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霍金的派对：从科学天地到数码时代 [:1707629793]
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霍金的派对：从科学天地到数码时代 地震波里的“隐形衣”(1)
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小时候看《西游记》，对孙悟空的隐身法印象颇深。后来在英国作家威尔斯（H．G．Wells）的小说《隐形人》（The Invisible Man）中看到了对隐身法的具体设想，即通过使自己透明而隐身。不过，那透明倘是如玻璃那样的话，将会对光线产生复杂的偏折，从而起不到完全的隐身作用。再后来，或许是更富科技色彩之故，能让人隐身的外部设备——比如隐形衣——受到了青睐，就连《哈利·波特》（Harry Potter）那样的玄幻小说都引进了所谓的隐身斗篷（cloak of invisibility）。
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但是，像隐形衣那样的东西真有可能实现吗？
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要回答这个问题，必须知道我们是如何看到物体的。简单地说，我们是通过眼睛接收物体发射或反射的光线——确切地讲是可见光——而“看”到它们的。由此不难推知，物体隐形的条件是不能发射或反射光线。但仅仅这样还不够，因为那样的物体依然会因阻隔光线而投下影子，并遮挡背后的东西，这同样会暴露其存在。因此，隐形衣要想实现，必须让光线毫无反射地绕行，且在绕行之后要如未曾绕行过那样恢复前行，以便不阻隔光线。
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这是相当苛刻的要求，无论天然还是传统加工的材料都无法满足。传统上，光学材料的性质取决于微观和宏观这两方面的结构，其中微观结构决定了折射率等基本参数，宏观结构（比如形状）则决定了对光线的具体影响（比如会聚、发散等）。在这两方面中，传统加工在宏观方面颇有水准，在微观方面的能力却极为有限，因此有很多东西无法实现，隐形衣就是其中之一。
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但是，近年来人们找到了一个新的努力方向：通过在小于光波波长、但比原子分子大得多的尺度上操控材料结构来改变其性质。这是一个介于上述微观与宏观之间的尺度。对于可见光，这一尺度约为几十纳米（nm），是今天的纳米技术在一定程度上已能操控的。另一方面，理论和实验研究均表明，这一尺度上的结构能对光学材料的性质产生巨大影响，由此加工而成的材料被称为超材料（metamaterial），它在光学中开启了一个全新领域。在这一领域中，隐形衣的实现变得大有可能了。1996年，美国杜克大学（Duke University）和伦敦帝国学院（Imperial College）的科学家们在这方面迈出了重要的一步，用超材料制成了一个在特定微波波段具有一定隐形功能的小器件。
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但更重要的是，超材料这一概念以及隐形衣这一应用并非只能针对光波，而是对其他波也有一定的适用性。这其中很受关注的一种波是地震波。众所周知，地震是一种“大规模杀伤性”灾害。在地震的巨大破坏力中，地震波乃是重要因素。假如有一种“隐形衣”，能让建筑物在杀气腾腾的地震波里“隐形”，那岂不就是一种极好的抗震手段？这个巧妙的想法引起了一些科学家的兴趣。与光学隐形衣需要纳米技术不同，地震波的波长是宏观的，因此针对地震波的“超材料”或“隐形衣”可以通过宏观的结构——比如在建筑物周围建一些圆柱状的地下结构——来实现，而且“隐形”也无需很严格，只要能将地震波引开即可。
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2009年，英国利物浦大学（University of Liverpool）的科学家用数值方法模拟了地震波里的“隐形衣”，并得到了正面的结果。2013年，几位法国科学家将这类研究由理论及模拟转为了实验。他们在一片冲积盆地上实际建造起了针对频率为50赫兹的地震波的“隐形衣”。这“隐形衣”的结构简单得出人意料，只是以点阵方式排布的一系列直径约0.3米、深约5米的垂直孔洞。为了检验“隐形衣”的效果，他们用人工方式产生了频率为50赫兹的地震波，结果发现这种结构确实能阻止地震波接近建筑物。
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不过，这些结果无论是理论、模拟还是实验，距离真正地震——尤其是大地震——的考验还差得太远。首先是这些“隐形衣”往往只对特定频率的地震波才最为有效，而真正地震中的地震波频率是多种多样的。其次，像上述法国科学家所用的以点阵方式排布的孔洞在真正的大地震中本身就是不堪一击的东西，这跟光学隐形衣中隐形衣本身不会被光线所破坏是完全不同的，这些显然都有待于进一步的研究或改进。
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(1) 本文发表于《科学画报》2013年第8期（上海科学技术出版社出版）。
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霍金的派对：从科学天地到数码时代 [:1707629794]
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霍金的派对：从科学天地到数码时代 现实与幻想(1)
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每个人小时候大概都有过一些关于未来的畅想，小则畅想自己或家庭的未来，大则畅想技术或社会的未来，有的是自发的想象，有的则是为了完成老师布置的作业。
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我以前很喜欢表达的一个的观点是：技术的发展往往比人们的幻想更为迅速。回顾历史时，我们可以轻易找到那样的例子，在其中人们对未来的预言或断言远远落后于真实的技术发展，以至于显得幼稚无知、保守可笑。比如当人们用将近18000个真空管造出了重达30吨的第一台通用计算机ENIAC后。美国的《通俗机械》（Popular Mechanics）杂志作出了一个“大胆”预言：未来的计算机也许只需要1000个真空管，质量只有1.5吨。而事实上，仅仅十几年后，真空管就基本退出了计算机舞台；而半个世纪后，就连质量仅百余克的掌上电脑的综合功能也远远超过了昔日的庞然大物。又比如著名物理学家开尔文勋爵（Lord Kelvin）——即那位指出过经典物理学天空中的两朵“乌云”的汤姆孙（William Thomson）——曾在1895年宣称：比空气重的飞行器是不可能的。而事实上，仅仅8年之后，莱特兄弟（Wright brothers）就把飞机送上了天空。还是那位勋爵，又在1897年宣称：无线电通信没有未来。而事实上，也是仅仅8年之后，无线电通信就开始在军事上得到了应用。还有一个常常被提到的例子，是电影业先驱、美国华纳公司（Warner Bros．Entertainment，Inc.）的创始人华纳（Harry Warner）曾在有声电影问世前夕嘲笑说：哪个该死的想听演员讲话？他显然没有想到，未来会有一批被称为“追星族”的人，他们最爱听的就是演员讲话。
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不过，小时候没有意识到的是，在有关未来最常见的畅想中，没有实现的其实比已经实现的更多。甚至有不少看起来并无多大革命性的想法，也远远超越了技术发展的实际速度。前些天我在网上读到一篇有趣的文章，是40年前一位名叫贝里（James Berry）的人发表在《机械图解》（Mechanix Illustrated）杂志上的，标题是《40年后的未来》（40 Years in the Future）。那篇文章描述了作者所设想的2008年（也就是本文写作之时的“现在”）的生活。文章的开头是这样的——很典型的畅想未来的笔调：
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现在是2008年11月18日，星期二早上8点。你要去300英里外参加一个商务会议。你坐进自己流线型的双人气垫车，按下几个按钮。国家交通计算机按照目的地计算出了当前的交通状况，然后示意你的车子开出车库。车子是无人驾驶的，你靠在座椅上开始阅读闪现在仪表盘上方平面视屏上的晨报……
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这样的车子对于中国读者也并不陌生。1961年，著名中国科幻作家叶永烈在他的《小灵通漫游未来》（该书直到1978年才出版）中描述的“飘行车”就类似于贝里笔下的气垫车。早年的儿童科幻往往是以21世纪为畅想对象的，因此《小灵通漫游未来》所描述的也恰好就是“40年后的未来”。
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现在2001年（21世纪的第一年）早已成为过去，贝里畅想的2008年也已变成进行时，但气垫车却并未普及，而且近期内也看不到普及的前景。同样，贝里畅想的很多其他技术——那些我们小时候就常常在杂志或画报上看到的技术，比如在真空管道内依靠压缩空气推进的高速火车，载客200人的火箭等——也并无在近期内成为现实的可能性。贝里设想的时速4000英里的超音速客机算是离现实较近的，可终究还是超出了一大截——现实是人们曾经建造过一种超音速客机（虽然时速远没有4000英里）：协和号（Concorde），但它却在运营27年后黯然退出了商业运营。其他一些人们设想已久的技术，比如机器人，虽已经过长时间的发展，却还停留在相当原始的状态下，只会蹒跚学步，说几句事先拟定的“你好”、“欢迎”之类的短语，完全不能与那些有一定思维能力，几可乱真的科幻故事中的机器人——比如30年前曾在中国上映的美国影片《未来世界》中的机器人——相提并论。
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这些技术的发展为什么会远远落后于人们对未来的畅想呢？一个重要的原因当然是由于谁也不可能摆脱时间的羁绊，从而谁也不可能真的看到未来。未来的技术会如何发展？在发展中会遇到何种困难？这些是谁也无法确知，并且也很少有人会在畅想未来时细致设想的。因此畅想归根到底只是粗略的猜测，而且往往是罗曼蒂克式的猜测，猜错了很正常，猜快或猜慢了都不足为奇。另一方面，有些设想单纯从技术上讲是可以实现的，从而并不超前，但在现实世界中却受制于一些其他因素而无法成功，或无法普及。比如贝里设想的气垫车的时速约为250英里（约合400千米），单以速度而论，无论作为气垫车还是靠轮子驱动的普通汽车，在今天的技术条件下都是能做到的。事实上，早在1935年，著名的“蓝鸟”（Blue Bird）赛车就已创下了时速301英里（约合500千米）的纪录。但普通汽车的速度却从未与那样的极限车速发生过关系——事实上，由于道路系统饱和，需频繁转弯，驾车者的应变能力有限，高速致使能耗剧增等等因素的制约，车速在普通汽车的性能指标中早已不再重要，因为几乎每款汽车的设计速度都已明显高于多数高速公路的速度上限。除非有一天人们能系统性地解决那些其他方面的问题，否则普通汽车与贝里笔下的气垫车在车速上的巨大差距将很难有显著缩小的可能。
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在所有有关未来的技术畅想中，超前得最典型的恐怕要算航天技术了。贝里在他的畅想中提到，2008年人们的度假方式之一是到卫星旅馆去住一住。这倒是今天的技术能够做到的，只不过在今天这可不是普通人所能尝试的，首先你得买得起几千万美元的往返票，其次还得看有没有国家愿意卖票。与其他作者相比，贝里在航天技术方面的设想算是相当保守的。前不久刚刚去世的英国科幻作家克拉克（Arthur C．Clarke）在与贝里的文章同一年发表的名著《2001太空漫游》（2001：A Space Odyssey）中，描述了一艘飞往土星的载人宇宙飞船。而中国已故科幻小说家郑文光的《飞向人马座》更是描述了发射时高达800米，最宽处直径100米，极限速度达每秒40000千米的巨型飞船。《2001太空漫游》的时代背景是2001年，《飞向人马座》因涉及假想的中苏战争，作者回避了年代，但最有可能的年代背景也是21世纪初。在其他科幻小说中，人类在21世纪初就在很多行星及卫星上建立基地，并频繁往来于那些基地的故事也比比皆是。那些小说共同勾勒出了一幅令人神往的宇宙开发图景，是我小时候的最爱。
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那些小说的创作，有很多是正好处在人类进入宇航时代之初的那些年。现在回顾起来，在那些年里，人们的确有充分的理由对航天技术的未来充满乐观。人类仅用了短短12年的时间，就完成了从发射第一颗人造地球卫星到把宇航员送上月球的巨大飞跃。这样快速的进展，至今还让人觉得匪夷所思。20世纪七八十年代，人类又建立了重达100多吨的太空实验室，向太阳系各大行星发射了无人探测器，并研制了航天飞机。这一系列成就拨动着所有人的心弦。那时的人们在畅想未来时，又怎能不把想象的翅膀张得大大的呢？可自那以后，人类探索太空的步伐明显减缓。虽然航天技术的发展并未停滞，但像早年那种里程碑式的进展变得越来越少。21世纪早已到来，但航天技术与几十年前人们在科幻小说中的想象相比，有着巨大的差距。这种差距的背后，是科幻小说家们在罗曼蒂克的故事中很少考虑的一些现实原因。