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《巫师、外星人和星舰》
铛铛铃2025-09-13【科普】0人已围观
简介
今天为您解读的书是《巫师、外星人和星舰》
副标题是《科幻与奇幻中的物理、数学》。
科幻、奇幻小说和电影，相信很多人喜欢《哈利·波特》《星球大战》《三体》。这些虚构作品为我们编织了一个个充满想象力的瑰丽世界，甚至成为了流行文化不可或缺的一部分。
不过，在欣赏这些幻想作品的时候，你有没有想过，电影里的魔法符合物理学定律吗？霍格沃兹魔法学校的校长邓布利多，真的可以挥一挥魔杖，就将乱七八糟的房间收拾好吗？如果你觉得魔法和科学的关系很遥远，那么科幻作品里的各种设定呢？外星人星际旅行是否符合现实中的科学定律呢？今天我们介绍的这本《巫师、外星人和星舰》，试图回答的正是这方面的问题。
说到这儿，也许你会感觉奇怪，魔法和科学是两回事啊，这本书为什么要把科幻和奇幻作品放到一起说呢？其实，魔法和科学的距离，并不像你想象中的那么遥远。英国科幻作家阿瑟·克拉克说过这样一句名言：“任何足够先进的科技皆与魔法无异。”想象一下啊，如果一个古代人突然来到我们的世界里，看到你点一点手机，就有人把外卖和快递送到门口，街上的车子不需要马或者驴拉，也能飞快地奔驰，他会不会觉得这些高科技就像魔法一样不可思议呢？
从创作的本质上来说，科幻和奇幻作品的精神具有相通之处。它们都存在幻想成分，并且都会设定一套基于现实，但和现实不完全相同的底层规则，然后在这个基础上演绎故事。创作者必须尊重自己的底层设定，否则剧情就会出现不合理的漏洞。所以啊，《巫师、外星人和星舰》这本书把科幻和奇幻作品放在同一个维度下考量。
本书作者查尔斯·阿德勒，是一位物理学教授兼资深科幻爱好者。目前他在美国圣玛丽学院开设了物理学、基础科学与科幻等多门课程。他在这本书里，运用浅显的数学和物理学知识，对科幻和奇幻作品中各种有趣的主题，进行了严格的科学分析。而且书里用到的大部分科学内容，都是我们中学就学过的知识。
全书的主要内容分为四个部分：哈利·波特、物理学、星际旅行、外星人和外星世界。
翻开这本书之前，我们需要先强调两件事。第一，无论科幻还是奇幻作品，其中必定有不符合现实科学的地方，也就是存在幻想成分。这本书所讨论的正是这些幻想成分是否合理，会不会和科学知识产生严重的冲突，或者至少在某部作品自身的范围内自圆其说。第二，能量和功率这两个概念是本书所有讨论的基础，也是理解本书内容的关键所在。能量既不会凭空出现，也不会无故消失，它只会从一种形式转化为另外一种形式。世界上的万事万物都离不开能量，包括幻想世界在内。飞船需要能量驱动，飞行扫帚也需要，人类需要能量才能存活，美人鱼和龙也一样。功率衡量的是一种形式的能量转化为另一种形式的快慢程度。
接下来，我们就将用能量和功率这两把尺子，去衡量幻想和现实的距离，从科学的角度来说说魔法世界和科幻世界里的那些常见设定。
首先，我们一起走进哈利·波特的魔法世界，分别说说霍格沃兹魔法学校里灯光的功率和魔法里的守恒定律。
看过《哈利·波特》系列小说和电影的人，恐怕都对霍格沃兹魔法学校宏伟气派的大厅印象十分深刻。主角们的分院仪式在这里举行，平时他们也会在这里聚会吃饭。按照故事里的描述，照亮这座大厅的当然不是电灯，而是漂浮在空中的无数蜡烛。那么问题来了，单靠蜡烛能把这座大厅照得多亮呢？
按照作者阿德勒提供的方法，我们可以进行一番简单的计算。你可能知道，不同的光源发光的效率是不一样的。什么意思呢？大家小时候应该都用过白炽灯，也就是传统的钨丝灯泡。那个时候常见的灯泡的功率大多是60瓦、80瓦，直到100瓦。而现在，LED灯已经取代白炽灯，成为了人们日常使用的主要光源。LED灯泡的功率比钨丝灯泡小得多，3瓦、5瓦的灯泡都很常见，15瓦的LED已经非常非常亮了，远远超过100瓦的白炽灯。为什么LED的功率变小了，却更亮了呢？这正是因为两者的发光效率不一样。白炽灯的发光效率大约是每瓦13流明，流明是衡量亮度的物理量。而LED的发光效率可以达到每瓦100流明以上，两者有近十倍的差距。所以LED只需要消耗1/10的功率，就可以达到和白炽灯同等的亮度。
那说到这儿，你肯定想问了，那么蜡烛的发光效率是多少呢？答案是每瓦不到一流明。没错，蜡烛的发光效率还不到白炽灯的1/10，LED的1%。而一支蜡烛的功率大约是15瓦，也就是说，100支蜡烛发出的光，亮度大约相当于一支15瓦的LED灯泡。
以这个数据为基础，一座像霍格沃兹大厅这样的，面积高达几百平方米的大型建筑，接近现代城市商场大厅或者图书馆、阅览室的大小，这种场所需要安装的LED灯泡总功率差不多要达到几千瓦甚至上万瓦。如果换成蜡烛达到同样的亮度，那就需要几十万甚至上百万支蜡烛。说到这儿，你恐怕已经发现了，如果按照现实中的物理规律，霍格沃茨的大厅可能是一个很阴暗的地方，远远没有电影里看起来那么璀璨辉煌。毕竟整个大厅的空间加起来，大概也不够摆放上百万支蜡烛。当然，作为一个幻想世界，也许霍格沃兹的蜡烛是魔法特制的，比普通的蜡烛亮得多，而且从来不会滴落蜡油。
顺便提一下，现在很多古装电视剧、电影里的室内夜景看起来都是亮堂堂的，实际上以蜡烛和油灯的照明水平，绝对不可能呈现出我们在屏幕上看到的亮度。当然，观众肯定不会喜欢过于阴暗的光线和场景，这是影视制作者所做的一种可以理解的变通。对于奇幻作品，我们不必太较真，里面多多少少都会存在一些不符合现实的情况，否则也就不称为奇幻了。但既然这些作品是给现实世界里的我们看的，它必然依托于某些现实基础，保留了一部分与现实相同的物理规律。大部分奇幻作者选择保留的，往往是最基本的物理法则，也就是几大守恒定律，包括质量守恒、能量守恒、动量守恒和热力学守恒定律。
但罗琳和他们不太一样，在哈利·波特的世界里，随手拈来的魔法都会突破这些基本规律。比如说变形术和修复咒。在电影《哈利·波特和火焰杯》里有这么一个情节，马尔福被穆迪教授变成了一只雪貂。除此以外，整个《哈利·波特》系列类似的变形魔法无处不在。如果深究的话，变形术是个很容易引发争议的问题。从19世纪以来，质量守恒就是科学界公认的基本观念之一，也就是封闭系统的总质量不变。假设15岁的马尔福体重大约50kg，一只小雪貂的体重2kg，那多出来了48kg的质量。那么在马尔福这么一个大小伙子变成雪貂的过程中，多余的质量去哪了呢？如果按照现实世界里的规律，消失的质量唯一可能的去向就是转化成了能量。根据爱因斯坦的质能方程，每千克的能量可以兑换成9×10的16次方焦耳的能量，这是个相当庞大的数字。什么意思呢？用我们熟悉的例子来说，一克质量转化成的能量，就相当于广岛原子弹爆炸的威力。也就是说，马尔福变成雪貂的过程中，消失的48kg质量，如果全都转化为能量，那么它相当于4万8000颗广岛原子弹。从这个角度来说，魔法世界里的每一次变形术，背后都伴随着惊天动地的爆炸，这样的场景只要想一想都觉得十分有趣。
除了变形术以外，修复术也是魔法世界里常见的魔法。邓布利多校长只要挥一挥魔杖，就能让撕碎的书籍恢复原样，家具纷纷飞回原来的位置，裂痕、碎片和孔洞通通消失，就连墙面也自动擦拭得一干二净。这样的描述显然违反了热力学第二定律。简单来说，事物只会自发向混乱的方向发展，要让它们重新恢复规律和整齐，你就得做功，也就是消耗能量。所以在现实世界里，打翻的牛奶绝对不会自己跑回到杯子里，掉在地上的面包也不会跑回到桌子上，除非你把它捡起来。邓布利多校长的修复术，违反的就是这条基本定律。不过结合前面变形术里消失的质量，我们可以大胆的猜测一下，也许魔杖本身是某种能量储存器，变形术里面消失的质量，以能量的形式储存在魔杖里，可供其他消耗能量的魔法使用，比如说修复术。这样就形成了一个能够说得通的闭环，能量有来处也有去处。也许某位奇幻作家会在新的作品采用这样的设定。
说完了哈利·波特的魔法世界，接下来我们走进科幻世界，谈一谈人类进行星际旅行和与外星人相遇的可能性。比起奇幻来，科幻显然更看重逻辑的自洽和不违背已有的科学基础来演绎出新奇的故事，这正是科幻的魅力所在。
在科幻世界里，星际旅行是家常便饭。从《星球大战》到《星际迷航》，科幻电影里的人类早已冲出银河系，走遍了整个宇宙。但在现实中，人类甚至还不曾到过地球和月球以外的地方。幻想和现实为什么存在如此巨大的反差呢？是交通工具限制了我们的脚步？我们不妨从科幻作品里常见的各种交通工具出发，看看他们能否帮助我们实现星际旅行。
进入太空的方式有很多种，而在科幻的世界里，太空电梯可能是最古老的一种星际旅行方式。它有一个更广为人知的名字，叫做通天塔。早在《圣经·创世纪》里就有这样的描述：“来吧，我们要建造一座城市和一座塔，塔顶通天，为要传扬我们的名。”这可能是太空电梯最早的灵感来源。直到现在啊，太空电梯的意象仍是人类野心与狂妄的标志。
那么，人类到底能不能修建出直通天空的高塔呢？从技术的角度来说，太空电梯的原理并不复杂。你可以想象一下，地球同步轨道上有一颗卫星，现在呢，我们把这颗卫星竖着拉长，同时非常注意上下两端的平衡，好让它的质量中心始终保持在地球同步轨道上。这样延伸足够长的距离，被拉长的卫星靠下的一端就会到达地面，与此同时，它的另一端将越过地球同步轨道的高度，伸向太空深处，就像一根纤细的树枝，这就是太空电梯的雏形。重点在于，它的质量中心始终维持在地球同步轨道上，所以它不会掉下来，而是和卫星一样，始终和地球保持同步运转。
理论框架有了，那么如果我们真想修一座太空电梯，会面临什么样的技术难点呢？通过刚才的描述我们知道，太空电梯的质量中心在地球同步轨道上，整体呈树枝状。那么这根树枝在低于地球同步轨道的部分，会倾向于往下掉落到地面上。与此同时，高出轨道的部分会倾向于飞向太空，远离地球。正是这两股力量互相拉扯，才能使太空电梯维持直立。这样一来，我们就会看到，太空电梯的建筑材料必然承受极大的拉力，到底有多大呢？通过数学计算，我们发现，太空电梯内部的拉力比刚才所能承受的差不多要大1万倍。也就是说，这座通天塔绝对不可能是钢筋水泥造出来的。那么其他材料呢？最有可能达成这一目标的是纳米纤维管，但是目前性能最优秀的碳纤维能承受的拉力，还是只有太空电梯所需要的1%。而且实验室里造出来的纳米碳纤维长度最多只有几厘米，太空电梯总长超过1000km，两者之间也有着几十万倍的差距。所以至少在目前，通天塔仍然只存在于人们的幻想里。
而在所有能够帮助我们实现星际旅行的交通工具中，太空电梯已经是技术上最简单、最贴近现实的一种。连它都不能实现，那就更别说飞出太阳系的大型载人飞船了。
既然星际旅行距离我们还很遥远，那么科幻作品里面其他更贴近生活的交通工具呢？比如说飞行汽车。在《银翼杀手》之类的科幻电影里，飞行汽车是未来城市最常见的交通工具。但是现实中，我们连飞行汽车的概念机都还没有看到。有一个例子是这样说的，如果过去40年间汽车技术的进步和计算机一样，那么我们现在的汽车应该能够折叠起来，放进衣服口袋，打开以后能乘坐100人，而且只需要一滴油，就能以每小时1000英里的速度绕着地球跑一圈。这当然是个笑话，那但是为什么计算机技术能够突飞猛进，相比较之下，汽车技术却显得停滞不前呢？这个问题可以用基础的物理学原理来解释。
计算机硬件最基本的操作，就是把一个比特的数位反转，用于二进制计算。什么意思呢？就是把数字零换成一，或者把一换成零，这就是一个比特的数位转换。物理学家已经算出了这个操作所需要的最低能量值。从理论上讲，如果能够实现这个最低的能耗，那么计算机的最快计算速度可以达到每秒十的13次方次数位转换，也就是说比目前的处理器快1万倍。换句话说，目前的计算机速度只有理论上限值的万分之一，所以它还有很大的提升空间。
反过来看汽车这边的情况，从理论上说，作为汽车核心部件的发动机，它的效率上限是百分之百，也就是说，汽车烧掉的汽油产生的能量百分之百可以用于驱动车辆。但在现实中，由于燃烧不充分、尾气排放、摩擦等环节的浪费，目前效率最高的汽车发动机也只能达到四五十%的效率，差不多是理论上限值的一半。别看只有四五十%，只要我们还在采用燃油发动机作为汽车的主要动力来源，这就是一个不可突破的上限。飞行汽车需要消耗的能量远大于陆地上奔跑的车辆，目前的燃油不可能提供这么多的能量。顺便说一句，以电池为主要动力的新能源车也没有办法提供这么多能量，除非汽车功能技术出现质的突破，否则我们距离飞行汽车恐怕还很遥远。
幻想和现实之间的距离就是这样，看起来触手可及，实际上却隔着一个银河系。
除了星际旅行和飞行汽车以外，外星人也是科幻作品里最常见的元素之一。人类在科幻作品中创造出来的外星种族成千上万，而在现实世界里，我们还没有发现外星人存在的任何可靠线索。但是这个事实不一定意味着外星人在宇宙中就是不存在的，或者说相当稀少。为什么这么说呢？
首先，我们确定一个基本原则，无论是在科学界还是在科幻界，人们一般认为，我们发现外星人或者外星人发现我们主要依靠的线索是无线电波。在浩渺的星际空间里，谁也不可能凭借肉眼或者望远镜直接看到另一颗遥远的行星上是否存在文明，只有无线电波会泄露彼此的行踪。在这个前提下，假设我们接收到了某个外星文明发来的信息，这只能说明它们和我们之间的距离在50光年以内。因为人类发明无线电波也不过是100年前的事儿，要在这100年内探测到地球无线电信号并向我们发出信息，这一来一回，他们的星球距离我们就不可能超过50光年。这样一来，如果半径50光年的球体空间内存在我们和对方两个文明，假设银河系是均匀的，文明星球按照大致相当的密度分布，那么整个银河系里会有多少个文明呢？6400万个文明，更别说整个宇宙了，这个数字简直大得不可思议。
当然，我们这里采用的计算模型非常简单，而外星文明的数量越稀少，它们和地球建立联系所需要花费的时间就越长。不过，哪怕迄今还没有外星邻居跟我们打招呼，我们依然有可能在未来发现一个规模超乎想象的星际文明部落。
那么我们该如何去寻找宇宙邻居呢？本书作者阿德勒引用了一条有趣的安娜·卡列尼娜法则，它是由美国另一位著名的科普作家贾雷德·戴蒙提出来的。托尔斯泰在《安娜·卡列尼娜》这本书的题头写道：“幸福的家庭总是相似的，而不幸的家庭各有各的不幸。”所谓的安娜·卡列尼娜法则，体现的正是这个特征。当时戴蒙思考的是，地球上有那么多种类的动物，为什么只有少数几种成了人类驯养的家畜。他发现所有家畜都有一个共同的特征，比如说它们都是食草动物，生长速度都很快，而且能在圈养环境下繁殖，如此等等。所以戴蒙总结说，要成为家畜，必须具备很多优良属性，缺少了任何一方的先决条件，都会导致驯养失败。就像幸福的婚姻生活所必需的那些条件一样，最重要的一点，成功实际上就是避免必定导致失败的诸多原因。
我们在寻找宜居星球的时候，也可以运用同样的法则。任何没有生命存在的行星都有它的不同特色，比如金星被硫酸云覆盖，木星上刮着风暴气旋，而所有能够支持地球生物存活的行星基本都会是一个样子。比如说地球的温度只要升高十度，面临灭顶之灾的不仅仅是人类，我们还会迎来全球范围内大部分物种的大灭绝。而要达成这个条件，只需要让地球和太阳之间的距离缩小一点点。所以以地球生命的标准来衡量，适宜居住的行星和它围绕的恒星之间必须保持一定距离，既不能太远，也不能太近，这是一个最基础的条件。除此以外，还需要有液态水、有氧气诸如此类。很多人可能以为宇宙里的行星都差不多，但实际上不同的行星各有洞天。仅仅在我们的太阳系里，就有木星和土星这样的巨型气态星球，也有天王星和海王星那样的寒冷地狱，还有向阳面温度高达400多度的水星和金星。而其他恒星的条件和太阳千差万别，它们孕育出来的行星更是可能奇特得超乎想象。所以虽然现在我们已经发现了几千颗太阳系以外的行星，但是没有一颗行星上有生命存活的迹象。
说到这儿，可能有人要问了，如果地球是生命难以在其他行星上存活，那么那些条件和我们相去甚远的行星会不会孕育出一些和我们完全不一样的生命呢？从理论上来说，这样的可能性当然存在。比如说硅基生命，就是科幻小说中一个很常见的设定元素。所谓的硅基生命，就是相对于碳基生命而言的。碳基生命根源于有机物，硅基生命则是由含有硅的化合物构成的。各种电子产品的CPU都是这么做的呢。没错，二氧化硅，硅基生命就像电子产品一样。在现实世界里，如果外星生命从生物学的分子层面就和我们完全不一样，那么我们恐怕完全无从设想他们的生活方式，更难以发现他们的存在，两者之间可能完全不存在沟通的可能性。哪怕一个外星生命出现在你的面前，你也可能以为它是一块石头，一片树叶，诸如此类。当然，在这样的外星生命眼里，人类也是一块没有生命和感情的物体而已。
所以在寻找外星生命的时候，我们主要考虑的还是类似地球生物的生命形式。有了生物学层面的相似性，我们才有渠道确认对方是生命。可以肯定的是，如果真的存在外星人建立的文明世界，那么那个世界和地球必然存在相当程度的相似之处。
幻想和现实是一对交相映照的双生子。《巫师、外星人和星舰》这本书所做的就是让幻想回归现实，回归科学。它是一本科幻与奇幻文化的拓展之书，是创意爱好者的脑洞之书，也是科技极客的思考圣经。
好，《巫师、外星人和星舰》这本书就为你解读到这里，听书笔记在音频下方，我们下期再见。
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