Ⅲ 跨越恒久的时间
罗马哲学家阿尼修斯·波爱修斯在他人生中的艰难时期——在拉韦纳附近的监狱中等待被执行死刑——写了一部名为《哲学的慰藉》的作品。其内容是不幸的被监禁哲学家与哲学的美丽化身（她）之间的对话。在第四卷中，她向他保证，她拥有快速敏捷的翅膀：
扇动翅膀升至高空
若心灵置于地下
必遭它厌弃
它从地上腾空而起
远离云层
穿过火球
吸收热量
抵达星空
这听起来有点儿像是在说“旅行者号”，只是宇宙观有很大的不同，毕竟波爱修斯只是在寻求思想上的宽慰，而不是根据基本原理进行严格的推理。我的这本书的名字叫《物理学的慰藉》，如果我对物理学的了解比我自以为的还要深入，或者我能激励某些人努力通过学校的物理考试，那么这本书的标题可能就没这么草率了。
真理实际上是一种慰藉。我们所有人都面临着死亡宣告，我们都希望相信某些被证明是正确的事实。在这方面，具有某种机构、某种教义和信条的宗教无法起到作用，它需要一种信仰行为，即使还没有实验性证据（或正因如此），也必须接受它是对的。无论如何，如果人们认为它是绝对真理，那信仰的意义又是什么呢？
物理学——指本书中的例子所代表的物理学，如“旅行者号”、CERN的大型强子对撞机，或设计用来检测从距地球10亿光年外两个黑洞碰撞之处而来的引力波的复杂仪器——代表着追求真理的雄心，探索现实的冲动，这听起来很简单。人们会辩论道：“另一方面，回到现实世界中。” 但其实这样的辩论很狡猾。这个世界到底是由什么构成的？希腊人提出了元素的概念，其中有人将物质最后一个不可分割的单位确定为原子。但即使是最简单的原子，其内部大部分也是空的，并且是可分割的。当原子在加速器中被粉碎时，人们发现了原子其实也是由粒子组成的，其中一些粒子似乎也不是很坚固，寿命也不长。这些粒子最初又是从哪里来的？现实是一个异常模糊的术语。因此，如果存在现实意义，而人类的智慧也能够理解，那或许物理学就是人类试图创造至少一种模拟的现实，以一窥创世之秘的现实意义。如果是这样的话，像“旅行者号”这样的远行工具或像大型强子对撞机这样的仪器就代表了宗教供奉的定义：内在恩典的对外表现。那可能太异想天开了。可能不会有明确理解的时刻，不会有终结的时刻。伟大的科学仪器只是真诚且直白地证明人类在不断地寻求万物的答案。牛顿的物理学体系使人类到达了月球表面，并向土星的卫星土卫六送去了一个小着陆器，又通过一台机器人历时七年实现了与素未谋面的彗星相遇，还预言了海王星的存在。
但是这里有一个麻烦：牛顿的物理学体系从根本上是错误的。它可以预测现实的表现，但不能解释原理——重力是可以测量的力，但它是如何起作用的？两个天体之间如何实现“超距作用”？牛顿的预测仅适用于以低于0.14倍光速的速度运动的物体。一旦速度提高，就会发生非常奇怪的现象：在更高的速度下的时间发生了变化，在接近光速的速度下，物体的质量和形状似乎也会发生变化。因此在20世纪初，物理学家开始寻找新的答案。正如狭义相对论和广义相对论所阐述的那样，爱因斯坦的物理学体系目前更能准确地表示时间、空间和物质的力，但是爱因斯坦的宇宙理论也不能完全解决问题，因为存在某些它也无法解释的事物。这是个很不错的思考项目，我们可以坐下来，为大型公共项目投入资金、智力、计算、热情、创意和决心，以检验该理论可能做出的预测。
这些项目之一就是CERN的大型强子对撞机。正如“旅行者号”的使命是受牛顿的天体力学之类的古老问题驱使的一样，CERN本身是源于爱因斯坦和他的同代人及其继承者们提出的原理。耗资70亿美元的大型强子对撞机只是CERN进行的一系列实验中的最新仪器，这些实验旨在探索物质的终极本质，从而弄清宇宙的原貌及它的形成方式。它通过详细研究强子（强子是一个具有精确含义的技术术语）的性质来做到这一点。质子是强子的一个例子，质子占据着原子核中的主位，原子核具有原子绝大部分的质量。如果能弄清质子为何具有质量，为什么它拥有这些质量，那就能知晓一些关于物质本身以及创世时刻的深层次含义。质子无法用锤子砸开，不过可以用一个速度极快的质子去撞开另一个质子。在物质成形前，经过一次次撞击，人们也许能够重现在我们所知的物质形成之初的第一微秒里必定存在的条件。因此，大型强子对撞机将成为一种时光机，人们可以借助它返回到更接近时间、空间和物质的起始点。
1997年，我有幸能与一位拥有价值10亿英镑的工程合同和一系列CERN招标合同的人会面。他主要是想请工程公司做一些从未有过的东西——一系列超导磁体。这些超导磁体可以使氢质子（人类目前已知的最小的基团）在真空中加速到光速的0.999999991倍。为此，磁体必须冷却到低于星系间的空间温度的地步，而27千米长的圆形真空管（质子围绕它旋转）将是地球上最极端的真空装置，管中空气如月球大气一般稀薄。质子流将朝两个不同的方向相向而行（从仪器名称中“对撞”一词就可知道）。要使两个像质子一样小的物体相撞，就需要将工程技术发挥到极致，CERN认为这一挑战就像让相距10千米的两支针头迎面相撞一样。许多制造对撞机工作部件的工程师必须以千分之一毫米的精度来考量。简而言之，工程承包商必须在地球上最空旷的空间，在宇宙中最冷的地方，进行星系间最炽热的碰撞，他们的目标是每秒进行8亿次对撞。
他们还必须制造出地球上最快的事物。一位物理学家朋友曾经如此描述0.999999991倍光速的实际概念：如果你站在国际空间站上，一只手拿着假想的加速器，另一只手拿着强大的手电筒，同时指向离太阳系最近的恒星比邻星，并在同一瞬间按下每个设备的按钮，从手电筒发出的第一个光子到达比邻星要4年时间——这就是4光年的距离——而手上加速器里的质子会在紧随其后的2.5秒内到达。
真空中的光速是绝对的，没有速度能赶上它或比它更快。在CERN的机器中加速的粒子可以越来越接近光速，但不会真正达到光速。它们之所以能够达到这样的速度，仅仅是因为提供加速的超导磁体温度保持在比星际空间温度更低的状态，并且在发射过程中通过与月球大气一样稀薄的空间。为了排空载有强子的27千米管道，工程师必须不断抽出空气，这就好比试图把科隆大教堂、米兰大教堂或斯特拉斯堡大教堂内所有的空气都抽走。
我那开朗的工程师、粒子物理学家、采购总监手里拿着一张购物清单，清单上列着他需要的最高级设备的要求。他希望有人竞标提供8000个超导磁体的合同，磁体要比以前制造的任何超导磁体都要先进，而且由于这些磁体（其中一些长16米）需要在1.9开尔文的温度（低于零下270摄氏度，接近绝对零度，肯定比星际空间还冷）下运行。他还需要一个承包商来竞标，供应70万升液氦和8个1500立方米的装液氮的容器，还要提供1200万升液氮将31000吨高精度金属仪器冷却至接近其工作温度。然后，他还需要更常见的东西：50000吨热轧钢和冷轧钢、40000只防漏管接头、数千千米含铜-钛-铌细丝的超导电缆，以及所有其他附加材料，如600万对线圈夹紧套和30000个铜楔等。所有这些都必须达到最高标准，因为一旦对撞机启动，就会在最大40兆瓦的功率下运行，光束的动量（仅少量氢核就加速到了接近真空中光速的速度）将需要相对应的能量，相当于时速200千米的城际列车。也就是说，如果这台机器有任何一个地方出现纰漏，那整个都可能出错。正如采购总监当时所说的那样：“如果你不是长期从事最高精尖技术的人，那这些项目应该不适合你。”
序 虚空中的信号
Ⅰ 星际之旅
Ⅱ 我们记忆的载体
Ⅲ 跨越恒久的时间
Ⅳ 无重力式遐想
Ⅴ 黑暗中的距离
Ⅵ 星球工厂
Ⅶ 一去四十年
参考文献
补充书目
致谢
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