探索硬派科幻作品背後的黑科技

品味硬科幻

解讀黑科技

電影《星際穿越》 美國亞馬遜推薦指數：4.0/5 41700條評語

片中黑科技：

1. 重力異常：重力異常（gravity anomaly）由於地球質量分布不規則造成的重力場中各點的重力矢量g和正常重力矢量γ的數量之差。它是研究地球形狀、地球內部結構和重力勘探，以及修正空間飛行器的軌道的重要數據。影片中出現的導航故障（軍方無人機，庫珀家的無人收割機）並不一定是磁場紊亂的結果，倒更像是引力異常的直接效應：GPS衛星為了保證精度在計算導航數據時必須考慮地球引力對時空的影響，如果引力異常，原先的演算法自然無法保證導航的正常工作了。

2. 黑洞：現代廣義相對論中，宇宙空間內存在的一種超高密度天體，由於類似熱力學上它是完全不反射光線的黑體，故名為黑洞。

3. 白洞：廣義相對論所預言的一種性質正好與黑洞相反的特殊天體。白洞目前還僅是一種理論模型，尚未被觀測所證實。

4. 蟲洞：愛因斯坦－羅森橋，是宇宙中可能存在的連接兩個不同時空的狹窄隧道。蟲洞是1930年代由愛因斯坦及納森·羅森在研究引力場方程時假設的，認為透過蟲洞可以做瞬時的空間轉移或者做時間旅行。簡而言之，黑洞吸收的物質經過蟲洞這個吸管從白洞噴出來。

5.引力彈弓效應：利用行星的重力場來給太空探測船加速，將它拋向下一個目標，也就是把行星當作「引力助推器」。相當於扔鉛球之前拎著轉圈，越轉越快直到甩出去。

6.時間膨脹：時間並不是永遠以人們感受到的現在的這種速度進行的，它也會發生變化。它一般是與速度有關的。速度越快，越接近於極限速度，時間就會越慢(這裡有個名詞：極限速度，人們所處宇宙的極限速度是光速，但並不是所有的宇宙其極限速度都是光速，可能更快，也可能更慢。

超腦I 連接 美國亞馬遜推薦指數：4.2/5 4089條評語

超腦Ⅱ 強化 美國亞馬遜推薦指數：4.3/5 1193條評語

亞馬遜讀者評論：

《連接》和《強化》——非常精彩的科幻小說！感受湯姆·克蘭西小說似的火爆動作與驚險刺激之外，還能在作者創作的炫爆的故事情節中體驗非常前沿的科學熱點，比如，生物化學領域的新觀念、零點能量的探析……

何為零點能量？

簡單來說，就是物質在絕對零度時表現的振動具有的能量，以前人們認為物質在絕對零度時是沒有內能的，也就是沒有粒子熱運動，但是現代量子力學表明會有「零點能量」。

在量子場論中，這個辭彙和真空能量是等義詞，指的空無一物的空間仍有此一定能量存在，對一些系統可以造成擾動，並且導致一些量子電動力學會出現的現象，例如蘭姆位移與卡西米爾效應；它的效應可在納米尺度的元件直接觀測的到。在宇宙論中，真空能量被視為宇宙常數的來源，和造就了宇宙加速膨脹的暗能量相關。

因為零點能量是一系統可能持有的最低能量，因此此項能量是無法自系統移除。儘管如此，零點能量的概念以及自真空汲取「免費能量」的可能性引起了業餘發明者的注目——許多「永動機」或稱「免費能量裝置」等的提案都運用這項概念來解釋。這項熱潮以及相伴的趣味理論詮釋促成了大眾文化中「零點能量」概念的成長，常出現在科幻書刊、遊戲、電影中。

關於零點能量的研究

於1900年，馬克斯·普朗克導出單一「能量輻射子」（"energyradiator"）的能量式，能量輻射子即一個振動原子單元(vibratingatomicunit)：

此處ｈ為普朗克常數，ν為頻率，ｋ為玻爾茲曼常數，以及Ｔ為溫度。

於1913年，利用此式的基礎，阿爾伯特·愛因斯坦與奧圖·史特恩(OttoStern)發表了一篇極重要的論文，首次提出所有振子在絕對零度時，仍存有的一種殘餘能量。他們以「殘餘能量」("residualenergy")稱之也用德文Nullpunktsenergie稱呼，隨後翻譯為零點能量。

他們做出了對於氫氣在低溫的比熱分析，結論為：對於相關數據的最佳說明，是當振動能量採取如下形式：θ＝ｈｖ／２＋ｈｖ／（ｅｈｖ／ｋｔ－１）

因此，根據這樣的表示法，即使在絕對零度，原子系統的能量仍有值ｈν。

在經典物理中，系統能量是種相對性的描述，必須按照與某個特定給定狀態（常稱為「參考態」）的相對關係來定義才有意義。通常的設定是將靜止系統定為零能量，不過這種作法是任意性的。在量子物理中，將能量與系統的哈密頓算符期望值做連結是很自然的作法。幾乎所有量子力學系統，此算符的最低可能期望值通常不為零；此值即稱為零點能量。最小能量不為零的起源可以透過海森堡不確定原理來直觀了解。此原理指出一量子粒子的位置與動量不可以同時被無限精確地得知。如果粒子被限制在無限深方形阱，則它的位置至少是部份清楚的——它必須在阱里。因此可以推論：粒子在阱里動量不能為零，否則不確定原理會被違反。又因為移動粒子的動能正比於速度平方，所以也不會是零。然而此例卻不能用到自由粒子上，自由粒子的動能值可以是零。

按諾貝爾得獎者 Feynman和愛因斯坦的質能公式的當中一個，經計算，據推測，量子真空中，每立方厘米包含的能量密度有1013焦耳，足以在瞬間燒乾地球上所有海洋的水分！

卡西米爾效應

要證明零點能量存在，量子場論中最簡單的實驗證據是卡西米爾效應（Casimir effect）。此效應是在1948年由荷蘭物理學家亨得里克·卡西米爾(Hendrik B. G. Casimir)所提出，其考慮了一對接地、電中性金屬板之間的量子化電磁場。可以在兩塊板子間量測到一個很小的力，這種力——稱之為卡西米爾力，可直接歸因於板子間電磁場的零點能量變化所造成。

卡西米爾效應一開始被視作不易探測，因為它的效應只能在極小距離被看到，然而此效應在納米科技的重要性逐日增加。不僅是特殊設計的納米尺度裝置可輕易又精準地測量到卡西米爾效應，在微小裝置的設計以及製程中，此一效應的影響也逐漸需要被考慮進去，以其會對納米裝置施加不小的力及應力，使得裝置被彎折、扭轉、相黏和斷裂。其他的實驗證據包括有原子或核子的光（光子）自發放射(spontaneous emission)、原子能階的蘭姆位移(Lambshift)、電子旋磁比(gyromagnetic ratio)的異常值(anomalous value)等等。

卡西米爾效應使得零點能量成為一個沒有爭議、且科學界普遍接受的現象。美國國家航空航天局(NASA)與英國航太公司(British Aerospace)兩個單位都設計與發明出所謂的「免費能量」裝置("free energy" devices) 的計劃，其概念上與過去永動機(perpetual motion machines)有某種程度上的相似，在發展的成功度也相類似——不過要做出可用的技術仍有相當遙遠的路要走。

道格拉斯?理查茲，《紐約時報》和《今日美國》暢銷書作家。他曾在俄亥俄州立大學攻讀微生物學學士學位，之後又取得威斯康辛大學基因工程專業碩士學位（他發現的突變病毒現在仍以他的名字命名)和芝加哥大學工商管理碩士學位。他創作的《 超腦Ⅰ：連接》《超腦Ⅱ：強化》《變態療法》《量子鏡頭》《改變遊戲規則》等一系列「高科技+驚險」小說，長期盤踞《紐約時報》電子書暢銷榜前十。

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（註：文中圖片來自網路） 本期編輯：沅州