各种可能性

“探险在等待着你！不是绘制恒星地图，也不是研究星云，而是记录那些未知的存在。”

—出自“曲终人散”[10]，Q对皮卡德所说

《星际迷航》系列在电视上放送的19年里，编剧们挖掘了物理领域里几乎所有最令人激动的创意。他们有时候把握得很准确，有时候则夸大了事实。他们有时候只是照搬了物理学家用的名词术语，有时候还把有关的想法融合了进去。他们所涉及的话题简直就是一篇现代物理的综述：狭义相对论、广义相对论、宇宙学、粒子物理、时间旅行、空间弯曲和量子涨落等等，不一而足。

在本章里，我将简单展示一下《星际迷航》中所用到的现代物理学中的更有趣的想法，特别是那些我在前几章中没有集中介绍的概念。由于那些想法都丰富多彩，不尽相同，我在这里就以术语集的形式进行一下汇总，不过顺序和主题都是随性安排的。在之后的一章，我会以类似的形式来讲述《星际迷航》中很明显违背物理学原理的错误，一些来自物理学同行，另一些则是从众多影迷的问题里选出来的。在这两章里，我会集中讨论十个例子；但事实上还有很多可选的内容。

1．银河系以及宇宙的尺度

银河系是《星际迷航》剧情开展的舞台。纵观整个系列，各种各样不同尺度的星系距离在情节进行中发挥了关键性的作用。从《星际迷航》第一部电影里形容威者星云尺寸大小的AUs[11]，一直到光年，各种不同的单位都曾被用到过。而且我们银河系的许多特征也曾被提及，包括一个在银河系中心的“巨大的屏障”（出自《星际迷航5：终极先锋》），以及在原初系列里，银河系边缘的“银河屏障”（出自“前人未至之地”“以他人之名”“没有真实的美吗”[12]）。因此，为了更好地描述《星际迷航》中故事所发生的环境，我们最好先了解一下银河系和相邻的星系，以及各种宇宙距离的常识。

因为千米或者公里在表达天文距离时，需要使用很大的数字，所以天文上很少使用这种传统的计量单位。天文学家们创造了一些看起来更合理的基准长度。AU就是一个这样的单位，它表示地球到太阳之间的距离。这是太阳系里的特征长度，例如在被逐出太阳系之前，最外侧的行星——冥王星——距离太阳大约就是40AU。在《星际迷航：无限太空》中，威者星云的直径被描述为82AU，这是极其巨大的——事实上比我们整个太阳系还要大！

为了比较星际距离，更便利的做法是将其换算成光走过同样距离的时间（或者进取号以曲速1航行那么远所用的时间），日地距离大约就用8分钟（这应该也是光从大多数M级行星到所属恒星所需花费的时间）。因此，可以说1AU就是8光分。相比之下，太阳到距其最近的恒星半人马座α星——一个双星系统，居住着曲速引擎的发明者泽弗里·科克伦——大约有4光年！这是银河系中恒星之间的特征距离。要是火箭以现在的速度从地球飞向半人马座α星的话，大约要用上1万年。不过用曲速9——大约1500倍光速——来航行的话，1光年的距离只用花6小时就够了，距我们4光年的半人马座α星1天就能到达。

太阳距离银河系中心大约有25000光年。即使达到曲速9级，也要花十五六年来航行。所以，现实中，赛波克[13]劫持了进取号之后，是不可能像在《星际迷航5：终极先锋》里一样，把它带到银河系中心的，除非进取号本来就在银河系中心。

银河系是一个螺旋星系，有着由恒星组成的巨大银盘。银盘直径约为10万光年而厚度只有0.2万光年。航海家号在《星际迷航：航海家号》第一集里被传送到地球以外7万光年的地方去了，那应该就出现在银河系的另一头。以曲速9航行的话，星舰要花上50年才能回到太阳附近，因此这就是航海家号最终要寻找一条捷径回家的理由。

银河系中心是巨大的银核——一个恒星密集区——宽度大约有数千光年。据猜测，那里可能有一个数百万太阳质量的黑洞。而其他星系的中心也可能存在一百万到数十亿太阳质量的黑洞。

环绕着银河系的是近乎球形的银晕，它们由古老的恒星组成。在这里发现的球状星团由数千颗恒星组成，是银河系里最古老的部分；这些星团根据现在的测定可能有120~130亿年的历史——比“英雄崇拜”[14]一集里的“暗黑星团”还要古老，“暗黑星团”据说有90亿年历史。一个包含“暗物质”（接下来会提到）的更大的球状晕环包围着银河系。这个晕环在所有类型的天文望远镜下都是不可见的；它是从银河系中恒星以及星际气体的移动中推断出来的，其质量大概是银河系已观测物质质量的10倍。

银河是一个中等规模的螺旋星系，包含了数千亿颗恒星。而可观测的宇宙中大约有4000亿个星系，每一个星系或多或少都包含有这么多的恒星！我们所见的星系中，几乎70%都是螺旋的；其他星系的形状比较接近球形，被称为椭圆星系。他们中最大的巨椭圆星系比银河系质量大上10倍。

大多数星系都聚集成星系团。在银河所处的星系团里，最近的星系像卫星一样环绕我们。它们就是大小麦哲伦星云，在南半球就可以看见。离我们最近的大型星系大约有200万光年远，即仙女座大星系——在“以他人之名”[15]里，凯尔文人接管进取号的目的就是回到那里的故乡。但是以曲速9航行的话，去那大约要花上1000年！

由于光的传播是需要时间的，当我们观察得越远，所看到的就越是遥远过去发生的事情。我们用电磁传感器能观测到的最远的信号，大约是宇宙诞生30万年时发出的。在那之前，物质以高温等离子体的形式存在，而这对于电磁辐射是不透明的。当从所有的方向观测时，看到的是光与物质最终“解耦”后发出的辐射。这就是众所周知的宇宙背景辐射。通过NASA在1989年发射的COBE卫星来观测这种辐射，我们得到了宇宙在30万年时的图像。这个图像揭示了宇宙大爆炸后最初的瞬间所留下的痕迹，展现出了宇宙大尺度的结构；由于这个重要的结果，COBE的两个主要研究员获得了2006年诺贝尔物理学奖。

最后要说的是，宇宙还在均匀地膨胀着。这就导致在观测上，相对于我们，遥远的星系都在不断退行着——而且越远的星系退行速度越大，其速度正比于它离地球的距离。膨胀的速率由哈勃常数的大小来表征，具体来说就是，距此1000万光年的星系平均以150到300千米每秒的速率远离我们。反推回去的话，在大约140亿年以前，所有已观测到的星系是聚在一起的，而那就应该是宇宙大爆炸的时间。正如我之前讨论的，因为宇宙大部分能量存在于真空之中，所以宇宙膨胀的速率是在增加，而不是在减少。

2．暗物质

我刚才提到过，我们的银河系似乎浸没在一片看不见的物质组成的巨大海洋里。通过研究恒星，氢气云，以及大小麦哲伦星云围绕银河系中心的运动，并运用牛顿定律将轨道物体速度与力（质量）相关联，计算出近似球形的暗物质其延伸范围，大约是地球到银河系中心距离的10倍。而暗物质占银河系总质量超过90%。不仅如此，我们观测其他星系包括椭圆星系，以及星系团的运动时也发现，这些系统的质量要比其中可见物质提供的质量要大。因此宇宙中大部分质量看起来好像被暗物质所占据着。宇宙中的物质，有超过90%是暗物质，不过它们只占所有能量的30%，而剩下的70%能量则存在于真空之中。

暗物质的概念出现在《星际迷航：下一代》《星际迷航：深空九号》《星际迷航：航海家号》和《星际迷航：进取号》系列电视剧中，不过是以一种偏娱乐化的方式呈现的。举个例子，在《星际迷航：航海家号》的“全神贯注”[16]一集里，星舰进入了一片“暗物质星云”，正如你能想象到的那种字面上的意思，这片星云就像一团乌云一样，你看不到里面的东西。进取号也遇见过类似的东西，包括之前提到的“暗黑星团”。在《星际迷航：深空九号》里，本杰明·西斯科也向暗物质星云寻求过庇护。但是，暗物质最突出的特点不是它遮挡住了光，而是它根本就不发光——即不会放出辐射——甚至对辐射的吸收也相当不明显。要是它能够产生以上任何一种作用的话，就会被天文望远镜给探测到。如果我们身处于暗物质云里的话——很可能我们确实身处其中——应该根本就看不到它才是。事实上，在前不久播出的《星际迷航：进取号》的剧集里，亚契舰长就发现了一种不可见的暗物质星云，它更接近其实际的概念。最终，他和特珀向里面发射了一系列导弹，激发了暗物质并使其发光了。不过不难想象，考虑到我们目前对于暗物质的猜测，以及对其最合适的候选粒子的估计，剧中的做法就是一种夸张的表现而已。

关于暗物质的性质、来源和分布的问题，可能是当今宇宙学中尚未解决的问题里最激动人心的一个。由于这种未知的物质主宰了宇宙的质量密度，它的分布很可能决定了可观测物质如何和何时在重力作用下产生星系团、星系和行星。宇宙就是因为暗物质而变得如此有趣，而我们也是因为它才得以存在于此。

还有一个强有力的论点使这个问题更加有意思了：组成暗物质的粒子可能与组成通常物质的完全不同，组成暗物质的并不是质子与中子。根据早期宇宙中核反应速率和接下来轻元素的形成，以及宇宙微波背景辐射的观测，再加上对这几个独立限制条件的计算，种种结果表明，仅仅靠质子与中子，无法解释星系和星团中暗物质的总量为何如此之大。我们知道早期宇宙中，最初物质分布的微小涨落引起了高温等离子体的碰撞，才促使今天所见的星系和星团形成；考虑到这种情况，某类新型的基本粒子——不与电磁辐射发生相互作用的基本粒子——应当被包括进来。如果暗物质确实由这种新型的基本粒子组成的话，那么：

（1）暗物质就不仅仅是“在那边”了，它就在你读这本书所处的房间里，不知不觉地穿过你的身体。这些奇异的粒子将不会聚到一起形成天体；它们将形成弥漫的“气体”在银河系里流动。由于暗物质最多只发生微弱的引力作用，它们将轻易地穿过像地球这么大的物体。事实上，像这样的粒子，在自然界中也存在实例——就是众所周知的中微子（《星际迷航》的影迷们也应该相当熟悉了，我之后也会讨论的）。

（2）如果使用复杂精密的基本粒子探测技术的话，暗物质在地球这里也是可能被探测到的。目前人们已经能够制造种类繁多的探测器，其灵敏度可用于检测各种不同的暗物质候选粒子。

（3）这些粒子的探测可能会引起基本粒子物理的革命。很有可能这些粒子是极早期宇宙演化过程的产物，远早于宇宙诞生后1秒的时间；而可能涉及的能量尺度，接近甚至超过我们现代加速器所能达到的水平。

当然，同样令人激动的是，我们并不能完全确定暗物质就是来自未知的物质。有相当多的方法可以将质子与中子放到一起而不使它们发光。举一个例子，如果我们把银河系填上雪球或者冰砾的话，那这些小东西是很难探测到的。如果用这种方案解释暗物质来源，那银河系中应该存在许多和恒星差不多大的物体，同时它们核心区域太小又无法发生核反应，这就是所谓的褐矮星，戴达和他在进取号上的同事们曾经讨论过这个（比如在“搜捕”[17]这集里）。事实上，我们有办法判断褐矮星——在这里就可以理解为MACHOs（Massive Astrophysical Compact Halo Objects的简写，指晕内大质量高密度天体）——是否为银河系暗物质晕环的主要组成部分。虽然这些天体都没有办法直接观测，但如果其中的某一个经过恒星的前面的话，恒星的光就会被它的引力影响而变得更亮。这就是爱因斯坦早在20世纪30年代预言的“引力透镜”效应，现在我们已经有技术手段来探测了。在20世纪90年代进行的几个实验，观察了银河系中不下百万个恒星，以寻找这种引力透镜效应的发生。虽然我们确实观察到了一些透镜效应，但这些数据也清楚地表明——跟之前的预期一样——MACHOs不可能是环绕银河系暗物质晕环的主要来源。

3．中子星

没错，中子星就是大质量恒星发生超新星爆发后坍缩形成的核。虽然它们的质量通常比太阳的大一些，但它们极其致密，因为尺寸只有曼哈顿那么大！此时，《星际迷航》的编剧们再一次在创造术语方面展现了非凡的才能。进取号好几次遇见了一种出自中子星里的材料——编剧称其为“零号元素”[18]。同时，由于中子星几乎全是由中子组成的，并且每个中子结合得十分紧密，以至于整个星球基本上就可以看作一个没有质子的巨大的原子核，故零号元素一词用在这里也十分恰当。出自与这个兵器同名的剧集里[19]的末日机器，貌似就是用纯的零号元素制造的，这也就是星际联邦的武器根本无法撼动它的原因。但是为了维持这种物质的稳定，它必须处在难以置信的高压下，这种压力只能由半径15千米的大质量天体的引力产生。因此，在现实世界中，零号元素这种物质只能作为中子星的一部分而存在。

进取号有数次任务都十分接近中子星。在“进化”[20]一集中，当纳米机器人开始蚕食星舰的计算机时，船员们正要研究一颗快要爆发的中子星，因为它在吸积星际物质。在“完美社会”[21]一集中，进取号必须要让撞向摩押IV的星核碎片偏离轨道。

毫无疑问，银河系中有数百万颗中子星。大部分中子星内部天生就有巨大的磁场。如果它们自转很快的话，就会变成极好的无线电信标。由于辐射从它们的两极发射出来，如果磁场随着自转轴向而倾斜的话，那么一个旋转的信标就产生了。在地球上，我们称这种无线电发射源为脉冲星，并探测它们周期性的无线电脉冲信号。在星际空间中旋转的脉冲星是宇宙中最好的时钟。脉冲星的信号可以达到每年1微秒的误差精度。而且有的脉冲星每秒会产生超过1000个脉冲信号。这就意味着一个有着太阳质量大小，而直径才仅仅10~20千米的东西——实际上是一个巨大的原子核——正在以每秒超过1000次的频率旋转着。想想就很让人惊讶，中子星表面的旋转速度几乎达到了光速的一半！脉冲星的存在向我们展现了自然界造物的神奇，甚至比《星际迷航》的编剧创造的东西还要超乎想象。

4．其他维度

在“索利安人的网”[22]一集里，詹姆斯·T·柯克往返于不同的时空中；造成这个现象的原因就是不同维度的平面通过“螺旋界面”短暂的相连了，因此组成了其他的“平行宇宙”。在两季之前的“另一种因素”一集中[23]，柯克也遇见过平行宇宙——一个由反物质组成的宇宙；以及在“镜子，镜子”里[24]，通过传送器进入的宇宙。在《星际迷航：下一代》里，还有由Q连续体，保罗·曼海姆博士发现的一种现象，可以利用非线性时间从而“进入其他维度的窗口”。当然还有包含无穷多维度的子空间本身：像在“分裂”[25]这一集中，绑架了瑞克中尉的这一类外星人就能藏匿于其中。

目前有一个概念非常深入人心，那就是我们所居住的四维时空，由于某种原因并不代表所有维度。最近哈佛大学的精神病学者写了一本畅销书，其中分析了那些声称曾经被外星人劫持的各种各样的病人（但在医学院引起了一些麻烦）。在一次采访中，当被问到外星人来自哪里以及来的方式的时候，他就暗示说：“他们来自另一个维度。”

毫无疑问这种对额外维度的迷恋是深受狭义相对论影响的，正如我在最近的一本书《藏在镜中》里说的一样。在赫尔曼·闵可夫斯基将三维空间和时间并构成四维时空之后，很自然地就假定这个过程是可以再继续进行的。不仅如此，在广义相对论证明我们所认识的引力与时空弯曲有关之后，其他力也可能与尚未发现的其他维度有关，从而这种推测也变得不那么奇怪了。

这种推测最早是由德国数学家西奥多·卡鲁扎在1919年做出的。在1926年，瑞典物理学家奥斯卡·克莱因也独立地提出了同样的推测。他们提出，电磁力与引力可以在五维宇宙里统一起来。可能电磁力就是第五维度的某种“弯曲”，与引力对应于四维时空的弯曲是一样的。

这是一个很漂亮的理论，不过还是存在一些问题。事实上，在我们思考宇宙中任何额外维度的方案时，必须要解答以下问题：为什么我们不能感受到时间和空间以外的这些额外维度呢？克莱因提出了一个很重要的回答，因为物理学家在考虑宇宙中更高维度的可能性的时候，这样的问题反复出现。

想象一个圆柱体以及一只有智慧的虫子如图9-1。只要圆周长大于虫子的大小，它就可以沿着两个方向移动，然后以为自己正在一个二维表面上爬行。

图9-1

但是，如果圆周变得很小，直到这只虫子认为它在一个一维的东西上爬行的时候——即一条线或者一根弦——就只能向上或者向下了。（如图9-2）

图9-2

现在想想这只虫子怎么才能发现，真的有其他维度沿着圆周的方向呢。用显微镜的话，就可以找出“弦”的宽度了。但是，要分辨这么小的尺寸，所需要的辐射波长应该与圆周直径相当或者更小。正如我在第五章讲到的，因为只有在物体尺寸至少与波长可比的时候，光才会发生散射。由于辐射能量与波长成反比，那分辨这个“额外维度”的时候，就会有一个确定的最小能量。

如果第五维度以某种方式“卷曲”在一个小圈里，那除非我们在一个点上集中巨大的能量，否则我们将不能用波的传播来探测其存在，那这个世界也就等效变成四维了。毕竟，我们知道空间之所以是三维的，是因为我们的波可以在所有的三个维度上传播，以此来探测这些维度的存在。如果我们需要送进第五维度的波所要求的能量，比加速器所产生的最高能量还大的话，那就根本不可能有办法感受这额外的维度了。

不管它内在意义如何，卡鲁扎-克莱因理论并不完整。首先，它没有解释为什么第五维度卷曲在一个小圈里。其次，我们现在知道自然界中，除了引力相互作用和电磁相互作用外，还存在其他两种基本的作用——强相互作用和弱相互作用。那为什么仅限于五个维度呢？为什么不考虑足够的额外维度来把所有的基本作用都囊括进来呢？

事实上，现代粒子物理已经考虑了这种可能性。这种尝试在这本书第一版发行的时候就出现了，就是我之前提到的——弦论。它一开始旨在扩展广义相对论，以建立一个统一的量子引力理论。但随着理论发展，最终统一所有相互作用的目标就出现了。

我也已经说过，要发展一套广义相对论和量子力学相协调的理论，将面临许多挑战。主要困难在于如何理解量子涨落在四维时空中的处理方式。在基本粒子物理理论中，场的量子激发态——如电场——表现为基本粒子，或者量子。如果要尝试理解引力场的量子激发——在广义相对论里，涉及时空的量子激发——在数学上将导致毫无意义的结果。

弦论的优势就在于，它假定在量子引力效应发挥主要作用的微观尺度上——通常大小在10~33厘米，我们所认为的点状基本粒子其实是有结构的，仔细分辨，它们应该是振动的弦。粒子的质量将与这些弦振动的能量相关联。

之所以做出这样一个奇怪的假设，是因为在20世纪70年代发现，这种理论所要求的粒子与时空——即引力场的量子激发所具有的性质是一致的。广义相对论因此就嵌入到一个可能与量子力学相协调的理论中去了。

然而弦的量子理论在四维、五维甚至六维下都无法在数学上自洽，只能在十维或者更高维数上才可以。雷金纳德·巴克利在被塞西瑞恩人的探测器破坏重组后[26]，暂时拥有了1200的智商。然后他就和全息甲板中的爱因斯坦深入地讨论了一下，哪种方案能够更好地将量子力学与广义相对论结合起来。

过多的维度可能看起来很累赘，不过很快人们就意识到这种多余也提供了新的可能性。可能自然界中的所有基本力都能在一个十维或者更高的维度下统一起来。在这样的理论中，比四维更高的维度将在普朗克尺度下（10^-33厘米）卷曲起来——正如巴克利中尉总结的——并且以现在的技术手段是无法测量的。

不过希望也就仅限于此了。在35年过后的今天，我们依旧不知道这个试探性的弦理论是否能演变出一种“万物理论”（Theory of Everything）来。实际上，这个理论也在随时间演变着，因此弦本身可能并不是这个理论中最重要的部分，甚至理论中的维数也都不是完全确定的，只要理论机制保证只有四个维度是最大的就可以。就像之前指出的，在这种理论中，我们的宇宙可能并不是特别的，可能存在许多种截然不同的宇宙形式，只不过其中某一种与我们的类似罢了。由此一来，这样一个理论与其说是“万物理论”，不如说是“万有理论”，因为它无所不包，超出“某种东西的理论”的范畴。

归根究底，这么长篇大论的意义就是要强调这样一个观点：是的，宇宙中确实很有可能存在额外的维度。事实上，这种预期不是没有根据的。不过这些额外维度不是，也不可能是那种绑架精神病患的外星人（或者绑架副舰长瑞克那种）所居住的地方。这种额外维度是不能与四维时空弄混淆的。它不会像《星际迷航》中“子空间”那样，允许宏观物体从一个地点通过其他维度穿越到另一个地点。

尽管如此，在过去十年里，理论物理中有一些新鲜有趣的可能性被提出来了，这些模型就更接近《星际迷航》里所描述的额外维度。这些理论认为如果只有引力这种极弱的力才能与那些额外维度发生作用的话，那它们就可以展开很大的尺度而又保持不可见的性质。这样的可能性引发了人们极大的兴趣，因为较大的额外维度在原则上能被实验探测到，比如测量引力在不同尺度的性质，或者寻找新的粒子加速器中异常的现象。虽然这确实是一个赌注，但也很令人着迷：我们的宇宙可能被嵌入到一个高维无穷大空间中去，其中包含了“邻近”的四维或者高维的空间；而其他各种星系，行星甚至外星人都可能以《星际迷航》里那种方式存在。唯一不同的就是，我们的宇宙将永远不可能接触到它们，因为我们的原子以及束缚这些原子的力，只能在我们的四维时空里发生作用。所以，虽然这些想法让《巴卡路-班仔的大冒险》蒙上了阴影（它与《星际迷航》有着很有意思的关联。我曾在《深空九号》剧集里的电梯上，看见一个引自这部电影的浮雕，当时我正和迈克·奥田一起参观拍摄场景），但不管怎样他和副舰长瑞克都从劫持的外星人那安全归来了。

我们也不能排除这样的可能性：存在微观甚至宏观的“桥梁”通往其他没有相连的（或者平行的）宇宙。确实在广义相对论里，空间曲率特别大的区域——黑洞或者虫洞内部——被认为是可以连接其他原本不相连或者跨度很大的时空区域的。我知道要是根据现在的宇宙图像的话，在黑洞或者虫洞之外来预期这样的现象是没有道理的；但既然不能完全排除这样的可能性，我认为联邦星舰就可以自由地寻找那些额外的维度。

5．任意子

在《星际迷航：下一代》“下一相位”[27]一集中，一个增加了新的罗慕伦隐身装置的传送器，可以将“异相”物质与其他物质放在一起，从而导致乔迪·拉弗吉和罗·拉伦消失了。他们被认为已经死亡了，不过其实只是看不见了而已。他们也没有办法与外界交流，直到戴达为了其他目的改造了一个“任意子发射器”之后，奇迹般地让他们“失相”了。

如果《星际迷航》的编剧们从未听说过任意子的话——我敢打赌他们没听说过——那他们能凭空编造出这样一个合适的名字就着实令人诧异了。任意子是理论上构造的一种粒子，由普林斯顿高等研究院的物理学家，我的朋友弗朗克·韦尔切克和他的同事们提出并命名的。而且他还提出过另一种粒子——一种暗物质的候选，叫作轴子，名字来自于一种洗涤剂。“轴子芯片”也在《星际迷航》中出现过，是一种先进机器人神经网络的一部分。

在我们居住的三维空间中，基本粒子根据其自旋的不同被定为费米子和玻色子。我们给每种基本粒子赋予了一个量子数，表示它们自旋的大小。这个数可以是整数（0、1、2……）也可以是半整数（1/2、3/2、5/2）。于是，具有整数自旋的粒子被称为玻色子，具有半整数自旋的粒子被称为费米子。费米子与玻色子的量子力学行为是不同的：当两个全同的费米子交换位置的时候，描述它们性质的量子力学波函数会乘上-1，而全同玻色子交换位置，波函数将不发生改变。因此，两个费米子不可能出现在同一位置，因为如果这样，它们交换位置后所有状态都没有发生任何改变，但是波函数却乘上了-1，所以满足以上情况的结果就只有它们全都为0。因此，波函数也就相应的化为0了。这就是著名的泡利不相容原理——最初应用在电子上——表述为两个全同费米子不能同时占据相同的量子态。

当我们只允许粒子在两个维度上运动时，用在三维空间的量子力学原理就会改变，就如同下面这些情况里发生的一样。就像进取号遇见的二维生物被迫在二维空间中行动；或者更实际一点的，在现实世界中，适当调整固体的晶格结构，可以限制电子只在二维平面里运动。这样自旋就不再是量子化的，而是可以携带任意大小的值。因此，除了玻色子（整数）和费米子（半整数）外，任意子（任意数）也可以存在了。这就是韦尔切克和他同事们的想法，也是任意子名字的来历。

现在回到《星际迷航》编剧那里，有一个特别有意思的地方：我们在交换全同粒子时，给波函数乘上的那个因子就叫作“相位”。费米子波函数乘上了一个-1的相位，而玻色子乘上了1的相位因此保持不变。任意子乘上的是模为1的复数，即其中含有一部分虚数（虚数就是负数的平方根），因此在正常粒子乘上实数的角度看来，就有一部分相位是在定义之外的，即发生了“异相”。所以，要是安装了一个“任意子发射器”的话，那就会改变某些东西的虚数相位，从而有机会使“异相”解除，这难道不是很有可能的吗？

6．宇宙弦

在《星际迷航：下一代》的“失落”[28]一集里，进取号的船员们遇见了迷路的二维生物。这些生物居住在“宇宙弦的碎片”里。在本集中，这个概念被描述为空间中的无限小细丝，有着强大的引力作用而且以一系列“子空间”的特征频率振动着。

事实上，宇宙弦在理论上是早期宇宙相变的产物。有一位研究这类理论问题的权威学者在凯斯西储大学任教，因此我时常能听到宇宙弦的内容。它们的性质在某些方面确实和进取号遇见的东西有相似之处。

在物质发生相变的时候——比如当水沸腾或者结冰的时候——这种物质的成分组合和粒子排列将会发生变化。当水结冰的时候，它形成了一种晶体结构。在晶体沿着不同的方向生长之后，就会形成随机的线条，产生出冬天玻璃上那种好看的形状。在早期的宇宙经历相变期间，物质、辐射和真空（就是那种携带未知能量的）都发生了改变。有时在这种相变发生的时候，宇宙的许多区域进入了不同的状态中。随着状态的演变扩张，他们最终碰到了一起——有时在一个点上，有时是沿着一条线，在交接处就形成了一个边界。能量在这些边界处受限形成了所谓的宇宙弦。

我们不知道宇宙弦实际上怎么在宇宙初期形成的，但如果它们能留存到现在的话，就会产生一些迷人的效应。它们几乎无限细——比质子还细——因此携带的质量密度将变得十分巨大，达到每厘米一万亿吨重。它们可能形成了星系的种子，使物质不断聚集而最终产生星系。它们也同样会“振动”，不过不是产生子空间谐振而是引力波。事实上，我们完全可能在直接观察到宇宙弦本身之前探测到它的引力波信号。

在过去十年里，由于弦论尝试着介入，宇宙弦的研究正发生着转变。据推测，在十维或者十一维振动的基本弦可能会产生四维的残渣，而这就可能是在宇宙极早期出现的宏观宇宙弦，因为它会产生早先研究的宇宙弦所引发的全部效应，甚至更多。到目前为止，还没有证据支持这种理论，但它重新燃起了人们检验宇宙弦产生的宇宙学现象的兴趣。

这些东西都与《星际迷航》里的弦多多少少有些相似，不过区别当然还是有的。通过宇宙弦形成的方式我们就可以知道，它是不可能以碎片的方式存在的。它们只能以闭合的环状或者单根蜿蜒穿过整个宇宙的曲线状存在。除此之外，虽然它们有着巨大的质量密度，宇宙弦对于遥远的物体没有任何引力作用。只有当宇宙弦经过时，物体才能感受到一个瞬间的引力作用。不过，这些都是很细微的问题；整体上来说，在宇宙弦的问题上，《星际迷航》的编剧们处理得还是相当好的。

7．量子计算

《星际迷航：下一代》最后一季的“平行世界”[29]一集是相当棒的，沃尔夫在这集里开始在不同的“量子现实”之间跳跃。虽然有一些错误，但是这集触及量子力学里最引人入胜的一个方面——量子测量理论。

因为我们生活在量子现象无法被直接观察到的宏观尺度，人们所有的物理直觉图像都建立在经典的宇宙特征上。因此，当我们讨论量子力学时，经常使用经典的语言来描述，以便于更好地解释与了解量子力学的世界。这种方法通常被认为是“量子力学的诠释”，这迷住了许多科学界的哲学家，但这只是徒劳。其实真正应该讨论的是“经典力学的诠释”，即如何用量子力学的一套理论来解释我们看见的经典现象。因为我们的世界实际上是量子力学的，而经典力学只是现实的一种近似而已。

如果一定要坚持用经典概念来解释量子力学现象的话，我们将不可避免地遇到一些看起来自相矛盾或者毫无可能发生的现象。现实就是这样，经典力学注定无法合理地解释量子现象，同时也没有任何理由能够让经典描述放之四海而皆准而不考虑适用范围。

在这样强调之后，我就尽量用不产生误导的方式来解释以下问题，不过还是使用经典力学的术语，因为这样最合适也最方便。虽然和其他物理学家一样，我也可以用合适的数学语言来描述量子力学，但我所依赖的物理图像都是直接源于经典世界的经验的。

我曾在第五章间接提到过，量子力学最明显的一个特点就是：物体被观测到具有某些属性，但这些属性在被观测前都不能说是它所具有的，直到观测发生的那一瞬间才确定。观测这一行为本身将会改变我们考虑的物理系统的状态。系统的量子力学波函数完全描述了这个系统在任意时间的状态，并且其随时间的演化方式也完全由物理定律来决定。但是，让结果看起来诡异的原因是：波函数能够同时包含两种或者以上无法并存的状态。

举个例子，如果一个粒子沿着顺时针自旋，那么就说它自旋“向上”；如果沿着逆时针自旋，就说它自旋“向下”。现在，一个粒子的量子力学波函数可以将两种相同的可能性加在一起：自旋向上和自旋向下。但是如果你测量自旋的方向，你只能测到它要么向上要么向下。一旦你实施了测量，粒子的波函数将从那时起只包含你测出的那个分量；如果你测到自旋向上，那么你接下来的测量中它都表现为这个值。

这种图像将带来一个问题。你可能会问，一个粒子在测量以前是怎么同时自旋向上又自旋向下的呢？正确的答案是它哪个状态都不是。它自旋的状态在测量以前是不确定的。

量子力学波函数在描述一个物体时并不限定于单一的可观测量，而在我们考虑活的东西时，这个事实尤其令人烦恼。最著名的悖论就是“薛定谔的猫”（20来岁的埃尔温·薛定谔是19世纪那个时代的先锋青年，当时他帮助揭示了量子力学的原理。著名的量子力学波动方程就被称作薛定谔方程。）想象一个盒子，盒子里有一只猫。而固定在盒子上的枪瞄准着这只猫，枪口后连着一个放射源。这个放射源在任何给定的时间里有特定概率发生衰变。当它发生衰变的时候，这把枪就会开火杀死这只猫。那么，在我打开这个盒子之前，描述这只猫的波函数是死猫和活猫的线性叠加吗？这看起来很荒谬。

类似地，我们的意识总是唯一而清晰的，并不是不确定的。意识的行为是一种测量吗？如果是的话，那么我们就可以说在任何瞬间都有一个非零的量子力学概率，决定着一系列不同的结果产生，而我们的意识行为决定了我们经历哪种结果。那现实将有无穷多可能性的分支。在每个瞬间，我们的意识决定了我们所处的分支，但是其他无数的可能性也都先验地存在着。

这种量子力学的“多重世界”的诠释——比如在量子力学波函数的其他分支里，史蒂芬·霍金正在写这本书，而我则为其写了前言——就是可怜的沃尔夫的苦难之源。事实上，戴达在剧集中也说过不少这样的话。当沃尔夫的船穿越“时空量子裂缝”的时候，他同时发射了“子空间脉冲”，就“破坏”了不同量子现实之间的屏障，导致他开始在波函数的一个分支上随机跳到另一个其他时间的分支上去，经历了无数可能的量子现实。这当然在真实世界里不可能发生，因为一旦做出了测量，这个系统包括测量仪器（在这个例子里连沃尔夫本身也算“测量仪器”）都发生了改变。一旦沃尔夫经历了一种现实，就再也回不去了……或者我应该从另一个角度来说，那经历本身就是现实。而这是量子力学的本质所要求的。

在同一集中，还有另一个量子力学的特征被提到了。进取号的船员们能够分辨来自另一个“量子现实”的理由是，在他“原子层级的量子信号”与这个世界的不同。根据戴达的说法，这种信号是独一无二的并且无法被任何物理过程所改变。这当然是有编造成分的技术黑话；但是这确实与量子力学中一些有趣的东西有关。一个系统所有状态的完全集叫作希尔伯特空间，是由德国著名数学家希尔伯特命名的。除此之外，他还差点在爱因斯坦之前发展出广义相对论。希尔伯特空间有时候会分开成离散的区域，叫作“超选择区”。在这种情况下，没有局域的物理过程能够从一个区移动到另一个区。每一个区都被一些特定的物理量标记了——例如，系统的总电荷量。如果把这件事说得更有韵味的话，那么就可以说这个量为该区域提供了一个独一无二的“量子信号”，由于所有局域的量子操作都保持在同一区域，那所有操作和观测的行为都被这个量决定了。

但是同一个系统中不同的量子力学波函数的分支必须在单独的超选择区里，因为原则上它们中的任何一个都是在物理上可以实现的。所以，沃尔夫的不幸之处在于，即使他从一个分支跳到了另一个分支后，违反了量子力学的基本原则，也不会有其他现象来证明他的经历。

量子力学以多重世界来诠释的关键点（或者对类似现象的其他诠释）在于你永远不可能同时经历一个以上的现实。而且值得庆幸的是，还有其他物理法则将阻止这种不合理的现象，比如这集最后在不同现实里出现的大量进取号。简单的能量守恒——纯粹的经典概念——就能够阻止它。

事实上，我知道有的文学作品里提到，不同的量子现实是可以进入的，而且在时间旅行也可能发生的背景下，更得到了巨大的拥护与支持。我之前说的时间旅行的悖论，有人就提出通过进入不同的量子分支来解决。这样的话，如果有人改变了未来，那就进入了另一个量子现实，不再是你开始的那个分支，从而避免了许多的问题。虽然这个解释听起来很好，但是我并不买账，因为我坚信它违背了许多量子力学基本的前提，包括可能性的守恒。但是不管怎样，在《星际迷航：进取号》中，那个完美的时间旅行者，船员丹尼尔斯经常用一些与时间旅行有关的神奇的量子设备，让这部剧变得很有趣味。我最喜欢的就是“量子识别器”，它可以帮助你标定要去的那个时间和日期。看来31世纪的物理学已经十分发达了，在高中的每个桌子上都摆了一台量子识别器。

不过在这本书第一版发行后，现实中又有了新的进展。它体现出量子力学最怪诞的方面：一个物体在被观测之前，可以同时处在任意数量的不同状态上。这个新进展名字就是“量子计算”，最初可能是由理查德·费曼提出的，但是也被IBM的物理学家们进行了深入的研究。他们在量子隐形传态方面有着很大的影响，如果有可能的话，这还将关系到大规模量子计算机的建造。

量子计算背后的想法是相对简单的。普通的计算都是通过对比特的操作来完成的，而比特就是独立的逻辑存储单元，标记为1或0。对比特的逻辑操作就是驱动我们现代世界的基本计算方式。量子计算机用的就是“Q比特”，或者“q比特”而不是通常的比特。q比特最简单的例子就是我之前说的粒子自旋。典型的做法是把自旋向上称作1，自旋向下称作0。但是正如我前面说的，在做任何测量之前，量子力学要求粒子实际上要同时处在所有可能的自旋方向上（在适当的配置下）。所以量子计算的想法就是利用单个q比特的这种性质，使用它的各种状态在同一时间来进行计算！只要我们在计算过程里不去测量单独的q比特（这将让它们回到上或下的确定状态），很容易想象这样的计算机将比现在的设备快上相当多的数量级，因为它可以进行大量的并行计算。在原则上这是可能发生的，而且量子计算机也确实有些独特的功能，比如说大数的质因子分解，这对普通的计算机来说有可能将花费比宇宙年龄还长的时间，而量子计算机在有限的可操作的时间里就能完成。要是这还不让你惊讶的话，下面这个你可能会感兴趣的。现在所有银行为保证信息安全所采用的加密方式就是基于大数质因子分解的。现阶段的话，这种密码是不能被计算机强行破解的，但如果量子计算机实现了的话，这种安全加密方式将退出历史舞台。

不过，量子计算机最大的问题就是要保证各个部分的“量子相干性”，甚至包括从q比特到q比特之间通过器件传递的信号。对于量子隐形传态来说，这就意味着系统需要跟外界的所有噪声和相互作用隔离开来。这实现起来是十分困难的，尤其是对宏观尺寸的系统来说，不过我们也可以拭目以待。《星际迷航》里量子计算机是可能存在的，因为对于星际联邦来说资金根本就不是一个重要的问题。毕竟，如果银行账户和商业贸易的安全都无法保障的话，那还何谈金钱的问题呢？

8．孤子

在《星际迷航：下一代》“新天地”[30]一集中，进取号帮助比来纳III行星的杰多博士进行了实验。这里的“孤子波”是没有子空间色散产生波前畸变的一种波，打算用来驱动一艘试验船来进行没有曲速引擎的曲速航行。这个系统要求在航程的末端有一颗行星，以提供一个散射场来使孤波消散掉。这个实验的结果几近灾难，不过理所当然地在最后一刻化险为夷了。

孤子不是《星际迷航》编剧的发明。它是“孤波”的另一种说法，并且来自于1834年苏格兰工程师约翰·斯考特·拉塞尔最初观察到的一种现象。在为爱丁堡联合运河协会指导运河驳船设计的研究时，他发现了一些奇怪的现象。他原话是这样的：

我当时正在观察一艘小船的运动，它由两匹马在岸边拉着拉着沿窄河道快速地滑行。在船突然停下来的时候，它推动的那些水流并没有随之停下来，而是在船头剧烈地波动，聚集起来，然后突然离开那里，快速地向前滚动，呈现出一种圆润光滑的形状，清楚地形成一团的独立水波。接下来水波还在河道里持续前进，并没有明显地变形和减速。我骑上马背追赶着它，而水波仍以十四五千米每小时的速率前进着，保持着最初的形状——10米长，半米左右高。之后它的高度逐渐减小，最终在追赶了两三千米的路程之后，它在一个弯道上消失了。在1834年的那个八月，我初次看见了那样独特而美丽的现象，我把它称之为平移波。

斯考特·拉塞尔接下来创造了“孤波”一词来形容这个奇妙的现象，而这个术语就留存下来了，甚至以孤子一词在物理的不同分支领域里反复出现。更一般地来说，孤子就是非耗散的，可以点到点传播的，并以经典方式延展但大小有限的物体。事实上，正是由于这一点，在“新天地”剧情中那样的灾难才得以避免。首先，孤子不会“发射大量的无线电干扰波”。如果这样的话，它的能量将很快耗散掉。同样的道理，它也不会持续的获得能量或者改变频率。

通常的波是延展的物体，而且会在传播过程中耗散能量。但是，经典的力——来自于空间中称作“场”的一些作用——通常保持孤子的完整性，所以它们可以在环境中传播而不损失能量。因为它们是运动方程的能量自洽解，原则上它们表现得像基本粒子一样。事实上，在某些数学模型里，考虑束缚夸克的强相互作用后，质子可以被看成是一种孤子，要是这样的话，我们都是由孤子组成的了！基本粒子物理中提出了一些新的场可能形成“孤子星”——一个恒星尺寸的物体就是单一一个干涉场形成的。这样的东西目前还尚未被观察到，但确实是可能存在的。

9．类星体

在“天马号”[31]一集里——其中说到了禁止联邦使用隐形设备的《阿尔杰隆条约》——皮卡德的进取号正在探索梅可利亚类星体。更早之前，在原初系列的“伽利略号上的七人”[32]里，我们了解到最初的进取号有一个长期的命令就是去研究他们所遇见的星体。但不可能有星舰会在银河系边缘航行的时候遇见类星体这种东西。这是因为类星体是宇宙中已知的能量最高的星体（它们辐射的能量堪比整个星系，而同时又小到无法用天文望远镜看到）。类星体被认为是一些星系中心的巨大黑洞，同时还在不停地吞噬着宿主星系的中心物质。这是现在提出的唯一能够解释观察到的类星体能量与尺寸差异的机制。因为物质落入黑洞时会放出巨大的能量（因为损失了引力势能）。如果星系中心存在着数百万甚至数十亿太阳质量的黑洞的话，它们就可以吞噬整个恒星系，从而放出足够的能量来形成类星体信号。正是由于这个原因，类星体经常被称为“活动星系核”。同样也是这个原因，你也不想太过于靠近这种星体，因为这种接触将会是毁灭性的。

10．中微子

中微子是我在自然界里最喜爱的一种粒子，所以我把它留到最后来说。我将研究的相当一部分精力花在了这些小东西上，因为我们对它知道得太少了。而且中微子会告诉我们很多关于物质的基本结构以及宇宙的基本性质的信息。

在诸多《星际迷航》的剧集里，中微子曾多次被星舰使用和探测。例如，中微子读数增加就被认为是物体穿过贝久虫洞的信号。在“死敌”[33]一集中，乔迪·拉弗吉的眼镜可以探测中微子，所以当中微子信标被发射出来定位的时候，他才能够从不宜居住的星球上被救出。

在“权利竞争”[34]一集中还遇到过一种“中微子场”，一时干预了想要通过传送装置来登上进取号的某些非肉体生命的罪犯。

中微子是在解决中子衰变问题的时候，首次被预言存在的。虽然中子在原子核里是稳定的，但是自由中子平均十分钟就会衰变一次，变成质子和电子。电荷在这个过程中没有出现问题，因为中子是电中性的，而质子带一个单位正电荷，电子带有等量的负电荷。质子与电子的质量之和也差不多是中子的质量，所以在衰变过程中也没有多少富余的能量来产生其他有质量的粒子。

但是在衰变过程中，有时候质子与电子被观察到往同一方向行进。这是不可能的，因为每个被发射出的粒子都带有动量。如果最初的中子是静止的，动量为零的话，那么在衰变过程中，产生的粒子们的动量应该向着不同方向，以保证总动量为零。

为了解决这个问题，20世纪30年代沃尔夫冈·泡利提出了一种假想粒子，被恩利克·费米命名为“中微子”（意思是“微小的中子”）。他选择这个名字是因为泡利的粒子要求电中性，这样才能符合衰变过程中的电荷守恒；而且还必须拥有很小的质量或者零质量，为了恰好利用上在放出质子与电子之后剩下那部分极少的能量。

因为中微子是电中性的，而且还不参与强相互作用（一种束缚夸克与束缚原子核的作用），它们就只会与普通物质发生很弱的相互作用。不过由于中微子是核反应——也就是使太阳发光发热的那种反应——产生的，到处都会有它的踪迹。每天来自太阳的中微子，会以每秒钟每平方厘米6000亿个的数量穿过我们的身体——这样无情的猛烈攻击甚至还激发了约翰·厄普代克的创作灵感。不过你甚至都没有发现中微子的包围，因为它们在穿过身体时不会留下任何痕迹。平均来说这些太阳中微子可以穿过一万光年距离中分布的物质而不与之发生相互作用。

如果这样的话，你可能会问，我们怎样才能确定中微子不仅仅在理论上，而是在现实里存在的呢？在这一点上，量子力学展现了它的奇妙之处，为发现中微子提供了可能。这也就是我在上文中使用“平均来说”的原因。虽然绝大多数中微子会穿过一万光年的物质而不与之发生相互作用，但是如果中微子足够多，而靶足够大的话，那么就有运气能碰上一次反应。

这个想法最初是在1956年被弗雷德里克·莱因斯和克莱德·科温用上的，他们把一个数吨重的靶放在了核反应堆旁边，观察到了一些反应事件。发现中微子的事实（实际上是反中微子）比假设晚了20年，甚至也远远晚于大多数物理学家接受它存在的时间。差不多在40年以后，本书第一版发行的那年，莱因斯凭借在实验上发现了中微子而获得了诺贝尔奖。

现在我们已经有了更大型的探测器了。首次观测到太阳中微子是在20世纪60年代，是雷蒙德·戴维斯和他的同事在美国南达科他州的霍姆斯特克金矿地下，使用了10万加仑纯净的全氯乙烯探测到的。平均每天会有一个来自太阳的中微子与氯原子反应使其变为氩原子。我们应当向这些实验学家致敬，因为他们竟然能探测到以如此低的速率进行的核反应。但是最后他们的探测器以及接下来其他的探测器所得到的结果，都与理论预期的速率不吻合。这就是“太阳中微子问题”，从现在的理解来看，正好预示了与中微子相关的新的基础物理的出现。太阳中微子的发现是雷蒙德·戴维斯在20世纪60年代做出的，而他因此在2002年获得了诺贝尔物理学奖。

世界上最大的中微子探测器超级神冈建在日本的一个废弃矿坑中。它容纳了5万吨的水，作为之前5000吨级别探测器的升级版。后者曾是1987年距地球15万光年的大麦哲伦星云的超新星爆发后，探测了其产生的少量中微子的2个探测器之一。而且2002年的诺贝尔物理学奖实际上是戴维斯和小柴昌俊共同分享的，就是因为小柴昌俊指导建造了日本的超级神冈探测器。[35]

现在回到我开始说的话题上来。中微子是物理学家用来探索宇宙，打开观察宇宙窗口的新工具。通过利用每一种基本粒子探测器以及我们常用的电磁探测器，我们可能发现银河系隐藏的奥秘，而这可能比我们实际出发探索银河系还要更早。当然，要是我们能发明出乔迪眼镜大小的中微子探测器的话，那将会有很大的帮助！