漫漫前夜
修改于2020/05/10235 浏览综合
漫漫前夜[1]
——科学的迷茫[2]与宇航的凝滞
宇宙最不可理解之处是它是可理解的。
——阿尔伯特·爱因斯坦
地球是人类的摇篮，但人类不可能永远被束缚在摇篮里。
——康斯坦丁·齐奥尔科夫斯基[3]
古人欲御六气之辩以游无穷，今人望晓万物之理以得逍遥。然而现实是，古人未能御六气之辩，吾侪也尚未踏入逍遥之境，人类文明像是刚脱离襁褓的孩子一般正蹒跚学步。我们建立起了庞大而“完备”的科学理论，科技的力量带动生产力的发展，进而影响了整个人类文明的发展。但是对这个世界，我们仍然知之甚少。我们脱离了襁褓，但仍未能爬出摇篮。
量子理论与相对论支撑起了现代物理，但人类从未放弃对万有理论的追求。我们首先建立了电磁理论，又完成了弱电统一，粒子物理学的标准模型[4]又囊括了强核力，统一了三大相互作用，但是引力仍然游离在外[5]。下图为描述了除引力外，所有已知基本粒子的相互作用方程，即标准模型的拉格朗日量：
可以感受到，我们的科学已经发展到了一个极为复杂、尴尬的境地，甚至是违反科学审美的，科学似乎失去了几百年和谐而对称的美感。
图为优美的Maxwell方程组
我们不免要问，科学是什么[6]？哲学家费耶阿本德[7]说：
看呐，孩子，别做梦了！科学不是坐在云端里的哲学家。它是人的活动，与别的任何东西一样复杂，一样成问题。科学没有单一的方法，谁是好科学家也没有单一的标准。好科学就是在历史的特定时刻增进我们知识的东西。别来烦我如何定义进步——随便你用什么方式定义，都是对的。
——《反对方法》[[8]]
他的观点并不是很令人鼓舞，甚至是一种打击。部分思想是对的，科学进步的实现需要深刻的哲学思想，但多数时候不是这样。进步的实现多靠投机者们抄捷径、夸大他们的知识和成就。事实上，科学是基于经验的，科学的发展是一个不断“建模-证伪-建立新模型”的过程。没有人实际知道“电子”是个什么东西，但是当我们用它作为模型去描述与解释客观世界的时候，它是无比的好用。我们我们已经建立起人类历史上最精确的理论，即量子电动力学，它的精确度已经到了10^-8，但我们仍然没有满足。我们在反驳宇宙大爆炸理论，我们在提出细胞引导的基因的定向突变，我们永不休止地质疑现有的科学理论。那么，究竟什么才是真实的，什么样的理论才是实在？意大利蒙札市议会禁止宠物主人把金鱼养在弯曲的鱼缸里，部分理由是，金鱼向外凝视时会看到扭曲的景象，这是残酷的。但是，我们无法证明自己看到的不是扭曲的景象，鱼类的“科学家”也能总结出他们的一套科学体系。所以我们有一个重要的结论，那就是：不存在与图像或理论无关的实在概念。相反，我们的观点是，一个物理理论和世界图像是一个模型和一组将这个模型的元素与观测相连接的规则的思想[9]。所以，我们已经抛弃了彻底的实在论[[10]]。加上量子理论带来的随机性所“反对”的决定论（当然，量子力学没有支持自由意志），我们似乎在一点点破坏过去的信条。不过，说起过去，现在发生的事可以影响过去吗？答案是，可以。John Wheeler提出的延迟选择实验及后人的实践证明了这一点[11]，一个光子表现为粒子或者波可以在未来的操作中被决定。
我们似乎越来越接近宇宙的真相，却又似乎离它越来越远。我们困在基础理论的沟壑之中，只得仰望星空。理论陷入困境，那天空会否成为未来？自古以来，人类从未放弃对天空乃至太空的猜想与追求。东西文明均有诗云：
斯克尔狼将恐吓月亮
直到它飞往忧戚之林；
海逖狼将追逐太阳，
它与瑞德威特尼尔沾亲。
——《格里木尼尔之歌》，北欧史诗《埃达》旧版
遂古之初，谁传道之？
上下未形，何由考之？
冥昭瞢暗，谁能极之？
冯翼惟象，何以识之？
明明暗暗，惟时何为？
阴阳三合，何本何化？
圜则九重，孰营度之？
惟兹何功，孰初作之？
斡维焉系，天极焉加？
——屈原《天问》
先人停留于幻想，而跟随技术的发展，人类逐渐投入实践中去。从献身在天空的万户，sorvolando il grande monte Ceceri所颂唱的“鸟之头筹者”[12]，到莱特兄弟，再到人类第一颗人造卫星、第一艘载人飞船、第一次登上月球，我们已经经历了许多。美国人曾激昂地许诺了宇航时代的来临，但距离伟大的阿波罗计划已过去五十年，那个激动人心的宇航时代却仍未到来。究其原因，大抵还是因为经济，换句话说，没有足够多的经济利益来形成全力发展航天技术的动机。当然，一个广为流传的说法是，每在航天事业投入一元钱，就可以获得7至12元的回报[13]。诚然，航天科技的发展带动了材料、能源、计算机等相关领域的发展，其成果也走进千家万户。但从简单的逻辑上来考虑，如果航天事业真的有那么容易产生如此之高的收益，按照马/克/思的说法[14]，资本家会不顾一切的投入到航天事业中去的。而事实并非如此，人类依旧在以缓慢的速度进行宇航研究。人类历史航天（仅以NASA计）预算最高的一次是1966年，阿波罗计划的高峰，59.33亿美元，约占美国联邦预算的4.41%[15]，而在2020年，NASA预算虽达到225.59亿美元，却仅占美国联邦预算的0.48%[16]，并且还在逐年下降。NASA预算在美国联邦预算中的占比如下图所示：
那么航天技术带来的确切的回报是多少呢？MRIGlobal的报告[17]称：“1958-1969年间，1958年用于民用航天研发的250亿美元，到1971年已经收获了525亿美元，到1987年将继续产生收益，到那时，总收益将达到1810亿美元。这项投资的回报率为33%。”而Tauri集团为NASA撰写的2013年报告[18]显示，2012财年NASA在美国制造业上投资了近50亿美元，其中近20亿美元用于技术领域。NASA还开发技术并将其商业化，其中一些技术可以在多年内每年创造超过10亿美元的收入。由此可见，航天技术确实有着实在的收益，但是绝没有鼓吹的那么夸张。
然而，不留情面地说，在现阶段，载人航天是一项面子工程[19]。目前航天事业为我们带来的回报主要集中在通讯、测绘、军事、气象、定位导航等方面，而这些完全没有进入深空亦或载人的必要。物理学家Freeman Dyson[20]曾参与一项政府委员会的审查，要求检验48项空间站实验以证明建设空间站的必要性。但是很遗憾，其中46项都可以在地面完成，其余两项则是研究“空间站中宇航员的生存问题”[21]所以宇航员做的最有意义的事便是研究他们自己，为未来人类在太空长期生存做好准备。另外，NASA的载人登陆火星计划与无人飞行任务相比，它们因效率低下和成本高昂而受到谴责[22]，正因如此，如今的NASA更热衷于进行一些低成本的深空探测器的项目，这些探测器为人类提供了太阳系的大量信息，为天文学和宇宙学发展提供了宝贵的资料。
所以载人航天到底有多么困难，以致于其遭到越来越多的口诛笔伐呢？仅考虑物理因素而忽略经济压力，简单计算可得，一个人（以65kg计）仅仅脱离地球引力场所需的能量就达到约4×10^9J(公式无法排版)，这是一个理想化的下限，生命维持设备、各类物资、运输载具也必须考虑在内。根据齐奥尔科夫斯基火箭方程Δv=veln(m0/m1)，依靠传统火箭燃料，一吨重的飞船需要约20~50吨燃料。效率是如此低下，可有他法？美国“猎户座计划”的思路是，核脉冲推进。在装有设计精妙的护盾的飞船后方不停引爆核弹，以获得巨大的推力。和大多数人想的一样，在原型机做出之前，这个计划就搁浅了。
那么怎样人类才会有动力去进行大规模深空探索和载人尝试呢？必然是要有极其有价值的资源[23]。而如果我们永远不去进行探索，则永远不会有这些发现。所以这样看来，现在缓慢的研究，似乎是最实惠的做法。
当然，一些亿万富豪并不会被经济因素所影响。2016年，Yuri Milner启动了“摄星计划”[24]。这次行动的航天器是一群被称为“星片”的小型多功能芯片，依靠地球激光阵列照射其光帆来达到20%光速[25]，在20年后抵达4.37光年外的半人马座α星，并在飞越的几分钟之内拍照发回地球。美国海军战争学院的空间政策专家John Johnson-Freese说：“摄星计划的一切都不寻常。”同时Stephen Hawking、Freeman Dyson等教授都对此项目表达了支持[26]。
对此，Dyson先生说：“探索是人类的天性，而且我们也很擅长这点。”他认为，人类应该使用自动机器去探索宇宙，而非没什么科学意义的载人项目。不过，他也补充了一句：“话说回来，我自己倒是愿意去。”
我相信，各位执政官，一样愿意。
我们在偌星的光辉时代的前夜幻想与奋斗，期待着黎明的到来。
[1]以此为题的文章将分析偌星游戏时间线前，现代科技向偌星科技发展的困境。
[2]鄙人斗胆如此言论，还望持不同意见者海涵。
[3]现代宇宙航行学的奠基人，被称为航天之父。他最先论证了利用火箭进行星际交通、制造人造地球卫星和近地轨道站的可能性。他推导出了齐奥尔科夫斯基火箭方程。
[4]很多大统一理论均预言了质子的衰变，但是至今没有观测到的记录。
[5] AdS/CFT猜想称，一个n+1维AdS空间的量子引力理论与一个定义在这个AdS空间边界上的共形场论对偶。换句话说，有引力的五维时空与无引力的四维时空可以完全一样。
[6] The Trouble with Physics, by Lee Smolin
[7]费耶阿本德（Paul Feyerabend）是哲学的“叛徒”，“科学最恶劣的敌人”（《自然》对他的评论）
[8]本书的副标题为“无政府主义知识论纲要”，宣扬“什么都可以”，意为科学无所谓方法，科学与占星术、巫术没有本质区别（周昌忠译，上海译文出版社，1992）。
[9] The Grand Design, by Stephen Hawking and Leonard Mlodinow
[10]自柏拉图以来的经典科学的信念，存在一个外部真实世界，性质确定且与观测者无关。
[11] Manning, A. G; Khakimov, R. I; Dall, R. G; Truscott, A. G(2015). "Wheeler's delayed-choice gedanken experiment with a singleatom". Nature Physics.
[12]即达芬奇。传闻他曾在奇奇里山试验他的发明——扑翼，这曾被看作人类第一次将对天空的渴望付诸行动。不过事实上，万户死于14世纪，而达芬奇出生于15世纪。
[14]“如果能获得300%的利润，资本家就敢冒被杀头的危险。”事实上，这句话是***《资本论》（人民出版社，1975年6月第1版）第一卷“第二十四章所谓原始积累”第6节末尾，829页的脚注（250）：《评论家季刊》说：“资本逃避动乱和纷争，它的本性是胆怯的。这是真的，但还不是全部真理。资本害怕没有利润或利润太少，就象自然界害怕真空一样。一旦有适当的利润，资本就胆大起来。如果有10%的利润，它就保证到处被使用；有20%的利润，它就活跃起来；有50%的利润，它就铤而走险；为了100%的利润，它就敢践踏一切人间法律；有300%的利润，它就敢犯任何罪行，甚至冒绞首的危险。如果动乱和纷争能带来利润，它就会鼓励动乱和纷争。***和贩卖奴隶就是证明。”（托·约·登宁《工联和罢工》1860年伦敦版第35、36页）。所以，这句话实际上并非出自***之口。但因为这是一个广为人知的谬传，且无伤大雅，所以笔者也如此使用。
[15]也是那个知名5%的由来。
[16]维基百科：NASA预算https://en.wikipedia.org/wiki/Budget_of_NASA
[17] Economic impact of stimulated Economic Activity, https://ntrs.nasa.gov/archive/nasa/casi.ntrs.nasa.gov/19730012250.pdf
[18] NASA Socio-Economic Impacts，National Institute of Standards and Technology. Retrieved 14 Nov.2018.
[19]如果当年美国政府没有选择空间站项目而是资助同为“面子工程”的超导对撞机，会不会早几十年发现希格斯玻色子呢？
[20]是的，就是提出戴森球的那位。
[21]万维钢《宇航时代为何还未到来？》
[22] Should NASADitch Manned Missions to Mars?，Space.com. Retrieved 2018-12-04
[23]联系到《偌星》，你一定想到了，就是落日晶。考虑到星际开采运输的巨额成本和困难，落日晶应当是具有夸张的性质和功能。如果有机会，会考虑写一篇文章对此做具体分析。顺带一提，落日晶与石膏晶体及Wolfram™的标志十分相像。
[24] Near-light-speed Mission to Alpha Centauri，Ann Finkbeiner
[25] A Roadmap to Interstellar Flight, Philip Lubin in Journal of theBritish Interplanetary Society, Vol.69,pages 40-72,2016
[26]哈佛大学天文系主任Avi Loeb，NASA埃姆斯研究中心主任Pete Worden，航空工业专家Pete Klupar，Facebook创始人Mark Zuckerberg都是其委员会成员。