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《物理学的未来》
铛铛铃2025-09-13【科普】1人已围观
简介
今天为您解读的书是《物理学的未来》，
副标题是“科学决定2100年的世界蓝图”。
2100年的一个清晨，你早早醒来，走进浴室洗漱。镜子上、水槽中和马桶隐藏着数百个微型传感器，它们悄无声息地检测你的唾液、尿液以及呼出的气体，分析哪怕最轻微的疾病征兆。机器人厨师为你准备早餐，早间新闻呈现在你面前的虚拟屏幕上。你通过心灵感应命令自己的轿车前来接驾，去约见女朋友凯伦。凯伦看上去不到25岁，可她的实际年龄已经81岁了，你也已经95岁。你们的身体机能还保持在二三十岁的年轻状态。你们决定结婚生子，并通过基因选择规划孩子的长相和性格。
以上是《物理学的未来》这本书中为我们描绘的80年后的未来。这些场景相当可信，因为它的作者不是科幻作家，而是著名的美籍日裔物理学家加来道雄。他是超弦理论的奠基人，还是一档科学广播节目的主持人。喜马讲书解读过的《超越时空》《平行宇宙》都是他的作品。
在《物理学的未来》这本书中，加来道雄采访了300多位处于科学发现前沿的顶尖科学家，根据已有的技术原型，预测出2100年的世界轮廓。其中的每一项科学发展都与已知的科学定律保持一致，尽管它们听上去匪夷所思，但完全有实现的可能性。
下面就让我们穿越到未来，提前一睹2100年的世界，看看人类在计算机、生命科学、材料科学这三大领域的进展。
让我们从时代发展的驱动器——计算机开始。未来的计算机将朝着更智能化的方向发展，它能读懂人类的心智。当下，高度发达的计算机让人变懒不少，动动手指就能搞定一切。可到了本世纪末，你连手指都不用动了，我们将用意念控制计算机。这项技术早在1998年就有了基础，德国科学家将一根细小的玻璃电极放进一位瘫痪病人的大脑中，电极连接到计算机上，病人只凭思索就能控制屏幕上的光标。这是人脑和计算机之间的首次直接接触。目前，这项技术已经发展到可以让病人用意念读写电子邮件、玩视频游戏甚至网购。
但是，不是所有人都愿意在大脑里插入芯片的。如果不做开刀直入，计算机还能识别我们的思想吗？可以，这就需要捕捉大脑电波。大脑工作时，脑神经的电流会产生微弱的电信号，这些电信号可以通过放在大脑周围的电极来测量。有的玩具公司就利用这个原理，发明了一种头巾，头巾里有识别脑电波的电极，如果你以某种方式集中思想，就能通过脑电波控制玩具。
我们甚至可以对捕捉到的脑电波进行翻译，比如使用先进的功能磁共振成像，它能扫描追踪人体血液中含氧的血红素。由于思考需要能量，所以检测氧流动就能追逐思维的流动。科学家设想，我们可以绘制出大脑思索过程中氧流动的三维图像，将看到的物体与图像结果进行大量比对，比如，当你看到一只猫，大脑扫描出的图像是A；当看到一只狗，扫描出的图像是B。这样我们就可以创建一本思维词典，未来计算机扫一扫你的大脑，就能翻译出你当下的意识流。
但这还不够，尽管这个技术能辨认出你是不是在想一条狗，却不能复制出狗的真实图像。未来一个新的研究方向是创建人的思想视频，比如对你的梦境进行拍照。以目前的技术发展，我们完全有可能在本世纪末首次实现记录梦的图像。不过要想达到像电影《盗梦空间》那种逼真的梦境还原，还做不到，我们只能捕捉梦的轮廓，却抓不到梦的细节。
作者用一个故事来解释这种效果。有一个魔法师对一个普通人说，可以让他得到任何他能想象的东西。这个人立刻想象了豪华轿车、百万钞票和一座城堡。果然，这些东西立刻出现在眼前。可当他仔细观察时，发现轿车没有门把手和发动机，钞票票面模糊不清，城堡里空空如也。阅读人的梦境也是如此，其中包含的万千细节，并不会同时准确地体现出来。
比起阅读梦境，扫描脑电波在未来更实在的应用也许是测谎仪。因为讲谎话要比讲真话引起更多的大脑活动，思索谎话和它的种种结果会消耗更多的能量，扫描仪通过检测这个额外的能量消耗，就能判断你所讲的是否可信。
顺着这个技术，我们再进一步，计算机研究的终点是实现心灵遥感，也就是用意念远程操控计算机。就像电影《X战警》里的万磁王能操纵一切金属制品，未来的科技能让我们控制的不只是金属，而是周围的一切。科学家设想，未来将在每一件物品中放置一片智能化的超级磁铁，只需要微弱的电流就能激活磁性，而它的磁性比常规磁场威力大十倍。一片直径2.5cm的超级磁铁就足以吸起7吨重的卡车。未来我们可以用脑电波控制计算机，通过计算机用磁力控制周围的东西，移动家具、布置桌子、进行修理等等，一切只要想想就能完成。这个技术对于建筑工人、消防员、宇航员是非常有用的。
如果我们实现了控制万物，那么是否也能自如地控制我们的身体呢？比如控制衰老甚至死亡。下面我们来看在生命科学领域将有哪些不可思议的进展。这些进展可以分为三个层面：培育器官、延长寿命和定制生命。
第一，培育器官是当下最直接的需求，也是人类掌控生命的第一步。在美国，每天有18个人因为等不到要移植的器官而死亡。到了未来，没有移植器官怎么办？自己再长一个就是了。目前医学已经能在实验室里用你自己的细胞培育一些简单的器官，比如膀胱、气管、皮肤、血管等。培育的方法是从人体上取一些细胞，把细胞注射到一个看上去像海绵的、形状和需要的器官一样的塑料模子中，注入的细胞使用生长素促进生长，使它长成模子的形状，最终模子拆掉，留下完整的器官。
但是想要培育复杂的器官，像肝脏、肾脏，这个方法就不灵了。一个基本的问题是，复杂器官中有海量的毛细血管，为每一个细胞提供血液，这不是一个简单的模子能塑造的。最难培育的是人的大脑，这在近几十年几乎是不可能完成的工作。不过未来我们有办法，那就是使用干细胞。干细胞的“干”意为精干，引申为起源。简单来说，干细胞是能够形成人体各种器官、组织的原始细胞，是细胞之母，具有自我更新和繁殖的能力。比如我们体内就有造血干细胞，不断更新和补充血液系统，还有神经干细胞、皮肤表皮干细胞等，但它们都分工明确，只能负责更新特定的组织。有一种全能的干细胞可以分化成机体所有种类的细胞，这就是胚胎干细胞。我们每个人都是从胚胎干细胞发育而来的，理论上使用胚胎干细胞就能培育出所有我们想要的器官。但是每提取一个胚胎干细胞，就得破坏一个胚胎，胚胎是人尚未成形时在子宫中的生命形式，这就产生伦理问题。
科学家想了一个办法，那就是让成熟细胞逆转回胚胎干细胞。对此最感兴趣的是美国军队，他们想找到一种让失去四肢的士兵重新长出四肢的方法。我们知道蜥蜴有着惊人的再生能力，这是因为蜥蜴的干细胞具有胚胎干细胞一样的全能性，在伤口处能分化出各种组织类型的细胞，最后长出新的肢体。科学家根据这个原理，成功地帮助一位患者再生了一个被切掉的手指尖儿，大约0.85cm。下一个目标就是扩充这种方法，看能否重新长出一个完整的人的肢体。
诺贝尔奖得主、美国分子生物学家沃尔特·吉尔伯特预见，只要几十年，人体的几乎所有器官都能用你自己的细胞培育出来。光进行器官和肢体修复还不够，我们还要深入基因层面进行增强和改善。比如我们已经发现了让老鼠变聪明和变强壮的基因，激活这些基因，就能让老鼠的智商和体质显著改善。听上去是不是很厉害？但是让老鼠变聪明却带来了意想不到的副作用，科学家发现，即使用极微弱的电流电击它一下，老鼠都会被吓瘫，因为它太聪明了，过往的每一次伤害和挫折，它都记忆犹深，一点小小的刺激就能让它在心理上崩溃。可见，忘却和记住有时候同样重要。科技是把双刃剑，人类在增强机能的同时，需要考虑一下是否真的需要，会不会带来什么副作用。
人类掌控生命的第二步是延长寿命。很多人都希望自己能长生不老，有一个简单粗暴的办法，就是进行大脑手术，让人与机器融合。手术开始时，你会躺在一个机器人旁边，医生从你的大脑中取出每一串神经元，用晶体管复制它们，放进机器人的头颅中。当每一串神经元都复制在机器人中后，人就被丢弃了，这样你就拥有了机器人的身体，永远不死。这在22世纪将会成为一个选择，最终我们的个性和思想将编码在软件程序里。听起来诱人吗？实际可能没有多少人愿意这样做。这里要说到洞穴人原理，说的是每当现代技术和我们原始祖先的愿望发生冲突时，总是原始欲望占据上风。人类虽然进化了10万多年，但是大脑和个性却没有发生很大的变化，我们仍然像洞穴祖先那样思考问题，没有人愿意住在一堆冷冰冰的、毫无美感的金属之中，即使它是永生的，除非我们能创造出和真人一模一样的身体。
虽然肉体不能永生，但是可以延缓衰老，办法很简单，就是限制热量。科学家发现，在保证营养的前提下，降低食物热量的30%，可增加寿命30%。到目前为止，研究的每一种生物体，从昆虫到兔子、狗、猴子，都呈现出这个规律。严格限制饮食的动物得肿瘤的少，得心脏病的少，得与衰老有关的疾病少。对此，有一种理论解释是，在食物多的时候，能量用来再生，而在饥饿状态时，身体会关闭再生，减缓新陈代谢，以便活得更长。科学家找到了控制这个机制的基因，这个基因负责检测细胞的能量储备，当能量储备不足时，这个基因就会被激活，停止生物衰老的进程。在未来，我们很有可能通过控制这个基因来控制寿命，那时候也不用为了多活几年而去特意饿肚子了。
有了培育器官的技术，加上基因改造，再配合越来越先进的癌症检测技术，科学家预测，在几十年后，人体的生理学年龄可以冻结在自己选择的年龄，基本保持不变，人类的寿命至少比现在长十倍。不必担心地球人口爆炸，如果能生活更长的岁月，人们将重新安排自己的时间框架，延缓结婚生子，去经历我们现在好几辈子都经历不完的生活。
这还不是尽头，科学家还在想是否能实现起死回生。人类掌控生命的第三步就是定制生命。在电影《侏罗纪公园》中，人们从恐龙身上提取DNA，植入爬虫类的卵，让恐龙复活。到本世纪末，这不再是科幻电影中的桥段，可能真的会有几千年前就灭绝的生物重返地球，包括人类的祖先。虽然我们找不到完整的基因组，但却可以用数学方法构建出来。人类的DNA与黑猩猩仅差1.5%，计算机可以通过分析计算这个差距，近似还原人类与黑猩猩共同祖先的DNA，把这个DNA植入一个人类的卵，再将这个卵植入一个妇女的子宫，就能生出我们的祖先。
不仅如此，只要能从死去的人身上提取完整无缺的细胞，还能让这个人复活。在英国，威斯敏斯特修道院就安葬着牛顿、达尔文、丘吉尔、狄更斯等一系列历史名人的遗骸，有一天，我们有可能从中发现完整无缺的DNA，让他们回归人世。但这种复活只是生物意义上的，正如一位生物学家所说，如果你让希特勒复活，得到的只能是一个二流的艺术家。无论伟大或邪恶，人的头脑是永远不能通过科技复活的。
如果人类能将基因技术掌控到这个地步，是否会通过改造自己，形成不同的人类种族呢？比如长出一双翅膀，理论上完全可能。目前我们只能修改个别基因，如果要长一双翅膀，就必须修改几千个有关翅膀的基因，还要确保所有的肌肉和血管适当匹配。这在今天看来不可思议，但科学家发现，基因具有模块性，就像一张主蓝图中包含了子蓝图的图块，只要掌握了少数的主控基因，就能把握整体框架，进而掌握一连串基因的规律。到本世纪中叶，人类有可能退出自然选择，开始自己设计自己的身体。我们能创造出神话中狮头、羊身、蛇尾的动物，也就有可能设计出新的人类族群，比如长着翅膀的人类。
要想知道未来有多少种人类，只要看一下家里养的狗就知道了。所有的狗最初都是从狼演变的，现在狗的品种有几千种，这就是人类选择性饲养的结果。如果通过基因工程，人类拥有了对自身品种的选择性，分离出几千个品种的人，也不是不可能的。但这只是理论上的设想，至少在未来的100年内不会发生。其中一个原因还是前面说的洞穴人原理，没有哪个家长希望自己的孩子变成长翅膀的异类。虽然到本世纪很可能会出现基因库，供生育的夫妇选择更改孩子的基因，但那些稀奇古怪的基因应该不会有太大市场。这项技术真正可能应用的地方是太空，人类需要适应新星球的重力场和气候条件时，培育新的人类品种也许是个不错的选择。
以上我们讲完了未来生命科学的可能性，核心就是操控基因。那么我们再向前迈一步，去往材料科学领域，看看人类离操控万物还有多远。
所有物质都是由原子构成的，如果人类能操控原子，就意味着我们能创造万物。美籍物理学家理查德·费曼就称，物理学原理并没有反对我们一个原子一个原子的控制事物。控制原子就要用到纳米技术，一纳米相当于四倍原子大小，纳米技术就是研究控制单个原子分子的技术。
在电影《终结者二》里，大反派液体金属机器人能任意改变形状，划过任何障碍，即使被打成碎片也能自我修复。到本世纪中期，这种科幻电影中的桥段就可以通过纳米技术实现。简单来说就是创造一种模块原子，用这种原子来制造物品，它们就像乐高积木块一样，只要改变排列方式，就能生成新的物品。比如一辆普通的轿车可以伸展变成SUV，又可以压缩变成一辆跑车，这有点像变形金刚，但是它的变形是在原子层级上。这会对消费产品产生深远的影响，可能以后我们购买的不再是一件件商品，而是一个个软件。比如圣诞节时，孩子们收到的不是玩具，而是下载圣诞老人发来的软件，通过软件给旧玩具重新编程，改变原子排列，一个全新的玩具立刻出现在眼前。家里的家具家电需要更换，你无需雇用卡车拖走，上网下载软件就能让旧货变新。
纳米技术的倡导者还设想出一个更加强大的机器，能够创造任何事物的分子装配机。它或许是一个洗衣机大小的机器，你把基本的原材料放进机器里，按一下按钮，万亿个纳米机器人将聚集在原材料上，一个分子一个分子的将原材料拆开，然后把它们装配成全新的产品。这个机器将能制造任何东西，衣服、鞋子、手机、电脑、汽车、家具，无所不包。
纳米技术还有个颇具有想象力的应用，那就是制造太空电梯。没错，就是像普通电梯一样，让没有受过任何训练的普通人也能进入太空观光。到本世纪末，太空电梯将变为现实。它利用的是离心力原理，想想悬挂在绳子上的球，当球旋转起来后，离心力足以防止它掉落下来。同样的，只要有足够长的缆绳，那么地球自转的离心力就能让缆绳保持在空中，我们就可以沿着缆绳将电梯箱送入太空。在理论上这是可行的，但计算一下缆绳的张力就会发现，连钢也无法承受这样大的拉力，缆绳会突然折断。数十年来，人类周期性地重提修建太空电梯，每次都被这个原因否定了，直到纳米材料带来了希望。
在小说《三体》中，第一个出场的人物汪淼就是研制这种高强度纳米材料的科学家。三体人对汪淼的生活和工作处处干扰，就是担心地球从这种材料入手，造出太空电梯，进而影响三体人的殖民计划。汪淼研制的这种材料名叫“飞刃”，它在现实中的原型叫做碳纳米管。碳纳米管的强度比同体积钢的强度高100倍，重量却只有钢的1/6到1/7，是制造太空电梯的理想材料。现实中，到目前为止，科学家制造出了几厘米长的纯碳纳米管，距离几万千米长的目标还相差很远，未来需要突破的是量产技术。到那时，普通人只要花费七天时间，就可以升入3.6万千米的高空，俯瞰地球。虽然比宇宙飞船要慢，但是风险小、门槛低，太空可能真的会变成人类的旅游胜地。
在探索宇宙上，纳米技术还有更厉害的应用——制造星际宇宙飞船。提到宇宙飞船，我们本能地想到电影里那些庞大炫酷的造型，但纳米技术给我们提供了另一种可能性，制造一艘小小的、可还不如一个针头那么大的宇宙飞船。为什么要做微型宇宙飞船呢？因为我们找不到足够的能量去推动巨大的飞船进行星际航行。目前人类掌握的最强大的能源是核能，核物质在发生核反应的时候，消耗质量转化为能量，但能量转化率非常低下，还不到1%。对于动辄数光年的星际旅行来说，核能的力量还是太小了。
科学家发现，宇宙中最强大的能量来源是反物质。反物质就是正常物质的反状态，当正反物质相遇时，双方就会相互湮灭、抵消，发生爆炸并产生巨大能量，这种能量的转化率可达百分之百，这正是星际旅行理想的燃料。据估计，四毫克反物质就能把我们送上火星，100克反物质或许能把我们送上最近的恒星。可是你知道生产这样的燃料有多贵吗？欧洲曾经花费了2000万美元，仅生产出了几万亿分之一克的反物质。按照这样的成本，要生产出为星际飞船提供动力的反物质，可能要耗尽地球的全部财富。
既然燃料不够用，科学家就另辟蹊径，反其道而行，制造微型飞船。美国康奈尔大学的科学家梅森·佩就设想了一种芯片那么大的太空探测器，尺寸只有一厘米，重量仅为一克，可以被加速到光速的1%到10%，给它一个强大的起始速度，然后利用宇宙中行星的磁场提供加速度，像射弹弓一样把它弹入太空。我们可以发送数百万艘这种小型又廉价的星际飞船，总有一部分会抵达新的恒星系。着陆之后，芯片上的纳米机器人就会利用岩石和土壤进行自我复制，建造探测基地，并用无线电把数据传回地球，然后它们将飞向其他恒星，将这个过程无限的持续下去。
讲到这里，《物理学的未来》这本书就介绍的差不多了。本书的最后，作者为我们提供了一个物理学家看待文明的角度。未来所有的技术革命都不仅仅是科技领域的事情，他们最终指向一点，那就是新的文明的建立。
20世纪60年代，苏联物理学家卡尔达舍夫首先提出将宇宙文明分为三个等级的设想，这种分类是以能源消耗的量级为指标。一类文明是行星文明，可以将抵达行星表面的光能源百分之百的开发，人们可以随意控制或修改天气，可以在海洋或近太空建立城市，是这颗行星真正的主人，但它们的能量来源仍然局限在这颗行星上。二类文明是恒星文明，可以开发母恒星释放出的全部能量，让整个恒星系处于掌控之下，人们可以随心所欲的在该恒星系的所有行星居住穿梭。三类文明是星系文明，人类可以轻易掌控其所在的星系，开发10亿颗恒星的能量。这三个等级的文明之间，每进一级能量消耗相差100亿倍。
那么我们目前处于哪个阶段呢？人类目前能够产出的能量总量只有一类文明的1‰。美国天文学家卡尔·萨根计算得出，我们当下的文明只能算是0.7类文明。那距离一类文明还有多远呢？假定世界GDP以每年1%的速度增长，我们还需要大约100年的时间达到一类文明，再经过2500年达到二类文明。一旦达到二类文明状态，他就将成为不朽，科学上没有任何已知事物可以摧毁二类文明。到这个阶段，美籍物理学家弗里曼·戴森设想的戴森球就可以实现了。这个设想是说将木星拆掉，以此为材料，建造一个360度包裹太阳的球状生物圈，在那里全部的太阳能将被开发利用，人类可以享受比现在多1000亿倍的生物数量和55亿倍的地球表面积。尽管这一设想中的困难重重，但那也是上千年以后的事了。
回到我们的0.7类文明，虽然我们有生之年可能无法看到地球实现一类文明，但我们依然是科技大爆炸的亲历者。如同此刻我们正在使用的互联网，几十年前还没有人听说。那些迷人的未来科技正在路上不断加速来到我们的身边，我们的孩子或许就将成为一类文明的第一批公民。
好，这本《物理学的未来》就为你解读到这里，听书笔记在音频下方，我们下期见。
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