《不可思议的物理》将“不可思议”的事物分为三个类别。第一是目前不可能、但不违反已知物理定律的科技；第二是游走在我们对于物理世界的认知边缘的科技，第三是违反已知物理定律的科技。预测未来总是冒很大风险，所以总结这个不可思议非常重要，若有能力解答一些最困难的不可思议总是令人振奋。

加来道雄将对于每一种科技的讨论作为解释其背后的科学原理的出发点。《不可思议的物理》是一次非比寻常的科学冒险，将读者带入一次去往科学国度的旅程，铭刻肺腑又兴致勃勃，这个国度既给人启迪又愉快有趣。

对不可思议事物——从死光和力场到隐身衣的科学原理的迷人探险，揭露这些科技在未来数十年到数千年间获得实现的可能性。

一百年前，科学家们会说，激光、电视和原子弹超越了物理学上的可能性。在《不可思议的物理》中，著名物理学家加来道雄探索了科幻作品中目前被认为无法实现的科技与装置在未来有多大的可能性会变得司空见惯。

从隐形传送到心灵念力，加来道雄使用科幻的世界研究人们当今所知的物理定律的基本原理和极限。他将这些科技分类列为一等、二等和三等，依据是它们可能在何时被实现：在下一个世纪之内、在数千年之内，或者也许永远不会。他以引入入胜又发人深省的文字解释了：

光学和电磁学将如何可能使我们有朝一日可以将光线围绕一个物体弯折，就像溪流绕过河中的大圆石那样，使该物体对于身处“下游”的观察者来说不可见。

冲压喷气式火箭、激光帆、反物质发动机和纳米飞船将如何可能在未来将我们带去附近的恒星。

利用MRI、超导性和纳米科技，心灵感应和意志力——曾经被认为是伪科学，将如何可能终有一天得以实现。

为什么时间机器似乎与已知的量子物理定律相符？——尽管必需有一个先进得不可思议的文明才能真正制造一台时间机器。

《不可思议的物理》作者加来道雄是纽约城市大学研究生中心的理论物理学教授。他是超弦理论的共同创立者。

前言

第一章 一等不可思议

 1.力场

 2.隐形

 3.光炮与死星

 4.隐形传送

 5.心灵感应

 6.意志力

 7.机器人

 8.外星人和UFO

 9.恒星飞船

 10．反物质和反宇宙

第二章 二等不可思议

 11.比光更快

 12.时间旅行

 13.平行宇宙

第三章 三等不可思议

 14．永动机

 15．预知

后记

致谢

不过，隐形技术中最大有可为的新进展或许是一种叫做“超材料”的奇异材料，有朝一日它也许真的能让物体隐形。具有讽刺意味的是，超材料曾被认为是不可能存在的，因为它违反了光学定律。然而，2006年，北卡罗来纳州的杜克大学(Duke University)和伦敦帝国理工学院(Imperial College)的研究者成功挑战传统概念，使用超材料让一个物体在微波射线下隐形。尽管仍有许多难关需要克服，但我们有史以来头一次拥有了能使普通物体隐形的方案(五角大楼的国防高级研究计划署[The Pentagon's Defense Advanced Research Project Agency，DARPA]资助了这一研究)。

微软(Microsoft)的前首席技术官纳森·梅尔沃德(Nathan Myhrvoid)说，超材料那革命性的潜力“将彻底改变我们对待光学的方式，以及电子学的几乎每一个方面……有些超材料能够成就在几十年前看来属于奇迹的伟业”。

超材料是什么？它们是具备自然界中不存在的光学性质的物质。超材料是通过将微小的组件植入一种材料而产生的，这种材料能强迫电磁波向非正常的角度弯曲。在杜克大学，科学家们将微型电路植入排列成平面、同心圆的铜圈中(有些像电炉的圈环)。结果是产生了陶瓷、特氟龙和混合纤维组成的精细混合物，铜条中的微型植入体使其可以用特定的方式弯曲和引导微波辐射。想象一下围绕一块巨石流动的河水。由于河水迅速绕过巨石，巨石会被朝着下游冲走。同样的，超材料可以不断改变和弯曲微波的路径，这样它们就绕着一个——比如说，圆柱体流动，基本上使圆柱体内的一切物质在微波内不可见。如果超材料能消除一切反射和阴影，那么它就能确保一个物体在该种射线下完全隐形。

科学家们成功使用一个由10个覆盖铜电元素的玻璃纤维环组成的装置演示了这一原理。一个装置内部的铜环几乎在微波辐射下完全隐形，只投下了非常小的影子。

超材料的核心是它能够控制一种叫做“折射率”的事物。折射是当光线穿过透明媒介时的偏折。如果你把手伸入水中，或者透过眼镜的镜片看自己的手，你会注意到水和玻璃扭曲并弯折了寻常光的路径。

光在玻璃和水中会弯折的原因在于光进入一个密集、透明的媒介时会放慢速度。光在真空中的速度永远保持一致，但穿透玻璃或者水的光必须穿过上万亿个原子，因此速度就慢了(被在媒介中减速的光所分割的光速称作折射率。由于光在玻璃中减速，其折射率永远大于1.0)。例如，真空中的折射率是1.0，在空气中是1.0003，在玻璃中是1.5，在钻石中是2.4。通常，媒介密度越高，弯曲的度数越大，于是折射率也越大。

折射率常见的实例之一就是海市蜃楼。如果你在炎热的天气开车并直视地平线，道路看起来可能会像是有微光闪烁，造成水光粼粼的湖面的幻像；在沙漠中人们有时能看到远处的地平线上有城市和山岳的轮廓，这是因为从路面和沙漠升起的灼热空气密度低于正常空气，因而折射率比周围较冷的空气要低，这样，来自远方物体上的光线会被从行道上折射到你的眼中，造成你正看着远方事物的假象。

通常，折射率是一个常数。当一束窄小的光线进入玻璃时会被弯曲，随后保持以直线前进。假设你可以任意控制折射率，那么它便能在玻璃中的任意一点不断改变方向。当光线在这个新的材料中移动，光能被弯曲并向不同的新方向流动，创造出能够穿过整个物质的蛇形路径。

如果能控制超材料内部的折射率，光就能从物体的周围通过，这样这个物体就能隐形。为了实现这一点，这种超材料必须具备负折射率，那是所有光学课本中都写明不可能的事物(超材料是在1967年由苏联物理学家维克托·韦谢拉戈[Victor Veselago]在一份论文中首次理论化的，并被证明具有不同寻常的光学性质，如负折射率和逆多普勒效应[reversed Doppler effect]。超材料是如此的古怪和反常，以至于它曾被认为是不可能制成的.但在过去几年中，超材料已经确实在试验室中被制造出来，迫使满心不情愿的物理学家们改写了所有光学方面的教科书)。

超材料的研究者们不断受到记者骚扰，他们希望知道隐身衣什么时候会被投放进入市场。答案是：近期不会。

杜克大学的大卫·史密斯(David Smith)说：“记者们打来电话，他们只是需要你说出一个数字。所需的月数，所需的年数。他们不停地追问追问再追问，于是你最后说：嗯，大概15年。如此他们便弄到了新闻的标题，不是吗？15年做出哈利·波特的隐身衣。”这就是为什么他现在拒绝给出任何详细的时间表。《哈利·波特》和《星舰迷航》迷们或许不得不等待。当真正的隐身衣在物理定律的范围内已经成为可能，大多数物理学家认为，这一技术面前遗留的难以克服的技术障碍将是：把研究拓展到可见光，而不只是微波。

通常，被植入超材料中的内部组件必须小于射线的波长。比如，微波的波长可达约3厘米，因此能够弯曲微波路径的超材料必须具备被植入小于3厘米的微型植入体。但要使一个物体在波长为500纳米的绿光下隐形，超材料必须具备只有约50纳米长的内部构造，而纳米是原子水平的长度单位，需要使用纳米技术(1纳米在长度上相当于1米的十亿分之一。1纳米大约可以容纳5个原子)。这可能是我们在创造真正隐身衣的尝试中要面临的关键问题。超材料中的单个原子必须改进，以把光束弯曲成蛇形。P17-19

如果一个想法在最初听起来并不荒谬可笑的话，那么就不要对它寄予太大希望了。

——阿尔伯特·爱因斯坦(Albert Einstein)

是否会有那么一天，我们将能穿墙而过、建造飞行速度超过光速的飞船、解读他人的思想、隐形、以意念之力移动物体、瞬间将我们的躯体传送到太空？

我自幼就对这些问题着迷。与许多物理学家一样，在成长的过程中，我被时间旅行、死光枪、力场、平行宇宙等等获得实现的可能性所深深吸引。魔法、幻想和科幻小说都是我任凭想象力驰骋的广阔游乐场，它们开始了我与不可思议事物之间的终身恋情。

我记得观看电视上重播《飞侠哥顿》(Flash Gordon)的情形。每个周六，我都与电视机如胶似漆，对飞侠、扎可夫博士(Dr.Zarkov)与戴尔。雅顿(Dale dende)的冒险经历和他们那令人目眩神迷的未来科技装备惊叹不已：火箭飞船、隐形盾、死光枪、空中城市。我从未错过任何一个星期的播出。这个节目为我开启了一个全新的世界。我一想到有朝一日能坐火箭登上一个陌生星球并探索其独特的地貌就激动万分。我被拽入了这些惊人发明的磁场中，明白自己的命运以某种形式与这部剧集中展现的科学奇迹紧密相连了。

如同事实所证明的那样，我的经历并非特例。许多极为杰出的科学家最初都是通过接触科幻作品开始对科学产生兴趣的。伟大的天文学家爱德温·哈勃(Edwin Hubble)沉迷于儒勒·凡尔纳(Jules Veme)的作品。在阅读了凡尔纳的作品后，哈勃放弃了一份前途光明的法律工作，违背他父亲的意愿，开始从事科学方面的职业，最终成为20世纪最伟大的天文学家。著名天文学家和畅销书作者卡尔·萨根(Carl Sagan)，发现埃德加·赖斯·巴勒斯(Edgar Rice Burroughs)的《火星上的约翰·卡特》系列小说点燃了自己的想象力，便开始梦想有一天能像约翰·卡特那样探究火星上的沙粒。

阿尔伯特·爱因斯坦去世时我还是个孩子，但是我记得人们低声谈论他的生平与死亡。次日，我从报纸上看到了一张他书桌的照片，上面摆着他最伟大的、未完成的研究成果的手稿。我问自己，是什么能够如此重要，以至于当代最伟大的科学家都无法完成它？报纸上的那篇文章宣称爱因斯坦有一个不可能实现的梦想，一个异常困难、人类无法终结的难题。我花费数年时间弄明白了那份手稿的内容：一项宏伟的、一切归一的“万物至理”(theorv of everything)。他的梦想——耗费了他人生最后30年的梦想，帮助我将精力集中到自己的想象上。我希望，我能够为完成爱因斯坦的工作尽一份绵薄之力，将一切物理定律统一到一个理论中。

当我更大一些的时候，我意识到虽然飞侠哥顿是个英雄，并且总能获得女孩的青睐，但事实上使这部剧集获得成功的却是科学家。没有扎可夫博士，就没有火箭飞船，没有赴蒙格星球(Mongo)的旅行，也不可能拯救地球。英雄气概得靠边站，没有科学就不会有科幻。

我开始明白，从这些故事所涉及的科学原理来看，它们是完全不可能实现的，它们仅仅是想象力驰骋的产物。长大成人意味着将这样的幻想搁置起来。我被告知，在真正的生活中，一个人必须放弃不可思议的事物，转而拥抱现实。

然而，我得出结论，如果我要继续自己对于不可思议事物的迷恋，那么解决之道就是进入物理学领域。缺少了在前沿物理学方面的坚实基础，我将永远只能对着未来科技苦思冥想，而不明白它们究竟是否可行。我意识到自己必须专注于高等数学，并且学习理论物理学。因此我那么做了。

上高中的时候，我在妈妈的车库里装配了一台核粒子加速器，作为科学展览的参展作业。我去西屋(Westinghouse)公司收集了400磅废变压器钢。在圣诞节期间，我在高中的足球场上绕了22英里长的铜丝。最终，我制造出了一台功率230万电子伏的电子感应加速器，它需要消耗6千瓦电力(相当于我家房子输出的总功率)，能产生相当于地球磁场2万倍的磁场，目标是能制造出威力足以产生反物质的γ射线。

我的科学展览项目使我进入了全国科学展，最后还使我梦想成真，获得了哈佛大学的奖学金。在那里，我最终得以追求成为一名理论物理学家的目标，并且追随我的偶像——爱因斯坦的脚步。

如今，我会不时收到来自科幻小说作家和剧本作家的电子邮件，让我帮助他们探索物理定律的极限，使他们的故事更具说服力。“不可能"是相对的

作为一名物理学家，我认识到“不可能”常常是一个相对而言的词汇。在长大的时候，我记得我的老师有一天走近挂在墙上的世界地图，指着南美洲和非洲的海岸线，“这难道不是一个奇怪的巧合吗？”她说，“两者的海岸线形状相互吻合，简直就像一块拼图！有些科学家推测它们可能曾经是同一块辽阔大陆的两个部分。但那是愚蠢的。不可能有力量能推开两块巨大的陆地。”“这样的想法是无可救药的。”她最后说。

那之后的一年，我们学到了恐龙。老师告诉我们，恐龙统治地球上百万年，然后有一天它们全部消失了。没有谁知道它们为什么死亡殆尽。难道这不是怪事吗？一些古生物学者认为可能有一颗来自太空的流星杀死了它们，但那是不可能的，那更像是科幻小说里发生的事情。

今天，我们知道，在板块构造中大陆确实会移动，并且6 500万年之前一颗直径达6英里的巨大流星最有可能是毁灭恐龙与地球上许多生命的元凶。在我自己的短暂人生历程中，我已经一次又一次目睹了看起来不可能的事情成为确定无疑的科学事实。所以，或许有一天我们能将自己从一个地方隐形传送到另一个地方，或者建造出一艘宇宙飞船在某一天带我们飞跃以光年计的距离到达其他星球，这些难道不可能吗？

一般来说，这样的伟业在如今的物理学家看来是不可能实现的。它们是否会在几个世纪内成为可能呢？或者是在几千年后，当我们的科技更加发达的时候？又或者是在100万年后？从另一个角度来说，如果我们通过某种途径遇见一种比我们领先100万年的文明，他们的常用科技对我们来说是否会显得“像魔法”呢？这是贯穿本书的中心问题之一，某些事物会仅仅因为在今天是“不可能的”，就在未来的数百年或百万年中仍旧是不可能的吗？

由于在过去一个世纪中科学取得了长足的发展，特别是诞生了量子理论与广义相对论，现在我们已经可以大致估计一部分这些梦幻般的科技将在何时(如果的确会有那么一天的话)可能实现。随着更为先进的理论——比如弦理论的产生，连一些属于科幻范畴的概念——如时间旅行和平行宇宙，现在也正被物理学家们重新评估。回想150年以前那些被当时的科学家宣布为“不可能”的科技，如今已经发展成为我们日常生活的一部分。儒勒·凡尔纳在1863年写了一部小说：《20世纪的巴黎》(Paris in the 20th Century)。这部小说被尘封并且遗忘了长达一个多世纪，直到凡尔纳的重孙发现了它，并且在1994年首次出版。在书中，凡尔纳预言了巴黎在1960年可能会呈现的面貌。他的小说中充斥着在19世纪看来显然不可思议的科技，包括传真机、一个世界性的通讯网络、玻璃建造的摩天大楼、燃气动力汽车和高速高架火车。

不出意料，凡尔纳之所以能做出这样了不起的精确预测是因为他沉浸在科学世界之中，他从周围的科学家那里汲取智慧。对于科学基础原理的深刻理解，使他得以做出这样惊人的预言。

令人遗憾的是，19世纪一些最伟大的科学家持相反的立场，并且宣布许许多多科技的实现是毫无指望的。开尔文爵士(Lord Kelvin)——他或许是维多利亚女王时代最杰出的物理学家(他葬于威斯敏斯特教堂，在艾萨克·牛顿的身边)，宣称像飞机那样“比空气更重的”装置是不可能实现的。他认为X光是无聊的把戏，无线电没有未来。卢瑟福爵士(Lord Rutherford)——发现了原子核的科学家，对于制造原子弹的可能性不屑一顾，将那与“月光”相提并论。19世纪的化学家宣布寻找贤者之石(philosopherstone)——一种神话故事中可以化铅成金的物质，是一条科学的死胡同。19世纪的化学建立在元素像铅那样永恒不变的理论基础上。然而，如今我们原则上可以用现在的核粒子加速器将铅变成金子。想想吧，现今的电视机、计算机和互联网在20世纪之初看起来会是多么不切实际。

更近一些的时候，黑洞曾被认为是科学幻想。爱因斯坦本人在1939年写过一篇论文，“证明”黑洞永远不可能形成。然而，到今天，哈勃太空望远镜(Hubble Space Telescope)和钱德拉x射线天文望远镜(Chandra x-rav Telescope)已经观察到太空中的数千个黑洞。

这些科技之所以被视为“不可能”，是因为在19世纪以及20世纪前期物理与科学的基本定律尚未被人知晓。考虑到当时在科学理解上的巨大空白，特别是在原子层面上的空白，这些发展被认为不可能也就不足为奇了：

研究“不可能”

具有讽刺意味的是，对于“不可能”事物的认真研究常常会开拓出富饶并且完全出人意料的科学疆域。举例来说，对于“永动机”一个多世纪的令人沮丧、毫无意义的探索使物理学家们得出结论：这样的机器是不可能存在的，迫使他们假设了能量守恒和热力学三大定律。如此一来，制造永动机的徒劳探索开启了热力学的全新领域，在某种程度上为蒸汽机、机械时代和现代工业社会奠定了基础。

在19世纪末，科学家们认定地球“不可能”有数十亿年的年龄。开尔文爵士断然宣布熔融的地球可以在2 000万年至4 000万年间冷却，驳斥了地质学家和达尔文主义生物学家宣称的地球可能有数十亿年历史的论断。随着居里夫人和其他科学家发现核力，展示地心被衰变所加热，从而可能将熔融保持数十亿年，“不可能”被证明为完全可能。

我们忽略“不可能的事物”会给自己带来危险。在20世纪20年代和30年代，现代火箭学的奠基人罗伯特·戈达德(Robert Goddard)曾遭到认为火箭永远无法在外太空运行的人的严重非难，他们挖苦地将他的追求称作“戈达德的蠢事”。在1921年，《纽约时报》(New York Times)，这样挑剔戈达德博士的作品：“戈达德教授不知道作用力与反作用力之间的联系，也不知道必需有些比真空更合适的事物用以进行反作用。他似乎缺乏高中课程传授的基本知识。”“火箭是不可能成功的，”编辑欷欺道，“因为在外太空没有可用以推进的空气。”令人悲哀的是，有一位国家元首切实理解了戈达德那“不可能的”火箭意味着什么——那就是阿道夫·希特勒(Adolf Hitller)。在第二次世界大战期间，德国先进得不可思议的V-2火箭如雨点般在伦敦落下，造成了众多的死亡与巨大的毁坏，几乎使伦敦屈服。

对不可思议事物的研究可能也改变了世界的历史进程。在20世纪30年代，人们广泛认为，甚至爱因斯坦也认为，原子弹是“不可能的”。根据爱因斯坦的方程E=mc2，物理学家们了解到原子核的深处蕴含着巨大的能量，但由单个原子核释放的能量实在微不足道。不过，原子物理学家里奥·齐拉特(Leo Szilal·d)记得读过威尔斯(H G.Wells)1914年的小说《获得自由的世界》(The World Set Free)，在小说中威尔斯预测了原子弹的发展。他在书中称原子弹的奥秘将在1933年由一位物理学家解决。齐拉特偶然在1932年看到了这本书。在这本小说的激励下，他在1933年——也就是威尔斯于20年前所预测的年份，碰巧产生了通过一个链式反应放大单个原子能量的构想，这样一来，分裂一个铀核产生的能量可以被放大好几万亿倍。齐拉特随即开始进行一系列关键性试验和与爱因斯坦以及富兰克林·罗斯福(Franklin RooseveK)总统的秘密谈判，谈判促成了制造原子弹的曼哈顿计划(Manhattan Project)。

一次又一次，我们看到对于不可能事物的研究打开了全新的视野，拓展了物理学和化学的疆界，并且迫使科学家们重新对自己所说的“不可能”下定义。正如威廉·奥斯勒(William Osler)爵士所言：“一个时代的信仰在下一个时代成为谬误，而过去的荒唐愚蠢却成为明日的睿智。”

许多物理学家赞同《永恒之王》(Once and Future King)作者怀特(T.H.White)的名言：“凡未被禁止之物皆是必然！”在物理学中，我们一直都能找到相应的证据。除非有物理定律明明白白地不允许一种新现象产生，否则我们最后总能发现它的存在。(在寻找新亚原子粒子的过程中这发生了不少次。在探索禁忌事物的极限时，物理学家们常常意外地发现新的物理定律。)怀特的名言或许可以有这么个推论：“凡并非不可能之物皆是必然！”

举例来说，宇宙学家史蒂芬·霍金(Stephen Hawking)试图找到一条禁止时间旅行的新物理定律，以证明这是不可能的，他把这一定律称作“时序保护猜想”(chronology protection Conjecture)。不幸的是，在辛勤工作多年后，他未能证明这一原理。事实上，与之相反的是，物理学家们现在已经证明，禁止时间旅行的定律超出了当今数学的范畴。如今，由于没有物理定律可以否定时间机器的存在，物理学家们不得不慎之又慎地对待时间机器存在的可能性。

本书的目的是思索那些目前被认为“不可能”、而在今后数十年、数百年中可能变得司空见惯的科技。

已经有一种“不可能”的技术现在被证明为可能：隐形传送(至少在原子层面上可行)。甚至在几年前物理学家们还会说，将一个物体从一个点传送或发送到另一个点违背了量子物理的定律。最初写作电视剧《星舰迷航》(Star Trek)剧本的编剧们饱尝了来自物理学家的批评挖苦，以至于他们加入了”“海森堡补偿器”(Heisenberg compensator)来解释他们的传送器，好弥补这一漏洞。今天，由于近期的重大科学突破，物理学家们可以将原子瞬间从房间的一边传送到另一边，或在多瑙河下将光子瞬问传送过河。预测未来

作出预测总是得冒很大风险，特别是对于未来数百甚至数千年的预测。物理学家尼尔斯·玻尔(Niels Bohr)爱说：“做预测困难重重，尤其是事关未来。”但是，儒勒·凡尔纳所处的时代与当今有一个根本性的区别。今天，物理的基本定律已经大多被人知晓了。当今的物理学家了解惊人的43个数量级，内到质子，外到膨胀中的宇宙。物理学家们可以怀着适当的自信陈述未来科技的大概面貌，并且更好地区分那些仅仅是未必可能的科技和真正不可能的科技。

因此，在本书中，我将“不可思议”的事物分为三个类别。

第一类我称之为“一等不可思议”。它们是目前不可能、但不违反已知物理定律的科技。因此它们可能在本世纪或下个世纪内以改良后的形式成为可能。它们包括：隐形传送、反物质发动机、某些形式的心灵感应、意志力和隐形。

第二类我定义为“二等不可思议”。它们是游走在我们对于物理世界的认知边缘的科技。如果确实可能，它们或许将在未来1 000年到100万年的时间内实现。它们包括：时间机器、超空间旅行和穿越虫洞。

最后一类我称为“三等不可思议”。它们是违反已知物理定律的科技。令人惊讶的是，这类不可思议的科技非常少。一旦它们被证明确实可能，那将标志着我们对于物理学的认识将发生根本转变。

我感到这个分类至关重要，因为科幻小说中有如此之多的科技被科学家们不屑地视为全然不可能，而他们事实上想说的是，这些科技对于如人类这般原始的文明而言是不可能的。比如说，访问外星球被一概认为是不可能的，因为星球之间的距离过于遥远。当星际旅行对于我们的文明而言显然不可能的时候，或许它对于比我们领先数百年、数千年或数百万年的文明来说是可行的。所以，总结这样的“不可思议”非常重要。对于我们目前的文明而言是不可能的技术，对于其他类型的文明而言不见得同样不可能。关于什么可能、什么不可能的断言必须考虑到比我们领先数千年甚至数百万年的科技。

卡尔·萨根曾经写道：“对于一种文明来说，有上百万年的历史意味着什么？我们已经拥有射电望远镜和宇宙飞船好几十年之久，我们科技文明的历史是几百年……有上百万年历史的先进科技文明领先于我们，正如我们领先于灌丛婴猴和猕猴那么多。”

在我自己的研究工作中，我专门集中精力在完成爱因斯坦“万物至理”的梦想上。从个人角度而言，我发现，能致力于发现一种最终可能回答当今科学领域一些最困难的“不可思议”问题的“终极理论”着实令人振奋。这些问题有：时间旅行是否可行、黑洞的中央有什么、宇宙大爆炸前的情形等。我仍然陶醉于我与不可思议事物的终身恋爱，并且想知道这些不可思议的事物中是否能有一些进入日常生活的范畴。

没有什么比这更加盛大或疯狂了，数以百万计的技术群体趋之若鹜，只要它在物理上具有可实现性。

——弗里曼·戴森

命运并非机缘巧合，而是出于选择。人类不应等待命运，而应去成就它。

——威廉·詹宁斯·布赖恩(William Jennings Bryan)

有什么真相是我们永远无法捕捉到的吗？有什么认知领域，即使是现今的文明也无法进入的吗？在前文已分析过的所有科技中，只有永动机和预知被归入了“三等不可思议”的范畴。还有什么别的科技是同样不可实现的吗？

数学就已能提供足够的理论依据，证明有些事物的确是不可能实现的。举个简单的例子，只用圆规和尺，我们无法将一个角分成三等份——这早在1837年就已被证实。

即便是在像算术这样简单的体系里也存在不可能性。正如我之前提到的那样，在算术的基本假定前提下，不是所有真命题都能得到证明的。算术中始终有一些真命题，只有当你运用一个更宽泛的、将算术学作为子集包含在内的体系时，才能得以证明。

尽管数学中有些事物是不能实现的，但在物理学范畴中，声称某事物完全无法实现却是危险的。不妨让我提醒你诺贝尔奖得主阿尔伯特·A麦克尔森(Albert A Michelson)1894年在芝加哥大学瑞尔森物理实验室(Ryerson Physical Lab)的致辞：“物理学中非常重要的基本定律和事实都已被发现，而且现在我们都坚定地相信，由于新的发现而导致它们被取而代之的可能性微乎其微……我们未来的发现必须在小数点后第六位寻觅。”

他的这番讲话，发表于科学史上某些剧变发生的前夜——1900年的量子革命以及1905年的相对论革命。关键是，今天看来不可能的事物，违反了已知的物理学定律；但我们知道，物理学的定律是可能改变的。

1825年，伟大的法国哲学家奥古斯特·孔德(Auguste Comte)在其所著的《实证哲学教程》(Cours de Philosophie)一书中宣称，科学无法测定星体的构成成分。在当时看来，这个言论似乎很安全，因为那时没有人了解任何关于星体性质的信息。它们太遥远，当时的人们无法前去探访。然而，就在他发表这一声明的短短几年后，物理学家(利用光谱学)宣布，太阳是由氢组成的。实际上，现在我们知道，通过分析星体在几十亿年前发射出的光谱线，人类是可以测定宇宙中大多数星体的化学成分的。

孔德列出一长串其他“不可能的事”，向科学界提出了挑战：

他声称“人体的根本结构是我们永远无法知道的”。换言之，人类无法了解物质的真实属性。

他认为永远无法用数学来解释生物学和化学的问题。他声称，不可能让这些科学问题沦为数学问题。

他认为对天体的研究不可能对人类事务有任何影响力。

在19世纪，提出这些“不可能的事”是合情合理的，因为那时的人们对基础科学知之甚少。几乎没有任何关于物质和生命的秘密为人们所知悉。然而今天我们掌握了原子论，这为科学探究物质的结构开辟了崭新天地。我们了解DNA和量子理论，它们揭开了生命化学的秘密。我们还了解了宇宙空间的陨石撞击，这一活动不仅影响到地球上的生命进程，同时也是塑造地球生命体的助因。

天文学家约翰·巴罗(John Barrow)指出：“历史学家仍在争论一种说法，即孔德的观点从某种程度上造成了之后法国科学的没落。”

反对孔德言论的数学家大卫·希尔伯特写道：“我想，孔德找不到一个无法解决的难题的真正原因在于，这些难题都是可解的。”  但今天的科学家们又提出了一系列新的不可能性：我们永远不会知道在大爆炸前发生过什么(或者首先是为什么会发生大爆炸)；我们永远无法完成“万物至理”。

物理学家约翰·惠勒对第一个“不可能的”问题评论道：“两百年前，你可以问任何人：‘我们有朝一日能够了解生命是怎样形成的吗？’而他会对你说：‘荒唐！怎么可能！’我对‘我们今后会了解宇宙是怎么形成的吗？’这一问题有同样的感觉。”

天文学家约翰·巴罗还说：“光速是有限的，因此，我们对宇宙结构的了解也是有限的。我们无法知晓它是有限的还是无限的，是否有一个起源或会否有一个终结，物理的结构是否在任何地方都相同，又或者宇宙究竟是个有序还是混乱的地方……所有这些关于宇宙本质的大问题——从它的起源到终结——看起来都是无法解答的。”

巴罗坚定地认为我们永远无法了解宇宙的本质，这一点是正确的。但我们有可能逐渐解决这些有待解决的问题，并离最终答案无限接近。我们不应把这些“不可能”看作人类知识的绝对界限，而应把它们视为下一代科学家面临的挑战。这些界限就像馅饼皮，生来就是为了被打破。

探索大爆炸前时期

在对大爆炸的研究中，科学家们正在开发新一代探测器，以解决其中的一些难题。当今我们在外太空使用的辐射探测器只能测量到大爆炸30万年后——此时形成了第一批原子——所放射出的微波辐射。用这种微波辐射无法探测到大爆炸后30万年内的情形，因为大爆炸形成的最初那个火球发出的辐射温度极高，且极其混乱，难以产生有用的信息。

但如果我们分析其他类型的辐射，也许可以离大爆炸发生的时间更近些。例如，追踪微中子能够带我们更接近大爆炸的瞬间(微中子行踪异常诡异，以至于它们能够穿过由固体铅构成的整个太阳系)。微中子辐射能将我们带到大爆炸发生后仅几秒的时间里。

但要最终揭开大爆炸之谜，也许需要借助研究“引力波”(gravitywave)——沿着时空结构移动的一种波。正如芝加哥大学的物理学家洛基·科尔波(Rocky Kolb)所言：“通过测量微中子背景的属性，我们可以追溯到大爆炸发生后1秒时的情形，而从膨胀区放射出的引力波则是发生大爆炸10～35秒后宇宙的遗骸”。

1916年，爱因斯坦首先预言了引力波的存在。它们最终或许会成为探究天文学的最重要工具。历史上对每一种新型辐射的利用，都为天文学开启了一个新纪元。第一种类型的辐射是可见光，伽利略用它来探测太阳系。第二种类型的辐射是声波，它最终使我们能够深入银河系的中心，发现黑洞。引力波或许能够揭开物种起源的神秘面纱。

从某种程度上来说，引力波的存在有其必然性。为了理解这一说法，不妨想想一个老掉牙的问题：如果太阳突然消失，会发生什么？根据牛顿的说法，我们会即刻感觉到它产生的影响。地球会在瞬间被甩出原先的运转轨道，进入一片黑暗。这是因为牛顿的引力定律没有将速率纳入考虑范围，因此力瞬间对整个宇宙产生了作用。但根据爱因斯坦的理论，没有什么的运动速度会比光速快，所以太阳消失8分钟后地球才会有所感知。换句话说，太阳的引力会产生一股球状“冲击波”，最后冲击地球。在这股引力波范围之外的区域，一切就好像太阳依然照耀着一样，因为太阳消失的“信息”尚未抵达地球。而在这股引力波范围之内的区域，随着引力波产生的冲击波以光速不断扩展前行，太阳已经消失了。

另一个理解为什么引力波必然存在的方法是想象一张大床单。根据爱因斯坦的说法，时空如同织物，能够被弯曲或伸展，就像一张被弄皱的床单。如果我们抓着一张床单快速抖动，就会看到床单表面泛起波纹，并以一定的速度运动。同样地，引力波也可以被视作沿着时空织物中运动的波纹。

引力波是当今物理学界最热门、研究进展最快的话题之一。2003年，第一套大规模引力波探测仪投入运行——被称为LIGO(Laser Interferometer Gravitational Wave Observatory，激光干涉引力波天文台)。该设施长2.5英里，一台设备位于华盛顿州的汉福德(Hanford)，另一台位于路易斯安那州的利文斯顿县(Livmgston Parish，Louismna)。人们期望耗资3.65亿美元的LIGO能够探测到对撞的中子星和黑洞产生的辐射。

另一重大进展将于2015年发生，届时，全新一代的卫星将发射升空，用以分析从大爆炸发生瞬间起外太空的重力辐射。组成LISA(Laser Interferometer Space Antenna，激光干涉空间天线)——NASA和欧洲航天局合作的项目的三颗卫星会被送人环日轨道。这些卫星将能探测到大爆炸发生1／1万亿秒后放射出的引力波。如果大爆炸放射出的仍在宇宙中环行的引力波撞击到其中一颗卫星，那么激光束就会被扰乱，而科学家可以精确测量这一干扰，从而为我们绘出宇宙形成当时的“雏形图”。

LISA由三颗围绕太阳排成三角状的卫星组成，它们彼此之间由300万英里长的激光射线联系起来，是世界上最大的科学仪器。这个由三颗卫星组成的系统将在距离地球3 000万英里的地方绕日运动。

每颗卫星会发射出仅半瓦功率的激光射线。通过比较从其他两颗卫星上发出的射线，每颗卫星将能够建立一个光干扰图。如果有引力波干扰激光射线，该干扰图就会被改变，这样，卫星就可以探测出这一干扰了(引力波不会让卫星震动。事实上它会让三颗卫星之间的空间产生弯曲)。

尽管激光射线非常微弱，它们的精确度却不容小觑。它们能够探测到1/1 000 000 000 000 000 000 000幅度的震动，相当于一个原子大小的1／100的变动。每一条激光射线都能够探测到90亿光年远的引力波，而这覆盖了整个可见宇宙的大部分。

USA的灵敏度使得它有潜力区分几种不同的“大爆炸前”场景。当今理论物理界最热门的话题之一是估测大爆炸前宇宙的性状。目前，膨胀理论可以很好地描述大爆炸发生后宇宙的演变，但膨胀理论无法解释大爆炸发生的动因。科学家的目标是利用这些推测出的大爆炸前时期的模型，来测算大爆炸放射出的引力波，对每一种大爆炸前理论都作了不同的预测。例如，根据“大冲撞”理论(Big Splat theory)预测的大爆炸辐射，就与某些膨胀理论所预测出的辐射不同。因此，LISA或许能够排除其中的一些理论。显然，这些大爆炸前模型无法直接被验证，因为这需要我们了解时间产生前宇宙的状态；但我们可以间接地验证它们，因为每一种理论都预测了一个不同的大爆炸后辐射谱系。

物理学家基普·索恩写道：“2008～2030年间的某个时候，大爆炸奇点产生的引力波将会被发现。接着是一个至少持续到2050年的时代……这些成果将会揭示大爆炸奇点的一些重要细节，并因此能够证实超弦理论的某个版本是正确的重力量子理论。”

如果USA不能区分不同的大爆炸前理论，那么它的下一代——大爆炸探测者(Big Bang Observer，BBO)或许可以。它初步定于2025年发射。BBO将可以扫描整个宇宙中包括比太阳大1 000倍以下的中子星和黑洞在内的二元系统。但它的主要任务是分析大爆炸的膨胀时期放射出的引力波。从这种意义上说，BBO是专为探究膨胀大爆炸理论的预言而设计的。

BBO在设计上和L1SA有一定的相似性。它也将由三颗共同环日飞行的卫星组成，每颗卫星之间相距5万公里(这比USA中的卫星距离要近得多)。每颗卫星将能够发射出300瓦的激光射线。BBO将可以探测出频率位于LIGO和uSA之间的引力波，这填补了一个重要的空白(LISA能够探测出10～3000赫兹的引力波，而LIGO则能探测出10微赫～10毫赫之间的引力波。BBO将能探测出涵盖以上两个范围频率的引力波)。  “到2040年，我们将利用那些(量子引力)定律来为那些深奥难解的问题找到较为确定的答案，”索恩写道，“包括……在大爆炸奇点之前发生过什么，抑或是否有‘之前’这个状态？还有其他的宇宙吗？如果有，它们和我们的宇宙之间有怎样的联系和关系？……物理学定律是否允许高度发达的文明社会创造或维持虫洞以实现星际旅行，或是发明时间机器让时光倒流？”

关键是，在接下来的几十年里，将会有足够多的从空间引力波探测器传来的资料来区分各种大爆炸前理论。

宇宙的终结

诗人T.S.爱略特(T.S.Efiot)问道，宇宙会在一声巨响或低鸣中消亡吗？罗伯特·弗洛斯特问道，我们都将消失在火焰或寒冰中吗？最新的证据指向是，宇宙将在一次大冻结中消亡，那时的温度将接近绝对零度，一切智慧生命都将灭绝。但我们对此确定吗？

有人提出了另一个“不可能的”问题。他们问，既然这是个亿万年之久以后的事件，我们如何能够知道宇宙的最终命运？科学家相信“暗能量”或真空能量似乎在以前所未有的速度使星系分崩离析，这表明宇宙似乎处在了失控状态。这种膨胀会降低宇宙温度，最终导致大冻结。但这种膨胀是一时的吗？未来它会自行逆转吗？

例如，在两片膜相撞并创造了宇宙的“大冲撞”情景中，似乎这些薄膜会周期性地碰撞。如果真是这样，那么看似会导致大冻结的膨胀就仅仅是一个临时性状态，终将自行修正过来。

目前促使宇宙加速的是暗能量，而它反过来可能正是由“宇宙常数”造成的。因此，关键在于了解这个神秘的常数，或者说真空能量。这一常数是否会随着时间变化？抑或它真的是个常数？现在没人能肯定什么。我们通过目前正在环绕地球飞行的WMAP卫星可知，这一宇宙常数似乎正在促使当前的宇宙加速，但我们不知道这是一时的还是永远的。

事实上，这是个古老的难题，可追溯到1916年爱因斯坦首次引入宇宙常数的概念。在1915年提出广义相对论后不久，他根据自己的理论推算出了宇宙蕴含式。令他惊讶的是，他发现宇宙是动态的，非扩张即收缩。但这一想法似乎又与那些数据相矛盾。

爱因斯坦碰到了本特利悖论(Bentley paradox)，这一悖论甚至让牛顿也倍感苦恼。早在1692年，牧师理查德·本特利(Richard Bentley)写了一封言语坦率的信给牛顿，但这封信对于牛顿的理论来说却是毁灭性的。本特利问，如果牛顿所说的万有引力总是具有吸引力的，那么宇宙为什么还没有崩溃呢？如果宇宙是由一系列有限的、相互吸引的星体组成的，那么这些星体应该不断聚合，而宇宙则会变成一个大火球从而毁灭！牛顿被这封信深深地困扰，因为它指出了自己的引力定律中的一个主要漏洞：任何关于万有引力具有吸引性的理论其自身都是不稳定的。在万有引力的作用下，任何有限的星体集合都必然会毁灭。

牛顿回信道，创造一个稳定的宇宙的唯一方法是，宇宙是无限且完全均匀的，每颗星星都均匀地被各个方向的力量拉扯，因此所有的力都将抵消。这是个聪明的解答方法，但牛顿也聪明地意识到，这种稳定是自欺欺人的。如同一堆多米诺骨牌，即使是最轻微的震动也能让整副牌倒下。这是“亚稳定状态”，即它暂时保持稳定，直到一阵最轻微的震动导致它的崩溃。牛顿总结道，上帝有必要定期微微移动这些星体，以保证宇宙不会崩溃。

当1916年爱因斯坦被本特利悖论困扰时，他的方程却正确地告诉了他，宇宙是动态的——非扩张即收缩；而一个静态的宇宙是不稳定的，会在万有引力作用下崩溃。但当时的天文学家坚持认为宇宙是静态且恒久不变的。因此，屈服于天文学家观测结果的爱因斯坦，就又引入了宇宙常数——一种将星体彼此推开的反引力力量，以平衡会导致宇宙崩溃的重力聚合作用(这种反重力力量对应于真空能量。在该情况下，即使是广袤的真空空问也蕴含着大量无形的能量)。为了抵消重力的吸引作用，这个常数需要精确选取。

不久后的1929年，当爱德文·哈勃证明宇宙实际上是在扩张时，爱因斯坦也许会说宇宙常数是他“最大的失误”。然而，直到70年后的今天，爱因斯坦的“失误”——宇宙常数，实际上看来却是宇宙中最大的能量来源——构成了宇宙中物质能量的73％(相反，组成我们人体的高阶元素却只占0.03％)。爱因斯坦的失误很有可能决定着宇宙的终极命运。

但宇宙常数是从哪儿来的呢？目前无人知晓。在时间产生之初，反重力力量也许大到足以使宇宙发生膨胀，并因此导致了大爆炸。接着由于某种未知的原因，这一力量突然消失了(这一时期内的宇宙仍在扩张，但速度减缓了)。之后，大约在大爆炸发生80亿年后，这种反重力力量再次出现，星系被推散，导致宇宙再一次加速。

那么是不是“不可能”确知宇宙的终极命运了呢？也许并非如此。大多数物理学家都相信，量子作用最终决定宇宙常数的大小。一项使用了量子理论初始版本的测算，很幼稚地得出有着10120倍误差的宇宙常数值。这是科学史上最大的误差。

但在物理学家之间也有一个共识，那就是，这一异常误差正表明我们需要一个关于量子引力的理论。由于宇宙常数通过量子修正产生，所以有必要找到一种万物至理——该理论不仅能让我们计算出标准模型，还能算出将决定宇宙最终命运的宇宙常数之值。

因此，要确定宇宙的终极命运，就有必要找到一种万物至理。但具有讽刺意味的是，一些物理学家认为，寻获一种万有理论是不可能的。

万物至理

我之前就已提到，超弦理论是“万物至理”最有力的竞争者，但也有反对方质疑超弦理论是否够格。一方面，有一些人十分支持，如麻省理工学院的教授马克斯·泰格马克，他写道：“2056年，我想你能买到印着描述关于我们宇宙统一物理定律的方程的T恤。”另一方面，一派新兴的批评家坚定地宣称，超弦理论还没有成为主流。有人说，无论产生多少与超弦理论有关的惊人文章或电视纪录片，该理论仍然无法提供一个经得起推敲的事实。批评家说，它不是万有理论，而是乌有理论。2002年，当斯蒂芬·霍金改变立场，引用“不完全性定理”(incompleteness theorem)并声称万物至理甚至在数学上都可能行不通时，物理学界的争论达到了白热化。

这一争论使得物理学家们之间针锋相对。这不足为奇，因为目标是那么的高高在上，难以捉摸。对统一自然界一切法则的渴望，几千年来一直引诱着哲学家们和物理学家们。苏格拉底本人曾说过：“对我来说，知悉万事万物的定义、他们的来由、他们消亡及存在的原因，是件至高无上的事情。”

人类第一次正式提出万有理论远在公元前500年，希腊毕达哥拉斯学派(Pythagoreans)被授权破解音乐中的数学定律。通过分析七弦琴弦的节点和颤动，他们得出结论：音乐遵守十分简单的数学规律。接着他们推测，自然界万物都可以通过七弦琴弦的协奏得到阐释(从某种意义上说，超弦理论唤起了人们对毕达哥拉斯学派的记忆)。

在现代，几乎所有20世纪的大物理学家都在试图寻找一个统一的理论。但正如弗里曼·戴森告诫大家的那样：“物理学的园地上已经堆满了大一统理论的尸体。”

1928年，《纽约时报》上出现了一条极具轰动性的标题：“爱因斯坦即将作出重大发现，请勿打扰。”这则新闻让媒体对万物至理达到了近乎狂热追捧的状态。有标题叫嚷道：“爱因斯坦为人们对于理论的狂热所震惊。整整一周牵动着100名记者的关注。”许多记者云集在他位于柏林的家附近，日夜不停的守候着，希望能看见这位天才写出新闻。爱因斯坦不得不隐居起来。

天文学家亚瑟·爱丁顿写信给爱因斯坦：“也许您听来会觉得好笑，我们伦敦最大的百货公司之一塞尔福里奇(Selfridges)，已将您的论文贴在橱窗上(6页论文一页页地贴好)，这样，过往行人就可以阅读到全文了。大群人围在一起争相阅读。”(1923年，爱丁顿提出了自己的统一场论，之后一直致力于研究该理论，直到1944年去世。)

1946年，量子力学的奠基人之一埃尔文·薛定谔召开了一场记者发布会，宣布他的统一场论，甚至连爱尔兰总理埃蒙·德·瓦勒拉(Eamon De Valera)也出席了这场发布会。当一名记者问薛定谔，如果他的理论是错误的，他要怎么办时，薛定谔回答道：“我相信我是正确的。如果我错了，那我看上去会像个大傻瓜。”(当爱因斯坦礼貌地指出他的理论中的谬误时，薛定谔十分狼狈。)

在所有批评者中，对统一论抨击得最严厉的是物理学家沃尔夫冈·鲍里(Wolfgang Pauli)。他斥责爱因斯坦：“上帝撕裂的事物，没有人应该将它们合在一起。”他无情地讽刺和打压那些未完成的理论：“它连错误都算不上。”因此，极度愤世嫉俗的鲍里本人也不可避免地“落人俗套”，这是相当具有讽刺意味的。20世纪50年代，他和韦纳·海森堡共同提出了他们自己的统一场论。

1958年，鲍里在哥伦比亚大学提出了海森堡-鲍里统一论。尼尔斯·玻尔也在座，但并未被打动。玻尔站起来说：“我们听众都相信您的理论是疯狂的。但让我们有分歧的是，您的理论是否足够疯狂。”一时间评论四起。由于所有已提出的理论都被思考否定了，所以真正的统一场论必须和过去的理论截然不同。海森堡～鲍里理论仅仅是太守旧太平常了，缺乏真理所需要的那种疯狂。(那一年，海森堡在一次广播中解说道，他们的理论只是少了几个技术细节。闻言，鲍里很不高兴。他给海森堡写了封信，里面画了一个空白的矩形，题注“这向世人证明，我能画得和提香(Titian)一样好，只是缺了一些技术细节而已。”)

对弦理论的批评

当今主要(且唯一)有可能成为万物至理的是弦理论。但反驳的声音如影随形。反对者称，要想在顶级大学谋得终身职位，你就必须研究弦理论。如果不这样，你就会被解雇。这是当时的一阵狂热，无益于物理学的发展。

听到这一评论时我笑了，因为物理学和人类其他一切活动一样，会受到潮流的影响。伟大理论——尤其是处在人类知识尖端的理论——的命运，是起伏不定的。事实上，数年前情势就已经变了，弦理论是被历史遗弃的理论，早已过时，是从众效应的牺牲品。

弦理论诞生于1968年，两名年轻的博士后加布里埃尔·维纳齐亚诺(Gabriel Veneziano)和铃木真彦(Mahiko Suzuki)无意中发现了一个公式，该公式似乎可以描述亚原子粒子的碰撞。很快，人们又发现这一伟大的公式可从震动弦的碰撞中得出。但该理论到1974年就逐渐销声匿迹了。一个新的理论——量子色动力学(quantum chromodynamics，QCD)，或称夸克间强相互作用理论——横空出世，使其他一切理论黯然失色。大队人马放弃了弦理论转而研究QCD，所有的资金、工作机会和名誉都流向了那些研究夸克模型的物理学家。

我还清晰地记得那些黑暗的年代。只有那些愚勇顽固的人坚持研究弦理论。而当人们发现这些弦只能在十个维度中震动时，这一理论成了天大的笑话。弦理论的先锋人物——加州理工学院的约翰·施瓦兹(John Schwarz)，有时会在电梯里遇上理查德·费曼。诙谐的费曼就会问他：“约翰，那么你今天进了几个维度？”我们曾经开玩笑说，只有在失业的队伍中才能找到弦理论家。(诺贝尔奖得主、夸克模型的奠基人穆雷·盖尔曼(Murray GellMann)曾经向我吐露心声，说他很同情那些弦理论家，所以在加州理工学院设立了一个“濒危弦理论家自然保护区”，从而使像约翰这样的人不至于失业。)

鉴于当今很多年轻的物理学家争相研究弦理论，斯蒂文·温伯格写道：“弦理论为我们目前仅有的资源提供了一个最终理论——我们又怎么能认为，这许多最聪明的年轻理论家们不该去研究它呢？”

弦理论无从验证？

当今对弦理论最主要的一种批评是，它无从验证。批评家称，需要一个银河系那么大的核粒子加速器才能验证该理论。

但该批评忽略了一个事实：大多数科学的研究方式都是间接而非直接的。从未有人去太阳上做直接考证，但我们通过分析它的光谱线知道它是由氢组成的。

以黑洞为例。黑洞理论创始于1783年，当时，约翰·米歇尔(John Michell)在《皇家学会哲学学报》(Philosophical Transaxtions of the Royal Society)上发表了一篇文章。他宣称有些星体十分庞大，足以“让所有从该星体发出的光线在该星体本身的引力作用下返回”。米歇尔的“暗星”论黯淡了几个世纪，因为无法对其做直接的考证。1939年，爱因斯坦甚至写了一篇论文，说明这类暗星是无法自然生成的。批评认为，这些暗星本质上是无从验证的，因为从定义上看，它们是不可见的。然而，今天的哈勃太空望远镜已经为我们提供了关于黑洞的完美证据。现在我们相信，星系中潜藏着亿万个黑洞，而在我们的银河系中也游走着几十个黑洞。但关键是，黑洞存在的证据都是间接获得的，也就是说，我们是通过分析环绕在这些黑洞周围的吸收盘，来收集关于黑洞的信息的。

此外，很多“无从验证”的理论最终都变得可证实了。在德谟克里特(Democritus)首次提出原子论后，人类用了两千年的时间证明了原子的存在。19世纪的物理学家如路德维希·波尔兹曼，就因为相信该理论而被逼死。然而今天，我们有了华丽壮观的原子照片。鲍里本人于1930年提出了微中子的概念，它的行踪十分诡异，能够穿过由固体铅构成的整个星系那么大的物质而不被吸收。鲍里说：“我犯了本质上的错误；我提出了一种根本无法观察到的粒子。”探测微中子是“不可能”的，所以好几十年来它一直被当作科学幻想。然而今天，我们能够制造出微中子束。

事实上，物理学家们希望，有不少实验都将对弦理论作出第一次间接验证：

大型强子对撞机(LHC)也许足够有力产生“超粒子”，或称超粒子——超弦理论(类似其他超对称理论)预测出的高层次颤动。

如我在上文中提到的，2015年，激光干涉空间天线(LISA)将发射升空。LISA和它的后继者大爆炸探测者(BBO)也许足够灵敏，能够验证出几种“大爆炸前”理论，包括弦理论的不同版本。

许多实验室都在通过分析毫米大小上牛顿著名的平方反比定律的偏差来探究高维度的存在(如果有第四维空间，那么重力就应该遵守立方反比律而非平方反比律)。弦理论的最新版本(M_理论)预测有十一个维度。

许多实验室都在尝试探测暗物质，因为地球运行在宇宙暗物质流中。弦理论对暗物质的物理属性作出了详细可靠的预测，因为暗物质可能是弦的一种高层次颤动(如光微子)。

科学家还希望有一系列别的实验(如在S极研究微中子的极化)将通过分析宇宙射线——其能量远远超过LHC的能量——的异常，探测出微型黑洞及其他异类物质的存在。宇宙射线实验和LHC将在标准模型之外，开辟出一片崭新的、令人振奋的研究前沿。

也有一些物理学家相信，大爆炸的爆发性非常强烈，所以也许会有微小的超弦被膨胀到很大。如，塔夫茨大学(Tufts University)的物理学家亚历山大·维兰金(Alexander Vilenkin)写道：“一种非常令人振奋的可能性是超弦……也许拥有字宙维度……那么我们就可以在天空中观测到它们并直接验证超弦理论。”(找到一个在大爆炸时被膨胀放大的巨型超弦遗骸的可能性微乎其微。)

物理学是不完整的吗？

1980年，斯蒂芬·霍金发表题为《理论物理学的终结来临了吗？》(Is the End in Sight for Theoretical Physits？)的演讲，激发了人们对万物至理的兴趣。在该演讲中，他说道：“在在座某些人的有生之年，我们或许能看到一个完整的理论。”他声称有对开的50%，将在未来的20年找到一种终极理论。但当2000年到来之时，学界并没有达成对万物至理的共识，于是霍金改变了主意，又称下一个20年里会有对开的概率发现万有理论。

到了2002年，霍金再次改变主意，宣称哥德尔的不完备定理或许指出了他原先思维方式的一个致命错误。他写道：“如果没有一个用有限的原理来表述的终极理论，那么有些人将会感到非常失望。我曾经也属于这群人，但现在我已经改变了想法……哥德尔德的定理表明，数学家们永远有做不完的活。我想M_理论对于物理学家来说具有同样的意义。”

他的说法并不新鲜：既然数学是不完备的，而物理的语言又是数学，那么就永远有我们无法了解的物理理论，因而万物至理是不可能存在的。由于不完备定理扼杀了希腊人试图证明一切数学真命题的梦想，那么它也会使万物至理永远可望而不可及。

弗里曼·戴森非常雄辩地写道：“哥德尔证明了纯数学的世界是无尽的；没有固定的公理集或推论法则能够涵盖整个数学……我希望类似的情况也存在于物理界。如果我对未来的看法是正确的，那么就意味着物理和天文的世界也是无尽的；无论我们能探究到多么遥远的将来，仍有新事物会出现，新信息会来到，新世界等着我们去探索，生命、意识和记忆无尽扩张的疆土。”

天体物理学家约翰·巴罗这样总结这一逻辑：“科学是以数学为基础的；数学无法探究出全部真理，所以科学也不能。”

这样的论断可能正确，也可能不正确，但却有潜在的缺陷。大多数职业数学家在工作时无视不完备定理，这是因为该定理是以分析指向自身的命题为起点的，也就是说，它们是自我指设的。例如，下面的命题就是自相矛盾的：

这句话是错的。

我是个说谎者。

这个命题无法被证明。

第一个命题中，如果这个陈述是真的，那么也就表示“这句话是错的”。而若这句话是假的，那么这个命题又是真的了。同样地，如果我在说真话，那就表示“我在说谎”；而如果我在说谎，那么这句话则是真的。最后一句话中，如果这个命题是真的，那么它就无法被证明为真命题。

(第二个命题即著名的说谎者悖论。克里特岛(Cretan)的哲学家艾匹门尼德斯(Epimenides)曾用这样一句话阐释这个悖论：“所有克里特岛人都是说谎者。”但圣保罗(Saint Paul)完全没有抓住这句话的重点，他在给提图斯的信中写道：“克里特岛上有一个先知说过，‘所有克里特岛人都是骗子、邪恶残忍之徒、懒惰的贪食者’。他的确说出了事实啊。”)

不完备定理建立在诸如“该命题无法用算术原理证明”这样的命题基础之上，并给这些自我指设的矛盾命题编织了一张复杂的网。  然而，霍金运用不完备定理证明不存在一个万有理论。他声称哥德尔不完备定理的关键在于，数学是自我指设的，物理学也有着同样的毛病。由于观测者无法同观测进程分离开来，这就意味着物理学永远会指向自身，因为我们不可能脱离宇宙。在最终的分析中，观测者亦是由原子和分子组成的，因此必然是其正在进行的实验的一部分。

但也有一个方法可以避免霍金的该论断。为了避免哥德尔定理中的内在矛盾，今天的很多职业数学家都简单地声称，他们的研究排除了所有自我指设的命题。这样他们就可以绕开不完备定理。从很大程度上来说，哥德尔之后数学的迅速发展，仅仅是由于这些数学家们不去理会不完备定理，即假定他们的研究不作出任何自我指涉的命题。

同样地，构建一个能够解释所有已知的、脱离了观测者／观测对象二分论的实验的万有理论，或许也是可能的。如果这样一个万有理论能够解释从大爆炸起源到环绕我们的可见宇宙中的所有事物，那么我们如何描述观测者和观测对象之间的关系就变得很有学术性。事实上，万物至理的一个标准应为：它的结论完全不取决于我们如何划分观测者和观测对象之间的界限。

此外，自然或许是无穷无尽的，即使它的法则屈指可数。想想国际象棋。让一个从别的星球来的人仅仅通过看比赛就指出象棋的规则，不一会儿，他就可以告诉你，兵卒、主教和国王分别是怎么走的。比赛的规则是有限而简单的，但可能下出的棋局种类却是天文数字。同样，自然的法则也可能是有限而简单的，但对这些法则的应用却是无尽的。我们的目标是找到物理学的法则。

从某种程度上说，我们已经有一个关于大多数现象的完备理论。还没有人从麦克斯韦的光学方程中看出缺陷。标准模型常被称为“准万物至理”。现在假设我们可以脱离引力，那么标准模型就成为解释除引力之外其他一切现象的完美理论。理论本身看上去或许不太漂亮，但的确可行。即使有不完备定理，我们还是可以有一个非常合理的万物至理(除了引力)。

对我而言，只要一张白纸就能写下统治所有已知物理现象——包括43个数量级，从100多亿光年开外的遥远宇宙到夸克和微中子的微观世界——的定律，这是一件令人惊叹的事情。在这张白纸上只会有两个方程式，爱因斯坦的引力定律和标准模型。我认为他们揭示了自然界本质上的简单与和谐。宇宙或许曾经是反常、混乱而变化无常的，但现在呈现在我们面前的宇宙是完整、和谐与美丽的。

诺贝尔奖得主斯蒂夫·温伯格将我们对万物至理的追寻比作科学家寻找N极。几个世纪以来，古代航海家们一直使用着没有N极的地图。所有的指南针和航海图都奔着这块地图上缺失的部分而去，但没有人真的造访过那里。同样，我们所有的数据和理论都是为了寻获万物至理。这是我们缺失的一个方程式。

总有事物是我们所不可及的，亦无法探究(如电子的精确位置，或是光速之外的世界)。但我相信，基本的定律是可知的、有限的。而未来几年的物理学界也将是最为振奋人心的，因为我们使用了新一代粒子加速器、空间引力波探测仪以及其他新技术来探索宇宙。我们并没有走到终点，而是站在一个新物理学的起点。但无论我们发现了什么，前方也总还有新的地平线等着我们跨越。

《不可思议的物理》发行前所受到的赞扬“一部货真价实的力作，高超地对从亚原子结构到宇宙定律的一切进行了可靠描述。”

——《科克斯书评》(Kikus Reviews)