1 力场

“打开防护罩！”

这是《星际迷航》中柯克船长向船员们发出的第一道命令，其目的是升起力场，在敌人炮火下保护企业号飞船。

在《星际迷航》中，力场极为重要，以至战斗的走向可以用力场的支撑情况来衡量。每当力场中的能量被抽走，企业号的船体就会承受越来越多的破坏性重击，直到最终不可避免地投降。

力场是什么？在科幻小说里，它非常简单，带有误导性：一层薄薄的、隐形的却无法穿透的屏障，能使激光和火箭之类的东西改变攻击方向。乍一看，力场非常简单，它作为一种战场上的屏障被创造出来似乎是近在眼前的事。人们期待某天会有某个富有进取心的发明家宣布发现了防御性力场。但事实远比这复杂得多。

正如爱迪生的电灯泡彻底改变了现代文明一样，力场可能会对我们生活的每个方面都产生深远的影响。军队可以利用力场使自身变得固若金汤，创造一种能够抵抗敌人飞弹和子弹的、无法穿透的盾牌。理论上，只按一下按钮，桥梁、高速公路和道路就可以被建造起来。整个城市可以立即在沙漠中破土而出，拥有完全用力场建造的摩天大楼。笼罩住整个城市的力场可以让其中的居民任意减少天气带来的影响，这些天气包括强风、暴雪和龙卷风。在力场的安全罩的保护下，城市可以被建造在海洋底下。玻璃、钢铁和灰浆可以被完全替代。

不过，非常奇特的是，力场或许是最难以在实验室里被创造出来的装置之一。事实上，一些物理学家相信，如果不重新定义其性质，那么创造力场或许是不可能的。

迈克尔·法拉第

力场的概念出自19世纪伟大的英国科学家迈克尔·法拉第的研究工作。

法拉第出生于工人家庭（他的父亲是一名铁匠），19世纪初，他长期靠当装订工人学徒勉强维持生计。年轻的法拉第深深着迷于因两种新力量的神秘性质被揭开而产生的巨大突破。这两种新的力量是电和磁。法拉第贪婪地尽他一切所能学习与这些问题相关的内容，并参加了英国皇家学会汉弗莱·戴维教授的讲座。

一天，戴维教授的眼睛在化学事故中严重受伤，他雇用了法拉第当他的助手。法拉第慢慢取得了皇家学会科学家们的信任，并且被允许独立操作重要的实验，尽管他常常受到冷落。年复一年，戴维教授越来越嫉妒他年轻的助手所表现出的杰出能力。法拉第已经成为实验圈子里冉冉上升的新星，最终使戴维教授的名声黯然失色。在戴维于1829年去世后，法拉第得以自由地做出一系列惊人的突破，发明了发电机，发电机可以为整个城市提供能源，并改变了世界文明的进程。

法拉第最伟大发现的关键是他提出的“力场”。你如果将铁屑放在一块磁铁上，就会发现铁屑会形成蜘蛛网状的图案，占据整个空间。这就是法拉第的力线，它以图形的形式描绘了电和磁的力场是如何散布在空间中的。举例来说，你如果绘出整个地球的磁场，就会发现磁场线从北极地区伸出，然后在南极地区落回到地球上。同样，你如果画出雷阵雨中一枚避雷针的电场线，就会发现这些线集中在避雷针的尖端。在法拉第看来，“空的空间”其实根本不是空的，而是充斥着能使遥远的物体移动的力线。（由于早年穷困，法拉第没有受过足够的数学教育，因此他的笔记本中密密麻麻的不是等式，而是这些力线的手绘图表。具有讽刺意味的是，数学训练的不足使他创造了如今在任何物理课本中都可以看到的、美丽的力线图。从科学上来说，物理图像通常比用来对其进行描述的数学语言更重要。）

历史学家们推测过法拉第是如何发现力场的，它是所有科学中最重要的概念之一。事实上，全部现代物理学都是用法拉第的场的语言写就的。1831年，他实现了关于力场的关键性突破，改变了人类文明。一天，他正在将一块儿童磁铁移过一个金属线圈，他注意到，他甚至没有碰到电线就可以在金属线里制造一股电流。这意味着磁铁不可见的场可以推动电线中的电子穿越“空的空间”，产生电流。

法拉第的“力场”曾经被视为毫无用处，是无所事事的随意涂鸦，但它是真实的、物质的力量，可以移动物体并产生能源。今天，你在阅读这一页书时所就着的光线或许就是利用法拉第关于电磁学的发现点亮的。一块转动的磁铁会制造力场，推动一根电线中的电子，使它们以电流的形式移动。其后，这股电线中的电力可以点亮一盏灯。同样的原理被用以生产为全世界城市提供能量的电力。比如，水流过一个大坝，在一个涡轮机中产生了巨大的磁力，使其进行转动，随后，这个涡轮机再推动电线中的电子，形成一股电流，通过高压电线把电送进我们的家。

换言之，迈克尔·法拉第的力场是驱动现代文明的动力，从电动推土机到如今的计算机、互联网还有iPod（苹果音乐播放器）。

法拉第的力场在一个半世纪中成为物理学家们的灵感之源。这些力场给了爱因斯坦极大的启示，他用力场的语言来描述和表达他的引力理论。同样，我也被法拉第的成果启迪。多年前，我成功地用法拉第的力场描述了弦理论，从而建立了弦场论。在物理学界，如果有人说“他思考起来像一根力线”，那便意味着一种高度的赞美。

四种力

在过去的2 000年中，物理学的最高成就之一便是分离并鉴别了主宰宇宙的四种力。它们全部可以用法拉第提出的场的术语进行描述。不幸的是，它们全都不怎么具备大多数科幻小说中所描述的力场的特性。这些力是：

（1）引力

它能使我们的双脚站在地面上、防止地球与恒星解体，并且将太阳系和银河系维系在一起。没有了引力，我们就会被转动中的地球以每小时1 000英里的速度甩到太空中去。问题是，引力恰恰拥有与科幻小说中的力场截然相反的性质。引力是吸引性的，不是排斥性的；它相对而言极为微弱；它在非常遥远的天文学距离内发挥作用。换句话说，它差不多就是人们在科幻小说中读到或从科幻电影中看到的扁平、轻薄、无法穿透的屏障的对立事物。例如，用整个地球的引力才能吸引住一根羽毛，但是我们用一根手指抬起羽毛就能抵消地球的引力。我们一根手指的动作可以对抗整个星球的引力，这个星球的重量超过6×10 ₂₄ 千克。

（2）电磁力（EM）

它是点亮我们城市的力。激光、无线电、电视机、现代电子学、计算机、互联网、电学和磁学都是受电磁力的影响而产生的。这可能是人类有史以来掌控的最为有用的力。与引力不同，它既有吸引性又有排斥性。但是，有几个原因使它不适于成为力场。第一，它很容易被中和。举例来说，塑料和其他绝缘体能够轻易穿过一个强大的电场或磁场。一片被丢进磁场的塑料可以顺利通过磁场。第二，电磁通过远距离发生作用，不能很方便地集中到一个平面上。电磁场的定律是使用詹姆斯·克拉克·麦克斯韦的方程描述的，而这些等式看起来并不允许力场成为解。

（3）弱核力；（4）强核力

弱核力是放射性衰变的力。它是加热地球中心的力，具有放射性。它是火山、地震和大陆漂移背后的力量。强核力是将原子核维系在一起的力。太阳与星体们的能量始自核力，核力担负着点亮宇宙的职责。问题在于核力是一种短程力，主要在一个原子核的距离内起作用。由于它非常依赖原子核的性质，因此极难控制。目前，我们仅有的操控这种力的方法是在核粒子加速器中将亚原子粒子打散或者引爆原子弹。

虽然科幻小说中使用的力场可能并不符合已知的物理定律，但仍有可能存在使这样的力场产生的漏洞。比如，可能存在实验室中仍然未发现的第五种力。这个力可能在仅仅数英寸 到数英尺 的距离内，而不是在天文距离内进行作用（然而，评估这第五种力存在与否的初期尝试得出了否定的结果）。

或许我们可以使用等离子体来模拟力场的一些定律。等离子态是“物质的第四种状态”。固态、液态和气态是物质常见的三种状态，但宇宙中最普遍的物质形式是等离子体——一种电离的气体。由于等离子体的原子是被撕裂的，电子从原子上被撕下，因此原子带电，可以利用电场和力场轻易地进行控制。

等离子体是宇宙中含量最丰富的可见物质的形式，组成了太阳、星体和星际气体。等离子体对我们来说并不熟悉，因为它们在地球上很少见，不过我们可以见到以闪电、太阳和离子电视机内部结构形式出现的等离子体。

等离子窗

如上所述，如果一股空气被加热至足够高的温度，就能由此创造出一个等离子体，它的外形可以被电磁场塑造或改变。比如，它可以被改变成一层薄片或窗户的形式。另外，这个“等离子窗”可以被用来从普通空气中隔离出一个真空区域。原则上，我们或许可以防止一艘宇宙飞船中的空气泄漏到太空中，从而在太空和宇宙飞船之间创造一个简易、透明的分界面。

在《星际迷航》中，这样的力场被用来隔离停放小型穿梭机的穿梭机港与太空的真空。这不仅是一个节约道具支出的好办法，还是一个可以实现的装置。

等离子窗是由物理学家艾迪·赫斯基科维奇于1995年在纽约长岛的布鲁克海文国家实验室发明的。他开发等离子窗是为了解决使用电子束焊接金属的难题。焊工的乙炔炬喷出高热气流，将金属部件熔化，然后焊接在一起。然而，这必须在真空中完成。这一要求相当让人为难，因为这意味着要创造一个可能与整个房间一样大的真空盒。

赫斯基科维奇博士发明的等离子窗解决了这一问题。等离子窗仅仅3英寸高，直径不到1英寸，将空气加热至12 000华氏度 ，制造了一个被电磁场困住的等离子体。和在任何气体中一样，这些粒子使用压力来阻止空气涌入真空空间，由此将空气从真空中分离。（在等离子窗中使用氩气的时候，它的火苗是蓝色的，就像《星际迷航》中的力场一样。）

等离子窗在太空旅行和工业中有广泛的应用。很多时候，制造工艺流程要求能够实现工业上的微型加工和干蚀刻，但在真空中作业是很昂贵的。可是，有了等离子窗，我们通过轻按按钮就能控制真空，十分方便。

但是，等离子窗是否也可以用来作为无法穿透的盾牌呢？它能承受住来自光炮的冲击吗？在未来，我们可以想象更有威力、温度更高的等离子窗，足以破坏或者气化进攻的炮弹。但要创造如科幻小说中那样更为实际的力场，我们需要把数种技术层层堆积起来。可能每一层都并不能坚固到足以阻止炮弹，但它们的组合或许能。

最外层可以是一道增压后的等离子窗，被加热至足够气化金属的温度。第二层可以是由高能量激光束组成的帘幕。这道帘幕包含数千束交叉成十字形的激光束，形成能够对通过的物体进行加热、并且有效气化它们的网格。我将会在下一章中进一步讨论激光。

在这道激光帘幕后，我们可以想象一层由“碳纳米管”组合而成的网格。这种“碳纳米管”是单个碳原子组成的微小管子，厚度相当于一个原子，强度比钢高出许多倍。虽然目前单个碳纳米管长度的世界纪录仅为15毫米左右，但我们可以指望有一日我们或许能制造出任意长度的碳纳米管。如果碳纳米管能被编织成网格的形状，它们就能成为强度极高的屏障，可以抵挡大多数攻击物。虽然这道碳纳米管网格屏障是隐形的，但由于它具有原子级别的尺寸，因此它比任何常规材料都坚固。

如此一来，经过等离子窗、激光帘幕和碳纳米管屏障的组合，我们可以创造一道几乎不能被穿透的隐形墙。

然而，哪怕是这一多层屏障也不完全符合科幻小说中力场的特性——因为它是透明的，并且因此无法抵挡激光束。在使用激光炮的战斗中，这一多层屏障将会毫无用处。

想要抵挡激光，这一屏障需要同时拥有“光致变色材料”的先进技术。这是一种应用在太阳眼镜上的工艺，这些太阳眼镜一旦暴露在紫外线辐射下颜色就会自动变深。光致变色材料的基础是至少能以两种状态存在的分子。在其中一种状态下，分子是透明的。但这样的分子一旦暴露在紫外线辐射之下就会立刻变成第二种状态，即不透明的。

有一天，我们或许可以使用纳米科技制造一种像碳纳米管一样坚固的物质，并且它在暴露于激光之下时光学性质会发生改变。如此一来，一道屏障就可以抵挡激光冲击和粒子束，或者炮火。但是，目前，能够抵御激光束的光致变色材料是不存在的。

磁悬浮

在科幻小说中，力场除了能抵御激光枪的攻击，还有一个功用，那就是作为抵抗万有引力的平台。在电影《回到未来》中，迈克尔·J.福克斯踏着一块飞行滑板，它看上去与普通滑板一模一样，但它飘浮在街道上空。根据我们现今已知的物理定律（我们将在第10章中谈到），这样一个抵抗引力的装置是不可能实现的。但磁悬浮滑板和磁悬浮汽车在未来是可能成为现实的，它们将给予我们随意托举大型物体的能力。在未来，如果“室温超导体”成为现实，我们就有可能使用磁力场的力量抬升物体。

如果我们将两条磁铁N极对N极并排放置，那么两块磁铁会相互排斥。（如果我们旋转磁铁，使一条的N极对准另一条的S极，那么两条磁铁相互吸引。）这一定理，即同极相斥，可以被用来将重量极大的物体抬离地面。已经有几个国家建造了先进的磁悬浮列车（磁浮列车），这样的列车使用普通的磁力悬浮在铁轨上方很近的地方。由于没有摩擦，它们能达到破纪录的速度，悬浮在空气的软垫之上。

1984年，世界上第一套商业化自动磁浮系统在英国投入运营，从伯明翰国际机场行驶到附近的伯明翰国际火车站。德国、日本和韩国也建造了磁悬浮列车，尽管它们没有被设计成高速列车。第一列高速运营的商用磁悬浮列车是上海的高速磁浮列车示范运营线（IOS），行驶速度为每小时268英里。日本山梨县的磁悬浮列车的速度达到了每小时361英里，比有轮子的普通列车还快。

但是这些磁悬浮装置极其昂贵。增加效率的方法之一是使用超导体，它们在被冷却到绝对零度左右的时候会完全丧失电阻。超导性是由海克·翁内斯在1911年发现的。如果将某些物质冷却到绝对零度以上不足20开尔文的范围内，电阻就会完全丧失。通常，当我们把金属的温度降低时，它的电阻会逐渐减弱（这是因为金属丝中原子的随机振动妨碍电子的流动。降低温度后这些随机运动减少了，因此电子流动的阻力变小）。可是，让翁内斯大吃一惊的是，他发现某些特定材料的电阻在极端温度下突然下跌到零。

物理学家们立刻认识到了这一结果的重要性。电源线在长距离传送电力的过程中会损失大量的能量。但若电阻能被全部消除，电力就几乎能被毫无损失地传送。事实上，如果电被置于金属线圈中循环流动，那么它可以流动数百万年，而能量丝毫没有损失。除此之外，不费多大力气就能用这些巨大的电流创造出力量非凡的磁铁。有了这样的磁铁，我们可以轻而易举地抬起重量极大的物体。

尽管有了这些奇迹般的力量，但超导体的问题在于，将大块磁铁浸入巨大容器所盛的超冷液体中是非常昂贵的。要想保持液体的超冷却状态，需要巨型制冷设施，这使得超导磁铁的成本高得令人难以承受。

但物理学家们或许有一天能创造出“室温超导体”——固体物理学家们的圣物。在实验室中发明室温超导体将会再次激起一场工业革命。能抬起汽车和火车的强力磁场将会变得非常廉价，这样悬浮汽车或许会在经济上变得可行。有了室温超导体，《回到未来》、《少数派报告》和《星球大战》中梦幻般的飞行汽车就会成为现实。

原则上，人们可以系上一条用超导磁铁制成的腰带，这条腰带可以毫不费力地让人离开地面飘在空中。有了这么一条腰带，我们可以像超人那样在空中飞行。室温超导体是如此的非同凡响，以至它们曾经出现在无数科幻小说中（比如拉里·尼文在1970年创作的《环形世界》系列）。

几十年来，物理学家已经在室温超导体上进行过探索，但徒劳无功。这已经成为一个冗长的、无计划的过程，对材料一种一种地进行测试。但是，1986年，有人发现，一个被称为“高温超导体”的新级别物质会在绝对零度以上90度（90开尔文）成为超导体，这在物理界引起了轰动。水闸的阀门似乎被打开了。日复一日，物理学家们你追我赶，要用一种超导体打破下一个世界纪录。有那么短暂的一刻，室温超导体的可实现性似乎要跳出科幻小说的书页进入我们的起居室。可是在多年的极速前进之后，对于高温超导体的研究开始放慢了。

目前，高温超导体的世界纪录由一种叫汞铊钡钙铜氧化合物的物质保持，它在138开尔文（约为零下135摄氏度）时成为超导体。这一相对较高的温度离室温超导体仍有很大距离，但是138开尔文这一纪录仍然具有重要意义。氮在77开尔文（零下196.15摄氏度）时液化，并且液氮的价格和普通的牛奶差不多。因此，普通的液氮可以花费相当低廉的成本冷却这些高温超导体。（当然，室温超导体根本用不着被冷却。）

非常令人尴尬的是，目前没有理论能解释这些高温超导体的性质。事实上，一块诺贝尔奖牌正等待着某个能解释高温超导体如何运作的敬业的物理学家来领取。（这些高温超导体是由被排列成特殊层次的原子制成的。许多物理学家建立理论，解释了将陶瓷材料这样分层能使电子在各个层次间自由流动成为可能，从而形成了超导体。可是这一过程究竟如何具体运作仍是一个谜。）

不幸的是，由于缺乏这方面的认知，物理学家需要采用一种无计划的程序来寻找新的高温超导体。这意味着传说中的室温超导体可能会在明天被发现，可能会在明年被发现，也可能根本无法被发现。没有人知道这一物质会在何时被找到或是否能被找到。

可一旦室温超导体被发现，一股商业应用的狂潮就会掀起。比地球磁场（约0.5高斯 ^[1] ）强大数百万倍的磁场或许会变得随处可见。

超导体的共同属性之一被称为迈斯纳效应。如果将一块磁铁放置到一个超导体上，磁铁就会悬浮起来，就像被某种看不见的力举起一样。（迈斯纳效应的原理是磁铁有在超导体内部制造一个“镜像”的能力，因此磁铁本身会与镜像磁铁相斥。另一种对这种效应的解释是，磁场无法穿透一个超导体。相反，磁场会被排斥。因此，如果一块磁铁被放置在超导体上方，其力线就会被超导体排斥，于是力线将磁铁向上推，使其悬浮。）

应用迈斯纳效应，我们可以想象，未来的高速公路可能会由这样的特殊陶瓷建成。于是我们的腰带和轮胎中所放置的磁铁能使我们魔法般地向目的地飘移而不发生摩擦，也不损失能量。

迈斯纳效应只在具有磁性的材料（如金属）上起作用。但是也可能使用超导磁铁使无磁性材料悬浮，这种无磁性材料分为顺磁体和抗磁体。这些物质本身并不具有磁性，只有在处于外部磁场中的时候才能获得磁性。顺磁体受外磁铁吸引，而抗磁体则被外磁铁排斥。

举个例子，水是一种抗磁体。由于一切生物都由水组成，因此它们可以在强力磁场中悬浮。在一个约15特斯拉（相当于地表磁力的30 000倍）的磁场中，科学家们已经能使小型动物（比如青蛙）悬浮。但是如果室温超导体成为现实，那么它有可能通过使用抗磁体的属性使大型非磁体也同样悬浮。

总而言之，在科幻小说中被广为刻画的力场不符合宇宙四种力的描述，但我们仍有可能通过使用由等离子窗、激光幕墙、碳纳米管和光致变色材料组成的多层屏障模拟力场的多种性质。但是开发出这样一道屏障可能是几十年甚至一个世纪之后的事情了。如果室温超导体被发现，那么人们或许可以使用强大的磁场抬升汽车和火车并让它们急速升空，正如科幻电影中那样。

考虑到这些因素，我将力场归为一等不可思议——即以今天的科技无法实现，但在一个世纪左右的时间里能以改良后的形式成为可能的事物。

[1] 1高斯=10- ₄ 特斯拉。——编者注 dLQ37M4HYPjtMhbITMwSM8YblYktprxYXSDL1tTXYbgnu6DrER4GTs/ImYFpRAOW