走进科学
11个有可能实现的科幻概念
这些常见的科幻桥段有朝一日可能成为科学现实。
科幻小说和电影中充斥着各种离奇的点子，但大多只是为了推动剧情发展，而不是认真预测未来科技趋势。根据我们目前对物理规律的理解，一些最常见的桥段，比如在几秒钟内就将宇舙飞船加速到极快的速度而不会把乘员压扁，根本是不可能的。然而，这些物理规律似乎允许其他看似牵强的科幻概念成为可能，比如虫洞和平行宇宙。以下是一些在理论上可能实现的科幻点子。
1) 牵引光束
在科幻电影中，没有什么能像牵引光束把好人的宇宙飞船缓慢吸引过来更能增添紧张感了。现在，科学家们正在开发真实的牵引光束。但与电影中不同，真实版本的目标不是抓住无助的太空人，而是将故障卫星牵引到地球附近的“坟墓轨道”。
这个所谓的静电牵引光束需要一艘服务船向目标卫星发射电子，使目标带上负电荷，服务船带上正电荷。两艘宇宙飞船之间的静电吸引力会使它们“粘”在一起，服务船就可以慢慢拖动卫星走开了。
一些专家深信这种原型技术在实践中是可行的。但要把一个可工作的版本送入太空需要数千万美元，这可能会阻碍它从理论转化为现实。
2) 虫洞
虫洞这个概念听起来像是虚构的剧情驱动器，它是宇宙之间的一条捷径，允许在远离的宇宙区域之间几乎瞬间旅行。但在它的正式名称爱因斯坦-罗森桥下，这个概念早在科幻作家把它变成桥段之前就作为一个严肃的理论概念存在了。它来自阿尔伯特·爱因斯坦的广义相对论，该理论将引力视为由巨大天体造成的时空扭曲。爱因斯坦与物理学家内森·罗森合作，在1935年提出了一个理论，即极端强引力的点，比如黑洞，可以与彼此直接连接。于是虫洞的概念诞生了。
任何接近黑洞的物质都会被其破坏，所以直到20世纪80年代，通过虫洞实际旅行的想法才被认真考虑。根据BBC的报道，当时天体物理学家卡尔·萨根决定写一本科幻小说。他鼓励同行物理学家基普·索恩想出一个可行的方法，在瞬间完成星际旅行。于是，索恩设计出了一种在理论上可能但在实践中极不可能的方法，即人类可以通过穿越虫洞而不受伤害进行星际旅行。这个设想出现在了萨根的小说《接触》(1985年，西蒙与舒斯特出版社)中，后来改编成了由朱迪·福斯特主演的同名电影。
虫洞不太可能像电影中描绘的那样简单方便地用于运输，但科学家现在已经想出了比索恩最初建议更可行的方法来构建虫洞。此外，如果宇宙中已经存在虫洞，新一代引力波探测器可能可以找到它们。
3) 曲率引擎
大多数太空冒险故事的基本前提都是能比现在快得多地从A点移动到B点。除了常规宇宙飞船存在的巨大燃料需求、巨大加速力造成的压碎人体以及宇宙对速度设定的严格限制等多重障碍外，在宇宙背景下，光年/年的速度并不快。离地球最近的第二颗恒星──最近星距离太阳4.2光年，而银河中心距离太阳则有惊人的27000光年。
幸运的是，对速度的宇宙限制有个漏洞：它只规定了我们穿越空间的最大速度。正如爱因斯坦阐明的，空间本身可以被扭曲，因此也许可以以某种方式操纵飞船周围的空间，从而规避速度限制。飞船本身仍以低于光速的速度穿越周围空间，但空间本身移动的速度却快于光速。
这就是“星际迷航”编剧在20世纪60年代构思曲速驱动的初衷。但对他们来说，这只是一个似是而非的措辞，并非真正的物理学。直到1994年，理论物理学家米格尔·阿尔库比埃雷找到了爱因斯坦方程的一个解法，从而产生了真正的曲速驱动效应，在宇宙飞船前面收缩空间，在后面扩张空间。起初，阿尔库比埃雷的解法与索恩的可通行虫洞一样牵强，但科学家正在尝试改进它，希望有朝一日它能成为现实。
4) 时间旅行
时间机器的概念是最伟大的科幻情节设备之一，允许角色返回过去改变历史走向，不论是好是坏。但这必然会引发逻辑悖论。比如在《回到未来》中，如果没有未来的马蒂坐时光机回到过去，狄克博士又怎么会建造他的时光机呢?正因为这种悖论，许多人认为时间旅行在现实世界中肯定是不可能的，但根据物理定律，它确实是可能发生的。
就像虫洞和空间曲率一样，告诉我们时间旅行在理论上可行的物理学也来自爱因斯坦的广义相对论。它将空间和时间视为“时空”连续体的一部分，两者是紧密相连的。正如我们讨论用虫洞或曲速驱动扭曲空间一样，时间也可以被扭曲。有时时间会扭曲到折回自身，科学家称之为“封闭的类时曲线”，尽管它更准确地可以称为时光机。
1974年，物理学家弗兰克·提普勒公布了这样一种时光机的概念设计，根据物理学家大卫·刘易斯·安德森的说法，他在私人研究实验室安德森研究所描述了这项研究。这被称为提普勒圆柱，它必须非常大，根据亨布尔的说法，至少有97公里长，并且极度致密，总质量相当于太阳。为了使其发挥时光机功能，圆柱必须足够快速旋转以扭曲时空，时间就会折回自身。这听起来可能不如在德洛连安装通量电容器那么简单，但它的优点是在纸上确实可行，至少在理论上。
5) 传送
科幻作品中传送的典型例子是“星际迷航”中的传送器，顾名思义，它被简单地描绘为一种在两个位置之间方便运输人员的方式。但传送与任何其他形式的运输完全不同：乘客不是从出发点移动穿过空间到目的地，而是在目的地精确复制一个乘客，而原件被销毁。从这种角度来看，并且在亚原子粒子而不是人的层面上，传送确实是可能的，根据IBM的说法。
真实世界中的过程称为量子传送。它复制一个粒子(如光子)的精确量子状态，传送给可能数百英里外的另一个粒子。量子传送会破坏第一个光子的量子态，所以它确实看起来那个光子像是神奇地从一个地方传送到了另一个地方。这种诡计基于爱因斯坦所称的“幽灵似的远程作用”，但在正式术语中称为量子纠缠。如果要“传送”的光子与一对纠缠光子中的一个接触，并将测量结果发送到接收端，也就是另一个纠缠光子所在的地方，那么后者光子就可以被切换到与传送光子相同的状态。
即使对单个光子来说，这也是一个复杂的过程，在“星际迷航”中所见的那种瞬间运输系统不可能放大应用。尽管如此，量子传送在现实世界中确实有重要应用，例如防篡改通信和超高速量子计算。
6) 平行宇宙
宇宙就是我们的望远镜所显示的一切，所有从大爆炸扩张的数十亿星系。但这就是全部吗?理论表明可能不是：可能存在无数个多元宇宙。平行宇宙的概念是另一个熟悉的科幻主题，但在银屏上描述时，它们通常仅与我们的宇宙在细节上有所不同。但现实可能要怪异得多，一个平行宇宙中的基本物理参数，如引力或核力的强度，可能与我们自己的不同。一部真正描绘不同宇宙及其生物的典范科幻小说是艾萨克·阿西莫夫的《众神自己》(1972年，双日出版社)。
理解平行宇宙的关键是“永恒通货膨胀”的概念。它描绘了无限空间组织中的永久、极快速膨胀状态。空间中的局部点偶尔会脱离总体膨胀，开始以更 温和的速度增长，允许像恒星和星系这样的物质对象在其内部形成。根据这种理论，我们的宇宙就是这样一个区域，但可能还有无数个其他的。
正如阿西莫夫的故事中描绘的，这些平行宇宙的物理参数可能与我们自己的完全不同。科学家一度认为，只有与我们的宇宙几乎相同的参数的宇宙才能支持生命，但最近的研究表明，情况可能没有这么严格。所以阿西莫夫小说中的外星人仍有希望，尽管与他们取得联系的希望渺茫。但我们可能通过其他方式探测到其他宇宙的痕迹。甚至有人提出，宇宙微波背景中的神秘“冷斑”是与一个平行宇宙碰撞的痕迹，英国利物浦约翰摩尔斯大学天体物理学教授伊万·巴尔德里在“对话”杂志中写道。
7) 移居火星
谁不想居住在红色星球上呢?它的引力比地球小，因此即使简单的行走也很困难，分娩可能是不可能的。火星得到的阳光比我们的家园少，因此即使最温暖的日子也勉强能称得上适宜。唯一的水资源锁存在土壤中的冰层或极地。更别提，没有呼吸的大气......事实上根本就没有大气。
但是几乎每一个设置在足够远的未来的科幻故事都有人类居住在火星上。这里的关键是改造行星，将这颗寒冷、空旷的大气转变成更接近地球的东西。虽然不可能，但也非易事，因为火星没有足够的挥发性物质(如水、氮和二氧化碳)来构建自己厚重的大气。因此我们不得不从其他地方进口，比如从外太阳系拖来彗星并把它们撞向该行星。
这种大规模工程并非不可能。只是非常、非常困难，需要数代人不懈劳动才能打造一个地球2.0版本。
8) 容易实现的核聚变
即使是最疯狂的科幻宇宙飞船也需要某种动力源，科幻作家们似乎有三种标准选择：某种虚构物质，如稀有金属;反物质;或古老的核聚变。最后一个作为太空飞船和离世界定居点的可持续能源最具可能性。
事实上，人类已经在地球上的移动船只、深海潜水艇上利用核能了。但那些是裂变反应堆，从分裂原子中获得能量。聚变，两个小原子融合形成一个更大的原子，完全是另一回事。聚变需要更复杂的技术来控制和利用产生的能量(我们已经弄清楚如何触发不受控的聚变反应，这就是氢弹的原理)。
2022年，美国能源部国家点火实验室的科学家取得了巨大进展：首次从聚变反应中获得的能量超过了投入的能量。这一卓越成就只是第一步，因为它不包括激光本身的效率损失或捕获那种能量并投入实用工作的方法。
尽管如此，全球各地的科学家和工程师仍在努力解决聚变难题，它终有一天可能成为我们未来的支柱。
9) 投石战争
在很久、很久以前，我们的祖先拿着当时的最新科技成果，磨尖的石头，尽最大努力朝对方脑袋砸去。从那以后，我们进步到了更先进的武装战斗手段，包括长矛(插在棍子上的磨尖石头)、宝剑(非常长的磨尖石头)、箭(远程磨尖石头)、子弹(极快的远程磨尖石头)甚至炸弹(高度爆炸的微型磨尖石头)。
在未来也不会有不同。太阳系中到处都是以数万英里每小时速度飞行的岩石。这种速度下，岩石蕴含了令人难以置信的动能。即使是毫米大小的微流星体也可以深深地钻入我们最坚固的宇宙飞船。
NASA的DART任务已成功证明，改变一颗大型小行星的轨道不需要太多功夫。相互投掷巨岩，其影响足以终结整个文明，无疑将是未来战争的标志。
10) 人造重力
科幻作家们经常引入人造重力作为情节点，以节省预算，允许演员在普通的摄影棚中表演;否则，他们不得不使用钢丝或复杂的视觉效果来模拟失重状态。
但创造随心所欲的重力比你想象的要简单。第一招是用旋转取代加速度。如果你坐过那种超高速转动的游乐园机动游戏，你就知道离心力能有多强。因此，如果未来地球人建立一个旋转太空居住环境，并把一切布置成外围边缘朝“下”，那么人们就会觉得跟在家一样。嗯，差不多吧，因为他们不得不处理旋转造成的头晕目眩和科里奥利力造成的反直觉动作。
模拟重力的另一招是保持移动。爱因斯坦意识到，不管加速度来自巨大的引力天体还是火箭的推力，它的作用都是一样的，你可以利用这一点。如果你发动火箭引擎并保持9.8米/秒^2的恒定加速度，除非你看向窗外，否则你根本不会意识到自己在宇宙飞船上。当然，要保持那种加速度需要大量燃料，但那是另一个问题了。
11) 超个性化医疗
你知道你最喜欢的科幻剧中的场景。主角受了伤，可能还很重。他们去医疗舱，总是医疗舱，医生在他们身上挥舞魔杖和/或在胳膊上插上很简单的东西。然后治疗就开始了。
在我们自己的现实中，自从科学方法被引入该领域100多年来，医学已经取得了巨大进步。对我们的祖先来说是恐怖病症的疾病，如天花，对我们今天几乎没什么印象。从明显的疫苗和抗生素奇迹，到日常拯救生命的外科手术，我们过得更好了。医疗仅仅在变得更先进。最近，基因编辑技术如CRISPR已经兴起，提供为每个患者量身定制药物和治疗的希望。设想一个未来，你的医生从分子层面了解你，可以开出准确的药方来治愈你的任何疾病，这并非毫无根据。当然，我们在医学研究上的持续进步会把我们带向何方还无法确定，但想象疾病管理、修复和整体健康的进步并非荒诞无稽。
本文译自 Live Science，由 BALI 编辑发布。