研究委员会的报告特意制造了一个假想的“第一地球营”［First Earth battalion］，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？

意志力和大脑

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》（Who 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。

意志力(5)

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（John Donoghue）已经作出了可能是人机界面上最重要的突破。他设计出了一套叫“大脑之门”（BrainGate）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［amyotrophic lateral 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。

意志力(6)

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。

意志力(7)

纳米机器人

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》［The Next 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。

意志力(8)

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 Gershenfeld）是一位严肃对待复制器或“个人制作器”（personal fabricator）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”（How to Make ［Almost］ Anything）的课程，这是该大学最受欢迎的课程之一。葛申菲尔德监督着麻省理工学院比特和原子研究中心（MIT 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： The Coming Revolution 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 Requicha）是这一方向研究的先驱人物。他的专长是“分子机器人学”，他的目标恰恰就是创造出能随心所欲地操纵原子的大群纳米机器人。他写道，总共有两种方法。第一种是“自上而下法”，工程师使用半导体工业的蚀刻技术制造出可以用作纳米机器人大脑的微型电路。有了这一技术，我们可以创造出微型机器人，其零部件尺寸仅30纳米，使用“纳米光刻技术”（nanolithography）——这是一个快速发展的领域。

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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？