科幻小说中的科学

在人类历史上，故事一直有着能够激励我们的力量。到了今天，科幻小说则能够激发出一些足以改变世界的重大突破。本书旨在帮助你理解一些日渐流行的科学话题以及这些话题是如何在科幻小说中被运用的。这本书不仅写给那些科幻小说迷，还写给那些富有好奇心的人——那些希望更多了解自然界以及我们所处宇宙的人。

译者序
引言
第1章 时空往事
爱因斯坦眼中的引力
质量即是能量，有时还会挖洞
无人目睹……至少现在还是
两种穿越时空的可能路径
结束语
第1章彩蛋
第2章遇事不决，量子力学
什么是量子跃迁？
那个特别的时刻……你自然会知道的
真正的科学与科幻小说
烧脑的量子小知识
结束语
第2 章彩蛋
插曲一初识原子理论
四大基本作用力
什么是原子？
最早的原子到底有多早？
反物质是怎么回事？
更深入的研究
插曲一彩蛋
第3章拨动弦，我们因而存在
额外维度
迎接竞争
量子化空间能解决悖论并惩治恶人吗？
结束语
仅供参考
第4章我们的宇宙（相对于其他的那些）
宇宙到底有多大？
可观测的宇宙与真实的宇宙之间有哪些不同？
星际距离是怎样计算出来的？
在最开始（或者说在某一个开始）……
是什么导致了大爆炸？
接下来会发生什么？
什么是引力波？
引力波是否被探测到过？
一些关于我们宇宙（就目前所知）的常识
我们的太阳系，太阳的家，我们的太阳
结束语
第4章彩蛋
第5章平行世界
数学上的平行世界
距离上的平行世界
分支上的平行世界
M 理论（膜理论）
论我们的世界就是完美世界
结束语
第6章文明的能源供给
文明的分级
有量子能量源吗？
有证明虚粒子存在的证据吗？
科幻小说里的虚粒子和零点能
结束语
第6章彩蛋
第7章黑洞吞噬
黑洞是如何产生的？
为什么逃逸速度很重要？
黑洞和意大利面有什么关系？
黑洞会永远存在吗？
如何探测黑洞？
虫洞（再次讨论）
黑洞能用于时间旅行吗？
结束语
第7 章彩蛋
第8 章地球生命的起源与进化
人类的故事
化石早已过时（字面意义上来说）
哇！慢下来才真实哦
地球上的生物是怎么来的？
什么是DNA？
结束语
第8章彩蛋
插曲二接近还是背离人类
第9 章神奇生物学
基因工程和进化
基因修饰是怎样实现的？
科幻小说怎样看待基因修饰的伦理问题？
说起永生，这可能吗？
更长的生命是否值得追求？
觉得一个自己还不够？找克隆人
僵尸末日基因论
细菌和病毒救兵
结束语
第9 章彩蛋
第10 章欢迎来到科技的世界
虚构作品中的知名半机械人
超人类大脑
有时你需要往小里看
最后，后人类时代
进入赛博空间（每个人都在这么做）
结束语
第10章彩蛋
第11章人与自然
气候或天气可以预测吗？
什么是温室效应？
住在玻璃房子里的人不应该随意排放碳
如何计算地球的平均温度？
全球变暖有证据吗？
为防止全球变暖，人们正在做些什么？
让我们看到（一点点）光明
影响天气的其他人类活动有哪些？
科幻小说是否帮助了我们预警全球变暖？
结束语
第11章彩蛋
第12 章动身时刻（B 计划）
殖民者需要的基本条件是什么？
附加资料: 小行星有利用价值吗？
以宇宙的视野在附近寻找度假房
寻觅宇宙中：什么是系外行星，如何找到它？
侵略还是不侵略？
结束语
第12章彩蛋
第13章自然智能和人工智能
涌现性和我的思想有什么关联呢？
神经元是如何产生意识的呢？
认知在智能里又起着什么样的作用呢？
什么是智能？
创造力（就是你的神经元做着玩的游戏）的重要性
人工智能的崛起
要不要测试一下（人工智能）呢？
什么是技术奇点？
后奇点时代的道德困境
回到起点
结束语
第13章彩蛋
第14章机器人的崛起
一切都从一个词和几根线开始
机器人进化
服务和遵从
我们日常生活中的机器人（作为服务人员）
伦理问题
结束语
第14章彩蛋
第15章我们是孤独的吗？是否存在外星智慧文明？
别介意与它们会面。可是，它们存在吗？
那么，为什么我们还没有收到外星人的任何消息？
也许类地行星是罕见的
想过外星生物长什么样子吗？
结束语
第15章彩蛋
第16章超远距离对话：星际沟通
理论上的长途电话
结束语
第17章穿越万难，方见星空：一条通往星空的艰险之路
留在本地：大气层旅行
漫长的旅途：太空旅行
化学火箭
太阳帆
核推进
离子发动机
反物质发动机
电磁发动机
曲率引擎
重力和太空旅行者
如果科幻小说（冒险小说）里用上了人造重力，那么为什么……
一个有望成真的故事：应用
结束语
插曲三本质问题
那么，什么是质量？
为什么我们有质量？
什么使暗物质和暗能量如此暗？
是否有暗物质的证据？
有些物质喜欢在出门之前先换个装
第18 章
为什么我们这么“有料”？
材料工程是什么？
现在有新材料正在研发吗?
说起运动员，这里有几个很酷的例子
这和元素息息相关
什么是超导体？
有没有办法解决超导体的低温问题？
碳元素材料
有没有什么材料可以捕获光线？
见非所见
结束语
第19 章科技酷玩
激光
科幻小说里流行的光能武器名
3D 打印
来说说3D 打印机技术套餐
工具虽好，但是3D 打印技术是否会引发道德问题？
可穿戴技术
相机技术
电脑识别
用意识控制机器
结束语
第20章存在的基础是什么？
我们对现实的认知有什么意义？
什么是增强现实？
什么是虚拟现实？
虚拟现实科学起源于何时？
除了军事和娱乐用途外， 虚拟现实还有其他实际用处吗？
虚假记忆算是虚拟现实吗？
那么擦除记忆呢？
全息现实
让我们深入了解一些科幻小说
全息原理和黑洞
结束语
第21章万物之终
说起终结（一个作者的自白）
个体的终结
人类的终结
恐怖的太空碎片
有谁在监测这些石块和冰疙瘩吗？
如果那些大型近地天体瞄准地球，我们能阻止它们吗？
太阳与地球：当不再有光时，这段关系走向终点
为什么未来只存在超巨型星系？
我们赶上了好时候（来预测宇宙的终结）
热力学是我们的终结，不过首先要学学热力学定律
熵如何解释时间的方向？
一切万物如何终结
当所有太阳都关了灯
在这个宇宙之后的生命
结束语
术语表

     第1章 时空往事 逻辑可以将你由A点带到Z点，但想象力可以带你去任何地方。 ——阿尔伯特·爱因斯坦 科幻小说、科幻电影和科幻电视剧里经常描述主人公们在不同时空中穿梭航行，来引出精彩的故事。有时候，主人公驾驶着塔迪斯穿梭机（TARDIS，即“Time and Relative Dimension（s） in Space”的缩写），也就是时间及空间相对维度穿梭机，同时穿越了时间和空间。在英国科幻系列电视剧《神秘博士》里就是用的这种时空穿梭交通工具。 他们也可以借助时间膨胀效应来旅行，时间膨胀会影响飞船的加速度，奥森·斯科特·卡德所著的小说《安德的游戏》里对此有所描述。这种旅行方案是有可能的，但事实上，穿越时空背后的真实原理要简单得多，根本不需要借助什么黑科技，因为你时时刻刻都在穿越时空。假如你以每小时8千米的速度刚好跑满8千米，那么，你在空间中移动了8千米，在时间中移动了一小时。 我知道，我知道，这道理太浅显了。但是我想说明的是，时间和空间在宇宙中是紧密相连，不可分割的，必须同时考虑两者。物理学家为这种统一性起了一个好名字：时空。这种统一性有时候也被称为时空连续。 就是因为时间与空间的这种紧密关系，科学家们不再像牛顿所认定的那样，认为时间是绝对的，匀速流逝的。爱因斯坦的狭义相对论表明，时间是和空间结构交织在一起的，而且还和光速相关。这可真是个令人惊呼的想法，但他说的相对论到底是怎么个相对法呢？ 如果你正坐在家里看这本书，你可能会觉得自己是静止的。不过这只是一种错觉。地球本身在自转，同时还在绕着太阳公转，而太阳在银河系内转动，银河系又在绕着一个超大质量的黑洞转，这个黑洞叫作人马座A*。银河系同时也在本星系群内运动。 自从宇宙大爆炸开始，宇宙本身就在持续向各个方向膨胀。因此空间中的任何一个点（位置），都可以被看作是这个不断膨胀的宇宙的中心。任何地方都没有绝对的位置。宇宙中没有任何一处位置是静止的，所有的运动总是都要相对于它的参照物。视角不同，一切都将不同。 比如说，在棒球比赛中，投手投出一个球，击球员随即挥棒击球。如果以球棒作为参照物，那球应该是在向球棒移动。但是如果以球作为参照物的话，又是球棒在向球移动。 说一个不真实的段子：一位物理学家站在河的一边，爱因斯坦站在对岸。“嗨，”物理学家问道：“我怎么才能到对岸去呢？”爱因斯坦想了想，抽了口烟斗，最后说了一句：“你不就是在对岸嘛！” 爱因斯坦认为，几乎所有的事情都会随着视角的变化而变化，唯独光速是个例外，光速是绝对的。 不知道科幻小说作家西奥多·斯特金对此做何感想，他的“斯特金定律”有一条就是：“凡事无绝对”。重申一遍，他并不是一个科学家（或者说至少不是爱因斯坦那种大神级的）。斯特金还有句名言是“无论什么东西的90%都是垃圾”。不过我敢保证，狭义相对论100%不是垃圾，实验证明了相对论的有效性和重复性，这是科学的结论。 知道了这一点，把狭义相对论用最简单易懂的方式（也有可能是最直观的方式）来理解，就是明白万事万物都在以光速运动。是的，这听上去很不可思议，但是我们在时间中的速度再加上在空间中的速度之和，永远都等于光速。 这背后有着复杂的数学推理，但是与其给你看那些让人眼花缭乱的数学公式，还是让我直接告诉你结论吧：我们在空间中的速度越快，我们在时间中的速度就越慢。换句话说，当我们运动速度的增加时，时间就会弯曲变慢，以维持光速不变。这种时间弯曲变慢的效应就叫时间膨胀。别担心，咱们地球尺度的速度都很慢，慢到这种效应可以忽略不计。只有当我们把太空飞船加速到极高速度时，时间膨胀效应才开始变得显著。 根据狭义相对论，当我们在时空中穿行的时候，属于我们的参照物具有自己的时间。在地球上，我们每个人的时间都和其他人差不多一致，因为彼此之间的相对速度都很慢。但如果我们能乘坐太空飞船以一个很高的速度飞离我们的母星，我们的时间和地球上的时间的差异就开始显著了。为了维持光速不变，当我们的空间速度加快时，我们的时间速度就必然随之减慢。 在真空环境中，光传播的速度是299792458米/秒。如果有人问起，直接说光速约每秒30万千米就好啦，这样好记多了，还会让你显得特别特别聪明。 相对论下的时间旅行这个概念是科幻小说的工具箱里一个非常棒的工具。在科学严谨的科幻小说里，如果主人公以高速穿越空间，就会体验（或者说忍受）到时间的膨胀效应。有两部比较经典的电影讲到了相对论下的时间旅行。一部是乔·霍尔德曼的《千年战争》，另一部是奥森·斯科特·卡德的安德系列，即我们所熟知的《安德的游戏》五部曲。 在《千年战争》里，当军队向不同星球的战场进发的时候，时间的膨胀效应就开始了。每一次战事结束，我们的主人公威廉·曼内拉的时间都要比地球慢上几个世纪，等他最终返回阔别已久的地球基地的时候，他已经变