作者：（美国）劳伦斯·M.克劳斯
出版社：海南出版社
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星际迷航物理学试读：
序 言
戴达邀请牛顿、爱因斯坦和我一起参加进取号上的这场纸牌游戏，对此我感到有些受宠若惊，因为他们两位都是引力研究领域的大师，尤其是那个不相信概率，或者说不相信上帝会掷骰子的爱因斯坦。在游戏中一直处于下风的我，现在突然有了一个扭转牌局的大好机会。然而即便我赢了这场游戏，也没有机会拿到应得的奖金。因为此时有人拉响了红色警戒，这场游戏不得不宣告中断。事后我曾试图联系派拉蒙影城，想让他们把我手中剩余的筹码兑换成现金，不过他们以不清楚这两者之间的兑换比例为由，委婉地拒绝了我。（译者注：霍金曾出演过《星际迷航》第六季最后一集）《星际迷航》这类科幻作品在娱乐大众的同时，也被赋予了另一个严肃的使命—开拓人类的想象力。我们目前可能没有什么办法去探索那些宇宙中的荒漠，但我们至少能够在大脑中想象这些场景。我们不仅可以推测未来科技的发展方向，甚至可以大胆设想人类会对这些科技发展做出怎样的回应。其实科幻作品和科学发展之间是相互影响、相互作用的。科学家有时会借鉴科幻作品中的一些设定，并把它们运用到真实的科学理论当中；有时则会发现一些比科幻作品还要奇幻的科学理论。“黑洞”就是个很好的例子。其实最初它不叫黑洞，而是被叫作“冻成一坨的星域”，或是“一坨引力完全坍缩的物体”。“黑洞”这个简短但意境深邃的名字，是受物理学家约翰·阿奇博尔德·惠勒的启发，而更改过来的。如果科学界沿用了之前拗口的名字，那么与之相关的科幻作品，可能连现在的一半都没有。
在《星际迷航》和许多其他科幻作品中，都有一个共同的重要设定，那就是超光速旅行。的确，这个设定对整个《星际迷航》的故事构架来说是不可或缺的。假如现在进取号的飞行速度受到了限制，只能和光速保持同样大小，那么就会出现一种奇异的时空现象—对于同样的一段往返银河中心的旅程，从进取号船员的角度来看，不过是短短几年；而从地球上的角度来看，将是漫长的8万年！当你回到地球上打算拥抱阔别已久的家人时，你会发现一切都已沧海桑田，物是人非。
幸运的是，爱因斯坦的广义相对论为我们提供了一个可能的解决方案：人类可以尝试将时空弯曲化，进而创造出一个直达目的地的捷径。尽管这样做会涉及复杂的负能量问题，但我相信人类在未来可以解决掉这些困难，最终掌握弯曲时空的能力。之所以目前没有关于弯曲时空的、令人信服的科研成果，在我看来，是因为这些事情过于虚幻—一旦人类成功地弯曲了时空，那么我们将不仅能够进行快速的星际旅行，甚至还能够让时光发生倒流，这分明就是科幻作品里才会出现的情节。假如美国国家科学基金会出资，支持科学家研究时空旅行这件事儿被泄露出去，那么来自大众的怨声将不难想象—“这不是浪费我们纳税人的钱么！”正是因为考虑到了这一点，在这个领域工作的科学家们才会不遗余力地、试图用“封闭类时曲线”之类的科学名词作为“时空旅行”的暗语，来掩饰自己真实的工作内容。然而事实上，今天的科幻情节，经常会成为明天的科学事实。因此《星际迷航》中涉及的那些物理现象，非常值得我们深入探究一番。宇宙包罗星海，浩瀚无垠。如果我们仅仅把目光停留在这小小的地球上，那么人类的一切文明，也将永远被囚禁于这沧海中的一粟上。史蒂芬·霍金
自 序
读者可能会产生这样一个疑问—为什么要以《星际迷航》为背景来写这本书呢？毕竟吉恩·罗登贝瑞所描绘的只是一个科幻作品，而不是确凿的科学事实啊！的确，《星际迷航》中出现的那些技术奇迹，不可避免地会涉及一些模棱两可的物理学概念，甚至会与我们认知中的宇宙产生偏差。当我写完这本书，站在“尾声”的部分向前回顾时，我不希望它仅仅是一本《〈星际迷航〉漏洞大全》。
然而我发现，“写一本《〈星际迷航〉里的物理学》”的想法，在我脑海中挥之不去。而且我必须向大家坦白，最初正是《星际迷航》中神奇的时空传送器吸引了我，才让我产生了这样的想法。我相信，只要你能够意识到构思出这个庞大的科幻世界需要面对何等的挑战，那么你也一定会不由自主地开始思考计算机、信息高速公路，思考粒子物理、量子力学、核能源、望远镜的构造、生命体的复杂性，甚至是人类灵魂的存在性等一系列问题，当你把这些问题和空间弯曲、时空旅行糅合在一起时，你就会发现这整个思考过程是多么让人难以抗拒。
我忽然意识到，我乐于写这本书的原因，和《星际迷航》在首集播出三十年后的今天仍然受到广大影迷喜爱的原因，是一样的—用《星际迷航》中那个无所不能的、喜欢恶作剧的Q的一句话来讲就是：“对于那些不为人知的、关于各种事物本身存在性的问题，我想逐个得到解答。”其实在我看来，思索这些答案的过程，比真正得到这些答案更有趣。我相信Q会同意我的看法。
正如史蒂芬·霍金在本书序言中所说的那样，《星际迷航》这类科幻作品确实能够拓展人类的想象力。而探索未来世界中的无限可能—包括目光短浅的人类解决国际矛盾和种族矛盾并齐心协力探索外太空的可能性—也确实是《星际迷航》系列能够经久不衰的原因之一。同时，这些无限的可能性也是现代物理学不断创造奇迹的原因之一。不过，正是因为这些可能性是无限的，我只能从中挑出一些具有代表性的问题，在本书中展示给大家。
前几天我在校园里闲逛的时候，曾顺手做了一份非正式的调查报告。数据显示，在英国，那些从未听说过“传送我吧，斯科提”这句话的人，和那些表示自己从来没听说过番茄酱这种东西的人，在数量上几乎是一样的。当我们考虑到星舰进取号的模型是整个美国国家航空航天博物馆中最受欢迎的展品这一事实时—它甚至比馆中那个真正的航天器更受欢迎—我们就不难发现，对于大部分人来说，《星际迷航》是他们对宇宙的好奇心的天然载体。我不觉得还有其他更好的载体，能够让我们在了解现代物理学前沿的同时，了解到未来物理学的极限所在。最后，希望大家能够和我一样，享受这次探索宇宙的旅程。“生生不息，繁荣昌盛。”
修订版自序
当我在13年前，坐在书桌前写下《〈星际迷航〉里的物理学》的第一个字的时候，我完全没有想到这本书会完全改变我的生活，也没有想到这本书会对读者们产生如此巨大的影响，无论他们是不是《星际迷航》的影迷。我当时最大的愿望，就是希望在本书出版后，那些愤怒的影迷不会对我处以私刑，那些一起工作的同事不会对我冷眼相待。
最后事实证明，我担忧的这些事情都没有发生，而且那些呼声最高的书评和我预想的正好相反。在我收到的第一批读者来信中，有人这样写道：“我一直等了20年，才终于在书店的‘科普读物区’找到一本关于《星际迷航》的书！”不仅如此，在本书的专题讲座上，我还遇到了一群七八岁的孩子，手里攥着已经被翻破的《〈星际迷航〉里的物理学》不断地向我问问题；我的同事们也没有对我冷眼相待，而是惊讶于物理科普书居然能挤进畅销榜。最令我感到不可思议的是，这本书居然开辟了一个新的图书种类—《XX里的XX学》。起初，这些类似的书名还仅仅停留在《〈星际迷航〉里的XX学》这种程度。然而不久之后，就出现了《圣诞节里的物理学》和《〈哈利·波特〉里的科学》这种书名……
我甚至有幸参演了由派拉蒙影业拍摄的《星际迷航》中的一些场景，可惜我并没有能够出现在爱因斯坦的牌局中，只是在旁边客串了一下。此外，我还和柯克舰长一起拍了一部电视纪录片，与指挥官瑞克、夸克的扮演者一起消磨时光。
其实在本书出版不久之后，我就收到了关于续作的呼声，并且在接下来的几年中，这样的呼声越来越高。但我认为，我已经在这本书中把想要讲的东西都讲到了。嗯……几乎都讲到了。然而随着时间的推移，《星际迷航》系列又增添了新的作品，同时科学也在不断发展，而且我认为后者的速度要比前者的速度大得多。为了能够让书中涉及的科学知识都能跟上时代，我决定把这本书从头到尾修订一遍，把那些看起来有必要的前沿科技都加进去，同时删掉那些最后被证明有纰漏的争议性言论。
在这个过程中，我还会增加一些和《星际迷航》剧情、甚至一些幕后花絮相关的内容—一个和我在某次讲座中遇到的一个5岁小朋友有关，另一个和进取号上的一位船员有关。不过请各位放心，我会竭尽全力保留在第一版中出现过的那些角色，他们中的绝大部分都会“毫发无伤”。最后，我希望读者能够继续享受这本书中讨论，并且认识到一个更加迷人的事实—现实中的宇宙和《星际迷航》中的宇宙一样浩瀚壮丽，并且不断地为人类献上一场又一场超乎认知的科学奇迹，哪怕是地球上最顶尖编剧精心设计的最不可思议的奇思妙想，也难以望其项背。第一部分一场宇宙级别的纸牌游戏我首先会介绍惯性阻尼器和牵引光束，进而引出时空旅行、翘曲速度、护盾、虫洞，以及各种和时空有关的奇异概念。［第一章］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150 000千米，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—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，发现惯性阻尼器的响应时间大约是60毫秒。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”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。［第二章］爱因斯坦加注
曾有仙女，名号清亮
迅疾叵测，光影摇荡
今赴人间，呈以相对之势
次日归还，却披昨夜星光—佚名“时间，人类最后的疆域。”—或许每一集《星际迷航》都应该用这句话作开场白。早在约50年前播出的、被奉为经典的“明天即是昨天”一集中，进取号就已经能够穿梭时间，进行时空旅行了。（实际上，在更早的“赤裸时间”一集的结尾，进取号就已经经历了一次穿越到3天前的时间旅行，不过是单向的。）当时星舰由于遭遇了“黑星”（当时“黑洞”这种叫法尚未进入大众文化），而被传送回20世纪的地球。在今天，像是虫洞、“量子奇点”这样，经常被用来增添《星际迷航：航海家号》《星际迷航：进取号》等剧集的趣味程度的新奇理念，对剧情的重要程度早已超过了“时空冷战”这类元素。多亏了爱因斯坦和那些沿着他的足迹探索的人们，整个时空的构造才充满了戏剧色彩。
虽然从某种程度上来讲，我们每个人都是时间旅行者，但是我们似乎注定只能朝着一个方向前进—走向未来，因此整个人类的历史，在浩瀚的宇宙中看起来有些可悲。倘使有这样一个机会，能够让我们穿越回过去，重温往日的荣耀，纠正犯下的错误，参拜我们的英雄，甚至避免那些发生过的灾难，又或者仅仅是保留记忆返老还童，难道我们不会不顾一切地去争取吗？每当我们仰望星空，都会唤醒我们关于时空旅行的梦想，然而我们似乎将永远被囚禁在当下。不断激励人们在科幻作品中追寻关于时空的梦想，在现实中探索理论物理的动机，是这样一个问题：我们是否被束缚在一辆隶属于“宇宙货运公司”的、正以时间为轨道不断前行的列车上？
作为现代图书分类中的一大门类，现代科幻小说的起源与时间旅行的问题密切相关。以马克·吐温的早期经典作品《误闯亚瑟王宫》为例，与其说它是一部科幻小说，不如说它是一部纯虚构小说，尽管全书都在讲述一个倒霉的美国人在中世纪英国进行时间旅行时所碰见的种种奇遇。（之所以马克·吐温没有在时间旅行这个问题上进行充分的科学性的描述，可能是因为在“光阴似箭”一集中，他在进取号上向皮卡德许下过诺言，承诺当自己穿过戴维迪亚二号星球，返回19世纪时，不会向当时的人们透露未来的景象。）而赫伯特·乔治·威尔斯的著作《时间机器》，则帮助《星际迷航》剧集树立了一个标准。威尔斯毕业于伦敦帝国理工学院，其小说中进行讨论时所用到的科学术语，和进取号船员交流时所用的语言，几乎一模一样。
可以肯定的是，《星际迷航》中那些最富有创造性、最引人入胜的剧集，都和时间旅行的主题有关。我曾经统计过，在《星际迷航》最初的两季电视剧中，就有不下22集涉及这一主题。此外，在其余三部星际迷航电影《星际迷航：航海家号》《星际迷航：深空九号》和最近的《星际迷航：进取号》中，时间旅行这个主题在剧情推动上都起到了重要的作用。在《星际迷航》中，时间旅行最迷人的地方，或许就是人们几乎没有任何能力来反抗《最高指导原则》。星际舰队的船员们被告诫，不要干扰他们所遇到的那些外星文明的正常历史进程。然而你却可以通过时间旅行回到从前，现在的一切，乃至整个历史，都将不复存在。关于时间旅行的悖论
在科幻小说和物理学两个领域中，人们发现了一个著名的悖论：假如你成功地回到了过去，并在出生前就杀掉了自己的母亲，那么会出现怎样的情况呢？理论上讲，由于没有了母亲，你不可能出生。然而因为你没有出生，你就不可能回到过去杀掉你的母亲。由于你没有杀掉你的母亲，那么你就会顺利出生，并存在于这个世界上。换句话说：如果你出生了，那么你就一定不存在；如果你没有出生，那么你就一定存在。
当你更进一步地思考关于时间旅行的问题时，你还会遇到一些不那么明显，却同样富有戏剧性、同样让人困惑不解的问题。比如在“光阴似箭”一集中，为了把一些重要信息从19世纪发送到24世纪，皮卡德想到了一个机智的办法：他把这些信息的二进制代码输进了戴达的机械头部，因为他相信在大约500年以后，人们会发现这个机械头部，并设法将它重新接回戴达的身体上。正如我们在剧集中看到的那样，皮卡德向戴达的头部输入了二进制代码，然后画面切换到24世纪，拉弗吉成功地把头部接回到戴达的身体上。在观众们看来，这两件事似乎是同时发生的，其实不然。这些二进制代码一旦被皮卡德成功输进戴达头部，就会在漫漫时间长河中度过半个世纪。但假如当拉弗吉在24世纪仔细检查戴达头部的时候，皮卡德没能穿越到过去并改变未来，那么拉弗吉还能收到这条信息吗？可能会有许多人这样想，既然皮卡德没能够穿越到过去，那么他就不可能向戴达的头部输入信息。然而戴达头部被输入信息这个事件确实在19世纪发生了，与皮卡德在什么时间、以什么方式完成这一事件，没有任何关系。因此，即便皮卡德现在还没能成功穿越回过去，也并不影响戴达头部编程事件的发生。总体来说，就是19世纪的原因（皮卡德对戴达头部进行编程）造成24世纪的结果（二进制代码被拉弗吉获取）这一因果链，可以先于24世纪的原因（皮卡德进行穿越）造成19世纪的结果（皮卡德穿越成功，并对戴达头部进行编程）这一因果链发生，从而保证最原始事件（皮卡德对戴达头部进行编程）的发生。
虽然上述这一切看上去都很匪夷所思，但他们的诡谲程度远不如在《星际迷航：进取号》的“时空冷战”中，亚契上校所遇到的那些花样繁多的时间旅行。不过就算是这些错综复杂的时间线，也比不上《星际迷航：下一代》的最后一集中，皮卡德亲手缔造的“终极版弑母悖论”—他引发了一连串的、能够影响整个时空的事件，从而不仅抹掉了他自己的祖先，还毁灭了地球上的全部生命。这其中最具有威胁性的就是包含了“反时间”的“子空间时间畸变”，它会沿着时间逆向延展，最终会在构成生命的原始蛋白形成之前，吞噬新生代地球上的全部氨基酸原生质。这是一个“结果影响原因”的极端例子。很明显，时间畸变是在未来发生的。假如在遥远的过去，子空间时间畸变成功地摧毁了地球上的第一批生命，那么地球上就不可能孕育出那些更高级的、能够创造时间畸变的文明！
寻求这些悖论的标准答案的过程，在许多物理学家看来，就是要证明一个先验性的结论：在一个理性的宇宙中，绝不允许出现这种悖论。然而问题在于，爱因斯坦的广义相对论方程不仅没有否定这种可能性，甚至还从理论上支持了它。
在广义相对论不断发展的30年中，曾在普林斯顿高等研究院与爱因斯坦共事的著名数学家库尔特·哥德尔，明确提出了一种实现时间旅行的解决方案。用《星际迷航》中的话来讲，就是这个解决方案能够创造一个“时间因果循环”，就像进取号在受到波兹曼号的袭击后，所陷入的那个“循环”一样。现代物理学用干巴巴的术语将其命名为“封闭类时曲线”。不论哪一种叫法，都意味着你能够进行时空旅行，并在旅途结束后回到最初的时间、最初的地点！库尔特·哥德尔提出的解决方案涉及另一种宇宙，这种宇宙和我们所处的宇宙的不同之处在于，它并不会持续扩张，而是会匀速旋转。从理论上来讲，在这样的宇宙中，人们只需要在空间中转一个巨大的圈，便可以实现时间上的回溯。尽管这种宇宙和我们所处的宇宙大相径庭，但它确实能够证明，利用广义相对论可以实现时间旅行。
在课堂上，我总会向我的学生们讲到这样一个格言：那些可能性不为零的事件，最终必然会发生。正如戴达在“平行世界”一集中谈到量子力学定律时所言，“一切有可能发生的事，最终都发生了”。我认为，在探索《星际迷航》中的物理学时，我们应该将这个格言牢记于心。需要我们认真思考的，并不是可操作性和不可操作性的差别，而是可能性和不可能性的差别。
爱因斯坦当然也考虑到了这一点。他曾经写过这样一段话：“库尔特·哥德尔在《时间机器》中所提出的解决方案，事实上涉及另外一个问题，而这个问题在我创建广义相对论的时候就已经困扰过我，当时我并没有把这个问题搞清楚……有趣的是，人们似乎应该将已有的物理学基础定律抛在脑后，从而重新思考这个解决方案。”
物理学家们现在有了一个前所未有的挑战：虽然广义相对论方程似乎支持时间旅行，但是假如有其他的“物理学基础定律”和广义相对论发生冲突，人们该怎么办？我们想要讨论这些问题，就必须超越广义相对论这一经典理论，进入到一个更高层次的、充满黑暗的领域。在这个领域中，量子力学不可避免地会涉及时间和空间本身的性质。在探索的道路上，我们会像进取号一样遇到黑洞和虫洞。但首先我们必须及时将自己传送到19世纪后半叶。相对论与时空
空间和时间的“姻缘”，是伴随着1864年电与磁的结合而产生的，这段姻缘预示着现代科技的开端。另一方面，这一伟大的成果，是建立在安培、库仑、法拉第等杰出物理学家不断积累的成果之上，并最终由才华横溢的英国物理学家麦克斯韦总结而成的。麦克斯韦总结出的“麦克斯韦方程组”，不仅描述了电磁间的相互作用，也暗示了“电磁波”的存在。电磁波能够在宇宙空间中自由传播，其速度可以通过已知的电磁性质计算出来。最终人们发现，这个速度和早先测得的光速是一样的。
自牛顿物理学时代开始，就有一个争论不休的问题：光究竟是一种依靠介质传播的波，还是一种不需要介质就能传播的粒子呢？麦克斯韦通过实验进行观测，发现电磁波确实存在，并且传播速度和光速一样，从而为这个问题画上了一个完美的句号：光是电磁波的一种。
任何波都是一种行进式扰动。如果说光是一种电磁扰动，那么在光传播的过程中，受到扰动的介质又是什么呢？这个问题成为19世纪末的科研热点。早在亚里士多德的年代，人们就给这个假想的介质起了一个名字—以太，不过这种物质远远超出了人们的观测能力。在1887年，分别在两家不同的科研机构（这两个机构后来在1967年合并了，即我曾经工作过的凯斯西储大学）工作的阿尔伯特·迈克耳孙和爱德华·莫雷，进行了一项科学实验，其目的并不是直接测量以太，而是间接地测量以太产生的效应：既然我们已经假定以太充斥于整个空间，那么地球就必然在以太中运动，因此当光线朝着不同方向传播时，就应该表现出不同的速度。尽管阿尔伯特·迈克耳孙和爱德华·莫雷最终没有观测到他们想要的实验结果，该实验还是成为19世纪最重要、最有影响力的一项实验。事实上，正是因为他们没有观测到以太对地球运动造成的影响，他们的事迹才能被铭记至今。（在这以后，阿尔伯特·迈克耳孙继续从事他的科研事业，最终凭借自己在光速方面的科研成果，成为第一个荣获诺贝尔物理学奖的美国人。至今我都对他在100多年前进行的科研工作感到无比骄傲。爱德华·莫雷则成为一位享有盛名的化学家，成功确定了氦元素的原子量，在许多其他科研项目上也颇有建树。）
诚然，这个并未成功的实验的确对物理学界造成了一定的影响，然而就像其他具有划时代意义的重大发现一样，只有那些已经意识到当时的电磁学存在许多漏洞的人，才能发现隐藏在这个实验背后的真相。就在阿尔伯特·迈克耳孙和爱德华·莫雷进行试验的同时，一位年仅8岁的高中生开始独自挑战与这些悖论有关的难题。在1905年，他成功地解决了这些难题，此时他也才仅仅26岁，这个人就是爱因斯坦。正像物理学每一次取得重大飞跃时所常常出现的那样，爱因斯坦的研究成果带来的一系列新问题，比这些研究成果能够解决的旧问题还要多。
这些后来成为狭义相对论理论核心的研究成果，是建立在这样一个简单而又不可思议的事实基础上的：只有当无论人相对于光以怎样的速度移动，都不影响人观测到的光速时，麦克斯韦的理论才能成立。然而这个事实基础完全有违常理。当一个探测器离开进取号，并以一定速度进入到宇宙中时，位于它下面的星球上的观测者，会看到探测器呼啸而过，其速度要远远大于进取号上的船员从舰窗中观测到的速度。然而爱因斯坦已经意识到了，麦克斯韦的理论只有在光波表现出不同运动特性，即只有在两个观测者测的光速完全相同，测量结果完全不受观测者之间的相对运动所影响的情况下，才能完全成立。因此，假如我指挥进取号从战舰前部射出光束，那么这束光就会以光速射向罗慕伦帝国的战机。如果此时罗慕伦帝国的战机正以四分之三光速接近进取号，那么战机上的敌人仍然会看到光束在以正常光速接近他们，而不是一又四分之三光速。这样的事情可能会让一些《星际迷航》的影迷产生困惑。因为从直觉上来讲，假如进取号正在以近光速的速度飞行，而另一艘星舰以同样的速度反方向飞行，那么从进取号射出的光束应该永远也追不上另一艘星舰（因此另一艘星舰就不可能观测到进取号）。然而实际上，另一艘星舰上的船员是能够看到进取号射出的光束的，并能观测到这束光正以标准的光速接近他们。
仅凭这一点，还不足以让爱因斯坦的大名家喻户晓。他更伟大的贡献，其实是阐明了隐藏在表象背后的科学原理，尽管这些表象看起来毫无道理可言。根据我们的日常生活经验来判断，只有时间和空间才是绝对的，速度则是相对的：人们所观测到的物体的运动速度，最终取决于观测者自身的运动速度。但是当一个人以接近光速的速度运动时，速度就成了一个绝对的量，相应的，空间和时间便成为相对的量！
之所以出现这样的情况，是因为“速度”这个物理量被定义为“在一段特定时间内通过的距离”。因此，对于处在相对运动中的观测者来说，只有“秒”和“米”都变成了相对量，他们才能够成功观测到等距离运动的一束光—例如同一束光，在1秒内运动30万千米这个事件，在不同的观测者看来，这其中的“秒”和“米”都是不同的。在狭义相对论里，“最糟糕的事情”发生了—“秒”和“米”都变成了相对的量。
总而言之就是，无论观测者的相对速度有多大，他们所测得的光速都应该是一样的。从这个简单的事实出发，爱因斯坦总结出了如下4条关于空间、时间、物质的结论：（1）对于观测者A来说在两个不同地点同时发生的两个事件，在与A做相对运动的观测者B眼中，不一定是同时发生的。每个观测者的“现在”都仅仅是对他们自身而言的，“以前”和“以后”都是相对的。（2）星舰上所有和我做相对运动的时钟，在我看来都比我的手表要慢一些。也就是说，对于所有正在运动的观测者来说，时间都 会放慢。（3）对于所有在和我做相对运动的星舰上的量尺，在我看来都比我手中静止不动的量尺要短一些。也就是说，包括星舰在内的所有物体，只要他们开始运动，其尺度就会跟着缩小。（4）对于所有具有质量的物体来说，它们的质量会随着运动速度的增加而增加。当它们不断接近光速时，他们的质量便会无限增大。因此，只有无质量的物体，比如光，才能真正以光速进行运动。
我并不打算在这里对相对论涉及的那些奇异的悖论进行评价，而只打算强调这样一点：无论你是否相信，这4条结论都经过了实验的检测是正确的。科学家们曾经将原子钟带到高速飞行的飞机上，结果他们发现，当飞机返回地面时，其运载的原子钟要比一直处于地面的原子钟慢一些。位于世界各地的高能物理实验室，都把狭义相对论的结论当作面包牛奶一样的日常用品，用于科学实验之中。人们将不稳定的基本粒子加速到接近光速，发现这些粒子的寿命出现了巨大的增长。当电子处于静止状态时，它的质量仅为质子的二千分之一；然而当电子被加速到接近光速时，它的动量（物质质量和速度的乘积）便会和那些重得多的质子不相上下。假如在电子被加速到光速的0.999 999 999 999 999 999 999 999 999 999 999 999 999倍时撞到了你，那么它带来的冲击力将不亚于一辆正常行驶的马克卡车。
当然，对于我们来说，想要一下子接受相对论中那些关于时空的奇异结论是十分困难的。其原因就在于，我们在日常生活中所遇到的运动速度要远远低于光速。只有当人们以“相对论”速度运动时，才能体验到上述种种神奇现象。退一步讲，即便只达到光速的一半，时钟也会慢15%，同时所有的量尺也会缩短15%。美国国家航空航天局的宇宙飞船能够以8千米每秒的速度绕地飞行。这个速度虽然很快了，但是这艘飞船上的时钟，与地球上的时钟相比，也只是慢了不到千万分之一。
然而，在进取号这类星舰所处的高速运动的世界中，相对论便成为一个日常问题。在星舰的航行过程中，不可避免地会带着舰上的众多钟表一起接近光速。大家可以想象，让这些钟表在广袤的银河系中保持同步将是一件多么困难的事。因此，星际舰队做了一项明文规定，将星舰的正常冲量速度限制为0.25 c，也就是四分之一光速，即75 000千米每秒。
即便有了这项规定，在星舰以0.25 c飞行的过程中，其时钟还是要比星际舰队指挥部上的时钟慢3%多一点。这就意味着，在为期一个月的航行过程中，星舰上的钟表几乎会慢整整一天。如果此时进取号返回星际舰队指挥部，那么正确的返回时间应该是星期六，而不是进取号上显示的星期五。此外在地球上，每当船只途经亚洲并穿越国际日期变更线后，船员们都需要重新对表。我觉得没有比这更糟的事了，除非在这次航行后船员们真的年轻了一天。然而这是不可能的，因为虽然当你向东航行的时候会额外多出一天，但你返程的时候这多出来的一天就没了。
现在你应该能明白，曲速引擎对进取号来说有多么重要。因为它不仅能够让星舰不必达到极限速度—光速—就能够成功穿越银河系；还能够避免星舰亚光速飞行时遇到的时间膨胀问题。
我想，相对论的重要性已经无须再强调了，而且许多科幻作家（以及所有梦想着实现星际旅行的人）都接受了“钟慢尺缩”这个事实。这将为人们—特别是对那些想亲自乘坐星舰的人—在有生之年，实现遨游星辰的梦想开辟了一条道路。不过即便是以亚光速飞行，一次通往银河系中心的旅程，以地球上的时间来计算，也要花费25 000年。然而这段时间在星舰上的人看来，则不超过10年。虽然时间依旧很长，但至少是人类能够接受的。虽然这为个人性质的星际探索提供了可能，却无法让分散在银河系各处的文明形成一个联邦。正如《星际迷航》编剧所推测的那样，对于同一个航行任务，对进取号来说需要10年，而对星际舰队指挥部来说，这段航行将耗时25 000年。这对任何希望能成功调度航行团队的指挥部来说，都是一个令人绝望的事实。因此，以下两点可以说是星际航行中的铁律：（a）为了避免让星际舰队指挥部疲于同步时间的苦役，禁止光速飞行；（b）为了真正能够畅游银河系，必须超光速飞行。
然而单就狭义相对论而言，上述的情况（b）是无法实现的。因为一旦真的出现了超光速现象，那么整个物理学就会出现各种与事实相矛盾的理论。其中最具有代表性的一个矛盾就是，随着一个物体不断接近光速，它加速所需要的能量就越来越大；然而在该物体得到这些能量后，其自身总能量反而在减少。正像古希腊神话中，英雄西西弗斯被众神惩罚，需要用尽一生来将一块巨石推上山顶，然而每次快到山顶时巨石都会回滚到山脚下那样，即便是耗尽全宇宙的能量，也不足以让我们推动哪怕是一粒比星舰轻上千万倍的尘埃，使它超过光速。
出于同样的原因，包括光在内的所有无质量射线都必须以光速运动。这就意味着，进取号和之后的航海家号所遇到的那些“纯能量”形态，实际上很难真正存在。首先，这些“纯能量”不能处于静止状态，因为光是不可能被减速的，更不用说让光在真空中停下来。其次，任何被限定以光速进行运动的智慧能量体（例如《星际迷航：航海家号》中的“光子态”智慧能量体、《星际迷航：下一代》中，位于贝塔丽娜星云的智慧能量体、《星际迷航：原初系列》中的“泽塔瑞恩”，以及《星际迷航：深空九号》中的“达罗克”），与我们相比，都会处于一个无限缓慢的时间尺度里。我们整个宇宙的历史长河，在他们看来不过是转瞬即逝。即便这些智慧能量体打算把全宇宙所有的事物都体验一遍，也用不了眨眼的工夫！更不必说与其他生命接触了，这些智慧能量体还没来得及与其他有形的生命产生互动，这些有形的生命早就已经消亡殆尽了。
说到时间，我想是时候介绍一下著名的“皮卡德回旋”了。让-卢克·皮卡德因为在占星者号上提出了这个战术而名声大噪。尽管这个战术涉及曲速旅行，或者说超光速飞行，也就是以我在前面介绍狭义相对论时已经被证明不可行的旅行速度来飞行，但我仍然觉得在这里提一下这个概念也未尝不可，毕竟它和我们接下来的讨论密切相关。在“皮卡德回旋”战术中，为了迷惑意图进攻的敌方星舰，己方星舰需要在某个瞬间达到翘曲速度。这样一来，这艘己方星舰在敌人眼中就同时出现在两个不同的地点。这是因为，星舰达到翘曲速度后行进速度比光速快，超过了刚开始运动时从星舰上发射出去的光线（即星舰在旧位置时的影像信息）。这样，敌人就同时看到星舰在新旧两个位置的影像。这是一个绝妙的战术—而且它也没有出现任何逻辑上的矛盾（在这里我们不考虑星舰是否能达到翘曲速度）—你现在亲自见证了一个装满蠕虫的潘多拉魔盒。首先，这引出了一个自《星际迷航》播出以来不断被影迷质问的一个问题：当进取号进行曲速飞行时，其上的船员是如何看到飞向星舰的物体的？就像占星者号能够追上自己的影像一样，任何进行曲速飞行的物体都能做到这一点；然而从观测者的角度来讲，只有当这些曲速飞行的物体到达目的地时，人们才能看到它移动时的影像。因此观众们只能这样认为，即柯克、皮卡德、珍妮薇、亚契在星舰屏幕上调用图像时，看到的其实是来自遥远的神秘“子空间”（即超光速通讯）的传感器合成出来的图像。即便无视这些明显的剧集设定的漏洞，《星际迷航》所描绘的宇宙也仍旧是迷人但无法通行的，其中充满了在很早很早以前，进行曲速飞行的那些星舰所遗留下来的幽灵般的残影。冲量引擎
现在让我们一起回到亚光速的世界：此时我们还没有摆脱爱因斯坦理论的束缚。作为狭义相对论的一项重要结论，爱因斯坦所提出的2质能方程，即E=mc，为人类实现冲量速度旅行带来了新的挑战。正如我在第一章中所讲的那样，火箭是一种为了实现向前运动，而向后喷射物质的装置。不难想象，喷射物质速度越大，火箭获得的向前的冲量也越大。然而任何喷射物质的速度都不可能超过光速。即便是达到光速，也不是一件轻而易举的事儿：只有一种办法能够让喷射物质达到光速，那就是使用由物质和反物质（我会在后续章节中进行详细说明）合成的燃料。因为正反物质相遇时会发生湮灭，进而产生以光速运动的纯辐射。
虽然进取号上的曲速引擎使用的是正反物质燃料，冲量引擎却不是。它采用的是核聚变能源—与太阳上不断进行的核聚变反应是一样的，即通过由氢生成氦的反应过程产生能量。在聚变反应中，大约会有1%的质量转化为能量释放出来。正是由于这些巨大的能量，反应生成的氦原子才能以大约1/8的光速从火箭尾部喷射出来。根据推进剂的这一排出速度，我们可以计算出将进取号加速到1/2光速需要多少燃料。（虽然这个计算过程并不复杂，但考虑到阅读的连贯性，我在这里仅仅给出计算结果。）这个结果可能会让你大吃一惊：进取号每次加速到1/2光速时，都必须消耗掉相当于星舰自身重量81倍重的氢燃料。比如像皮卡德所在的进取号-D这类的银河级星舰，其重量超过400万吨，那么这类星舰每次使用冲量引擎加速到1/2光速时，都会需要超过3亿吨的燃料！如果星舰上的冲量引擎采用的是物质-反物质推进系统，情况可能会稍好一些。不过即便是在这种情况下，进取号每次加速到1/2光速，所需要的燃料的重量也是星舰自身重量的2倍。
更糟的是，上述燃料的重量只够星舰完成一次加速。如果星舰需要在目的地停下来，那么还需要额外的81倍于其自身重量的燃料来完成减速。考虑到从星舰开始加速到1/2光速，最后在目的地停下来这个完整的旅途中，星舰需要一直携带着所需要的全部燃料，那么这些燃料的总重量将达到81×（星舰在目的地停下所需要的燃料重量+星舰自身的重量）=81×82=星舰自身重量的6 642倍！而且这还是在加速时间长达数小时的情况下。（当然我们默认，这期间惯性阻尼器能够正常工作，从而保障机组人员和星舰自身的安全；否则G力带来的麻烦便会接踵而至。）此时星舰发动机向后喷射物质的功率将达到2210瓦—即它每工作一秒钟所产生的巨大能量，相当于地球上所有人类所产生和消耗的总能量的10亿倍！
现在，你可能会说—就像最近我和一位智慧过人的同事讨论这个问题时，他所说的一样—这其中貌似有个地方值得推敲啊！没错，这个问题的核心就在于火箭飞行过程中是否需要随时携带着所需燃料，难道不可以一边飞行一边收集燃料吗？毕竟氢是宇宙中含量最多的元素啊，星舰就不能在穿越银河系时顺便把这些氢元素收集起来吗？然而实际上，氢元素在宇宙中的密度是很低的，平均每立方厘米大约只有1个氢原子。如果我们希望星舰每秒钟能收集1克氢原子，那么就需要星舰的速度达到光速的六七成，并且还要有一个直径超过40千米的氢原子收集板。而且就算这些氢原子都能够成功地反应掉，那么产生的能量也只能达到推进所需能量的一亿分之一！
荣获过诺贝尔奖的物理学家爱德华·珀塞尔，曾就这一问题讲过一段话，在这里我稍加修改：你的感觉没错，这件事听起来确实荒谬至极。这种荒谬来自于经典物理和狭义相对论之间的冲突，而且这种荒谬就像你往地面扔一个球它就会下落一样，是不可避免的。不论是现在，还是在遥远的未来，用火箭推进的方式达到亚光速，从而实现星际旅行，都是不可能的！
难道说，这本书就这样结束了吗？难道我们现在只好将《星际迷航》的纪念章寄回，并要求退款吗？请大家放心，我们和爱因斯坦之间的账还没算清呢！他最后提出的、也许是物理学史上最伟大的发现，让星际旅行有了一线希望。四维空间
现在让我们把时间调回到1908年：就在这一年，爱因斯坦提出了时空相对论，并引起了极大的轰动，从此改变了人类对宇宙的认知。同年秋天，数学物理学家赫尔曼·闵可夫斯基写下了那句闻名于世的话：“从今以后，就单独的时间本身和单独的空间本身来说，注定要消失成为幻影；只有两者统一体才是独立存在的。”
可见闵可夫斯基早就意识到了，对于相对运动的观测者来说，即便他们观测到的空间和时间都是相对的—你的表可能比我的慢一点，我测得的距离也比你的要长一点—在时间和空间合并为四维时空的情况下（即三维空间加上一维的时间），人们也能够得到一个“绝对的”客观现实。
闵可夫斯基这一创造性的认知可以用下述的方法来说明。假设每个人都只有一只眼睛能够看到东西，从而失去了对距离的判断。（当你闭上一只眼时，你对物体纵深的感知能力就会减弱。此时我若拿起一把尺子给你看，并让处于另一个位置的人也观测这把尺子，那么就会像图2-1一样，你们两个人观测到的尺子长度将会有所区别。）
由于单眼无法判断距离，因此图中的两个观测者将会把自己看到的二维投影（L和L'），当作是尺子真实的三维长度。然而实际上正身处在三维空间中的我们，并不会像图中的观测者一样受到欺骗。我们很清楚，从不同的角度观测同一物体，虽然从视觉效果来看它的长度确实会不同，但这并不会改变它的真实长度。闵可夫斯基提出的时空概念与之类似，即假定我们所处的三维空间是四维时空在低维度上的一个投影，那么相对论涉及的那些悖论就都能解释得通了。就像对于同一个三维空间来说，上图从不同角度观测的两个人，会感受到不同的二维空间一样；对于同一个四维空间来说，处于相对运动中的两个观测者，也会感受到不同的三维空间。
也就是说，闵可夫斯基认为，处于相对运动中的两个观测者所观测到的空间距离，不过是四维时空距离在观测者所能感知到的三维空间中的投影。同样的，两个事件的“时间间距”，也不过是四维时空在观测者所在的时间线上的投影。正像一个快速转动的三维物体能够让人分不清其长宽高一样，在四维时空中的相对运动也会让观测者分不清“时间”和“空间”。最后还有一点需要强调的是，正如对同一个物体来说，它的真实长度并不会因为观测角度不同而改变一样；两个事件在四维时空上的距离也是绝对不变的—无论观测者处于什么样的“时间”、什么样的“空间”、什么样的相对运动状态，都不会改变这个绝对距离。
因此，“光速对所有观察者一视同仁”这一令人费解的事实，为我们解开赖以生存的四维时空的真相，提供了一条重要的线索。光揭示了时间和空间内在的关联性。的确，正是光速描述了这种关联。
在闵可夫斯基提出“狭义相对论中的时空就像一张四维纸片”这个理念以后，爱因斯坦又用了将近十年的时间，来施展他在数学计算方向上的才华，直到他成功地把这张四维纸片折弯，从而颠覆整个时空旅行的基本规则，顺便拯救了《星际迷航》中那些令人纠结的科学设定。没错，光再一次起到了决定性的作用。［第三章］霍金亮出底牌“你们这些凡人根本不懂时间的本质。它不一定是线性的啊，皮卡德！”—在《曲终人散》中，Q对皮卡德如是说“瓦肯星”（Vulcan），即斯波克的母星，在20世纪的物理学中有过一段庄严的历史。20世纪初期，天体物理学界出现了一件令人困惑不解的怪事：人们发现水星的近日点—即水星在绕着太阳运行时，距离太阳最近的那一点—每过一个水星年就会绕着太阳向前移动一段让人难以察觉的距离，而这种现象并不符合牛顿提出的万有引力定律。有人解释说，这是因为在水星轨道内可能存在着一颗尚未被发现的行星，正是这颗行星造成了上述中的问题。（其实在很早以前，就有人用类似的理论解决了天王星轨道异常的问题，并因此发现了海王星的存在。）后来，这颗假想的行星被命名为Vulcan。
试读结束[说明：试读内容隐藏了图片]