牛顿开启牌局

“无论你的星舰驶向何方，宇宙都将与你同在。”

——摘自影片《星际迷航6：未来之城》中，星舰精进号上的一块标牌。

可能转引自《巴卡路-班仔的大冒险》

你现在正驾驶着星舰挑战号（NCC–1764），在环绕着伊肯尼安星球的轨道上飞行，靠近中立区。你的任务是飞到太阳系的另一端与一艘补给飞船会合，然后拿到维修配件，修好传送器中出故障的初级励磁线圈。很显然，这个任务没必要使用曲速引擎：你只需要把冲量引擎开到最大马力，就可以轻松地让星舰速度达到光速的一半，从而在短短数个小时之内飞到目的地，甚至还有多余的时间来取回补给飞船上最新的飞行日志。然而，当你就这样启动引擎飞离伊肯尼安星球的轨道时，你的胸口会突然受到一股巨大的压力，双手如铅球般沉重，整个人像是被钉在座位上，动弹不得。同时你的嘴角狰狞地咧开，眼球仿佛马上就要“夺眶而出”，全身的血液难以流入大脑。过一会儿你就会失去意识……几分钟后你就会命丧宇宙。

究竟发生了什么？这并不是星舰即将毁于“相间漂流”的预兆，也不是罗慕伦帝国的隐形战机来袭，而是你已经受作用于某种更强大的力量，成为它的牺牲品。因为此时那位聪明绝顶、被你寄予厚望的《星际迷航》的编剧，尚未构思出那个后续作品中常见的设备——惯性阻尼器。你应该已经猜到了，那个让你成为牺牲品的力量其实不是什么新奇的东西，而是源自高中物理中最容易忘记的那条定律——牛顿运动定律。

看到这里，可能会有一些《星际迷航》影迷表示不满：“这样好没劲啊！我并不想把牛顿定律重新学一遍！请直接回答那些我们真正想了解的问题！比如‘曲速引擎的工作原理’‘达到翘曲速度之前的闪烁到底是怎么回事？是不是就像音爆一样？’或者‘什么是二锂晶体？’”请各位读者放心，这些问题在本书中会一一得到解答。想要畅游《星际迷航》的世界，必然要了解那些无比新奇的物理知识。然而只有把零散的知识拼凑起来，我们才能真正解决各位读者最关心的那个问题：“《星际迷航》中的那些神奇景象真的能实现吗？如果答案是能，那它们又是怎样实现的呢？”

且不说探索无人深空，就连离开星际舰队总部这样简单的行动，都和300多年前伽利略与牛顿面对的问题一样困难。而激励人们不断探索的最终动机，将是一个宇宙级别的问题，也是吉恩·罗登贝瑞在《星际迷航》中所要阐述的核心问题，同时也是我在这本书中不断探索的一个问题：以现如今的科学水平为画笔，我们能描绘出怎样的未来文明呢？

坐过飞机或汽车的人都知道，交通工具从静止到开始提速的过程中，乘客会有一种被推向座椅的感觉，这种感觉在星舰上会尤为突出。这是因为冲量引擎中正在进行核聚变反应，该反应会产生强大的压力，推动一些气体和放射物质以极高的速度从舰尾喷出。这些气体和放射物质在脱离发动机的过程中，会对发动机造成一个反作用力，使得发动机因“反冲作用”向前运动。由于发动机固定在星舰上，因此星舰也会跟着发动机一起向前运动。掌航的你，也会被座椅对你产生的力推着前进。反过来，你的身体也会对座椅产生一个向后的作用力。

这里有一个让人头大的问题。当一个锤子以极高的速度砸向你的头部时，会对你的头骨造成一个致命的冲击力。如果座椅对你产生的力过大，那么它也会像锤子一样置你于死地。对于这个在高速加速过程中（如飞机起飞或火箭发射）人体感受到的力，喷气机飞行员和美国航空航天局给它起了一个特别的名字——G力。我臀部疼痛的现象也可以用G力来解释：坐在电脑前忙着打字时，我可以感觉到办公椅始终存在着一种作用于我臀部的、我早就习以为常的力（这里还要补充一点，此时此刻我的臀部正在以一种非常不雅的方式和这种力斗争）。这个作用在我臀部上的力正是由于重力而产生的。如果不受任何阻碍，那么我将会因重力不断加速着坠入地球内部。我之所以没有从办公椅上坠入地球内部，是因为大地为房子提供了一个向上的反作用力，这个力通过钢筋混凝土结构传到我所在的二楼书房的木制地板上，地板又对我的办公椅施加了一个力，办公椅又会对我身体和办公椅相接触的部位施加一个支撑力。假如地球质量增加一倍而直径不变，那么我臀部所感受到的力也会增加一倍。此时为与重力保持平衡，各处向上的反作用力也要增加一倍。

在星际旅行中也要考虑同样的问题。假如身为舰长的你此时正坐在座椅上，打算命令星舰加速，那么你必须考虑座椅对你身体产生的那个向前的作用力。如果你命令船员将星舰加速度增加一倍，那么座椅产生的作用力也会跟着增加一倍。加速度越大，座椅的作用力越大。问题在于，短时间内将星舰加速到“冲量速度”需要极大的推力，这样的推力没有任何东西能承受——更不用说你那脆弱的身躯。

顺便提一句，在整个《星际迷航》系列的各种不同场景中，都出现过同样的问题——甚至包括地球上的场景。在影片《星际迷航5：终极先锋》的开头，詹姆斯·T·柯克正在约塞米蒂国家公园度假，享受自由攀岩的乐趣。突然他脚底一滑，坠落下来。斯波克利用火箭靴前去营救，在柯克舰长距离地面只有咫尺之距的时候接住了他。其实这种营救方法在现实中难以奏效，因为无论接住他的是大地，还是斯波克的“瓦肯式扑救”，瞬间停止坠落这个过程本身都会将舰长置于死地。

现在回到正题。还没等反作用力撕碎你的身体，严重的生理问题就已经开始作祟了。首先，你的心脏将难以像往常一样通过强有力的泵血过程，将血液输送至你的头部。当战机突然加速，或刚进行了高难度的飞行动作时，飞行员偶尔会昏厥过去，也是这个原因。为此科学家研制出了一种特殊的制服，使得飞行员体内的血液能够从腿部上流到头部，从而让飞行员在加速过程中能够保持清醒。这种人体生理反应一直以来都决定着现代化航天器加速度的上限，这也解释了美国航空航天局为什么不能像儒勒·凡尔纳的经典作品《从地球到月球》中那样，用大口径加农炮将宇航员发射到飞行轨道上。

假设我现在打算从静止开始，加速到光速的一半，也就是大约每秒150000千米，我只能耐心地慢慢加速，从而保证我的身体不会在加速过程中被撕碎。从轨道加速离开时，为了使将我推向座椅的力不大于3G，那么相应的加速度必须控制在地球上自由落体加速度的3倍以内。以这样的加速度进行加速，达到光速的一半将耗时500万秒，也就是大约两个半月！这样的设定可拍不出惊心动魄的影片。

惯性阻尼器

为了摆脱这种困境，在完成了第一艘宪法级星舰进取号（NCC–1701）的构思之后，《星际迷航》的编剧们不得不对观众们的质疑——星舰加速度过大会瞬间让全体船员变得血肉模糊[1]——进行回应，他们发明了“惯性阻尼器”。这是一种宇宙级别的减震器，同时也是一种精妙的、能够摆平上述棘手问题的情节设计。（其实在整整一个世纪以前，由舰长亚契领导的NX级别的星舰进取号似乎已经装上了惯性阻尼器。可惜的是，虽然这艘星舰建造时间很早，但是在《星际迷航》中登场的时间却特别晚。）

俗话说，失去后才懂得珍惜，惯性阻尼器便是如此，失去时才会发现它有多重要。例如那次，一种被称作纳米人的微芯生物为了完成自身的进化，吞噬了星舰控制中心的内存设备，导致进取号失去对惯性阻尼器的控制，几乎舰毁人亡。没错，似乎每次进取号被摧毁（通常出现在叛变情节中），都是由失去惯性阻尼器造成的。同样的，当一架罗慕伦帝国战机失去惯性阻尼器时，我们也能够看到机组人员的身体开始渗出绿色血液。

就像《星际迷航》中其他的新奇技术一样，想要精准地阐述惯性阻尼器的工作原理是很困难的。相比之下，描述惯性阻尼器所解决的实际问题，则要容易得多。“星际迷航物理学第一定律”应该这样阐述：要回避的问题越基础，解决起来就越具有挑战性。人类之所以能走到今天，甚至构想出《星际迷航》这样的未来世界，就是因为物理学是一门在其基础上不断发展的科学。构想《星际迷航》世界的难点在于，编剧们不仅要回避一些基础性的物理问题，更要回避由这些基础问题延伸出来的一系列物理问题。物理学的发展过程不像是闹革命那样，摒弃所有旧东西、旧观念；而是像生物进化的过程一样，以已有的精华为基础，不断优化，不断进步。即便是再过100万年，无论前沿物理发展到了何种地步，牛顿定律都会像今天一样适用。如果我们站在地上抛个球，那么它一定会掉向地面；如果从现在开始，我坐在桌前一直写作到世界末日，那么我的屁股也一定会保持着疼痛，直到永远。

即便如此，如果一直对惯性阻尼器的问题避而不谈，甚至连这东西的工作方式都不进行一些实实在在的介绍，那未免有失公允。正如前面提到的，人们必须想办法在星舰中制作出一个人造环境，来消除加速度惯性力引起的反作用力，从而使星舰中的人和物都感觉不到星舰正在加速。前面我们解释过为什么加速过程会让你有一种类似受到地心引力的感觉。两者之间的联系就是爱因斯坦广义相对论的基础，这种联系远比看上去的要密切。因此，制作出上述的人工环境只有一种办法：机组成员必须在星舰内部创造一个人造引力场，产生一个反向的拉力来抵消反作用力。

这种办法即便能够令人信服，也仍旧存在着许多亟待解决的实际问题。例如当冲量引擎突然提速时，惯性阻尼器不能及时地做出调整。举个实际情况的例子，当波兹曼号紧随进取号，从时间扭曲中浮出时，进取号会掉入到因果循环陷阱之中，舰上的船员会被甩到星舰的各个角落（这种现象甚至会先于曲速核心爆裂和惯性阻尼器失灵）。我查过进取号的技术参数[2]，发现惯性阻尼器的响应时间大约是60毫秒[3]。这个时间看上去很短暂，但是如果惯性阻尼器在加速期间出现60毫秒的延迟，那结果将是致命的。为了更加形象，可以想象一下锤子让你脑袋开花所需要的时间，也可以考虑从约塞米蒂国家公园的悬崖上跳下，到坠地而死所耗费的时长。你要知道，以十几千米每小时的速度产生的冲撞，就相当于你全速奔跑时一头撞到墙上！为了保证生命安全，惯性阻尼器的响应时间最好能够更短一些。在那些我认识的《星际迷航》影迷当中，不止有一个人指出，无论什么时候星舰受到撞击，都没有发生那些本应出现的画面——船员们被冲击波甩向星舰各处。

牵引光束

在我们离开熟悉的经典物理学领域之前，我不得不说一下另一个想要生效，就不得不考虑牛顿定律的技术奇迹：那就是进取号上的牵引光束。这种技术能让不断逼近的星核碎片发生偏转，在摩押IV星球上的基因组殖民地救援行动中大放异彩；也曾在布莱尔IV星球上一场营救行动中（虽然行动并未成功）有过类似的精彩表现——牵引光束把袭来的卫星推回了正常的轨道上。粗浅地来看，牵引光束似乎很简单，因为它就像隐形的棍子或绳子，即便这背后的驱动力很不可思议。牵引光束的确就像结实的绳子一样，进行着牵引航天器、拖拽战舰、或阻止敌舰逃跑这样的工作，而且效果出奇的好。其实早在牵引光束在星际联邦中普及之前，NX级别的星舰进取号就已经用上了一种叫作“磁爪”的工具来应对这些需要精确操作的任务。这里我们暂且不详细介绍磁爪，因为关于牵引光束我们还有一个问题：无论是用绳子、磁爪，还是牵引光束，只要是拖拽作业，我们都需要把拖拽工具固定在地面，或者是其他的重物之上。滑过冰的人都知道，当你站在冰上，想要将一个物体推离你的时候，会遇到这样一个情景——你成功地推开了物体，但同时你自己也向另一边滑动了。也就是说，如果你不能把自己绑在一个固定不动的物体上，你就难以摆脱自身惯性的影响。

正是考虑到这个原理，舰长让-卢克·皮卡德才会在“战斗”[4]这一集中命令瑞克中尉关掉牵引光束。皮卡德解释说，如果不关掉光束，那么他们的牵引目标会在其自身动量[5]的作用下，与他们并排前进。出于同样的原因，如果进取号打算用牵引光束避开占星者号的话，那么在成功将占星者号推走的同时，进取号自身也会被反作用力推向另一方向。

目前来说，这种现象已经严重影响到了人类探索宇宙的进程。举个例子，假如你是一名宇航员，被派送到哈勃空间望远镜上去拧紧一颗螺栓。当你拿出携带的电动扳手，去拧那个讨厌的螺栓时，你会猛然发现一个糟糕的事实——将电动扳手就位并打开开关后，转起来的可能不是螺栓，而是你自己。这是因为哈勃空间望远镜的重量要远大于你的重量，电动扳手在对螺栓施加力的同时，相应的反作用力也会作用在你身上，所以你比螺栓更容易转起来，尤其是当这个螺栓被紧紧固定在望远镜上的时候。当然如果你足够幸运，能够像刺杀克林贡最高议会议长高冈的杀手一样得到一双重力靴，那么你就能稳稳地站在任何地方，就像在地球上一样，可以随意走动。

同样的，你也能想象到当进取号试图将另一艘星舰拉向自己时会发生什么。除非进取号的质量大到难以计量，否则一旦开启牵引光束或是磁爪，进取号和另一艘星舰会同时开始运动，最终被吸到一起。然而在茫茫宇宙中，这种相对位移只不过是文字游戏而已。在没有任何参照系的情况下，没人知道到底是谁在飞向谁。然而假如你恰好处在那个倒霉的正笼罩在叛变阴影下的摩押IV星球，那么在这种情况下，进取号飞向摩押IV和摩押IV飞向进取号将有巨大的差别。

有一位我熟识的《星际迷航》影迷指出，在剧集中，至少有一集已经间接解决了这个难题：进取号只需要在启用牵引光束的同时打开冲量引擎，它就能够利用引擎制造一个与牵引方向相反的力，来抵消掉进取号牵引物体时产生的反作用力。这位影迷还强调说，他明确记得剧中曾经提到过，牵引光束需要冲量引擎的配合才能正常工作。然而我却不记得剧中有过这样的设定，也没看到过柯克和皮卡德下达相关命令——要求在牵引光束工作时打开冲量引擎。事实上，对于一个有能力设计并制作出惯性阻尼器的文明来说，这样莽撞的飞行行为令人费解。这让我想起乔迪·拉弗吉试图用一个翘曲场，将布莱尔IV星球的卫星推回它的轨道上。拉弗吉这样的要求在现实中看起来是个遥不可及的梦想，但是我认为，只要通过对时空进行一些复杂的操作，就能够从另一个角度解决乔迪·拉弗吉的问题。想要知道到底是怎么回事，我们就必须启动惯性阻尼器，并加速进入到一个时空弯曲的世界。