不可能的物理学（适合高中生看的物理杂志）

会不会有那么一天，我们可以穿墙，造出比光速还快的飞船，可以读取别人的思想，隐身，用意念的力量移动物体，瞬间把自己的身体传送到Tai 空？

我从小就对这些问题着迷。和很多物理学家一样，在我成长的过程中，我被实现时间旅行的可能性、激光枪、力场、平行宇宙等深深吸引。魔法、幻想和科幻小说都是广阔的游乐场，我可以在那里尽情发挥想象力。

他们开始了我一生对不可能的事情的热爱。

还记得在电视上看《飞侠哥顿》的重播。每个周六，我都粘在电视机前，惊叹于闪电侠、Zarkov博士和Dale Arden的冒险以及令人眼花缭乱的未来科技装备(火箭船、隐形盾、激光枪、空中城)。我从未错过一周的广播，它为我打开了一个全新的世界。

想到有一天我可以乘火箭登陆一个陌生的星球，探索它独特的景观，我就兴奋不已。我被拖入了这些惊人发明的磁场中，我知道我的命运在某种程度上与这部剧中展现的科学奇迹紧密相连。

事实证明，我的经历并不独特。许多杰出的科学家最初对科学产生兴趣是通过接触科幻作品。

伟大的天文学家埃德温·哈勃沉迷于儒勒·凡尔纳的作品。读了凡尔纳的著作后，哈勃放弃了一份很有前途的法律工作，违背父亲的意愿，开始了科学生涯，最终成为20世纪最伟大的天文学家。

著名天文学家、畅销书作家卡尔·萨根(Carl sagan)发现埃德加·赖斯·巴勒斯(edgar rice burroughs)的《约翰·卡特》(john carter)系列小说点燃了他的想象力，梦想着有一天能像异星战场一样探索火星上的沙粒。

艾伯特·爱因斯坦去世的时候，我还是个孩子，但我记得人们窃窃私语谈论他的生与死。第二天，我在报纸上看到一张他办公桌的照片，上面放着他最伟大而未完成的研究成果的手稿。我问自己，什么事情如此重要，以至于我们这个时代最伟大的科学家都无法完成？

报纸上的文章宣称爱因斯坦有一个不可能实现的梦想，一个人类无法解决的极其困难的问题。我花了好几年才明白那份手稿的内容:一个宏大统一的“万有论”。他的梦——这个花了他生命最后30年的梦——帮助我专注于自己的想象。希望能为爱因斯坦未竟的事业尽绵薄之力，将所有的物理定律统一到一个理论中。

年纪大了才知道，虽然飞侠哥顿是个英雄，总会受到女孩子的青睐，但其实是科学家们让这部剧成功了。没有扎尔科夫博士，就没有火箭船，就没有芒格之旅，地球就无法拯救。英雄主义必须靠边站。没有科学，就没有科幻小说。

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。它们只是想象的产物。长大意味着搁置这样的幻想。

有人告诉我，在现实生活中，一个人必须放弃不可能，拥抱现实。

如果我还想继续执着于不可能的事情，解决方法就进入物理领域了。没有扎实的前沿物理基础，我会一直琢磨未来的技术，怀疑是否可行。我意识到我必须专心学习高等数学和理论物理。所以我做了。

高中的时候，我在妈妈的车库里组装了一台核粒子加速器，作为科学展作业。我去西屋电气公司收集了400磅的变压器废料。圣诞节期间，我在高中足球场上缠绕了22英里的铜线。最终我做了一个电子感应加速器，功率230万电子伏。它需要消耗6千瓦的电力(相当于我家输出的总功率)，能产生地球2万倍的磁场。目标是产生足够强大的伽马射线(γ射线)来产生反物质。

我的科学展项目让我进入了国家科学展，最终让我梦想成真，获得了哈佛大学的奖学金。在那里，我终于能够追求成为一名理论物理学家的目标，追随我的偶像爱因斯坦的脚步。

如今，我也收到科幻作家和剧本作者的邮件，请我帮助他们探索物理定律的极限，让他们的故事更有说服力。

01“不可能”是相对的

作为一名物理学家，我意识到“不可能”往往是一个相对的概念。小时候，有一天老师走近墙上的世界地图，指着南美和非洲的海岸线。“这不是一个奇怪的巧合吗？”她说，“两者的海岸线形状相互一致。是不是很像拼图？一些科学家推测它们可能是同一个大洲的两部分。但那是愚蠢的。没有任何力量能把两块巨大的陆地分开。这样的想法是没有希望的。”

在那之后的一年里，我们了解了恐龙。我们的老师告诉我们，恐龙统治了地球几百万年，然后有一天它们都消失了。是不是很奇怪？没有人知道它们为什么会灭绝。一些古生物学家认为可能是一颗来自Tai 空的流星杀死了它们，但那是不可能的。这更像是科幻小说里发生的事情。

今天，我们知道大陆确实在板块构造中运动，6500万年前，一颗直径6英里的巨大流星是最有可能毁灭恐龙和地球上许多生命的罪魁祸首。在自己短暂的一生中，我一次又一次见证了看似不可能的事情变成了确定的科学事实。所以，也许有一天我们可以把自己从一个地方运送到另一个地方，或者有一天建造一艘宇宙飞船带我们去几光年以外的星球。不可能吗？

总的来说，这样伟大的成就对于今天的物理学家来说是不可能的。它们会在几个世纪后，或者在更先进的技术后的几千年后，或者一百万年后成为可能吗？如果我们以某种方式遇到一个领先我们一百万年的文明，他们的共性技术在我们看来会不会像“魔术”一样？仅仅因为某件事在今天是“不可能的”，那么在未来的几个世纪或者几百万年后，它仍然是不可能的吗？

科学在20世纪取得了巨大的进步，特别是量子理论和广义相对论的诞生。现在我们可以大概估计一下这些梦幻般的技术什么时候(如果有一天)会实现。现在，随着更先进的理论(如弦理论)的出现，甚至一些属于科幻小说的概念(如时间旅行、平行宇宙)也在被物理学家重新评估。回首150年前，那些被当时的科学家宣布为“不可能”的科技成果，如今已经成为我们日常生活的一部分。

1863年，儒勒·凡尔纳写完了一部小说《20世纪的巴黎》。这部小说尘封了一个多世纪，被人遗忘，直到1994年凡尔纳的曾孙发现并首次出版。在书中，凡尔纳预测了巴黎在1960年可能的样子。他的小说中充满了在19世纪显然不可能的技术，包括传真机、世界范围的通信网络、玻璃摩天大楼、燃气汽车和高速高架列车。

没想到的是，凡尔纳之所以能够做出如此惊人而准确的预测，是因为他沉浸在科学的世界里，从身边的科学家身上汲取智慧。对科学基本原理的深刻理解，让他做出了如此惊人的预测。

不幸的是，19世纪一些最伟大的科学家持有相反的立场，并宣称许多技术是无法实现的，没有希望的。开尔文勋爵(Lord Kelvin)，或许是维多利亚时代最杰出的物理学家(他被安葬在威斯敏斯特教堂，与艾萨克·牛顿(isaac newton)相邻)，宣称像飞机这样“比空气体重”的装置是不可能实现的。他认为x光是个无聊的把戏，无线电没有未来。发现原子核的科学家卢瑟福爵士认为制造原子弹的可能性是一种妄想。

19世纪，化学家宣布寻找“贤者之石”——一种童话故事中可以将铅变成黄金的材料，这是一个科学的死胡同。19世纪的化学是以元素像铅一样不变的理论为基础的。然而现在，原则上我们可以用现在的核粒子加速器把铅变成黄金。想想吧。今天的电视、电脑和互联网在20世纪初看起来是如此不切实际。

黑洞曾被视为科幻小说。爱因斯坦本人在1939年写了一篇论文，“证明”黑洞永远不可能形成。然而今天，哈勃太空望远镜空和钱德拉X射线天文望远镜已经在Tai 空观测到了数千个黑洞。

这些技术被认为是“不可能的”，因为在19世纪和20世纪初，物理学和科学的基本定律都不为人知。考虑到当时科学认识的巨大空白度，尤其是原子层面的空白度，这些发展被认为是不可能的也就不足为奇了。

02研究“不可能”

对不可能的事情的仔细研究常常会开辟完全意想不到的科学前沿。例如，几个世纪以来，物理学家对“永动机”的探索令人沮丧，导致他们得出这样的机器不可能存在的结论，迫使他们提出了能量守恒和热力学三定律的假设。就这样，制造永动机的徒劳探索开辟了热力学的新领域，在一定程度上奠定了蒸汽机、机械时代和现代工业社会的基础。

19世纪末，科学家认定地球不可能有几十亿年的历史。开尔文勋爵断然宣布，熔融的地球可能在未来2000万年至4000万年内冷却，驳斥了地质学家和达尔文生物学家声称地球可能有几十亿岁的说法。随着居里夫人等科学家发现核力，证明了在放射性衰变的加热下，地心可以保持熔融状态数十亿年，“不可能”被证明是完全可能的。

我们对不可能的忽视会给自己带来危险。

在20世纪二三十年代，现代火箭科学的奠基人罗伯特·戈达德(robert goddard)受到了那些认为火箭永远跑不过Tai 空的人的严厉批评。他们嘲笑他，称他的追求为“戈达德的愚蠢”。1921年《纽约时报》这样批评戈达德博士的作品:“戈达德教授不知道作用力和反作用力的关系，他不知道必须用比真理空更恰当的东西来作出反应。他好像缺乏高中物理的基础知识。”火箭是不可能成功的，编辑感叹，因为Tai 空里没有空气体可用于推进。

可悲的是，有一个国家元首居然明白戈达德的“不可能”火箭是什么意思，他就是阿道夫·希特勒。第二次世界大战期间，德国令人难以置信的先进V-2火箭雨点般落在伦敦，造成无数死亡和巨大破坏，几乎使伦敦屈服。

对不可能的研究也可能改变世界的历史进程。

在20世纪30年代，人们普遍认为，就连爱因斯坦也认为原子弹是“不可能的”。根据爱因斯坦方程E=mc2，物理学家知道原子核深处有巨大的能量，但是单个原子核释放的能量真的微不足道。然而，原子物理学家利奥·齐拉特记得读过赫伯特·乔治·威尔斯在1914年出版的小说《世界被解放》，在小说中威尔斯预言了原子弹的发展。

这本书说原子弹之谜将在1933年被一位物理学家解开。齐拉特在1932年偶然发现了这本书。受这部小说的启发，他在1933年(20年前威尔斯预言的那一年)偶然产生了通过连锁反应放大单个原子能量的想法。这样，分裂一个铀核所产生的能量可以被放大万亿倍。齐拉特立即开始了一系列关键实验，并与爱因斯坦和富兰克林·罗斯福总统进行秘密谈判，这导致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研究打开了新的视野，扩展了物理和化学的界限，并迫使科学家重新定义他们所谓的“不可能”。正如威廉·奥斯勒爵士所说，“一个时代的信仰在下一个时代将成为谬误，过去的愚蠢将成为明天的智慧。”

很多物理学家都认同《曾经与未来的国王》一书作者T.H. White的名言:“一切不被禁止的都是必然的！”在物理学中，我们总能找到相应的证据。除非有物理定律明确禁止一个新现象，否则我们最后总能找到它。在寻找新的亚原子粒子的过程中，这种情况发生过几次。物理学家在探索禁忌事物的极限时，往往会偶然发现新的物理定律。)T.H .怀特的名言或许有这样一个推论:“一切不是不可能的事情都是必然的！”

比如宇宙学家斯蒂芬·霍金试图找到一个新的禁止时间旅行的物理定律来证明时间旅行是不可能的。他把这个定律称为“时序保护猜想”。不幸的是，经过多年的努力，他没能证明这个原理。事实上，恰恰相反，物理学家现在已经证明，禁止时间旅行的定律已经超出了当今数学的范畴。如今因为没有物理定律可以否定时光机的存在，物理学家不得不谨慎对待时光机存在的可能性。

已经有一种不可能的技术现在被证明是可能的，那就是隐形传态(至少在原子层面)。甚至在几年前，物理学家认为将一个物体从一点传送或发送到另一点是违反量子物理定律的。最初创作电视剧《星际迷航》剧本的编剧受到物理学家的批评和讽刺，以至于他们加入了海森堡补偿器来解释他们的发射机，以弥补这个漏洞。今天，由于最近的重大科学突破，物理学家可以将原子从房间的一边传输到另一边，或者将光子传输到多瑙河。

预测未来

做预测总是有风险的，尤其是对未来几百到几千年的预测。物理学家尼尔斯·玻尔说:“很难做出预测，尤其是对未来。”然而，儒勒·凡尔纳的时代和今天有着根本的不同。今天，几乎所有的物理学基本定律都已为人所知。今天的物理学家知道惊人的43个数量级，从内部到质子到外部到膨胀的宇宙。因此，物理学家可以适当自信地陈述未来技术的总体前景，并更好地区分那些不一定可能的技术和那些真正不可能的技术。

卡尔·萨根曾写道，“一个文明拥有几百万年的历史意味着什么？我们拥有射电望远镜和宇宙飞船已经几十年了，我们拥有几百年的科技文明史...高级文明已经领先我们几百万年了，就像我们一直领先于丛林猴宝宝和猕猴一样。”

在我自己的研究工作中，我专注于实现爱因斯坦的“万物理论”的梦想。就我个人而言，我发现致力于寻找一种“终极理论”是令人兴奋的，这种理论可能最终回答当今科学中一些最困难和不可能的问题。这些问题包括时间旅行是否可行，黑洞中心有什么以及BIGBANG之前的情况。

我还陶醉在自己对不可能的终生热爱中，不知道这些不可能的事情有没有一部分可以进入日常生活的范畴。