第四章 突破

　　自從第一次工業(yè)革命的600多年間，人類的科技發(fā)展突飛猛進(jìn)，尤其是技術(shù)的應(yīng)用。比較技術(shù)領(lǐng)域的迅猛發(fā)展，基礎(chǔ)科學(xué)的突破要困難很多。近代基礎(chǔ)科學(xué)的第一次重大突破發(fā)生在17世紀(jì)晚期到18世紀(jì)早期，代表人物是牛頓，他在1688年發(fā)表了“自然哲學(xué)的數(shù)學(xué)原理”，提出了萬(wàn)有引力和三大運(yùn)動(dòng)定律，具有劃時(shí)代的意義，為以后的物理學(xué)和工程界很多領(lǐng)域奠定了基礎(chǔ)。另一次重大突破發(fā)生在20世紀(jì)初期，愛(ài)因斯坦是這時(shí)期最偉大的科學(xué)家，他在1905年和1915年提出了狹義相對(duì)論和廣義相對(duì)論，開(kāi)啟了物理學(xué)的新紀(jì)元。在這一時(shí)期另一個(gè)重大突破是量子力學(xué)的創(chuàng)立，從根本上改變了人類對(duì)物質(zhì)微觀系統(tǒng)的理解。然而在隨后的四百多年里，科學(xué)的進(jìn)展只是對(duì)現(xiàn)有的很多理論做一些修修補(bǔ)補(bǔ)，沒(méi)有劃時(shí)代的突破性的發(fā)現(xiàn)。我們高速發(fā)展的新技術(shù)仍舊利用20世紀(jì)初期的理論，比如可控核聚變發(fā)動(dòng)機(jī)的核聚變?cè)碓?932年就被發(fā)現(xiàn)；1928年科學(xué)家就預(yù)測(cè)了反物質(zhì)的存在，為24世紀(jì)后期制造的反物質(zhì)宇宙飛船提供了理論基礎(chǔ)；人們?cè)?959年就產(chǎn)生了利用納米技術(shù)的靈感，為以后的納米材料科學(xué)奠定了基礎(chǔ)。但是在基礎(chǔ)科學(xué)領(lǐng)域，二十世紀(jì)的一些關(guān)鍵物理學(xué)難題，在二十四世紀(jì)仍舊困擾著人們，比如，廣義相對(duì)論適合宏觀領(lǐng)域，量子力學(xué)適合微觀領(lǐng)域，能否找到適合宏觀和微觀世界的統(tǒng)一定律？目前能找到的最小基本粒子是夸克，那么夸克由什么組成？暗物質(zhì)是理論上提出的、存在于宇宙中的一種不可見(jiàn)物質(zhì)，它占宇宙中全部物質(zhì)總質(zhì)量的85%，怎么才能直接或者間接地找到它？暗能量組成了宇宙70%的部分，它在哪里呢？平行宇宙聽(tīng)起來(lái)浪漫美好，真能在另一個(gè)宇宙找到一模一樣的自己?jiǎn)?？光速是否可以超越？這些難題困擾了人類四百多年，需要基礎(chǔ)科學(xué)的革命性突破才能解決這些難題。也許突破不遠(yuǎn)了，第一次突破發(fā)生在17世紀(jì)晚期，兩百多年后迎來(lái)了第二次重大突破，現(xiàn)在距離上次突破已經(jīng)四百多年了。人們猜測(cè)著各種可能性，很多人樂(lè)觀地認(rèn)為，突破快要來(lái)臨了，期待著象牛頓和愛(ài)因斯坦那樣的天才突然出現(xiàn)。也有人認(rèn)為，突破還遙遙無(wú)期，人類科技的前兩次突破來(lái)得太快，這次不會(huì)那樣幸運(yùn)。

　　另一個(gè)需要突破的領(lǐng)域是對(duì)大腦的研究。大腦同浩瀚的宇宙一樣神秘莫測(cè)，人腦有多達(dá)數(shù)千億個(gè)神經(jīng)元和上百萬(wàn)億個(gè)連接點(diǎn)，這些神經(jīng)元和結(jié)點(diǎn)之間有著非常密切的交流，幾乎每一個(gè)神經(jīng)元都和數(shù)萬(wàn)個(gè)神經(jīng)元有關(guān)聯(lián)，牽一發(fā)動(dòng)全身。宇宙有幾千億個(gè)象銀河系這樣的星系，每個(gè)星系有數(shù)千億顆恒星，宇宙中星系總數(shù)與大腦神經(jīng)元總數(shù)大致是相同的。而且它們的結(jié)構(gòu)上也是相似的，眾多的星系相互作用和吸引，彼此聯(lián)結(jié)成極其復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)。雖然大腦同宇宙相差了27個(gè)數(shù)量級(jí)，大腦的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)同宇宙網(wǎng)絡(luò)非常類似。很多人認(rèn)為，如果我們完全探明了宇宙，才能徹底認(rèn)識(shí)大腦。但這并沒(méi)有阻止我們朝著這個(gè)遙不可及的目標(biāo)努力，揭示謎底后的回報(bào)是無(wú)與倫比的，人類會(huì)最終實(shí)現(xiàn)永生。到那時(shí)，大腦儲(chǔ)存的所有信息和神經(jīng)元及結(jié)點(diǎn)的聯(lián)系特性被復(fù)制，不僅肉體上，而且精神和意識(shí)上的自己會(huì)被復(fù)制和永遠(yuǎn)傳承下去。目前我們只是了解了大腦較淺層的東西，還遠(yuǎn)沒(méi)有確切地了解各個(gè)神經(jīng)元及節(jié)點(diǎn)之間的聯(lián)系，更不了解復(fù)雜的意識(shí)形式。但這些粗淺認(rèn)識(shí)的回報(bào)已經(jīng)十分巨大了，我們能推遲大腦的衰老，延長(zhǎng)大腦的壽命也是人體的壽命到近400歲，我們能部分地設(shè)計(jì)和控制夢(mèng)，并能清晰地記憶夢(mèng)境。但是對(duì)大腦的研究此時(shí)進(jìn)入了瓶頸狀態(tài)，能取得一些微小的進(jìn)展已經(jīng)很不容易了。

　　人類在23世紀(jì)后期掌握了可控核聚變技術(shù)，這也開(kāi)啟了人類開(kāi)發(fā)太陽(yáng)系的進(jìn)程。安裝了可控核聚變發(fā)動(dòng)機(jī)的宇宙飛船最高速度可達(dá)到光速的4%，每秒1萬(wàn)2千公里，這極大地縮短了人們?cè)谔?yáng)系不同天體間旅行的時(shí)間，到最遠(yuǎn)的行星海王星也只需要3天多的時(shí)間。但核聚變飛船有一個(gè)很大的問(wèn)題，它利用氫同位素的核聚變提供動(dòng)力，核聚變飛船的主要問(wèn)題是核燃料的重量占飛船總重量的比率太大，速度越快比率越大，當(dāng)達(dá)到最快速度光速的4%時(shí)，比率會(huì)達(dá)到95%以上。這樣，核聚變飛船只適合載人的小配重，主要用于在太陽(yáng)系內(nèi)的旅游觀光，不適合運(yùn)輸大重量的設(shè)備。但這并沒(méi)有阻止人們開(kāi)發(fā)太陽(yáng)系的熱情，人們制定了一系列的計(jì)劃。

　　一個(gè)計(jì)劃是直接利用太陽(yáng)的能量。作為太陽(yáng)系中心天體的太陽(yáng)，它的質(zhì)量占太陽(yáng)系總質(zhì)量的99.86%，采用核聚變的方式向太陽(yáng)系釋放光和熱，它的直徑是地球的109倍。太陽(yáng)光在太陽(yáng)系里穿梭1億5千萬(wàn)公里后才到達(dá)地球，地球獲得太陽(yáng)的能量只占太陽(yáng)發(fā)出來(lái)的能量的22億分之一。我們的最終目標(biāo)是到達(dá)太陽(yáng)內(nèi)核，直接從太陽(yáng)獲取能量，這些能量是無(wú)可比擬的，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)地球上儲(chǔ)存的能量的總和。如果人類成功了，這標(biāo)志著我們跨出了一級(jí)文明，邁向二級(jí)文明，即能控制和利用恒星系內(nèi)母恒星的能量。人們已經(jīng)實(shí)施了計(jì)劃中的第一步，向太陽(yáng)發(fā)射了探測(cè)器，探測(cè)器成為環(huán)繞太陽(yáng)近表面運(yùn)行的衛(wèi)星，能更細(xì)致地觀測(cè)太陽(yáng)表面。但探測(cè)器無(wú)法深入太陽(yáng)內(nèi)部進(jìn)行觀測(cè)，太陽(yáng)的內(nèi)核是核聚變反應(yīng)區(qū)，核心處溫度高達(dá)1500萬(wàn)度，壓力相當(dāng)于3000億個(gè)大氣壓，人類生產(chǎn)的材料還無(wú)法承受如此高溫高壓。

　　另一個(gè)開(kāi)發(fā)太陽(yáng)系的計(jì)劃是把一些天體改造得適合人類居住，這包括一些固態(tài)的行星，比如火星、金星和水星。計(jì)劃也包括一些較大的固態(tài)衛(wèi)星，有木星的兩顆衛(wèi)星，木衛(wèi)一和木衛(wèi)二，土星的兩顆衛(wèi)星，土衛(wèi)二和土衛(wèi)六。人們考慮了不同的方案，一個(gè)較可行方案是針對(duì)火星的。該方案包括，改造火星大氣，制造原始海洋，培育原始植物釋放氧氣，等等。但這個(gè)方案只適合火星，因?yàn)榛鹦潜砻娴钠骄鶞囟仁橇阆?5度，不是很極端。但該方案不適合其它天體，因?yàn)槠渌祗w溫度過(guò)高或過(guò)低。金星和水星距離太陽(yáng)過(guò)近，表面溫度近500度。土星和木星的衛(wèi)星距離太陽(yáng)過(guò)遠(yuǎn)，表面溫度是零下100多度。人們采取了另一個(gè)方案，適合所有這些潛在的宜居天體，那就是把它們拉到地球附近的軌道。這樣，所有天體同太陽(yáng)的距離適中，溫度也適中，改造起來(lái)要容易很多。這個(gè)方案的關(guān)鍵步驟是把這些天體拉到近地球軌道，這些天體的質(zhì)量很大，同地球同一個(gè)數(shù)量級(jí)，距離地球幾千萬(wàn)到幾億公里，這將需要很多能量和巨大推力。雖然地球上儲(chǔ)存著豐富的核聚變?nèi)剂?，但只限于在地球上使用，如果用于太?yáng)系改造，這些能源會(huì)很快被耗盡。最理想的能量來(lái)源是太陽(yáng)，這些能量對(duì)太陽(yáng)微不足道。雖然我們開(kāi)啟了直接利用太陽(yáng)的計(jì)劃，到目前為止只是向太陽(yáng)發(fā)射了衛(wèi)星，距離直接利用太陽(yáng)能量還遙遙無(wú)期。為了解決能源和推力問(wèn)題，人們?cè)O(shè)計(jì)了另一套方案，利用天體內(nèi)部的熱量。這些天體同地球一樣，內(nèi)核物質(zhì)承受著巨大壓力，溫度高達(dá)幾千度。我們可以將高溫高壓轉(zhuǎn)化成動(dòng)能并產(chǎn)生推力，這對(duì)于人類的科技并非難事。我們第一個(gè)在火星上進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)，在火星上打了幾個(gè)一千多公里的深洞，獲得的能量把火星朝著太陽(yáng)移動(dòng)了3公里左右。但是這對(duì)火星也產(chǎn)生了很大的破壞，雖然這只是一個(gè)實(shí)驗(yàn)，從地核取出一點(diǎn)點(diǎn)能量，但地核物質(zhì)的平衡被打破。雖然我們有所準(zhǔn)備，預(yù)測(cè)了各種可能性并制定了相應(yīng)的應(yīng)急方案，這次實(shí)驗(yàn)引起的破壞還是出乎意料，地表很多地方發(fā)生了極其劇烈的火山噴發(fā)。人們不得不暫時(shí)中止這個(gè)方案。

　　人類在24世紀(jì)末掌握了批量生產(chǎn)反物質(zhì)的技術(shù)，雖然只處于初期階段，產(chǎn)量很少，但這給開(kāi)發(fā)太陽(yáng)系帶來(lái)了新的曙光。根據(jù)質(zhì)能方程，當(dāng)反物質(zhì)同普通物質(zhì)結(jié)合時(shí)，所有質(zhì)量轉(zhuǎn)化為能量，達(dá)到100%轉(zhuǎn)化率，遠(yuǎn)大于核聚變的0.7%。人們可以把太陽(yáng)核聚變產(chǎn)生的能量轉(zhuǎn)化為反物質(zhì)，再把反物質(zhì)運(yùn)回地球。人類在2393年向探索和利用太陽(yáng)邁出了新的一步，我們向太陽(yáng)內(nèi)部發(fā)射了反物質(zhì)生產(chǎn)設(shè)備，利用太陽(yáng)內(nèi)部的熱和光生產(chǎn)反物質(zhì)。這只是一次嘗試性的實(shí)驗(yàn)，人們并不介意反物質(zhì)的生產(chǎn)效率。但這個(gè)嘗試意義重大，標(biāo)志著人類開(kāi)始直接利用太陽(yáng)能源。太陽(yáng)分為內(nèi)部和大氣層。內(nèi)部從里向外分為核反應(yīng)區(qū)、輻射區(qū)、對(duì)流層。太陽(yáng)核心處的溫度高達(dá)1500萬(wàn)度，壓力相當(dāng)于3000億個(gè)大氣壓，人類生產(chǎn)的材料無(wú)法承受這樣的高溫高壓。因此，實(shí)驗(yàn)只在對(duì)流層邊緣地帶，那里的溫度和壓力要小很多，最高溫度是200萬(wàn)度左右，最大壓力相當(dāng)于20億個(gè)大氣壓，人類生產(chǎn)的材料可以承受這樣的溫度和壓力。太陽(yáng)對(duì)流層的溫度、壓力和密度梯度很大，它們的對(duì)流運(yùn)動(dòng)強(qiáng)烈。在一次實(shí)驗(yàn)中意外發(fā)生了，對(duì)流運(yùn)動(dòng)突然變得異常猛烈，超過(guò)了人們的預(yù)期強(qiáng)度。反物質(zhì)設(shè)備被猛烈的對(duì)流運(yùn)動(dòng)帶走，不知去向。隨后發(fā)生的事情令人們恐懼。設(shè)備消失后不久，太陽(yáng)發(fā)生了一次類似耀斑的噴發(fā)，這次噴發(fā)是有記錄以來(lái)最強(qiáng)烈的，大量的電磁輻射和高能帶電粒子在短時(shí)間內(nèi)被噴發(fā)出來(lái)。雖然地球上的設(shè)備和衛(wèi)星可以防御來(lái)自太空的電磁輻射和粒子流，但這次噴發(fā)太強(qiáng)烈了，很多設(shè)備和衛(wèi)星受損，也有很多人受傷，幸運(yùn)的是沒(méi)有人喪命。人們分析后認(rèn)為，很可能是反物質(zhì)設(shè)備被超強(qiáng)的對(duì)流帶入對(duì)流層里面，也可能深入到太陽(yáng)更深的內(nèi)部，甚至到達(dá)核反應(yīng)區(qū)。反物質(zhì)和普通物質(zhì)反應(yīng)產(chǎn)生了100%的質(zhì)能轉(zhuǎn)化率，遠(yuǎn)大于太陽(yáng)核反應(yīng)區(qū)的0.7%的質(zhì)能轉(zhuǎn)化率，這樣反物質(zhì)附近的能量密度遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于太陽(yáng)內(nèi)的能量密度，引起對(duì)太陽(yáng)的擾動(dòng)，產(chǎn)生了嚴(yán)重的噴發(fā)現(xiàn)象。人們認(rèn)為，這次噴發(fā)并不是通常發(fā)生的耀斑。耀斑發(fā)生在太陽(yáng)大氣層中的色球區(qū)域，產(chǎn)生的電磁輻射主要發(fā)生在較高頻的紫外線和X射線波段、以及較低頻的無(wú)線電波和微波波段。這次噴發(fā)中卻有很大成分的伽瑪射線，它的頻率在電磁波中最高。這次噴發(fā)中的破壞主要由高能的伽瑪射線引起的。這也是人們推測(cè)噴發(fā)發(fā)生在太陽(yáng)內(nèi)部的另一個(gè)原因。這次事故令人們震驚，這只是實(shí)驗(yàn)，設(shè)備很小，反物質(zhì)也很少，卻引起了有記錄以來(lái)最強(qiáng)烈的太陽(yáng)噴發(fā)。實(shí)際生產(chǎn)中的設(shè)備要大很多，如果發(fā)生事故，對(duì)地球的破壞將是災(zāi)難性的。人們意識(shí)到，在太陽(yáng)系萬(wàn)物之母的太陽(yáng)面前，人類還太渺小，對(duì)太陽(yáng)的認(rèn)識(shí)還太膚淺。這樣，人類直接控制和利用太陽(yáng)的計(jì)劃擱淺了。