量子科幻神器的現實性

2020-09-03 雷奕安


科幻是超出現實的幻想,但一般需要遵守科學原理的一些基本限制。由於我們對世界的認識,也就是我們的科學理論一直在發展之中,我們並不知道現在的理論是不是最終的答案,因此我們也不能要求科幻完全遵守現在的理論,這樣的話,幻想和科幻的界限就不是很清晰。

但畢竟現有的科學理論是很多人,做了很多實驗,進行了長期辯論得到的。特別是一些基礎原理,比如相對論,熱力學定理,等等。我們做了無數實驗,找不到違背這些原理的例子,因此可以認為,未來這些原理也應該成立,而別的一些依賴假設、依賴模型的理論就不一定了。

科幻中的設想具體技術方案不一定可行,比如用大炮將人打到月球上,或者吃了草藥飛到月球上(如果我們把神話當作原始的科幻),但是原則上有辦法做到,那麼我們都認可。有時候,理論中有類似的現象,聯想出來的神器,我們也接受。

幻想只是幻想。科學工作者的職責就是探索未知,不斷拓展人類的能力和認知,走向終極自由,但也包括從已經認識的基本原理出發,認真評估各種設想,判斷它們的可行性,以避免不必要的人力物力浪費。否則那些煉丹修仙,永動機,投胎轉世,都成了合法的科幻,並且應該堅持投入研究了。

那麼,科幻作品中的那些量子神器們,是不是真實可行,或者有什麼別的辦法,迂迴實現呢?

我們就從現在了解的基本理論出發,分析一下上面量子神器們的可行性。

輻射,放射性:

放射性不是非常「量子」。放射性可以誘導基因重組,但一般基因改變造成的影響大多數是負面的,會導致生命體病變。一次輻射劑量過大可以導致生命死亡。劑量較小的情況下,雖然也有很小的可能性改進人體的功能,但是需要一代一代,一點一點地改進,每一步都是錯多對少。如果像電影中描述的那樣,一代一代都用較大劑量輻射,該個體的繁衍堅持不了幾代。像《綠巨人》那樣,體型體格都發生巨大變化,還能變回去,當然不可能。人不是昆蟲,形體不可能發生巨大變化。考慮到物質不滅定律,能量守恆定律,體型(體重)的大小變化顯然是不可能的。

大小變化:

《蟻人》中大小變化的理由是原子間距離變化,我們說過電子質量變化,或者電磁相互作用強度變化可以實現這一點。如果的確可以實現的話,並且除了變化的物體,別的物體不變,那麼的確可以相對變大變小。這裡有幾個問題。首先,隨著尺度變化,佔原子質量99.9%以上的原子核質量不能變化,這樣人的密度就會大幅度變化,變化幅度是尺度的三次方。如果一個人變成螞蟻大小,大概是0.01立方釐米,密度就會增大約一千萬倍。緻密的他站在一個任何地方,就會在他的腳下產生巨大壓強(按上面的數字可以估算出大約是5000大氣壓,一般鋼材屈服強度是3000大氣壓),地面無法承受他的壓強,直接掉往地心,什麼都擋不住。如果變大,就會有相反的問題。他的密度會變得特別小。只要變大10倍(幾層樓高),密度就會降為千分之一,低於常溫常壓下的空氣,直接飄向空中,需要抱住重物才能站在地上。

如果質量跟隨變化,就會有質量的產生和消失問題,牽涉到的能量是幾百萬顆巨型氫彈釋放的量,顯然太誇張了。

再假定質量變化也不考慮,那麼原子距離變化導致電子能譜變化,我們看到蟻人身上各種材料的顏色也會變化,原來的顏色都不見了,不是純白(金屬),就是純黑,我們眼睛敏感的可見光波長在這樣的物質中,不在價電子能譜範圍內,因此看不到任何彩色。

量子隧穿穿牆術:

直接拿量子隧穿的隧穿概率與能量/勢壘高度關係計算,會發現任何宏觀的物體,隧穿的概率是無窮小。隧穿的可能性太多了。完整隧穿一堵牆比散得四分五裂,原地爆炸的可能性小無窮多倍。如果考慮能量與時間不確定性關係等的限制,隧穿穿過一堵牆的可能性是零。

多維空間:

多維空間本身是一個合法的概念。我們的世界本來就是多維的,只不過我們無法「進入」額外維,那些維度本來就是我們世界不可分割的一部分,它們已經體現在物質或時空的性質中,並不會出現超過我們認知的其它交流或相互影響手段。

多重現實:

多重現實,或者平行宇宙的概念需要一些很強的假設。這些假設無法證明,也無法證偽。信就有,不信就沒有,所以有人把這類概念歸為哲學,而不是科學。

科幻作品中,經常設計不同宇宙(現實)下的人物互相影響,實際上違背了多重宇宙的基本假定。如果可以影響,就屬於同一個宇宙。

心靈感應:

一般認為,心靈感應的理論基礎是量子糾纏。實驗室觀察到的量子糾纏現象是一種普通的相互影響,沒有超出我們對普通相互作用的理解。改變一個部分,另一個部分相應改變,如蹺蹺板,並不神奇。超距即超光速影響是對實驗現象的錯誤解讀。心靈感應這種現象並沒有物理的理論基礎。同時想到,或者符合邏輯地想到一件事情,是可能發生的,但這種現象是概率性的,兩者之間沒有因果關係,也不能作為行為的依據。

身體更換:

身體更換需要意識脫離身體存在。科學上,意識是大腦對周邊環境及歷史事件的反映,不能脫離其主體獨立存在。要更換身體,就必須更換大腦。原則上並不是不可行,但是大腦更換這樣的手術太複雜了,需要很長時間癒合,大腦也需要時間適應新的身體,顯然不能點一下、碰一下就能完成。

時間旅行,穿越:

對於複雜系統,時間有很強的熱力學屬性,不可逆。從微觀上看(場論層次),任何系統都是複雜的,時間仍然不可逆。時間可逆僅適用於簡化模型。因此,時間是不可逆的。穿越到過去不能成立。還有一個理由是,過去已經過去了,已經不存在了,要穿越到過去,相當於把過去搬到將來,也就是把一個不存在的東西搬到將來,邏輯上不成立。

穿越到未來倒是可能的,首先,我們每時每刻都在走向未來,其次,如果你想超過你的壽命存在,可以通過相對論時移,冷凍休眠等方式,進入到正常方式無法進入的長距離未來(相對於壽命)。

平行宇宙:

參考前面的多重現實。平行宇宙理論假定了這些宇宙之間不可能有聯繫,否則就不「平行」了,有聯繫的話,不僅破壞了假設,還破壞了量子么正變換的原則。

遠程傳送:

遠程傳送超光速,不超光速就沒有意義了。超光速就違背了狹義相對論,我們現在還沒有發現違背狹義相對論的現象。如果本地質量消失,還違背質量守恆定律,質能等效原理,也就是愛因斯坦的E=Mc2。

快速進化:

隨著人類對自然影響的增大,我們的確在環境中發現了很多快速進化現象。在幾十年,或者幾代動植物之間,動物的性狀發生較大變化,但僅限於顏色變白變黑,翅膀變長變短,體型變小等變化,勉強可以分類成另一個物種,但是既不是幾天幾小時的快速變化,也沒有那麼劇烈。長期,比如幾萬年,就很難說了。但科幻作品中一般會讓物種的進化得到超自然的力量,這是另外一個問題。

巨型生命:

這是可能的。實際上,我們人類通過信息系統,已經進化成了一定程度的超級人類。我們有合作,分工,已經擁有了超級力量,可以上天入地,有海量知識,和超級智力。

終極大殺器:

這已經有了,就是原子彈,氫彈,或者未來可能的反物質武器。但是我們掌握的能量,距離毀滅星球,特別是恆星,還差得很遠。就算去做,也會是一個持續上百萬年的大工程,比如調一顆中子星,或者黑洞過來。不可能發射一個小東西,就造成恆星或者大行星級別的巨大破壞。

叫做各種「量子」的武器,也就雷射還靠一點譜,不過實在太弱了。

聚變能源:

聚變長期被當作人類的終極能源。但聚變沒有那麼神奇。首先,人工可控聚變能源看起來雖然比其它能源多很多倍,但是與太陽發出的能量相比,連零頭的零頭都算不上。其次,聚變要輸出能量很難,即使能夠實現,產生聚變需要的裝置很複雜,體積巨大,成本高昂。目前還看不到小型化的希望,以後也很難說。但是對於聚變能源的幻想是合法的,長遠看,有可能實現。

注意,我們前面說過,量子的很多神奇特性都在實驗室驗證過了,比如超光速量子糾纏,時間倒流,改變過去,等。不完全是這樣。客觀的表述是,有人認為那些實驗證明了量子的那些特性,但是也有很多人認為沒有。比如時間倒流實驗,你可以用時間倒流來解釋實驗,但是別的理論也可以解釋。其它的實驗也是如此。發表的實驗,和他們對實驗機理的解釋,不一定是對的。所有的神奇實驗,都可以用不那麼神奇的理論解釋清楚。無論是雜誌,還是大眾,都喜歡從神奇的角度來解讀實驗,每個人都相信自己願意相信的事實,而不是客觀事實。現在還有很多人在做永動機,並且宣布自己的方案已經實現了無窮無盡的清潔能源,不需要消耗外界能源。搞清楚這些實驗究竟說明了什麼,是每一個嚴肅科學家的職責。特別是主張者的理論很離奇的情況下,用受到了更廣泛檢驗的,樸實的,普適的理論,糾正各種錯誤的、神奇的理論,更應該成為科學家們的準則。

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