宇宙的背面(txt+pdf+epub+mobi电子书下载)

作者：陈冰

出版社：电子工业出版社

格式: AZW3, DOCX, EPUB, MOBI, PDF, TXT

宇宙的背面试读：

作者简介

在多年科普创作中，原创及翻译了大量科普文章，其中多篇文章被选作高考和中考模拟试卷的阅读题。

做过多年软件开发，并创作了计算机图书十余部，总量超过1000万字。代表作：

获奖众多的nash畅销书《Flash第一步》

先秦文学赏析类图书《2300年的光一成就你一生的先秦国学经典》

策划了在计算机图书业界弓I起巨大反响和广受读者好评的畅销书《大话设计模式》（当当终身五星畅销图书），销量已超15万册；口碑相传的畅销安卓书《第_行代码～Android》（销量巳超10万册）；以及其他众多口碑销量俱佳的优秀计算机畅销图书。

现为独立图书策划人；Web与人工智能开发者；《读者》杂志签约作者。

内容简介

最清澈透明的是宇宙，当你望向星空，你不仅看到了遥远的恒星，你还看到了漫长的岁月；最深奥难解的也是宇宙，当你收回目光，开始沉思，简单的题目却没有答案。

如果有什么可以真正当得起“伟大”二字，那就是宇宙。它伟大到你根本无法面对它，因为你正被它所包围。这本书带你探索宇宙，尝试寻找那些简单题目的答案。

让我向你透露一个秘密，这本书是我读过的关于宇宙的好书之一。说这本书好，是因为它做到了这一点——处理好你和宇宙之间的关系。这本书把宇宙朴素和宽容的一面展现给你，同时也让你感受到宇宙深刻无私的内涵。阅读这本书，你会和宇宙成为朋友。正因为你来自宇宙，因而尽管你只是一个普通人，却也有了悠久的历史。

引言

向大脑接入新的思维，向司空见惯发问，向熟视无睹处第一次投去思考的目光。

要想看清事物，很多时候，你需要的只是转一个角度。你一直生活在其中的宇宙，你所拥有的生命，你却从未认真体会过它们。

本书带你触摸宇宙和生命的极致设计与磅礴气势，在你没有站立过的角度，看到它铁面无私的背面，那是上帝的设计，是冷酷和沧桑，也是慈悲与关怀，是欢笑，也是泪水。

阅读本书，在快乐中惊讶，在惊讶中思考。

序言

有人对人们看书时是否会看序作过一个调查，结果分成两派：必看和必不看的。

对于必看的人，其态度和理由是：作者本人写的序才看；有的序言信息量很大的。

对于必不看的人，其态度和理由是：最讨厌看序言，心情好了看完整本书扫几眼；从来不看，真想把有序言的书都撕掉。

综合两派的意见，我决定自己写个尽量简短的序言。

我是一个科普爱好者，这本书是我酷爱科普的那些年里的硕果。当然，这并不表示我现在不爱科普了，依然爱，但我现在以Web与AI开发者自居。

我一直很爱看科普杂志和科普书，但渐渐发现相当一些科普写得有点无趣，多少有些化神奇为腐朽。而且更重要的是，它们不能引发读者的思考。我觉得科普最大的意义在于四个方面：

一、保持童心和好奇，只有面对宇宙时，你才会重拾儿时的好奇心；

二、建立科学的世界观，避免你犯因为无知而导致的错误；

三、启发开创性的思维，学会向司空见惯和习以为常发问，随时跳出成见与常规；

四、给人希望和勇气，了解你与宇宙之间的关系，明白自己的渺小与独特，从而获得原生的力量。

我力求让我写的科普做到这几点。

这本书包含了我多年间所写科普文章中我最喜欢的那些，同时，还包含了我专为本书创作但从未在杂志发表过的文章。此外，在本次出版前，对于所有的文章，我都基于所涉及的各领域最新的进展和研究成果作了修订和增补。

阅读目录的读者可能会奇怪，为什么一本名为“宇宙的背面”的书会有这么多讲解生命的内容。我要说的是，生命正是宇宙不可分割的一部分。试想，如果没有生命，谁人探索宇宙。谈宇宙不谈生命，就像谈计算机不谈软件只谈硬件一样。

本书的出版，要感谢电子工业出版社的郑志宁老师，她不仅使得这本书得以出版，同时还给我提出了一个极为重要的好建议，用一些承前启后的文字来衔接每篇文章。我觉得很有道理，于是按她说的完成了这项工作，然后发现这让原来有些松散的文章形成了有机的整体。

此外，我在这里还要感谢四位老师——吴岩、星河、胡晓东、王川的支持。谢谢你们！陈冰2017年10月5日第一章生命的起源

生命是如何诞生的？科学家在实验室中用热量、闪电和紫外线折腾试管中的原始地球大气成分，能量斩开化学键，产生了一堆氨基酸、嘌呤、嘧啶等有机化合物，成果喜人。接着，更多的热量、闪电和紫外线，激动人心的蛋白质和核酸也搞出来了。事情就这么简单？这不科学啊！然而，科学的事情终究还是来了，继续更多的热量、闪电和紫外线，但却始终不能更进一步，所有的尝试就此止步。再大再复杂的生物大分子也不是活的，非生命和生命之间的鸿沟似乎是不可逾越的。那么，地球是如何做到的？这要从地球的形成谈起。生命的起源

生机勃勃的地球，宇宙中目前已知唯一拥有生命的绿洲。从太空中远望地球，一颗晶莹剔透的蓝色星球，水汪汪的，那么美丽，可以让铁石心肠者流下眼泪。

然而，这一切并非轻易得到，46亿年前的地球远没有这么美丽。起初，构成地球的只是一团星际物质，主要是氢气、氦气、尘埃，以及少量的但种类繁多的其他元素。这些星际物质一边绕着刚刚点燃不久的太阳转动，一边在相互之间引力的作用下逐渐凝聚，慢慢地形成一个疏松的球形，这就是最初的地球。

这颗灰秃秃的蓬松的小球球尽管其貌不扬，却天生命好，拥有宇宙中每颗行星都垂涎的天时和地利。先来看天时，照耀我们的太阳有幸不是那种质量巨大的恒星，因为随着恒星质量的增大，其寿命会急剧缩短。质量是太阳8倍的恒星的寿命只有几百万年，在生命的尽头，会在令整个星系震颤的超新星爆发中化为碎片，连同它麾下的行星。在这么短的时间中根本无法孕育出生命。而我们的太阳却质量适中，过着克制的、若有所思的生活，这使其能够拥有长久的寿命。太阳已经稳定地燃烧了50亿年，还可以继续稳定地燃烧50亿年，这给了地球足够的时间去尝试生命。再来看地利，地球距离太阳的位置不近不远，既不会烤焦，也不会冻僵。地球的质量也不算小，能产生足够的引力拉住气体形成大气层，又很幸运地没有成长得过大，变成像土星和木星那样的气体行星。实验表明，固体行星较之气体行星更有利于生命的孕育。

这颗灰秃秃的小星球原本没有任何结构，就像你从地上随便抓起一把泥土捏成一个球球，在其内部没有哪个部分比其他部分更为特殊。但是，时间可以改变一切。在这个小球球的深处，随着整个球球在自身引力作用下不断收缩，中心处的压力越来越大，密度越来越高，处于中心的物质分子所辐射出的热开始受到阻挡而无法再释放到周围宇宙中，从而导致中心区域升温。当地球中心的温度达到铁的熔点时，附近的铁、镍，以及硫化铁开始熔化，因密度大而流向中心，成为液态的地核。伴随地球的进一步收缩，压力进一步加大，中心区域的温度越来越高。由于中心区域的铁已经是液态，这种铁液在热量下形成的对流迅速把中心区域的热量向外层物质传送，将更多的物质熔化。这种作用最终从深远的地心一直传递到地表。有那么一个时期，整个地球都处于一种熔融态。这种充分的熔融使得重元素向中心沉降，而轻元素则向地表上浮，无结构的地球在熔融态的对流中自动形成了清晰的层次结构。地球在熔融态中自行建立结构。

在地球为自己构造出层次的同时，大量的气体也被从内部排出。这些气体主要是氢气和氦气，它们起初包围在地球的外围，形成地球的第一代大气层。这些气体非常轻，要靠引力拉住这些分子对地球这样质量的行星来说是一种考验。加之，此时地球的磁场尚在建立之中，由于缺少地球磁场对太阳风产生的偏转作用，这些轻飘的气体在狂暴的太阳风的呼啸下很快被吹散到无尽的太空中去了。地球就这样失去了它的第一代大气。太阳风遇上地球磁场。

与此同时，地球核心的压力已经超过350万个大气压，在这样的压力下，核心处的铁、镍无法再保持液态，被压成了更致密的固态。这个固态内核的半径约为1200千米。距地球中心1200千米开外的铁由于压力的降低仍然得以保持液态。地球的自转使得液态的铁质外核转动起来，液态的铁外核与固态的铁内核之间形成的耦合与转动，构造出一个行星规模的发电机，地球的磁场产生了。无形的地球磁场释放出强大的能量，狂暴的太阳风在地球磁场的面前也只能如激流遭遇中流砥柱般从旁边绕过。这个强大的磁防护罩为日后地球产生的第二代大气提供了有力的保护。

在完成了自身层次结构的塑造后，随着大量的热被带到地表，并散发到宇宙中，地球开始冷却。冷却首先发生在地表，这种冷却带给地球一个坚实的岩石外壳。然而，岩石是热的不良导体，地壳的岩石化封闭使得内部的热量顿时失去了得以释放到宇宙中的途径。同时，地球内部放射性元素的衰变也仍然在源源不断地释放出大量的热，这些热量持续地把原本存在于岩石中的气体不断地挤压出来。几十千米厚的岩石地壳下面的压力在可怕地积聚着，这些热量和压力很快就增大到无法遏制的程度，几十千米厚的岩石在相当于几百颗氢弹爆炸的能量的怒吼中被轻易地撕裂，气体、岩石碎块及熔岩被喷射到几千米直至几十千米的高空，全球规模的火山活动开始了。数十万乃至数百万座巨大的火山遍布地球的表面，全球持续不断的火山活动一直持续了数百万年。在这一过程中，伴随大量热的释放，大量的气体被喷射到大气中，主要成分是水蒸气（约80%）、二氧化碳、二氧化硫，以及微量的一氧化碳、硫、氯气、氮气、氢气、氨气和甲烷。由于这些气体大多分子量较大，而且此时的地球已经有了地球磁场来对抗太阳风，所以，这次地球很容易地将这些气体分子一个不少地留在自己的外层，拥有了自己的第二代大气层——一个没有氧气的大气层。注意，没有氧气并不等于没有氧元素，氧元素在地球上的丰度是非常可观的，只是此刻的氧仍被锁闭在其他化合物中。

随着大气层越来越厚，天空变得越来越暗，直至完全将太阳的光芒遮蔽，而气体仍在继续积聚。整个大地上除了喷火的火山口，以及四处蔓延的炙热红亮的岩浆外，一片漆黑，不分昼夜。这是锻造生命的炼狱。漫长的时间过去之后，随着地球内部热量的逐渐释放，火山活动开始减弱，地表的温度再度开始降低，空中的水蒸气开始冷凝，凝聚成水滴。一颗水滴从天而降，旷世的不间断的暴雨开始了。没有停歇的高密度的闪电终年累月地编织着天空。热量、闪电和紫外线用能量斩开化学键，将分子拆卸成原子，再以所有可能的方式将原子们重新组合成新的分子。第二代大气中碳、氢、氧、氮、硫和磷这六种生命元素开始合成一些生物单分子，包括氨基酸、脂肪酸、糖、嘌呤、嘧啶、单核苷酸、三磷酸腺苷等高能化合物。这些生命单分子随雨水降落到地面，大部分流到了远离火山的水洼中，没有了更进一步的造化；少部分降落到火山口中，或是降落到红透的熔岩上，直接没有了下文；还有一小部分，降落在距离火山有一段距离，但还能感受到火山热量的地方，在火山热量的作用下，这些生物单分子开始脱水缩合成为生物大分子，一些氨基酸脱水缩合成为蛋白质，一些嘌呤和嘧啶碱基，有幸与糖（D-核糖，或2-脱氧-D-核糖），以及磷酸脱水缩合而成核酸。这些蛋白质、核酸在雨水的冲刷下且走且停，向低处行进。意大利西西里岛的埃特纳火山。早期地球曾有过数十万乃至数百万座这样的火山。

地面上的雨水越积越多，不断往低洼处汇聚，连同其中携带的蛋白质和核酸。当天空再次变亮时，暴雨停止，海洋形成了，还有无数大大小小的湖泊。看起来，用以产生生命的一切似乎都已经具备了，蛋白质和核酸都有了，热量、闪电、紫外线、各种高能宇宙射线，还有水，大量的水，样样具备。然而，如果没有一种看似很普通的东西的参与，生命的演化仍然希望渺茫。这一看似普通的东西就是——膜。

膜是什么？很简单，膜就是将生物体与周围环境分隔开的那层东西。单细胞生物的细胞膜，我们的皮肤，都可以看作是一种膜。最明显的一点是，膜可以让它所包裹的东西始终待在一起，不至于四分五裂。膜还可以有选择性地使不同的物质通过或被阻挡在外，从而使其内部能够保持一种与外部不同的环境。这实现了物质的交换，物质的交换就是生命的特征之一——新陈代谢。再复杂的生物大分子也不是活的，最简单的生命也同最复杂的生物大分子有本质的区别。要完成从没有生命到成为生命这最后也是最关键的一步，需要适合的环境和大量的尝试，而膜提供了这样的可能。

那么，这些嗷嗷待哺的蛋白质和核酸从哪里能搞到一个膜呢？在热量、闪电和紫外线肆虐的时候，不仅产生了蛋白质和核酸，一些脂肪酸也得以合成脂质。这些脂质也在雨水的冲刷下汇聚到海洋和湖泊中。我们知道，水中的脂质在水波的激荡作用下很容易形成油包水的脂质体。在这一包装过程中，一些蛋白质和核酸会被包入其中。一个相当不错的由脂质膜、蛋白质、核酸、水，以及一些无机物构成的类细胞体系形成了。脂质膜本身就具有对物质选择性通过的半透性，因为脂质正是构成真正的细胞膜的主要物质之一。这个由脂质膜包裹着的各种物质得以在漫长的岁月中朝夕相处，这保证了在这个小区域中的生物大分子物质的密度，为日后的量变到质变提供了物质基础，并得到由脂膜的半透性所提供的必要的物质交换的支持。无数这样微小的体系在海洋和湖泊中承受着外界各种能量的轰击，体系中的核酸们在能量之手随意地断裂、链接、组合下，尝试着所有可能的组合。经历漫长的时间，其中一个小体系中偶然排列出了一个与所有以往的核酸都不同的核酸，这条特立独行的小核酸的不同之处在于——它可以利用脂质体中的其他原材料复制出另一个自己。这应了那句话，生命就是原子的特定排列。能够排列出这条可以复制自身的核酸绝不是偶然：膜的存在使其内部可以保持一个相对很高的生物大分子物质的密度，有足够的核酸来不断地尝试各种排列组合，而且在核酸们发生断裂之后，由于被束缚在膜中狭小的区域，彼此很容易再次遇到另一段核酸来进行组合。试想，如果没有这个膜的话，核酸们一旦断裂，在茫茫大海和江湖中再想相遇谈何容易。膜使生物大分子能够聚在一起，并与周围环境隔开。

生命不会浪费时间。这条掌握了复制技术的核酸接下来所干的所有事情，我们完全可以想到，那就是不停地复制自身。由于复制速度过快，脂质体中能够用来进行复制的原材料很快就用完了。为了能够进行更多的复制，现在这些小核酸们急于从脂质体中出去。但这并不容易，最终也许是周围环境的变化，使脂质体破裂，将核酸们释放了出去；也许是核酸们忍饥挨饿地在每日有限的原材料配给下经过很长时间的复制，达到足够数量时把脂质体撑破了；也许是一部分变异的核酸竟然直接将脂质体消化了，从而得以打开缺口跑了出去；也许是在最剧烈的水波震荡下导致脂质体破裂将核酸们释放了出去。不管何种原因使这些核酸们从母脂质体中释放出去，总之，有一天这些小核酸们是出去了，从此便雄心勃勃地踏上了各自不同的进化旅程，这一走就是40亿年。具有复制自身能力的脱氧核糖核酸第二章宇宙是如何被点亮的

地球和生命的诞生我们了解了，那么宇宙的诞生呢？如今，我们仰望夜空，繁星点点。哈，对于生活在大多数城市中的人来说，这可能需要加上相当的想象力，因为在城市的夜晚，你实在看不到几颗星星。但你依然知道，壮观的银河就在那里，因为在某些时刻某些地方你曾见过它。银河非常美丽，它是宇宙的一部分。我们都知道，宇宙源于大爆炸，但爆炸之后又发生了什么，你可能不是很清楚。本文要讲的就是宇宙最初的那10亿年岁月。宇宙是如何被点亮的

为什么金银首饰那么贵？

因为宇宙为了生产它，曾经报废过无数颗巨大的恒星。星系的产生

要追溯一个事物的产生，毫无疑问要从它产生前开始。为了搞清楚星系的产生，我们干脆从宇宙的诞生开始，这肯定是位于星系诞生之前了。那有人会说为什么不再远点，从宇宙诞生之前开始呢？我们知道宇宙诞生于大爆炸（尽管没有目击者，但各种证据表明这是目前最合理的解释），整个宇宙是从一个密度无限大、能量无限高、体积无限小的点炸出来的，这个点被称为奇点。现有的一切物理定律在奇点处失效，时空在这里终结或说创生。因此，即便在奇点之前还发生过什么事情的话，也不会对奇点之后的事情产生影响，二者之间没有因果关系，奇点使这种联系断掉了。从奇点爆炸的那一刻开始，时间、空间，以及整个宇宙才开始工作。-37

从宇宙爆炸到最初的10秒这段时间，被称为宇宙的量子引力纪元。此时的宇宙中还没有物质，只有能量，只有力，这是一个宇宙的所有四种力，引力、电磁力、核子的强力与弱力被合为一体的完美时刻。-37-34

紧接着，在10秒和10秒之间，由于能量从这个不稳定的闷锅中不断地沸溢出来，使宇宙在这个短得不可思议的时间段里经历了一次“暴胀”，也就是以宇宙大爆炸理论中两倍的速度极速膨胀。

随后，这四种力分手的时刻到来了，伴随体积的膨胀、温度的降低，最小的物质单位夸克从能量中析出，汹涌的夸克流从旷世的能量中澎湃而出，瞬间使整个宇宙成为一盆电子夸克汤。又过了稍微长一-6点的一段时间，在宇宙爆炸后的10秒后，夸克们互相寻找着结合成质子、中子。

大约在大爆炸发生三分半钟之后，伴随着质子和中子的结合，最初的轻量级原子核出现了，在数千万度如此舒适的温度下，4个氢核激动地拥抱在一起聚变为一个氦核。但膨胀导致的温度下降是如此迅速，以致还没有聚变出多少氦，温度就已经下降到无法再进行核聚变了。但不管怎么说，此时宇宙的温度仍然极高，电子以高能剧烈运动，原子核还无法俘获这些疯狂的电子。在此后漫长的三十万年的冷却和膨胀之中，随着电子能量的降低，运动减慢，原子核才开始把宇宙中这些游荡的电子一一捕获，最初的原子出现了。但这时只有氢、氦这些构造简单的轻量级原子。

喜欢开动脑筋的人们可能会问，为什么没有其他更复杂的原子呢？这个问题就像是问为什么早期的地球上只有单细胞生物一样，你能够想象地球上出现的第一个生命就是一只会吐泡泡的顽皮的海豚吗？创造是最艰苦的工作，即使是对宇宙这样的旷世大师也不例外，任何创造都只能遵循从简单到复杂的循序渐进的过程。

尽管此时整个宇宙都过着只有氢和氦的单调生活，但宇宙善于从无聊中钻探出快乐。尽管充斥整个宇宙的氢气和氦气都在膨胀，但在一些比平均水平稍密集的区域，膨胀会在额外的微小但无法阻止的引力的作用下逐渐慢下来，最终会停止，进而开始缓慢但不可节制地互相靠拢、聚集，一片片直径以光年计的巨大而稠密的云朵在弥漫整个宇宙的云气中渐渐显出身形。与此同时，在这些稠密云朵之外的云气的引力拉力使这些云朵开始非常缓慢地几乎难以察觉地旋转起来。云朵在引力作用下进一步塌缩，它的转速开始缓慢地加快，正如我们看到花样滑冰运动员，在冰上旋转时，缩回手臂时会自转得更快，这就是所谓的角动量守恒。最终，当这些云朵收缩得足够小时，自转产生的离心力平衡了引力，塌缩停止了，一个如我们的银河般气势磅礴的旋涡状星系诞生了。氢气和氦气在相互间引力的作用下开始聚集。

当然，并不是所有的云朵最终都能形成高雅的旋涡状星系，因为这取决于是否产生了恰到好处的旋转。一些没能转起来的云朵最终会形成一些诸如椭球状的星系，这些星系之所以没有塌缩成一个蛋蛋，是因为星系中存在着局部的围绕星系中心的旋转，但整个星系并没有转起来。正在形成中的旋涡状星系

在星系宏观逐渐成形的同时，星系内部也在发生着类似的事情。在引力作用下，星系中的一些区域偶尔会聚集起更多的气体，而这种聚集本身又产生更大的引力，从而吸引来更多的气体，一个越来越大的气体球开始渐渐成形，它的半径大约是太阳的一千万倍。与此同时，一亿个类似的气体球也几乎同步在星系中缓慢地凝聚。宇宙在使用时间上是相当奢侈的，当然，这可以理解，毕竟它所创造出的每一件作品都是精品，而且够分量。仅仅为了把分散的气体凝聚成这样一个个的球球就花去了几千万甚至上亿年的时间。不过，在随后的日子里宇宙加快了工程进度。尽管从远处看这些气体球已经很有些球模球样了，但如果走进看，你会发现此时的气体球仍然几乎是透明的。但是，随着气体球外围的物质不断在引力的作用下向气体球的中心坠落，物质在中心处的密度越来越大，而且增大的速度越来越快，处于中心处的气体分子所辐射出的热开始由于受到阻挡而无法再释放到周围宇宙中，从而导致中心区域开始升温。在随后的几十万年里，中心区域的温度逐渐提升到2000度（摄氏温度，下同），此时氢气开始重新分解成氢原子。随着温度的进一步提高，氢原子中的电子怀揣着更多的能量离开原子核独自上路了，这时的气体球中心区域变成了一个如太阳般巨大的等离子体，发出大量的光和热。由于这时的中心区外面还有气体构成的厚厚的外壳，因此，尽管这大球内心如火，但外面依然漆黑一片。随着越来越多的外层物质坠落到中心区并与中心区联成一体，光亮才渐渐从逐渐变薄的外壳里透射出来，气体球开始发出暗淡的光辉。当中心温度升至1000万度时，久违的核聚变回来了，氢聚变成氦，气体球的光芒骤然间猛增亿万倍，一颗恒星被点亮了。一颗年轻的恒星

也就在差不多的时间里，其余一亿颗恒星也同时点亮了，整个星系被点亮了，不仅仅是一个星系被点亮了，其余1000亿个星系也同时被点亮了，整个宇宙都被点亮了。宇宙，在黑暗中度过了10亿年，从这一刻开始，灯火通明，而且再也没有熄灭过。

我希望我们的太阳就是照亮宇宙的第一批恒星，但有点遗憾的是，我们的太阳可能是第二代、第三代，也可能是更多代之后的恒星，不会是第一代。因为，根据太阳的光谱，我们发现太阳中含有包括铜、铁等重元素在内的90多种元素。而像太阳这种规模的恒星，无论如何，靠其自身是无法生产出这些重元素的。太阳只能通过氢到氦的聚变生产出氦，因此，对太阳中的重元素的唯一解释只能是来自继承先辈恒星们的遗产。更准确地说，是那些质量超过太阳8倍以上的恒星。

在恒星界，仅仅几倍的质量差就能对恒星的行为产生巨大的影响。太阳所进行的聚变到氦就结束了，然而，那些质量超过太阳8倍的恒星，却能勇敢地将聚变一往无前地进行下去。在这里，我们需要知道的一点就是，恒星越大，寿命越短，而且是急剧地缩短。质量差1倍，寿命就差250倍。也就是说，比太阳质量大8倍的恒星，其寿命只有几百万年。在这样的大恒星上，氢在几百万年内就消耗完了（都聚变成氦了）。氢燃烧完了以后，恒星内部失去了向外的压力，再一次开始引力塌缩，核心的温度变得更高，达到1亿度以上。这样，就又点燃了第二次核聚变，使三个氦原子聚变成一个碳原子。当氦消耗殆尽后，恒星的引力和斥力又一次失去平衡，开始进一步塌缩，当核心的温度达到8亿度时，碳被点燃，聚变出氧、氖、钠、镁。随着核聚变反应的逐步升级，更重的元素被一一锻造出来。温度达到15亿度时点燃氖，20亿度时点燃氧，30亿度时点燃硅，直到聚合出铁元素。自然界在元素铁处设置了一个极限，铁元素的结构极其稳定，它在聚变时不释放能量，相反会消耗能量。而巨大的恒星又必须靠不断释放的核能来支撑自

超新星爆发。一颗走到生命尽头的恒星，它正在抛出自己的外壳。

身。因此，当聚变来到终结者铁的面前时，巨大的恒星将会因核心失去支撑而坍塌。然而，巨大的恒星度过光辉的一生，在生命的尽头却爆发出一生中最耀眼的光芒，它的光度相当于整个银河系的总光度。巨大恒星粉碎性的爆炸，能量的狂飙扫荡天庭，这就是超新星爆发。此刻，它的能量相当于正常恒星的100亿倍。在这个超能量爆发的瞬间，宇宙中所有的元素都被聚变出来了。像金、银这种重元素，就是在超新星的爆炸中产生的。因此，当我们佩戴它们时，要知道它们的确来之不易，宇宙制造高档产品的代价是巨大的，它需要报废一颗至少比太阳大8倍以上的恒星，才能使我们披金戴银。星系的分布

由于星系是产生于邻近气体的凝聚，因此，就整个宇宙来看，星系的分布是均匀的，大约1000亿个星系均匀地分布在目前这个已经膨胀至半径465亿光年的宇宙中（半径465亿光年，指的是对地球上的观察者而言，基于目前的理论可观测的宇宙半径）。但是，星系的体积差别巨大，我们银河系的直径约为10万光年，算是中等个头。最小的星系直径只有几百光年，比如几年前美国科学家发现的一个距离地球134亿光年的星系。由于宇宙也不过140亿年的历史，因此，这个星系是宇宙形成初期的产物，是个真正的“婴儿星系”，它的体积也是婴儿级的，直径只有500光年。这个小星系处于阿贝尔2218星系的后面，幸好阿贝尔2218星系巨大的质量使时空发生了弯曲，才使得这个小婴儿发出的光线绕过了阿贝尔2218星系得以被我们看到。最大的星系直径可以达到5亿光年，这甚至比一些星系团都大。最大的星系团可以达到10亿光年，星系团是宇宙中最大的构造体，由许多个星系组成。一些距离较近的星系有时会发生相撞事故。尽管从望远镜中看去两个星系撞在了一起，但由于恒星间有巨大的距离，这个距离较之恒星的体积来说大得多，因此，两个各携带1000亿颗恒星的星系的相撞并不会引发大规模的恒星间的大碰撞（当然，碰巧有一两个不走运的恒星撞在一起的情况也是有可能的）。这种星系间的碰撞往往会导致两个星系的融合，两个星系可以通过一次碰撞在不损失任何恒星的情况下融合成一个规模更宏大的星系。两个正在发生碰撞与融合的星系。由哈勃太空望远镜拍摄。宇宙与我们

在宇宙面前，人类的手段实在是贫乏得令人羞愧。在我们为掌握了核裂变这种巨大的能源而沾沾自喜的时候，宇宙已经在它所有的恒星上使用高级得多的核聚变上百亿年了。为了进行核裂变，我们四处寻找昂贵又稀有的铀，同时，很快又发现产生的放射性核废料无法处理。而恒星却使用宇宙中储量最丰沛的氢来进行核聚变，只产生没有任何放射性的氦。我们已经开始进行可控核聚变的研究，而且我国在这一领域已经走在了世界的前列。2003年建立了世界上第一个全超导托卡马克（Tokamak）HT-7U，并在2012年获得创纪录的超过400秒的两千万度高参数偏滤器等离子体，但距离达到初级工业实用还有相当漫长的路要走。你肯定希望我解释一下什么是托卡马克，以及为什么我们需要它。托卡马克是“有轴性磁场的环形线圈室”的俄文缩写。这是一个由封闭的磁场组成的“容器”，像一个中空的面包圈，可用来约束电离了的等离子体。我们知道，要进行核聚变，需要1000万度的高温，而地球上的任何物质都不能承受这样的高温。因此，唯一的办法就是用能量来约束能量，用强磁场来悬浮聚变的核能，而托卡马克就是用来构造这样一个强磁场的，根本不接触任何有形的物体，也就不必担心高温了。目前的全超导托卡马克可以维持一刻钟的供电，还无法达到商用的要求。真希望人类的可控核聚变能够早日实现商用，永远摆脱核泄漏的危险，也结束目前对核聚变的唯一应用就是制造氢弹的尴尬。

宇宙的最不可思议之处，就是一个纯粹的物质世界却演化出了智能。宇宙在把一切都安排妥当后，才温柔地在一些星球播下生命的种子，好好地看护着，让这些生命得以进化，最终产生了像我们人类这样拥有智慧的生命。而我们又反过头来研究宇宙，我们越研究宇宙就越发现宇宙的美。也许，宇宙创造了我们，就是为了能有人来欣赏它的壮美，欣赏它的杰作。大师也希望有观众。一台托卡马克设备第三章到底是几维

宇宙已然诞生并存在了140亿年，这真是个非常长久的时间，长久到你以为你能理解，其实你不能。在这期间，已经和正在发生着无数令人难以理解甚至根本无法描述的事情。其中，有一个可以描述的困惑就是宇宙在空间上是否只有三维，是否存在比三维更高的维度，或者比三维更低的维度。既然黑洞会让空间的扭曲达到极限，那当空间扭曲成一个封闭的环时，在那里是否存在其他的维度？如果存在更多的维度，我们如何才能观察到呢？到底是几维

我们的这个世界，我们的这个宇宙，在空间上讲到底是几维的？当然以前都说是三维的，但爱因斯坦的出现使情况发生了改变。他说我们不能单独地讨论空间，讨论空间时也必须考虑时间，而且他英勇地证明了这一点。这使时间和空间从此变得不再单纯，就好像伊甸园的亚当和夏娃终于在蛇的怂恿下犯了原罪，忽然间有了智慧，发现彼此居然一直是赤身裸体的，为此而羞愧难当。时间和空间从此变成了复杂的扑朔迷离的时空概念。

在我们凡夫俗子的日常生活中，时间和空间看起来十分坚固可靠，就像工具箱里的锤子一样。但是，爱因斯坦一手策划出的“时空”却是个靠不住的不稳定的事物。他证明时空会依据观测者和被观测者之间相对速度的不同而发生改变，时空会扭曲、拉伸、膨胀、收缩。为什么会这样呢？答案很简单。举个例子：我们拿着手电筒站在静止的汽车上，一摁开关，一束光跑了出去，测量一下这光的速度是30万千米/秒。然后汽车开始以15万千米/秒的速度飞驰。此时我们又一摁开关，一束光跑了出去。按照我们通常的理解，对于一个仍站在大地上的观测者来说，现在这束手电光的速度应该是汽车的速度加上光的速度，为45万千米/秒，但实际测试发现，此时手电光的速度仍然是30万千米/秒。这一科学史上著名的实验是由美国科学家迈克尔森（Michelson）与莫雷（Morley）进行的。

这到底是怎么回事，怎么会发生这种事情呢？原因是在飞驰的汽车上时间过得更慢一些。对于一个静止的观测者来说时间过去了1秒，但对于站在飞驰的汽车上的观测者来说时间只过去了2/3秒。飞驰的汽车在这段时间中前进了15万×2/3=10万千米，而手电光前进了30万×2/3=20万千米。因此，从静止的观测者的角度来看，尽管手电光是从飞驰的汽车上发出的，但这手电光在这1秒钟内仍然只跑了10万+20万=30万千米。

好吧，我们以后需要讨论的是时间和空间合起来的一个四维时空了。这个四维时空中有三维是空间，一维是时间，而且这个四维时空是受速度影响的。那么空间果真是三维的吗？会不会空间本身就是四维的，加上时间一共是五维时空？又或者存在二维空间或一维空间？

很多书上讨论过一维空间和二维空间。所谓一维空间就是几何意义上的一条直线。这条直线有一个方向，在其方向上无限延伸，但细到没有横截面。这个一维空间中也可以有生物，可以是一条1厘米长的同样细到没有横截面的虫子，它就趴在这条直线上，可以前后来回爬。这种生活在一维空间中的生物在我们看来很悲惨，但对于一维空间中的这条虫来说，它不会觉得有什么悲惨，因为三维空间对它来讲根本就是不可想象的，连二维空间对它来讲都是无法想象的。这正如我们现在无法想象四维空间是个什么样的一样。

把一维空间，也就是这条直线，向与之形成一个夹角的某一方向平移出去，其移动的轨迹可以构成一个平面，这个平面就是一个二维空间。在二维空间中生活的虫虫比一维空间中的虫虫幸运一些。尽管二维空间中的虫虫仍然没有体积，但它至少有一个面积，至少从与这个平面有一定夹角的地方看去是这样。这意味着如果这条虫是个朋克的话，它可能会给自己文身。不过，我怀疑它很难向别的虫虫炫耀，因为要看到这文身必须形成一个夹角。

把二维空间，也就是这个平面，向与之形成一个夹角的某一方向平移出去，其移动的轨迹就可以构成一个体积。这个体积就是一个三维空间，这个空间中就生活着我们。

由此看来，要得到四维空间也并不难，至少从叙述上不难。只要把三维空间，也就是这个体积，向与之形成一个夹角的某一方向平移出去，其移动的轨迹就可以构成一个羲积（这是我杜撰的一个名词）。这个羲积就是一个四维空间，这个空间中就生活着我们无法想象的生物。

在这里，最难想象的部分就是如何把一个体积（三维空间）向着与之形成一个夹角的某一方向平移出去，因为正如在平移一维空间的直线时，所移动的方向已经不在一维空间本身中，那个夹角是与一维空间形成的夹角。要平移三维空间来形成四维空间，所平移的方向也必须是在三维空间之外。这在数学上很容易描述，只不过是在x、y、z三个维度之外再引入一个维度，假如我们把这个新引入的维度用a来表示，则一个对象在四维空间中的坐标可以表示成（x，y，z，a）。这种表示法，仅就形式而言，即使在现实中也并不罕见。比如，三维空间中一个密度不均的物体，如果我们要描述这个物体内某一特定位置的密度，就可以使用（x，y，z，a）这样的形式，前三个数据指定了物体中这个特定的位置，最后一个数据指定了这个特定位置处的密度。这种在形式上很常见，在数学上也容易描述的四维空间却是在头脑中无法想象的事物，这简直是对智力的侮辱。

为了变通地想象一下这个问题，我们暂且把时间当作第四个空间维度。这样，当一个三维世界在经历一段时间后，看起来就像是整个三维世界在时间这第四个空间维度上平移了。但是，这种把时间当作第四个空间维度的方法十分牵强。在三维空间中，任何事物在每个维度上都是可以随意来回移动的，而三维世界无法在时间这个维度上来回移动，时间这个维度永远只是一个片刻，只是一个截面，而不是一个轴。而且，任何一个更高维度的空间都可以包含无限更低维度的空间，就像你可以在一个平面上画出无限条直线，可以在一个三维空间中截取产生无限个平面。而在四维空间中，也应该可以包含无限个三维世界，而用时间来代替空间的第四维显然做不到这点。

那么，四维空间到底是个什么样子，到底存不存在呢？我看不如先问问看似更简单的二维空间或一维空间存不存在。尽管对于我们三维生物而言，我们完全可以在脑海中想象出一维和二维空间，正如我在前面所描述的那样，我们甚至可以把它们画到纸上来表现出来，但我们从没有在现实中见到过一维或二维空间，至少我没有见到过。那些过马路时不小心被汽车碾死的小动物，有时看起来很像二维生物，但理智告诉我们那不是。我们作为三维生物，尚且不能看到一维和二维世界，要想看到四维更是难上加难。

那么，这些四维、一维、二维世界到底存不存在呢？宇宙大爆炸时到底有没有炸出除三维以外的其他维数的世界呢？我不能说绝对不可能，自从爱因斯坦证明了只要速度够快连时间都会变慢后，我已经不敢肯定宇宙中有什么事情是绝对不可能的了。

对于是否存在除三维以外的世界，我谈下自己的观点。首先，三维世界应该是各种维度的世界中最稳定的一个，而且也是在宇宙中分布最广的，宇宙中绝大多数空间都被三维世界占据着。一维、二维、四维，甚至五维、六维，直至一想起来就会让人脑袋爆炸的十一维世界也有可能存在，但这些非三维的世界很可能都是不稳定的。元素周期表中105号元素之后的元素尽管可以人为生成，但存在的时间极短，一旦生成就会在几微秒甚至更短的时间内衰变为编号更低的元素。非三维空间很可能也像那些元素一样不稳定，稍有扰动就会衰变。很可能是一维空间会衰变为二维空间，而二维空间又紧接着衰变为三维稳定空间；超过三维的高维数空间会迅速向更低的维数空间衰变，维数越高的空间存在的时间越短，五维空间会衰变成四维空间，而四维空间也会紧接着衰变为三维空间。这可能就是为什么我们连理应能够看到的二维和一维空间也难以见到的原因。

如果我的假设是正确的，那么，非三维的空间应该是稀有且难得一见的东西了。我们人类的特点就是总想看看那些平常不易见到的东西。对于我们能够想象的一维和二维空间，我们的兴趣可能不会很大，但我相信几乎每个人都想看看四维空间是怎样的一番情景。四维空间只比我们三维空间多了一个维度，差距不算太大，存在的时间或许能够稍长一些。艺术化假想中的宇宙边缘

那么，四维空间有可能存在于何处呢？一个普遍的原理是到特殊的地方去寻找特殊的事物。对于像四维空间这样稀有的东西，我们需要到宇宙中的特殊位置去寻找。那么，宇宙中的何处更特殊呢？答案是边缘。

事物的边缘是事物的一个非常特殊的地带，一个事物正是通过它的边缘才得以同周围环境区分开来的。根据大爆炸理论，宇宙是有界的，宇宙的半径大约为465亿光年，而且宇宙的膨胀速度小于光速（尽管宇宙爆炸的最初有很短一段超出光速的暴胀时期），这使得整个宇宙没有超出我们的视界，只要我们有够好的望远镜，就能看到宇宙的界（但是，新的证据和理论表明，在可观测宇宙半径的外部，宇宙膨胀的速度大于光速，这也正是可观测宇宙半径这个概念的由来）。但是，宇宙又是无边的。所谓无边的意思是，即使你驾驶超光速飞船（而且没有吃到宇宙交警开出的超速罚单）来到了宇宙的边界，你也无法飞出宇宙。因为我前面说过，任何事物的边缘总是很特殊的，在宇宙的边界附近时空会发生弯曲，尽管导航系统告诉你正在笔直地飞行，但你实际上只是在沿着宇宙的边界飞行。这就好比你骑着自行车从地心而来，在来到地球表面之前，你可以一直向地面前进。但一旦骑到地球表面后，你就只能沿着地球表面骑行了，因为你来到了一个弯曲的空间（地表）中。来到宇宙的边缘你也只能如此，这是身不由己的事情。自然存在的四维空间就有可能存在于宇宙的边缘，毕竟我们对宇宙的边缘了解得太少，那里是非常特殊的地带，充满了未知。

如果宇宙边缘有自然存在的四维空间，那么我们是否可以用人工创造出四维空间呢？我认为是有可能的。我们人类最擅长干的事情就是创造大量自然界中不存在的东西。要创造四维空间，需要能量，需要大量的能量。正如要人工产生超重元素，使用的方法是通过把一种元素离子加速至高能后去轰击另一种元素靶子来得到。要创造四维空间，很可能需要超量提升三维空间中一个特定区域的能量。当然，如果真的能够在三维空间中打通一条至四维空间的通道，如何让这条通道维持较长的时间也是一项富有挑战性的工作。

如果真的能打通至四维空间的通道，有什么意义呢？让我们通过下面这个小例子看看，对于二维空间来说，打通一条至三维空间的通道意味着什么。

想象在二维空间中有一个小小的囚笼，里面囚禁着我们的虫虫。在二维空间中看，虫虫确实被囚禁了，它无路可逃。但是，如果能够找到一条进入三维空间的通道，虫虫可以由此进入三维空间，完全摆脱二维空间的囚笼。二维虫虫从第三个维度成功越狱。

如果需要，虫虫还可以经由三维空间返回二维空间的另一个地方。虫虫的这次行动，将在二维空间中引起巨大的轰动，因为它是突然从众虫虫的眼中凭空消失，又突然在另一个地方再次出现。

同样的道理，虽然一个人在三维空间中被囚禁在一个囚笼中，但这个囚笼只是封锁住了三个维度，而第四个维度仍然是完全敞开的，如果你能够在三维空间中找到一条进入四维空间的通道，就没有任何三维囚笼能够囚禁住你。你可以突然间在三维空间消失，再经由四维空间，在三维空间的另一个地方凭空出现。

当你的心被囚禁时，记住，第四个维度还是敞开的。完美的越狱在等待着你。第四章关于时间旅行的思考

相对于探究维度，人们更感兴趣的是探究时间。人们总是希望能回到过去，或前往未来，因为有太多遗憾留在过去，而又有一些希望寄托未来。如果说有一种科幻题材是最百做不厌、百看不厌的，那就要数时间旅行的主题了。对很多人来说，如果真的有一日可以称得上完美的，那就是实现时间旅行的那一日，以及那之后的每一日。毕竟，如果一切可以重来……时间旅行中的一个旅游项目——体验被霸王龙追赶的乐趣。关于时间旅行的思考

时间旅行是否是可能的？是否能在时间的长河中自由地往返？这是每个人都会感兴趣的话题。看看有多少科幻小说和科幻电影中出现了时间旅行的情节就能感受到人们对时间旅行热衷的程度。我想对很多人来说，能回到过去看看，甚至比对能到太空中看看还感兴趣，因为那实在是太有诱惑力了。能亲自回到侏罗纪看看真正的恐龙，能亲眼目睹导致恐龙灭绝的原因，如果真是行星或是彗星撞击地球导致恐龙灭绝的话，那在冲击波到来之前的最后一刻乘坐时间机器返回安全地带将是何等的刺激。我们还能亲自看着埃及的金字塔是怎么建起来的，看看到底有没有一个亚特兰蒂斯帝国，它又是怎么失足落水的。时间旅行能带来的乐趣真是太多了，根本说不尽。娱乐业和旅游业肯定又能大赚一笔，还可以创造无数个诸如时间机驾驶员、时姐（类似空姐）、时间导游、时间交警、时间协管员、时间高速路收费站管理员这样的就业机会。唯一会因此而下岗的大概就是历史学家了，不需要再用洛阳铲一小铲一小铲地从地里挖东西，然后开始猜，最后得到一堆永远无法十拿九稳的结论。直接乘坐时间机器回去看看，立马明白得透透的。但我想即使面临整个行业的集体下岗，历史学家们也肯定狂热地希望能真正回去看看，看看他们是否猜对了。

说得这么热闹，那么时间旅行究竟是否可能呢？还是从众所周知的相对论说起来吧。根据相对论，物体的运动速度越快，它的时间就过得越慢。这种时间的变慢可以很容易地由洛仑兹变换导出：由洛仑兹变换导出的物体运动速度与时间的关系＇

在这里，t是惯性系S中一只静止的时钟所走过的时间，t是相对＇于惯性系S以速度v运动的惯性系S中一只静止的时钟走过的时间。＇显然，S运动的速度v越接近光速c，则等式右边的分母部分将越接＇近零，从而导致在S中很少的一段时间流逝，在S中就已经流逝了很长一段时间。

接下来，结合质能方程，我们还可以推导出物体运动的速度越快，质量就变得越大的公式：由洛仑兹变换结合质能方程导出的物体的运动速度与质量的关系

在这里，m是物体静止的质量，m是物体以速度v运动时的质量。0v显然，物体的运动速度越快，它的质量就变得越大，当接近光速时，则会急剧增大。我们知道，要增加物体的运动速度，也就是给物体加速，就必须给物体施加力，而随着物体的速度接近光速，物体的质量将趋近于无穷大，这时无论给物体施加多大的力都无法再提升物体的速度。这也是爱因斯坦据此得出宇宙中任何物体的运动速度都不能超过光速这一结论的原因。唯一能够达到光速的就是光本身。

现代的粒子加速器可以把基本粒子加速到光速的99.999%，尽管其加速的还只是我们看不见的东西，但不管怎么说，只要有足够大的力就可以把大到可见的物体加速到接近光速的程度。假如我们研发出了能达到光速的99.999999999625%的宇宙飞船的话，则只要乘坐这艘飞船出去兜一天风，返回地球时，进入的就是1000年后的地球了。从这点来看，至少到未来的时间旅行是可以实现的，迟早我们会开发出够劲的宇宙飞船，以近乎光速的速度带我们去兜风。不过，如果这种朝向未来的时间旅行只能是单程的话，我不知道有多少人会真正下定决心乘坐它去看看未来。由于没有返程的飞船，看过未来后，他将不得不永远留在1000年后的未来中。他将非常孤独，因为他的亲朋好友和所有认识的人都已经去世近千年了，而他所面临的新世界对他这位古人来说将是难以适应的。住在森林中的原始部落的幸福生活

因此，除非我们能将至过去的时间旅行一并实现，否则仅能至未来的单程时间旅行的意义将大为缩水。旅行到原始森林是一回事，一辈子住在原始森林中就是另一回事了。

那么，我们能否旅行到过去呢？让我们来看下面这样一个例子：宇宙中的A处和B处相距5.4亿千米，也就是光在30分钟内所走过的距离。在A处和B处之间有一个虫洞将A和B连接起来。宇宙中相距5.4亿千米的A点与B点

一天，你乘坐彗星牌飞船从地球出发，行驶到A处后，你把飞船停了下来。走出飞船并锁好飞船后，你从A处走进了虫洞。由于通过虫洞不需要花费时间（或只需花费很少的时间），因此，你会立即从B处的虫洞中走出来。然后，你从兜里掏出望远镜观察A处。起初什么也没有，过了大约半小时，你看到自己从飞船上走下来，然后走进了A处的虫洞。而这件事情对你来说已经是发生过的事情了，这意味着什么？这意味着你看到了过去，看到了历史！半个小时前的历史！

此情此景实在是太震撼了，以致你立刻失去理智地从B处再次进入虫洞，试图在虫洞中会会你自己。当然，你什么都没有遇到，你只是再次从A处的虫洞中冲了出来，A处空无一人，除了你自己。如果你再次掏出望远镜观察B处的话，大约半个小时后，你会发现一个家伙正在B处举着望远镜朝这边望呢。

这看似很神奇，其实没什么。这只是因为光速是有限的，而你抄近路跑在了光的前面，因此得以坐在那里等待着看历史。在这里并没有发生什么时光倒流的事情，这和我们通常所理解的旅行到过去有本质的区别。

那么，时光是否能够倒流呢？只有时光真正倒流了，我们才能真正回到过去，回到久已发生过的历史中。超越光速是直觉上最可能实现时光倒流的方法，因为随着物体的运动速度越快，它的时间就过得越慢，而当它达到光速时，时间将完全停止。光子是真正不会衰老的。那么，假如真的存在某种方法能够使物体的运动速度超越光速，那会发生什么事情呢？

从前面的公式我们可以看出，当v大于c时，根号下将出现负数，＇2这使得 t=t×Ki，这里的i是虚数符号，i=-1。这意味着随着静止系统中时间的推移，以超光速运动的系统中的时间正在流出一个虚数值。虚数并不是负数，但虚数和负数很有渊源，因为虚数的平方是负数。＇＇如果 t=-t×K，那么，随着 t的增加， t是一个其绝对值在不断增大＇的负数，这显然是时间在倒流。然而，现在的 t却是一个其值在不断增大的虚数，直觉上这也是时间在倒流，但却是以一种略有不同的方式在倒流。

暂且先不管这种倒流到底有何不同。首先，我们先要看看超越光速是否是可能的，如果超光速都搞不定的话，其他就更不用想了。好消息是超光速现象确实在实验室中出现了，坏消息是这些超光速现象中没有一个是能让人彻底放心和完全符合老百姓标准的。以下是其中两个有代表性的例子：

中国旅美科学家王力军与他的两位同事在2000年做了一个实验，用激光将通常为16种量子状态下的铯原子置于仅一种量子状态之下，组建了一个长6厘米的铯原子气室。在气室入口和出口分别放置了探测器，然后将一束持续时间3.7微秒的激光脉冲射向气室，观察到在气室出口的探测器相比在真空状况下提前62纳秒测到了同样形状的光脉冲。这表明，强烈的反常色散使得脉冲顶在进入气室之前就已离开了气室。光脉冲在铯原子气体中的群速度为光速的310倍。然而，虽然观察到的激光脉冲波峰速度超过光速数百倍，但这并不意味着实现了信号的超光速传播。光波是有长度的，只有波头的传播速度才可以算作信号的传播速度，作为波峰传播速度的群速度不能用于计算信号传播速度。群速度有可能超光速，但波头的速度是始终超不过光速的。尽管3.7微秒的激光脉冲稍纵即逝，但它的长度其实达11.1千米，这条长长的“光龙”的主要信息在“龙头”部位都可以找到。因此，当“龙头”进入铯原子气室后，气室中的铯原子气就根据“龙头”中的信息，在气室另一端“复制”出激光脉冲的波峰及其脉冲的其他主要成分。这样从观测者看，激光脉冲波峰还没有进入气室就已经穿出气室了，造成了“超光速”现象。

量子隧道是一种量子力学效应，它允许一个粒子在以经典力学的眼光看尚缺乏足够能量的情况下逃出一个势垒。你可以计算一下这个粒子通过隧道的时间，所得到的答案将是它花费的时间少于光通过这段距离的时间。20世纪60年代，一群物理学家所进行的实验似乎支持以量子隧道进行超光速通信是可能的。他们声称以4.7倍光速的速度把莫扎特的第40交响曲传输通过了一个11.4厘米的势垒。他们的解释，毫无疑问，很有争议。大多数物理学家认为，这只是一个量子效应。在量子效应中，根据海森堡不确定性原理，事实上没有信息能够以超光速传递。在这里，我想你大概希望我解释一下什么是海森堡不确定性原理。为了预言一个粒子未来的位置和速度，人们必须能够准确地测量它现在的位置和速度。显而易见的办法就是将光照到这个粒子上，一部分光波会被此粒子散射开来，由此指明它的位置。然而，人们不可能将粒子的位置确定到比光的两个波峰之间距离更小的程度，所以必须用短波长的光来测量粒子的位置。而根据普朗克的量子假说，人们不能用任意少的光量，至少要用一个光量子。而这量子本身就会扰动这个粒子，并以一种不能预见的方式改变粒子的速度。而且，位置测量得越准确，所需的波长就越短，而波长越短的光波其单独量子的能量就越大，这样粒子的速度就被扰动得越厉害。换言之，你对粒子的位置测量得越准确，你对速度的测量就越不准确，反之亦然。海森堡不确定性原理是世界的一个基本的不可回避的性质。艺术化的一份光量子

那么，是否存在真正的童叟无欺，可以让时光倒流的超光速呢？我们看到的规律是，凡是质量大于零的物体其速度都是低于光速的，而质量为零的对象——光子——速度等于光速。那么，我们可以推测，质量小于零的对象其速度应该超过光速。

可是，该怎么去理解质量小于零呢，什么东西的质量是小于零的？在前面的图中我们可以看到，如果v大于c，则m=（1/Ki）×vm，此时的m已经变成虚数，虚质量很可能就是某种意义上的质量0v小于零。这种具有虚质量的粒子已经由美国物理学家范伯格（Feinberg）于1967年在理论上证明了其存在的可能，他把这种具有虚质量并能以超光速飞行的粒子命名为快子（tachyon）。我们可以做下面这样一个看起来比较合理的假设：对于有质量的物体，没有力作用于它时，它是静止的。通过给它一个推力，增大它的能量，可以提升它的速度。通过不断对它施加力，可以让它的速度无限接近光速。而对于有虚质量的物体，没有力作用于它时，它的速度是无限大。通过给它一个推力，增大它的能量，反而会降低它的速度。通过不断地对它施加力，可以让它的速度降低至无限接近光速。光速正是质量和虚质量之间的分水岭。

尽管目前还没有捕获到一个快子，但不妨让我们假定范伯格的证明是正确的，而这种理论上存在的快子也在宇宙中真实存在。终有一天，我们可以用具有虚质量的物质构造一台时间机器，也许最终完成的时间机器和虚质量并没有关系，但我相信超光速旅行是可以实现的。否则，为什么要为我们准备这样一个巨大的宇宙？如果我们连最近的恒星也去不了，那还要银河系中其他4000亿恒星做什么，还要那1000亿个星系有什么意义？难道仅仅是让我们欣赏它们那亿万年前的光辉？当然，宇宙如此巨大绝不是只为我们地球人准备的，我相信仅仅银河系中就有上百万个有智慧生命的星球。或者，又难道宇宙是一个真正的孤独者，喜欢一个鱼缸中只养一条金鱼，用巨大的距离来断绝智慧生物之间的沟通和交流？如果宇宙是这样的孤独，又怎会造出地球这样美到极致的蔚蓝色的水晶般的星球，又怎么会在地球上繁衍出数百万种多姿多彩的生命，熙熙攘攘地热闹非凡？我坚信超光速飞行是终可以实现的。

实现了超光速飞行，时间旅行大概也就可以实现了。但关于时间旅行，还有一些问题需要解决。首先，时间旅行会导致能量守恒定律被破坏。如果你突然出现在历史中，将直接导致宇宙中在那个时刻的前后的总能量不一致，凭空多了一个你。尽管量子力学允许物质在真空中凭空物化出现，量子可以从某个我们不知道的地方借来一点能量并把这点能量转变成物质，以物质的形式出现，但量子必须迅速归还这些能量。这使得以这种方式出现的粒子趋向于迅速地回归为无影无踪。概率指出那些小于原子的粒子对——一个正电荷，一个负电荷——是迄今为止最可能出现的作品，并且它们也仅会持续一个极为-21短暂的时间，典型的是10秒。自发出现的能稳定存在的如分子那么大的东西几乎是不可能的。要指望以这种方式创造出一个像你这么大的家伙，需要漫长的无法想象的时间，相比之下，宇宙的整个生命期都是微不足道的。

此外，时间旅行还会导致一个著名的“祖父悖论”。我想你很可能已经听说过这个悖论：假如你回到祖父小时候生活的年代，把他杀死了，那么，既然你祖父没有了，自然你父亲也就不会出生，那你自

试读结束[说明：试读内容隐藏了图片]

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