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100亿个明天：科幻技术如何成真并塑造人类的未来 第14章 即时通信
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作为一个科普作家，我常被问到是如何进入这一行的。科普兼顾科学和科幻，从科幻的角度看，它能给科学带来灵感。科幻作家詹姆斯·布莱什提出的“狄拉克发射机”激发了人们对物理研究的好奇心，这个仪器可以实现即时通信。即时通信在文学作品、电视剧、电影中经常出现，因为要管理一个大型的星际帝国或联邦，即时通信不可或缺。但让我感兴趣的不是这个技术在政治管理上的应用，不是它背后的科学解释，也不是它的即时性，而是信息比光的传播速度还要快所带来的出人意料的结果。
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“情理之中，意料之外”是所有小说的核心要素，这当然也让科幻作品更加引人入胜。如果所有的情节都在意料之中，那么结局肯定无聊至极。对我来说，科普最有趣的部分就是量子理论、相对论、无穷大和时间旅行。在我演讲时，总有观众提出这些方面的问题。它们往往能给观众带来“情理之中，意料之外”的认识，这恰恰也是狄拉克发射机一开始吸引我的原因。
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当然，科幻作品中的通信技术不总是包含类似即时通信的科技巨变。《星际迷航》刚上映时，那里面的通信仪器看起来棒极了——不论你身处何地，口袋大小的通信仪器可以让你和任何人通话。而当时真实物理世界中的人们几乎不可能即时联系。除非你知道某个人的具体位置，不然你没法给他打电话，那时候只有固定电话。如果你约某个人见面，又临时有事走不开，你是没办法第一时间通知对方的。那时候也没有能分享图片的社交网站和可以一起发表评论的弹幕网站。（所以那时候也挺好的。）
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虽然现在比《星际迷航》中的时间设定早了250年，但是不仅电影中的通信设备成了现实，而且我们还有所超越。（原始版本的时间设定是23世纪60年代，即电影首映的300年后。）《星际迷航》前几部非常善于预测即将面世的产品。此外，想想船员们随身携带的那些笨重的电子仪器，还有斯波克先生经常使用的笨重的存储设备，我们现在的平板电脑可方便多了。柯克舰长只能和特定的船员打电话（而且还得花费大量时间调整信号控制器），而我们现在可以用智能手机、电脑及各种信息设备和世界上的任何人通话。通信设备并不仅限于交流，对于现在的智能手机来说，打电话只是最基本的功能之一。
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影片中通信设备的设计和现实版本如出一辙，只不过现实版本的功能更强大。用翻盖保护设备的想法首先在固定电话上实现，然后又出现了翻盖手机。我不得不承认，第一次拥有一部翻盖式红色固定电话时我欣喜若狂，就像《星际迷航》的情节发生在我家一样，即便电话翻盖时并没有影片中的“嘟”的一声。现在，翻盖设计基本已退出历史舞台了。
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从现在的角度预测未来是非常困难的，上面说的手机就是一个很好的例子，这也是科幻作品不等同于未来学的一个原因。在20世纪60年代，对讲机是唯一一种便携式通信设备，它没有屏幕，也不能实现多方交流，除了不能拨号之外和电话没什么区别。所以，即便设计得再前卫，科幻作品的想象还是跳不出这个原型。
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电影里的通信设备利用原始的电波原理仅能在有限的范围内使用，这样的通信设备能有多强大呢？在20世纪初，这样的设计无疑非常耀眼，那时候大家总想着用无线电做各种事情。如果一个东西能够实现远程交互，它就会显得独树一帜。但是，这些科幻作品都是基于当时的科技水平上的。摆在现代科幻作家面前的一个更有意思的挑战则是星际通信。
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每当作家把主角放在宇宙深处或者银河系之外，有点儿科学背景的人都会意识到一个问题。信息的最快传播速度是光速，它可能是调制激光器发出的可见光，也可能是低频无线电波，但其上限必然是每秒18.6万英里。光从不懈怠或偷懒，但广阔的星际空间使基于光的交流产生了问题。光需要4年才能从地球到达离太阳最近的星体——比邻星，因此单向的信息传播需要4年，双向传播则需要8年。而从我们的星系到最近的仙女座星系，单向的信息传播需要250万年。
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如果想让故事的逻辑合理，科幻作家就需要想出办法绕过光速的限制，即通过一些还没有实现的技术或利用比较模糊的物理概念，让信息在任意距离间实现即时（或者近似即时）传送。因此，《星际迷航》用所谓的“亚空间通信”的概念，实现了任意舰船之间的交流。它的机理从未被明确阐述，似乎相当于某种平行空间——在真实空间里相距甚远的两点在平行空间里的距离可能非常近。亚空间里充满着连接宇宙不同位置的虫洞矩阵，虽然这个概念非常好用，但却不能用已知的物理理论进行解释。
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其实，费尽心思地为即时通信设计出“亚空间”这个概念，这在科幻作品中已经难能可贵了，特别是跟那些天马行空的电视剧和电影相比。很多作品都想当然地假定，人们可以在任意的地方用无线电进行通信。然而，有两个作家为合理地实现即时通信颇费心思，一个是在本章开始提到的提出狄拉克发射机的詹姆斯·布莱什，我们接下来还会提到他，另一个是提出安塞波的厄休拉·勒吉恩。
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勒吉恩是20世纪70年代红极一时的科幻作家，她理应得到更多的认可，因为即便在今天，她的故事看起来依然逻辑顺畅、合情合理。“安塞波”是一种超光速通信设备，勒吉恩提出的这个概念基于“同时性”，它可以把独立的宇宙模块——所有的时空——联系起来。过去、现在、未来都是四维模块，我们感受到的随时间而发生的变化都是幻觉。
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勒吉恩也指出，安塞波的一端必须是质量非常小的物体，这反映出通信是借由引力实现的（但她没有意识到，按照经典的相对论，引力最快只能以光速传播）。安塞波只能发送简单的文字信息，类似手机短信的前身，但把它和一个真实世界的物体进行类比并没有什么意义，因为这个仪器背后缺少必要的逻辑支撑。“安塞波”的概念被其他一些科幻作家借用，但他们都没有真正地理解这个概念，他们以为安塞波就是某种曲速引擎或者时间机器。
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詹姆斯·布莱什的狄拉克发射机首次出现在他于1954年发表的短篇小说《嘟》（Beep）中，但对狄拉克发射机最好的描述出现在布莱什的中篇小说《时间的梅花阵》（The Quincunx of Time）里。（“梅花阵”原本是一种西方人发明的园艺设计方式，在矩形的4个角种上4棵树，在矩形的正中间种上第5棵树。但是，除了喜欢它的发音以外，并不清楚布莱什为什么用它做标题。）
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狄拉克发射机背后虽然没有很多的科学支撑，但布莱什试图比较详尽地解释这其中的机理。在20世纪四五十年代，正电子经常在科学新闻里出现，所以这个概念也出现在艾萨克·阿西莫夫笔下的机器人和布莱什提出的狄拉克发射机中。英国物理学家保罗·狄拉克首先提出正电子的概念，这是他成功结合量子理论和狭义相对论提出狄拉克方程式的附属物。这个方程式解释了电子在相对论速度下的表现，但它也有一个令人挠头的缺陷。
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狄拉克提出存在两种电子，一种携带正能量，另一种携带负能量。这个概念在当时无异于天方夜谭，并没有太多的实际意义。狄拉克意识到，这个负能量电子也许就是“反物质电子”，和经典的正能量电子一样，它携带的是相反的电荷。布莱什进一步延伸这个概念，认为包括所有的电子和正电子在内（在布莱什的书出版之时，正电子的存在已经被实验证实），任何粒子都有一个对应的反物质粒子，并且它们之间有牢不可破的联系。如果你改变一个粒子的轨迹，另一个粒子的轨迹也会因此改变。
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如果布莱什的设想止步于此，那么确实可以设计出《星际迷航》里的“亚空间通信”设备，但也仅此而已。事实上，他进一步思考了超光速通信可能带来的后果。他深知狭义相对论里关于超光速通信会产生的各种奇怪的效应。如果可以即时传送信息，就可能出现信息在被发出之前已被接收的情况。因此，把信息传回过去变成了可能。这是一个匪夷所思的断言，所以我们有必要解释一下为什么会这样。解决这个矛盾的最简单的办法分为两步，但这确实有可能，前提是我们必须有一个即时通信器。
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1905年，爱因斯坦提出狭义相对论，狭义相对论结合了运动的基本规律和关于光本身的超前理解。在此之前，苏格兰物理学家詹姆斯·克拉克·麦克斯韦提出，光是电和磁的相互作用。一个运动的电荷会产生磁，同时一个运动的磁体会产生电。变化的电场会产生变化的磁场，变化的磁场又会产生变化的电场，循环往复。整个电磁场理论是一套非常自洽的理论。
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电场和磁场的相互转换过程只在一定速度的前提下才有可能成立，这个速度经过计算就是光速，这也证明了“光是一种电磁波”的结论。爱因斯坦用一个思想实验进一步探索了这个概念。他假设自己同一束阳光一起穿过太空。（据说这个实验是在一个公园的草坪上完成的。爱因斯坦懒洋洋地躺在草坪上，阳光洒向他的眼睛。）当时还年轻的爱因斯坦想，如果他和阳光同速运动，那么以他的视角来看，太阳光是静止的。于是，问题出现了。
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如果光不是以光速运动，它就不存在了。电场和磁场相互转换的过程在其他的速度下都不成立，只在光速下成立。光速在真空中是每秒299 792 458米，也就是每秒18 600英里。（度量值如此精准是因为，米的定义是光一秒走过距离的1/299 792 458）。所以爱因斯坦不能和阳光一起运动，因为如果阳光不运动，它就不存在了。更重要的是，在这个假设的世界中，任何物质一旦以任何速度开始运动，它周围的光都将不复存在。这是通过相对论计算出来的，但它不是爱因斯坦的“拓展”版，而是伽利略的“原始”版。
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在伽利略的相对论中，两个物体互相靠近的速度可以相加。比如，两辆车做相向运动，每辆车的速度都是每小时50英里，那么从一辆车的角度看另一辆车，速度都是每小时100英里，也就是两辆车的速度之和。同样，如果两辆车以相同的速度同向运动，那么从一辆车的角度看，另一辆车是静止的。如果两辆车沿同一路径做同向运动，人可以轻松地从一辆车迈到另一辆车上去。
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依照伽利略的相对论，在一个运动的人眼里，光速要么加快、要么减慢，这取决于观察者的运动方向。但是，爱因斯坦意识到这是不对的。光和其他所有东西都不同。不管我们以什么速度向着光或者背着光运动，光速在真空中都是每秒299 792 458米。在分析光的运动时，相对论需要做出修改才能解释光的特殊本质。当爱因斯坦为合理地处理光速问题进行计算时，他发现了一些奇怪的物理现象。这里让我们最感兴趣的一个例子就是，在高速运动的宇宙飞船上时间会过得比较慢。
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我们通常认为相对论非常复杂，解释它的方程式肯定也繁复无比。对于广义相对论来说确实如此，特别是计算重力的公式，就连爱因斯坦也需要数学家的帮助。但是，狭义相对论的计算公式则非常简单。如果宇宙飞船上的时间为t，那么地球上的时间就是t/(1–v2/c2)½（v是飞船的速度，c是光速）。飞船的速度越快，公式中的分母就越接近于零，地球经过的时间就越接近于无穷大。这至多是高中数学的运算水平。
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我们甚至不需要计算就能知道光的运动对时间可能造成的影响，一个简单的思想实验可以让一切清晰明了。假想一艘宇宙飞船正高速飞离地球，现在发挥想象力（在思想实验中，我们需要想象力的参与），我们可以从地球上看到飞船内部。飞船里有一个与众不同的钟表，这个钟表由两面镜子构成，一面镜子在飞船的天花板上，另一面镜子在飞船的地板上。光束在两面镜子间来回反射，每反射一次，钟表的秒针就往前走一格。事实上，匀速运动的光就是钟表的计量单位。
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现在，让我们想象飞船正在以极快的速度远离地球。假设在我们从地球上开始观察飞船内部的那一刻，光刚好从天花板上的那面镜子折射下来。在光到达地板上的镜子的过程中，飞船仍在向前运动。所以，从地球的角度观察，光并不是像在飞船内的人观察到的那样做垂直运动，而是走了一条更长的斜线：光反射的方向和飞船运动方向的矢量叠加。
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