《不可能的物理》 李小刚解读
《不可能的物理》| 李小刚解读
关于作者
加来道雄，日裔美国人，理论物理学家，弦理论的共同创立者，纽约城市大学研究生中心的理论物理学教授。同时，他还是著名的科普作家、电视人。
关于本书
《不可能的物理》是加来道雄在2008年出版的科普作品代表作。从时间旅行、光炮到力场等等，作者通过讨论这些只在科幻电影中出现过的技术，为我们讲述了什么是物理学中的可能与不可能。
核心内容
如果我们回顾历史，就会发现很多伟大的科学革命都是突破了不可能的界限才实现的。从不可能到可能，这就是科学在不断迭代进化的路径。
你好，欢迎每天听本书。本期音频为你解读的是《不可能的物理》，这本书的中文版大约23万字，我会用大约25分钟的时间为你讲述书中的主要内容：看待科学当中的“不可能”，我们不应该畏惧、不应该不屑，因为认真研究不可能的事物，常常会开拓出出人意料的疆域。
这个观点听起来有点奇怪，你也许觉得，这事儿都确定不可能了，我干嘛还在它身上浪费时间呢？但是如果我们回顾历史就会发现，很多伟大的科学革命都是突破了不可能的界限才实现的。
比如1825年，大哲学家孔德曾经说，科学不可能测定星体的构成成分。因为在那个年代，人们根本不可能飞到某颗星球上勘察。结果没过几年，就有科学家通过分析太阳光的光谱，证明了太阳是由氢组成的，根本用不着飞过去。再比如，1894年，诺贝尔奖得主迈克尔森曾经说，以后不会再有新的物理学发现了。结果四年后，量子力学横空出世，现在已经成为物理学的支柱学科，让人们知道原来物理学定律都是可能改变的。
这可不是个例，很多大科学家都曾经下过断言，比如著名的物理学家开尔文爵士就曾经预测，比空气重的飞机飞不起来，认为 X 光是一种无聊的把戏，无线电没什么用处；而发现了原子结构的卢瑟福认为，人类根本不可能制造出原子弹；爱因斯坦也曾经认为黑洞根本就不可能在宇宙中形成。但现在我们已经知道，这些曾经被认为是不可能的事情，都被验证是确实存在的了。
我们能清晰地看出来，从不可能到可能，这就是科学在不断迭代进化的路径。你可能还是有点不信，提出这个观点的人是不是个喜欢幻想、对未来太乐观了的人呢？
这本书的作者加来道雄，可是一位著名的物理学家。他是加州大学伯克利分校的物理学博士，也是目前物理学最前沿的理论——超弦理论的研究专家。而且你也不用担心他写的物理学科普书会太学术、太枯燥，他的几本著作，比如《平行宇宙》《超越时空》都写得鲜活有趣，让人脑洞大开，这几本书都曾经被《纽约时报》提名为当年的最佳科普读物。他还在广播电台主持着一档和科学有关的节目，可以说是在尽自己的最大努力，把科学普及给所有人。
在《不可能的物理》这本书中，他同样熟练地迅速拉近了普通人和物理学之间的关系，他在书里例举了很多我们在科幻电影里耳熟能详的技术，比如隐形衣、时空穿越、读心术等等，从科学家的角度为我们分析这些技术到底是怎么“可能”的。听完他的解释你就会发现，人类能不能把幻想变成现实，最重要的就在于对自然规律更深刻的理解和应用。
接下来，我将随着作者的思路，分三个重点来为你讲述三个等级的不可能：“一等不可能”，它们是目前不可能、但不违反已知物理学定律的科技；“二等不可能”，属于游走在我们对于物理世界认知边缘的科技；“三等不可能”，则是违反已知物理定律的科技。后两种不可能，就是我们刚刚说的，虽然以人类现在的认知还认为它们实现不了，但一旦我们能证明它们是有可能实现的，那将意味着我们对物理学的认识会发生根本性的转变。
我们从这三个等级的不可能之中，也可以理解三个主要的知识点：第一，人类根据已经掌握的物理学知识，还可以将哪些看似科幻的场景和技术变成现实；第二，类似于超光速旅行、时间旅行等等幻想场景，到底有多大可能成为现实；第三，人类现在认识到的物理定律是否真的不可违反，人类的物理学知识有没有可能发生根本性转变。
先来介绍第一个重点内容，也就是“一等不可能”。在作者的眼里，很多看起来非常神奇的技术其实都是属于这一类的，也就是说，虽然在目前我们没法实现，但是这些技术在本质上并不违反物理学定律，它们是完全有可能被实现的。
加来道雄认为，随着人类的进步，在以前看起来不可能的事情，往往逐渐就会变成可能。为了说明这个道理，加来道雄在这本书的一开篇就介绍了英国著名科幻作家亚瑟·克拉克提出的著名三大定律：第一，当一位杰出的、上了年纪的科学家预言某件事是可能的，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；第二，要发现“可能”的极限，只有稍稍突破界限进入“不可能”的领域中去才行；第三，任何足够高深的科技看起来都与魔法无异。所以，我们看这本书的名字可以说正是从克拉克的三大定律中来的。
我们看这第一种不可能，也就是加来道雄认为最可能从不可能转变为可能的一些神奇技术。比如说在科幻电影里边展现的，可以在太空战争中抵御对方炮火攻击的屏障力场；或者是在《哈利·波特》里边描写的非常神奇的隐身斗篷；甚至是我们经常提到的心灵感应，也就是所谓的读心术；还有所谓的意志力，也可以叫意念力，就是说通过自己的意念就能移动物体、操纵工具等等这些在幻想作品里才会出现的本领。
实际上，人类现在已经掌握了有关这些技术背后的科学规律，因此目前最大的问题就在于，如何利用这些规律去创造出可行的技术。比如说人类早就认识到了电磁场的存在，理解了“场”是一种特殊的物质形态，也认识到了在自然界中存在的四种基本相互作用——万有引力、电磁力、弱相互作用和强相互作用——人类也逐渐认识到了这些基本相互作用各自不同的特点，如果在未来我们能够充分利用自然规律，我们就能创造出现在看来非常神奇的技术。像我们刚刚提到的那些还只能出现在科幻电影里的神奇技术或者本领，在加来道雄的眼里，虽然人类现在还没办法实现，但是在未来，通过超高的科学手段是完全有可能实现的。
他是怎么解释的呢？
比如说披上就让别人看不见你的隐身斗篷，这种东西我们凭直觉就会认为它根本不可能实现，因为我们都知道，光沿直线传播，遇到阻碍会被反射、折射或者吸收，光线进入到我们的眼睛，我们就能看到物体，但人是没办法改变光的运行路线的，所以就不能隐身。但是加来道雄就不这么想，因为如果我们通过一些特殊的技术改变光线的折射率，让可见光可以绕着一种隐身斗篷走，这就实现了隐身。加来道雄介绍说，现在科学家们已经在某些频率的电磁波试验中实现了这个目标，让电磁波可以绕开物体。而光呢，也是一种电磁波，所以让光绕开物体走应该也是可以实现的。当然，想要在可见光的所有频率都实现这个目标，还有很长的路要走，但是起码从我们掌握的电磁学知识来说，所谓的隐身斗篷并不是完全不可能，所以加来道雄把它归为第一类不可能。
除了在物理学方面，人类在生物科技、生命科学方面的进展也非常快，这些进展同样也有可能让一些听上去像是神话的技术变成可能，比如说我们经常谈论的心灵感应和意念力。
先来说说所谓的心灵感应。人与人之间通常都是通过语言、文字或者图像进行交流的，如果可以不通过这些手段，直接和别人进行交流或者了解别人的想法，这就是我们通常说的心灵感应了。我们可以想象，如果真的有人会读心术，那么他肯定就能成为世界上最强大、最富有的人，因为他能知道别人的心思。自古至今，有很多人都声称自己有这样的超能力，但是从来没有任何人能够通过科学检验。我们可以说，这样的人根本就不存在，世界上没有这样的超能力，但是，我们却有可能通过科学家对于人类大脑的研究成果，利用科学技术实现所谓的读心术。
比如说，人类可以利用核磁共振成像技术扫描大脑。人在思考的时候，大脑内会有电波信号传送，如果把一个人的头部放在一个巨型的环装磁场中，这个机器就可以探测到大脑内原子核在转变方向时发射的非常微弱的信号，我们可以通过这样的机器来探测大脑处于不同工作状态的时候，有哪些不同的区域最活跃，这种技术就可以被看做是人类进行读心术研究的第一步。
从这个角度来说，人类的读心术，或者说心灵感应技术，一直都在发展，而且早就有了实际应用，比如说测谎仪。虽然有些人非常善于撒谎，从外表看不出他是不是在说谎，但是实际上当他在说谎的时候，血压会略微升高，大脑的一些部位也会变得活跃。如果我们能够在一个人说谎的时候探测到这些信号，我们大概就能够判断他是在说谎，这正是测谎仪的工作原理。当然，这种机器的准确性还需要不断的提高。
我们所说的心灵感应还有一种形式，是说把一个人的思想越过语言直接发射到另外一个人的头脑里。想要做到这一点就很难了，因为人类目前还没有办法探测单个神经元发出的信号，但是人类也可以通过核磁共振技术进行大脑成像，逐步识别单个的单词在人脑里引起的图形，然后我们制造出一本关于人类大脑的“思想词典”。人类关于这个领域的研究刚刚起步，比如说我们刚刚可以识别人脑思考一些物体时在核磁共振仪器中形成的图形，离真正编出一本“思想词典”差得还很远。
虽然核磁共振技术还有其它的一些大脑探测技术看起来非常厉害，但是我们也要了解，人脑不是一台计算机，而是一个神经网络。人的思维是在整个大脑中扩展的，所以说，在未来如果人类的技术非常发达，我们有可能探测到大脑大致的感受和思维功能，但是想要非常精确地读出大脑正在想什么问题，难度还是非常大的。
和心灵感应的研究类似，所谓的意志力，就是说只通过一个人的思想就能够影响一些事件的结果。比如说，有的人声称自己盯着一个勺子看，就能通过意志力把勺子弄弯。但是和心灵感应的实验类似，所有声称自己有这种超能力的人都没法通过科学检测，实际上这些都是魔术。但是一个人在经过训练之后，用意念来控制电子感应装置是可以实现的，这就需要“脑机接口技术”，也就是说把人的大脑和计算机联系起来。这样的话，即使是全身瘫痪的病人，也可以通过自己思考的力量就控制自己的轮椅，甚至是其它装置，比如说用思维打字、用思维控制外骨骼，这些都有可能实现。但是这同样也需要我们更深入地研究怎么样更精确地获得大脑的思想，怎么样才能更精确地探测到这些信号。
总结一下这部分的内容。加来道雄划分出来的“一等不可能”，是说那些虽然现在人类还做不到，但是最有可能梦想成真的技术。我们会发现，我们对于未来，包括在科幻电影里边所想象的不可能的技术，比如隐形衣、心灵感应等等，大多数都属于加来道雄所总结的“一等不可能”。如果要问物理学在未来一个世纪能发展到什么地步，那大概就是一等不可能的程度了。
接下来介绍第二个重点内容，也就是“二等不可能”，这种不可能所挑战的是我们对于物理世界认知边缘的科技究竟能不能实现，并没有十足的把握。
比如说，运动的速度能不能比光更快呢？以我们目前所掌握的物理学理论来说，这是不可能的。我们知道大物理学家爱因斯坦的狭义相对论有一个基本假设，就是真空中的光速是速度的极限，没有任何速度能超过它。狭义相对论已经诞生了一百多年的时间，它关于光速限制的假设始终没有被打破。人类进行粒子对撞实验的粒子对撞机，里边的粒子以非常接近光速的速度运行，但是没有办法超越光速。但是，爱因斯坦还有另一个理论叫做广义相对论，在这个理论里，时空就像是一种柔软的织物一样可以被扭曲，改变形状，而且空间自身的膨胀是可以超越光速的。
所以，加来道雄认为有两种方式可能可以实现超光速。比如你可以拉伸你身后的空间，和你前面的空间相接触，这就会让你产生自己移动得比光快的错觉，而实际上你根本就不用动，空间自己变形了。还有一种可能就是撕裂空间。我们在理论上或许可以制造出虫洞，把空间中遥远的两点连接起来，穿过这个虫洞，我们就能迅速到达遥远的其他星系。
这种在科幻电影里才会出现的场景真的有可能实现吗？在理论上，想要创造出可以穿越的虫洞，必须能够制造出剧烈的时空扭曲，人类就需要找到数量巨大的正物质和负物质。正物质就是我们平常说的物质，而所谓的负物质，是一种只在理论上存在的拥有负能量的物质，它的存在有可能造成时空剧烈的扭曲。我们从名字就可以看出来，它和正物质是恰好相反的，因为我们目前在现实中发现的一切物质都具有正能量，至于具有负能量的负物质，人类还从来没有在现实中发现过，我们也不知道它到底是不是真的存在，所以说，我们到底是不是能够真的制造出拥有负能量的物质，并且利用它制造出足以撕裂空间的虫洞，还不清楚。
我们既然谈到了超光速旅行，那么紧接着就有了下一个问题：有没有可能进行时间旅行呢？这也被加来道雄列入了“二等不可能”的领域。
我们要知道，相对论把时间和空间连接在了一起，相对于其他人来说，时间在一个人身上流逝的快慢，是与他相对于其他人的运动速度相关的，速度越快，时间就越慢。也就是说，根据相对论，人类可以很容易地制造出去未来旅行的时间机器，只要这个人相对于别人快速运动就可以了。假设有一位宇航员以接近光速的速度旅行一分钟的时间，虽然对他来说时间仅仅过去了一分钟，但是对于地球来说时间就已经过去了四年——但是这样的速度人类是达不到的。地球上的宇航员乘坐火箭飞到太空中，再回到地面上，实际上他们就等于已经进入到了未来，只不过因为人类的火箭速度跟光速来比就太慢了，所造成的相对论效应非常微小，进入未来的时间微小到可以忽略不计，我们都感觉不到罢了。
去未来是有可能，那到底能不能通过时间旅行回到过去呢？通过时间旅行到达过去，这个话题以前一直都是科幻作家的领域，但是从20世纪末开始，它逐渐成为了物理学家们认真研究的学术课题。因为人们发现，在广义相对论里并没有限制人们不能进行时间旅行回到过去，爱因斯坦的方程起码在理论上允许很多种时间机器的存在。
想要回到过去，有几种理论上的可能，通过不同的可能性，人类可以建造不同的时间机器。第一种时间机器就是我们刚刚提到的虫洞。因为在相对论中，时间和空间是密不可分的，虫洞可能连接空间的两点，也有可能连接时间的两点。掉进虫洞，你在理论上就可能游历过去。通过时间旅行回到过去还有其它的一些可能，这都是源于一些关于宇宙的物理学假说，比如说弦理论，也提供了进行时间旅行回到过去的理论可能。
当然，进行时间旅行可能会引起各种逻辑上的悖论，甚至是伦理、法律、道德上的争议。比如说，一个人回到过去，有没有可能改变历史？一个人如果回到过去杀死自己的父母会发生什么现象呢？实际上，关于这些理论上的悖论，物理学家们都提供了解释，比如说一个人回到过去只能重复历史，不具有自由意志；或者也有可能改变历史，但是只能在一定限度之内；或者也有可能宇宙分裂为两个平行宇宙，比如说这个人通过改变历史而创造出了一个全新的宇宙，但并不影响在原来宇宙里事情的发展。
加来道雄认为，进行时间旅行回到过去，目前看来最有可能的办法就是制造出可以进行穿越的、连接着时空不同位置的虫洞，而我们刚刚提到，制造虫洞的关键就是负能量，但是我们还不知道能不能发现真正具有负能量的物质。另一方面，在进行时间旅行的时候，在虫洞的入口处正是物理学的广义相对论和量子力学交汇的地方，在这个位置会发生什么现象，我们只有在融合了这两种理论，获得一种可以完整地描述时空和所有相互作用的理论之后才能知道，可要实现这个目标，人类可能还需要几百年的时间。
总结一下这部分的内容。加来道雄所说的“二等不可能”都处于人类知识的边缘，比如超光速旅行、时间旅行等等。加来道雄预测，这些科技可能需要数千年甚至数万年的时间才有可能实现。前苏联的天文学家卡尔达谢夫曾经把宇宙中的文明分成三个类型：一型文明的能源消耗是以一颗行星为基础的；二型文明的能源消耗是以一颗恒星为基础的，这个消耗大概是一型文明的100亿倍；而三型文明还要比二型文明的能源消耗多100亿倍，它需要动用整个星系的资源。人类现在大概还只是“0型文明”，加来道雄就认为，如果我们能让“二等不可能”梦想成真，这些技术可能会成为让我们成为三型文明的科技基础。
我们介绍第三个重点内容，也就是被列为“三等不可能”的科技，它们违反了人类已知的物理定律。实际上，作者加来道雄认为，因为违背了已知的物理定律而被认为几乎不可能实现的科技很少，在这本书里他一共只列出了两个话题：一个是永动机，一个是预知未来。
我们要知道，自古以来就有无数人试着制造永动机，也有很多人声称自己真的创造出了这种能够永远运行、不消耗能量、只会创造无穷无尽能量的神奇机器，当然这些人和他们的发明最后都被证实是失败的。人类为什么造不出永动机？因为这直接违反了热力学第一定律：物质和能量的总量无法被创造和消灭。这也就是我们常说的质能守恒。制造永动机的想法直接违反了这条最基本的物理学定律，所以从科学的角度来说，这是注定没办法成功的。
但是加来道雄在书里边追问：为什么这条热力学定律有这么崇高的地位，绝对不能违反呢？质能守恒有没有可能被打破呢？加来道雄认为是有这种可能的，比如说在宇宙的虫洞周围，就可能不遵守这条守恒定律。而且想要制造永动机，除非我们能从虚空中获得能量，这有没有可能呢？物理学家们认识到，宇宙空间中是存在能量的，这就是我们所说的暗能量。2011年诺贝尔物理奖就授予了几位发现暗能量的宇宙学家。我们发现，暗能量是一种弥漫在宇宙中的推动宇宙加速膨胀的能量，而且暗能量还特别多，宇宙有73%是由暗能量构成的。如果我们能利用暗能量，那整个宇宙中的真空就是最大的能量池，可是我们至今都不知道该如何计算、如何捕获这种能量，所以人类到底有没有可能通过捕捉暗能量制造出永动机，直到现在我们也不知道，所以永动机的发明被列为“三等不可能”。
第二个“三等不可能”，也是看上去最有意思的，人类能预测未来吗？这个能力听上去像是神话故事一样，我们通过常识判断就会觉得不可能，因为这违反了最基本的因果律，结果怎么能发生在原因之前呢？但是如果存在一种假想中的粒子“快子”，这种粒子像它的名字一样，能以超光速的速度运行，根据相对论，一个物体相对于其他物体运动得越快，那它的时间就越慢，如果它能以光速飞行，时间在它身上就会静止，而如果它像“快子”一样超光速飞行，那它就能回到过去，所以，我们就可以通过“快子”这样的粒子把信息传送到过去，告诉之前的人现在发生了什么。这种神奇的超光速粒子有可能存在吗？在有的理论中认为，这种粒子在宇宙大爆炸的开端存在，但是后来就不存在了。无论怎样，人类确实从来没有发现过这样的粒子，在现代物理学的理论里，因果规律也不能被违反，所以，起码在现在看起来，人类还没有办法预知未来，所以它也被列为“三等不可能”。
下面来简单总结一下本期音频为你分享的内容。
加来道雄在这本《不可能的物理》中，把科学技术归纳到了三个类别里边，从物理学的角度给我们分析了它们有可能实现的原因。“一类不可能”，是那些不违反我们现在已知科学规律的技术，比如隐形衣、心灵感应，我们有可能会在未来一个世纪左右实现。“二类不可能”都处在人类认知的边缘，比如超光速旅行、时间旅行，我们在理论上能提出实现的办法，但是要真正实现还需要可能几万年的时间。而“三类不可能”的科技，则是违反了人类已知物理规律的科技，比如永动机，比如预测未来，我们直觉上都觉得完全不可能实现。
我们能看出，这三类不可能越来越背离目前我们知道的物理规律。“不可能”就像天花板，有的人会畏惧，觉得以自己的能力永远达不到了；有的人会不屑，觉得讨论不可能没什么意义。但是就像加来道雄说的，在物理学的范围里，要说某个事物是完全不可能实现是很危险的，因为这也否定了进步的可能。直到现在，也不断有科学家提出新的不可能，可就像作者说的，我们不应该把这些不可能当成人类知识的绝对界限，而应该把它们当成是下一代科学家们要面临的挑战，这些界限的存在就是为了要被打破的。
撰稿：李小刚 脑图：摩西 转述：江宁
划重点
1.看似“不可能”的技术可分为三类：“一类不可能”，是那些不违反我们现在已知科学规律的技术。“二类不可能”处在人类认知的边缘。“三类不可能”，则是违反了人类已知物理规律的科技。
2.我们不应该把不可能当成人类知识的绝对界限，而应该把它们当成是下一代科学家们要面临的挑战，这些界限的存在就是为了要被打破的。