时间旅行在未来有可能发生吗？它需要哪些条件？是什么限制了它？“进取号”是如何在宇宙中进行曲速飞行的？纯能量的“光子生命体”在现实的宇宙中有没有可能存在？著名的“皮卡德回旋”战术是怎么一回事？传送系统的工作原理是什么？传送的是物质还是信息？如何实现“反物质发动机”中反物质的供给和储存？星舰上的惯性阻尼器和牵引光束可以用来做什么？全息甲板与虚拟现实的区别？隐形技术是如何实现的？……翻开劳伦斯·M.克劳斯著的这本《星际迷航里的物理学》，探寻《星际迷航》的可能性和未来物理学的极限科幻与真实科学的交汇。

正如《星际迷航》中，戴达说过的那样：“一切有可能发生的事情，最终都发生了。”在探索《星际迷航》里的物理学时，需要我们思考的并不是可操作性与不可操作性，而是这些科幻设想在未来的可能性与不可能性。

劳伦斯·M.克劳斯著的这本《星际迷航里的物理学》以《星际迷航》中的科幻内容作为引子和起点，从严谨的物理学的角度，探寻曲速飞行、时空旅行、纯能量体、隐形技术等一系列科学幻想的可能性与不可能性。涉及的理论从牛顿力学到相对论，从量子力学到弦论，从多维空间到黑洞，描绘出一幅现代物理学和宇宙学的宏伟图景。

序言

自序

修订版自序

第一部分 一场宇宙级别的纸牌游戏

 第一章 牛顿开启牌局

 第二章 爱因斯坦加注

 第三章 霍金亮出底牌

 第四章 戴达结束牌局

第二部分 无处不在的物质

 第五章 传送原子，还是比特？

 第六章 正反物质与曲速引擎

 第七章 全息甲板和全息图

第三部分 谁在作祟？是无形的宇宙，还是夜间的幽灵？

 第八章 寻找斯波克

 第九章 各种可能性

 第十章 各种不可能性：无法触及的国度

后记

致谢

究竟发生了什么？这并不是星舰即将毁于“相间漂流”的预兆，也不是罗慕伦帝国的隐形战机来袭，而是你已经受作用于某种更强大的力量，成为它的牺牲品。因为此时那位聪明绝顶、被你寄予厚望的《星际迷航》的编剧，尚未构思出那个后续作品中常见的设备——惯性阻尼器。你应该已经猜到了，那个让你成为牺牲品的力量其实不是什么新奇的东西，而是源自高中物理中最容易忘记的那条定律——牛顿运动定律。

看到这里，可能会有一些《星际迷航》影迷表示不满：“这样好没劲啊！我并不想把牛顿定律重新学一遍！请直接回答那些我们真正想了解的问题！比如‘曲速引擎的工作原理’‘达到翘曲速度之前的闪烁到底是怎么回事？是不是就像音爆一样？’或者‘什么是二锂晶体？’”请各位读者放心，这些问题在本书中会一一得到解答。想要畅游《星际迷航》的世界，必然要了解那些无比新奇的物理知识。然而只有把零散的知识拼凑起来，我们才能真正解决各位读者最关心的那个问题：“《星际迷航》中的那些神奇景象真的能实现吗？如果答案是能，那它们又是怎样实现的呢？”

且不说探索无人深空，就连离开星际舰队总部这样简单的行动，都和300多年前伽利略与牛顿面对的问题一样困难。而激励人们不断探索的最终动机，将是一个宇宙级别的问题，也是吉恩·罗登贝瑞在《星际迷航》中所要阐述的核心问题，同时也是我在这本书中不断探索的一个问题：以现如今的科学水平为画笔，我们能描绘出怎样的未来文明呢？

坐过飞机或汽车的人都知道，交通工具从静止到开始提速的过程中，乘客会有一种被推向座椅的感觉，这种感觉在星舰上会尤为突出。这是因为冲量引擎中正在进行核聚变反应，该反应会产生强大的压力，推动一些气体和放射物质以极高的速度从舰尾喷出。这些气体和放射物质在脱离发动机的过程中，会对发动机造成一个反作用力，使得发动机因“反冲作用”向前运动。由于发动机固定在星舰上，因此星舰也会跟着发动机一起向前运动。掌航的你，也会被座椅对你产生的力推着前进。反过来，你的身体也会对座椅产生一个向后的作用力。

这里有一个让人头大的问题。当一个锤子以极高的速度砸向你的头部时，会对你的头骨造成一个致命的冲击力。如果座椅对你产生的力过大，那么它也会像锤子一样置你于死地。对于这个在高速加速过程中（如飞机起飞或火箭发射）人体感受到的力，喷气机飞行员和美国航空航天局给它起了一个特别的名字——G力。我臀部疼痛的现象也可以用G力来解释：坐在电脑前忙着打字时，我可以感觉到办公椅始终存在着一种作用于我臀部的、我早就习以为常的力（这里还要补充一点，此时此刻我的臀部正在以一种非常不雅的方式和这种力斗争）。这个作用在我臀部上的力正是由于重力而产生的。如果不受任何阻碍，那么我将会因重力不断加速着坠入地球内部。我之所以没有从办公椅上坠入地球内部，是因为大地为房子提供了一个向上的反作用力，这个力通过钢筋混凝土结构传到我所在的二楼书房的木制地板上，地板又对我的办公椅施加了一个力，办公椅又会对我身体和办公椅相接触的部位施加一个支撑力。假如地球质量增加一倍而直径不变，那么我臀部所感受到的力也会增加一倍。此时为与重力保持平衡，各处向上的反作用力也要增加一倍。

P12-13

读者可能会产生这样一个疑问——为什么要以《星际迷航》为背景来写这本书呢！毕竟吉恩·罗登贝瑞所描绘只是一个科幻作品，而不是确凿的科学事实啊！的确，《星际迷航》中出现的那些技术奇迹，不可避免地会涉及一些模棱两可的物理学概念，甚至会与我们认知中的宇宙产生偏差。当我写完这本书，站在“尾声”的部分向前回顾时，我不希望它仅仅是一本《<星际迷航>漏洞大全》。

然而我发现，“写一本《<星际迷航>里的物理学》”的想法，在我脑海中挥之不去。而且我必须向大家坦白，最初正是《星际迷航》中神奇的时空传送器吸引了我，才让我产生了这样的想法。我相信，只要你能够意识到构思出这个庞大的科幻世界需要面对何等的挑战，那么你也一定会不由自主地开始思考计算机、信息高速公路，思考粒子物理、量子力学、核能源、望远镜的构造、生命体的复杂性，甚至是人类灵魂的存在性等一系列问题，当你把这些问题和空间弯曲、时空旅行糅合在一起时，你就会发现这整个思考过程是多么让人难以抗拒。

我忽然意识到，我乐于写这本书的原因，和《星际迷航》在首集播出三十年后的今天仍然受到广大影迷喜爱的原因，是一样的——用《星际迷航》中那个无所不能的、喜欢恶作剧的Q的一句话来讲就是，“对于那些不为人知的、关于各种事物本身存在性的问题，我想逐个得到解答。”其实在我看来，思索这些答案的过程，比真正得到这些答案更有趣。我相信Q会同意我的看法。

正如史蒂芬·霍金在本书序言中所说的那样，《星际迷航》这类科幻作品确实能够拓展人类的想象力。而探索未来世界中的无限可能——包括目光短浅的人类解决国际矛盾和种族矛盾并齐心协力探索外太空的可能性——也确实是《星际迷航》系列能够经久不衰的原因之一。同时，这些无限的可能性也是现代物理学不断创造奇迹的原因之一。不过，正是因为这些可能性是无限的，我只能从中挑出一些具有代表性的问题，在本书中展示给大家。

前几天我在校园里闲逛的时候，曾顺手做了一份非正式的调查报告。数据显示，在英国，那些从未听说过“传送我吧，斯科提”这句话的人，和那些表示自己从来没听说过番茄酱这种东西的人，在数量上几乎是一样的。当我们考虑到星舰进取号的模型是整个美国国家航空航天博物馆中最受欢迎的展品这一事实时——它甚至比馆中那个真正的航天器更受欢迎——我们就不难发现，对于大部分人来说，《星际迷航》是他们对宇宙的好奇心的天然载体。我不觉得还有其他更好的载体，能够让我们在了解现代物理学前沿的同时，了解到未来物理学的极限所在。最后，希望大家能够和我一样，享受这次探索宇宙的旅程。

“生生不息，繁荣昌盛。”

好了，《星际迷航》中的物理学知识与错误就说到这里。在第一版的时候，我开过一个玩笑，当时拿着一本纽约时报说，要是有足够多的读者来信的话，我就考虑写一个续集，书名就叫《<星际迷航>里的物理学II：克劳斯的愤怒》。

我想现在这确实变成了一个玩笑，因为接下来不会有续集了。当然，要是《星际迷航》的冒险继续下去的话，我可能会尽量更新物理内容和对剧集的参考……至少出版商会劝说我修改发行新版的。

在本书最后用一章来写设定上的物理错误，并不是要指责《星际迷航》的编剧们，这更像是在展示另一种欣赏《星际迷航》的方式。只要《星际迷航》继续播出，我敢肯定每个新的物理问题都会成为各种《星际迷航》影迷——不论是高中生还是大学教授——茶余饭后的话题。而且这也成为编剧们和发行商的一个挑战，他们需要尽力跟上物理学发展的步伐。

所以我要从开始的地方来结束本书——不是那些设定上的失误，而是更多的可能性。我们当前的文化毫无疑问是被现代物理学的奇迹塑造而成的——在这我把伽利略和牛顿也算到现代里——就像其他人类智力活动的影像一样。然而不幸的是，现代人有一个误解：科学跟文化没有关联。事实上，科学是组成我们人类文明的重要部分。我们对宇宙的探索代表了人类智力最重要的一些发现，但可惜的是它们并未被广泛地了解和接纳；就像那些伟大的文学作品，画作或者音乐一样，难以被大众所欣赏。

通过强调科学在人类种族发展中的潜在作用，通过那些奇思妙想，《星际迷航》展示了科学与文化之间的强大关联。不过我已经说过，虽然23世纪的科学可能远不像《星际迷航》编剧所想象的那样发达，但我还是希望科学能创造更多奇迹。不管怎样，我都相信现在和以后的物理学，会改变我们未来的世界，就像牛顿和伽利略用他们那时候的物理学深深影响了现在一样。我坚信人类这个种族拥有巨大的潜力，能够不断地探索和揭示宇宙中深藏的奥秘，这也正是《星际迷航》系列的精神所在。最后由吉恩·罗登贝瑞的这段话来结束比较合适，这是他去世前一年，在《星际迷航》25周年纪念会上的一段发言：“人类是一种伟大的生物，有着无限的潜力，我对此抱有极大的希望。只要相信自己，相信我们能够做到，《星际迷航》所展现的，就是我们人类未来的图景。”

《星际迷航》这类科幻作品在娱乐大众的同时，也被赋予了另一个严肃的使命——开拓人类的想象力……其实科幻作品和科学发展之间是相互影响、相互作用的。科学家有时会借鉴科幻作品中的一些设定，并把它们运用到真实的科学理论当中；有时则会发现一些比科幻作品还要奇幻的科学理论。

——史蒂芬·霍金