I 当一位杰出但上了年纪的科学家断言某件事是可能的，那他几乎肯定是正确的。当他断言某件事是不可能的，那他非常有可能错了。

II 要发现“可能”的极限，唯有稍稍突破界限进入“不可能”的领域中去。

III 任何足够高深的科技看起来都与魔法无异。

——亚瑟·C. 克拉克的三大定律

“升起防护罩！”

在无数集《星舰迷航》中，这是科克（Kirk）船长向船员们吼出的第一句命令，升起力场在敌人炮火下保护“企业号”飞船。

在《星舰迷航》中力场是极为重要的，以至于战斗的走向可以用力场的支撑情况来衡量。每当力场中的能量被抽走，“企业号”的船体就会承受越来越多的破坏性重击，直到最终不可避免地投降。

力场是什么？在科幻小说里，它非常简单，带有误导性：一重薄薄的、隐形却无法穿透的屏障，能使激光和火箭之类的东西改变攻击方向。乍一看，力场非常简单，它被作为一种战场上的屏障创造出来似乎是近在眼前的事。人们期待某天会有某个富有进攻心的发明家宣布发现了防御性力场。但事实远比这复杂得多。

正如爱迪生的电灯泡革新了现代文明一样，力场可能会对我们生活的每个方面都产生深远的影响。军队可以利用力场变得固若金汤，创造一道抵抗敌人导弹和子弹的、无法穿透的盾牌；桥梁、高速公路和道路理论上也可以只按一下按钮就被建造起来；整个城市可以立即在沙漠中破土而出，拥有完全用力场建造的摩天大楼。笼罩整个城市的力场可以让居住其中的居民任意消除天气带来的影响，这些天气状况包括强风、暴雪和龙卷风。有了力场形成的安全罩，城市可以建造在海洋底下，玻璃、钢铁和灰浆可以被完全替代。

不过，非常奇特的是，力场或许是最难以在实验室里创造出来的装置之一。事实上，一些物理学家相信除非重新定义其性质，否则创造力场或许是不可能的。

迈克尔·法拉第

力场的概念出自19世纪伟大的英国科学家迈克尔·法拉第（Michael Faraday）的研究。

法拉第出生于工人家庭（他的父亲是一名铁匠），在19世纪初长期靠当装订工人学徒勉强维持生计。年轻的法拉第为两种新力量的神秘性质被揭开而带来的巨大突破而着迷。这两种新力量是：电和磁。法拉第贪婪地尽一切所能来学习与这些问题相关的知识，并参加了伦敦皇家学院汉弗莱·戴维（Humphrey Davy）教授的讲座。

一天，戴维教授因眼睛在一次化学事故中严重受伤，于是他雇用法拉第当了他的秘书。法拉第渐渐取得了皇家学院科学家们的信任，并且被允许独立操作重要的实验，尽管他常常受到冷落。年复一年，戴维教授越来越嫉妒他年轻的助手所表现出的杰出能力。法拉第已经成为了实验圈子里冉冉上升的新星，最终使戴维教授的名声黯然失色。1829年，戴维去世后，法拉第得以自由地作出一系列惊人的突破，导致了发电机的产生。发电机能够为整个城市提供能源，并改变了世界文明的进程。

法拉第最伟大发现的关键是他提出的“力场”。如果有人将铁屑洒在一块磁铁上，他会发现铁屑将呈现一种充满整个空间的蜘蛛网状。这就是法拉第的力线，以图形的形式描绘出了电和磁的力场在空间如何散布。举例来说，如果有人绘出整个地球的磁场，他会发现力线从N极地区伸出，然后在S极地区落回到地球上。同样的，如果有人画出雷阵雨中一枚避雷针的电场线，他会发现力线集中在避雷针的尖端。在法拉第看来，“空的空间”其实根本不是空的，而是充斥着能使遥远的物体移动的力线（由于法拉第早年穷困，未能接受足够的数学教育，因此他的笔记本中密密麻麻的不是等式，而是这些力线的手绘图表。具有讽刺意味的是，数学训练的不足使他创造了如今任何物理课本中都可以看到的、美丽的力线图表。从科学上来说，物理图像通常比用来对其进行描述的数学语言更为重要）。

历史学家推测过法拉第是如何发现力场的，它是所有科学中最重要的概念之一。事实上，全部的现代物理学都是用法拉第的力场语言写就的。在1831年，他作出了关于力场的关键性突破，永远改变了人类文明。一天，他正将一块孩子的磁铁移过一个金属线圈时，注意到他甚至没有碰到电线就得以在金属线里制造了一股电流。这意味着磁铁不可见的场可以推动电线中的电子穿越“空的空间”，产生电流。

法拉第的力场曾经被视为毫无用处，是无所事事的随意涂鸦，但它是真实的、物质的力量，可以移动物体并产生能源。今天，你阅读这一页所依赖的光线或许就是由法拉第关于电磁学的发现而点亮的。一块转动的磁铁会制造力场，推动一根电线中的电子，使它们以电流的形式移动，其后，这股电线中的电力可以点亮一盏灯泡。与此同样的原理被用于生产给全世界城市提供能量的电力。比如，水流过一个大坝，在一个涡轮机中产生巨大的磁力进行转动，这个涡轮机随后再推动电线中的电子，形成一股电流，通过高压电线输送到用户。

换言之，迈克尔·法拉第的力场是驱动现代文明的动力，从电动推土机到如今的计算机、互联网还有iPod都源于力场的发现。

法拉第的力场在一个半世纪里成为物理学家的灵感之源。这些力场给了爱因斯坦极大的启示，他用力场的语言来描述和表达他的引力理论。同样的，我也被法拉第的成果所启迪。多年前，我成功地运用法拉第的力场表现了弦理论（theory of strings），从而建立了弦场论（string field theory）。在物理学界，如果有人说“他思考起来像一根力线”，那便意味着一种高度的赞美。

四种力

在过去的两千年中，物理学的最高成就之一便是分离并鉴别了主宰宇宙的四种力。它们全部都可以用法拉第提出的力场的术语进行描述。不幸的是，它们全都不怎么具备大多数科幻小说中所描述的力场的特性。这些力是：

1、万有引力：使我们的双脚站在地面上、防止地球和星体解体，并且将太阳系和银河维系在一起的沉默力量。没有了万有引力，我们就会被转动中的地球以每小时1000英里的速度甩到太空中去。问题是，万有引力恰恰拥有与科幻小说中的力场截然相反的性质。万有引力是吸引性的，不是排斥性的；相对而言极为微弱；它在非常遥远的天文学距离内发挥作用。换句话说，它差不多就是人们在科幻小说中读到或从科幻电影中看到的扁平、轻薄、无法穿透的屏障的对立事物。例如，用整个地球的引力才能吸引住一根羽毛，但是我们用一根手指抬起羽毛就能抵消地球的引力。我们一根手指的动作可以对抗整个星球重量超过6万万亿千克的引力。

2、电磁力（EM）：点亮我们城市的力。激光、无线电、电视机、现代电子学、计算机、互联网、电学和磁学都是受电磁场的影响而产生的。这可能是人类有史以来掌控的最为有用的力。与万有引力不同的是，它既有吸引性又有排斥性。但是，有几个原因使它不适于成为力场。第一，它很容易被中和。举例来说，塑料和其他绝缘体能够轻易穿透一个强大的电场或磁场。一片被丢进磁场中的塑料片可以顺利通过磁场。第二，电磁通过远距离发生作用，不能被方便地集中到一个平面上。电磁场的定律是使用詹姆士·克拉克·麦克斯韦（James Clerk Maxwell）的方程描述的，而这些等式看起来并不允许力场成为解。

3&4、弱核力与强核力：弱核力是放射性衰变的力。它是加热地球中心的力，具有放射性；它是火山、地震和大陆漂移背后的力量。强核力是将原子核维系住的力。太阳与星体们的能量始自核力，核力担负着点亮宇宙的职责。问题在于核力是一种短程力，主要在一个原子核的距离内进行作用。由于它非常依赖原子核的性质，因此极难控制。目前，我们仅有的操控这种力的方法是在核粒子加速器中将亚原子颗粒打散或者引爆原子弹。虽说科幻小说中使用的力场可能并不符合已知的物理定律，但仍有或许可以使这样的力场产生成为可能的空间存在。首先，可能存在实验室中仍然未发现的第五种力。比如，这个力可能在仅仅数英寸到数英尺的距离内，而不是在天文距离内进行作用（然而，评估这第五种力存在与否的初期尝试得出了否定的结论）。

其次，或许可以使用一个等离子体来模拟力场的一些定律。等离子体是“物质的第四种状态”。固体、液体和气体组成了物质常见的三种状态，但宇宙中最普遍的物质形态是等离子体——一种气体或者被电离的原子。由于等离子体的原子是被撕裂的，电子被从原子上撕下，因此原子带电，可以用电场和力场轻易进行控制。

等离子体是宇宙中量最大的可见物质形态，组成了太阳、星体和星际气体。等离子体对我们来说并不熟悉，因为它们在地球上很少见，不过我们可以见到以闪电、太阳和等离子电视机内部结构形式出现的等离子体。

等离子窗

如上所述，如果一股空气被加热至足够高的温度，便能由此创造出一个等离子体，它可以被电磁场塑造与改变外形。比如，它可以被改变成一层薄片或窗户的形式。另外，这个等离子窗可以用来从普通空气中隔离出一个真空区域。原则上，我们或许可以为防止一艘宇宙飞船中的空气泄漏到太空中，从而在太空和宇宙飞船之间创造一个简易、透明的分界面。

在《星舰迷航》中，这样的力场被用以将停放小型穿梭机的穿梭机港与太空的真空隔离开来。这不仅是一个节约道具开支的好办法，也是一个可以实现的装置。

等离子窗是由物理学家艾迪·赫斯基科维奇（Ady Herschcovitch）于1995年在纽约长岛的布鲁克海文国家实验室（Brookhaven National Laboratory）发明的。他开发等离子窗是为了解决使用电子束焊接金属的难题。焊工的乙炔炬喷出高热气流，将金属部件融化后焊接在一起。不过，这必须在真空中完成。这一要求相当让人为难，因为这意味着要创造一个可能与整个房间一样大的真空盒。

赫斯基科维奇博士发明等离子窗解决了这一问题。等离子窗仅仅3英寸高，直径不到1英寸，将空气加热至12 000华氏度，制造出一个被电磁场困住的等离子体。与在任何气体中一样，这些粒子利用压力来阻止空气涌入真空空间，由此将空气从真空中分离（在等离子窗中使用氩气的时候，它的火苗是蓝色的，就像《星舰迷航》中的力场一样）。

等离子窗在太空旅行和工业生产中应用广泛。在许多时候，制造工艺流程要求能实现工业上的微型加工和干蚀刻，但在真空中作业会很昂贵。可是，有了等离子窗，我们可以廉价地通过轻点按钮就控制真空。

那么，等离子窗是否也可以当作无法穿透的盾牌使用呢？它能承受住来自光炮的冲击吗？在未来，我们可以想象更有威力、温度更高的等离子窗，足以破坏或者汽化进攻的炮弹。但要创造如同科幻小说中那样更为实际的力场，我们需要数种技术层层堆积起来的组合。可能每一层都并不能坚固到足以阻止炮弹，但它们的组合或许能做到。

最外层可以是一道增压后的等离子窗，被加热至足够汽化金属的温度。第二层可以是高能量激光束组成的帘幕。这道帘幕包含数千束交叉成十字形的激光束，形成能够加热通过的物体，并且有效汽化它们的网格。我将会在下一章中进一步讨论激光。

在这道激光帘幕后，我们可以想象一层由“碳纳米管”组合而成的网格，由单个碳原子组成的微小管子厚度相当于一个原子，强度比钢高出许多倍。虽然目前单个碳纳米管长度的世界纪录仅为15毫米左右，但我们可以指望有朝一日或许能制造出任意长度的碳纳米管。假设碳纳米管能编制成网格的形式，它们就能成为强度极高的屏障，可以击退大多数攻击物。这道屏障将是隐形的，因为每个碳纳米管的尺寸都是原子等级的，但是碳纳米管网格会比任何常规材料都坚固。

如此一来，经过等离子窗、激光帘幕和碳纳米管屏障的组合，我们可以想象创造一道基本不能被大多数方式穿透的隐形墙。

然而，哪怕是这一多层屏障也不能完全符合科幻小说中力场的特性——因为它将是透明的，所以无法抵挡激光束。在使用激光炮的战斗中，这一多层掩体将毫无用处。

想要抵挡激光，这一掩体需要同时拥有“光致变色材料”的先进技术。这是一种应用在太阳眼镜上的工艺，这些太阳眼镜一旦暴露在UV辐射下颜色就会自动变深。光致变色材料的基础是至少能以两种状态存在的分子：在其中一种状态下，分子是透明的；但这样的分子一旦暴露在UV辐射之下就会立刻变成第二种状态，即不透明的。

有一天，我们或许可以使用纳米科技制造一种像碳纳米管一样坚固的物质，并且它在暴露于激光之下时其光学性质会发生改变。如此一来，一道盾牌就可以抵挡激光冲击和粒子束，或者炮火。但是，目前能够抵御激光束的光致变色材料尚不存在。

磁悬浮

在科幻小说中，力场除了抵御镭射枪的攻击外还有另一个功用，那就是作为抵抗万有引力的平台。在电影《回到未来》中，迈克尔·J.福克斯踏着一块飞行滑板，它与普通滑板一模一样，区别之处在于它漂浮在街道上空。根据我们现今已知的物理定律（我们将在第10章中谈到），这样一个抗引力的装置是不可能实现的。但磁浮滑板和磁浮汽车在未来是可能成为现实的，将给予我们随意托举大型物体的能力。在未来，如果“室温超导体”成为现实，我们就有可能使用磁力场的力量抬升物体。

如果我们将两条磁铁N极对N极并排放置，两块磁铁会相互排斥（如果我们旋转磁铁，使一条的N极对准另一条的S极，则两条磁铁会相互吸引）。这一定理，即同极相斥，可以用来将巨大的重量抬离地面。有几个国家已经建造了先进的磁悬浮列车，这样的列车使用普通的磁力使车身略微悬浮在铁轨上方。由于悬浮在空气的软垫之上，没有摩擦，它们能以破纪录的速度行驶。

在1984年，世界上第一套商业化自动磁悬浮系统在英国投入运营，从伯明翰国际机场行驶到近旁的伯明翰国际火车站。在德国、日本和韩国也建造了磁悬浮列车，尽管它们没有被设计成高速列车。第一列高速运营的商用磁悬浮列车是中国上海的高速磁悬浮列车示范运营线（IOS），行驶速度为每小时268英里。日本山梨县的磁悬浮列车达到了每小时361英里的速度，比有轮子的普通列车还快。

但是这些磁悬浮装置极其昂贵。增加效率的方法之一是使用超导体，它们在被冷却到绝对零度左右的时候会完全丧失电阻。超导性是由海克·昂尼思（Heike Onnes）在1911年发现的。如果将某些物质冷却到绝对零度以上不足20K的范围内，电阻将会完全丧失。通常，当我们将金属的温度降低，它的电阻会逐渐减弱（这是因为在金属丝中原子的随机振动妨碍电子的流动，降低温度后这些随机运动也减少，因此电子流动的阻力变小）。可是，让昂尼斯大吃一惊的是，他发现某些特定材料的电阻在极端温度下突然变为零。

物理学家们立刻认识到了这一结果的重要性。电源线在将电力经长距离传送的过程中会损失大量的能量。但若是电阻能被全部消除，电力就几乎可以毫无损失地进行传输。事实上，如果电力被置于金属线圈中循环流通的话，那电力可以流通数百万年，而能量丝毫无损。除此之外，只要用很小的代价就能用这些巨大的电流创造出力量非凡的磁铁。有了这样的磁铁，我们可以轻易抬起巨大的重量。

尽管有了这些奇迹般的力量，但超导体的问题在于将大块磁铁浸入巨大容器所盛的超冷液体（supercooled liquid）中是非常昂贵的。想保持液体的超冷却状态就需要巨型制冷设施，这使得超导磁铁的代价昂贵得难以承受。

但物理学家有一天或许能创造出“室温超导体”——固体物理学家们的圣物。在试验室中发明室温超导体将会激发第二次工业革命。能抬起汽车和火车的强力磁场将会变得非常廉价，以至于悬浮汽车或许会在经济上变得可行。有了室温超导体，在《回到未来》、《少数派报告》（Minority Report）和《星球大战》（Star Wars）中梦幻般的飞行汽车就会成为现实。

原则上，人们可以系上一条用超导磁铁制成的腰带，它可以让人毫不费力地离开地面飘在空中。有了这么一条腰带，我们可以像超人那样在空中飞行。室温超导体是如此的非同凡响，以至于它们曾经出现在无数科幻小说中，比如拉瑞·尼文（Larry Niven）在1970年创作的《环形世界》（Ringworld）系列。

几十年来，物理学家一直在室温超导体上进行探索，结果却徒劳无功。这已经成为一项冗长、混乱的程序，将材料一种一种地进行测试。但是，在1986年，一个被称为“高温超导体”的新级别物质被发现会在温度为绝对零度以上90度，或者说90K时成为超导体，这在物理界引起了轰动。水闸的阀门似乎被打开了，月复一月，物理学家们你追我赶地要打破下一个超导体的世界纪录。有那么短暂的一刻，室温超导体的可实现性似乎要跳出科幻小说的书页进入我们的起居室。可是在多年的极速前进之后，对于高温超导体的研究进程开始放慢了。

目前，高温超导体的世界纪录由一种叫汞铊钡钙铜氧化合物的物质所保持，它在138K（-135°C）时成为超导体。这一相对较高的温度离室温超导体仍有很大距离。但是138K这一纪录仍然具有重要意义。氮在77K液化，而且液氮的价格和普通的牛奶差不多。因此，普通的液氮可以用相当低廉的代价冷却这些高温超导体（当然，室温超导体根本用不着冷却）。

令人非常尴尬的是，目前没有理论能解释这些高温超导体的性质。事实上，一块诺贝尔奖牌正等待着某个能解释高温超导体如何运作的敬业的物理学家来领取（这些高温超导体是由被排列成特殊层次的原子制成的。许多物理学家建立理论，解释怎样将陶瓷材料进行分层能使得电子在各个层次间自由流动成为可能，从而形成了超导体。可是这一过程究竟如何具体运作仍是一个谜）。

由于缺乏这方面的认知，物理学家不幸要采用一种漫无目的的程序来寻找新的高温超导体。这意味着那传说中的室温超导体可能会在明天被发现，可能会在明年被发现，或者根本就发现不了。没有人知道这一物质会在何时或是否能寻找到。

可一旦室温超导体被发现，一股商业应用的狂潮就将掀起。比地球磁场（约0.5高斯）强大数百万倍的磁场或许会变得随处可见。

超导体的共同属性之一被称为迈斯纳效应（Meissner effect）。如果将一块磁铁放置到一个超导体上，磁铁将会悬浮起来，就像被某种看不见的力举起一样（迈斯纳效应的原理是磁铁有在超导体内部制造一个“镜像”的能力，因此磁铁本身与镜像磁铁会相斥。另一种对这种效应的解释是，磁场无法穿透一个超导体。相反，磁场会被排斥。因此，如果一块磁铁被放置在超导体上方，其力线会被超导体所排斥，于是力线将磁铁向上推，使其悬浮）。

应用迈斯纳效应，我们可以想象未来的高速公路将由这样的特殊陶瓷建成。于是我们的腰带和轮胎中所放置的磁铁能使我们魔法般地向我们的目的地漂去而不发生摩擦，也不损失能量。

迈斯纳效应只在具有磁性的材料上起作用，比如金属。但也可能可以使用超导磁铁使无磁性材料悬浮，称作顺磁体和抗磁体。这些物质本身并不具有磁性，它们只有在处于外部磁场中的时候才能获得磁性。顺磁体受外磁铁吸引，而抗磁体则被外磁铁排斥。

举个例子，水是一种抗磁体。由于一切生物都由水组成，它们可以在强力磁场中悬浮。在一个约15特斯拉（相当于地表磁力3万倍）的磁场中，科学家们已经能使小型动物——比如青蛙悬浮。但是如果室温超导体成为现实，它应有可能通过使用抗磁体的属性使大型非磁体也同样悬浮。

总而言之，在科幻小说中被广为刻画的力场不符合宇宙四种力的描述。但我们仍有可能通过使用由等离子窗、激光幕墙、碳纳米管和光致变色材料组成的多层盾牌来模拟力场的多种性质。但是开发出这样一道盾牌可能会是几十年、甚至一个世纪之后的事情了。如果室温超导体被发现，人们或许可以使用强大的磁场抬升汽车和火车并让它们急速升空，正如科幻电影中那样。

考虑到这些因素，我将力场归类为“一等不可思议”——即以今天的科技无法实现，但在一个世纪左右的时间里能以改良后的形式成为可能的事物。