如果从信息的角度来看，这些联系则更加有趣。对于两个纠缠最强烈的粒子而言，它们包含的信息同步存储于两个粒子，而不是由某一个粒子单独携带。从信息的角度来说，这样的两个粒子之间不存在距离。如果两个粒子还没有达到最大纠缠程度，我们可以认为这两个粒子之间存在较小的距离。随着粒子纠缠的程度越来越低，信息就越来越本地化，这时，我们便可以用类似于“这里”“那里”这样的词语来描述，也可以认为它们之间存在普通意义上的空间。
100年前，爱因斯坦为我们开辟了一条思考空间的新角度。空间不是万物的静态背景，而是动态的组成部分。如今，公式“ER=EPR”又给了我们一个新颖的角度：所谓的“空间”，只不过是存储量子信息的一种方式而已。时间又是什么呢？起初，有物理学家认为，时间可能是计算复杂性的指标。
计算复杂性表示执行某种计算的复杂程度，比如需要多少步逻辑推理，以及需要哪些资源来解决问题等。这与物理学家过去的理解不同。计算复杂性是关于工程学的，没有那么深奥。基于“黑洞防火墙”悖论，所有的一切都改变了。该悖论是一个让理论物理学家抓狂的难题。黑洞会向外辐射质量，因此所有掉入黑洞的信息都会在霍金辐射中回到黑洞之外的宇宙中。如果不是这样，那就违反了量子力学。完全相同的信息将留在黑洞内部，如果不是这样，那就违反了广义相对论。而且，根据物理定律，信息是不能复制的。我们设想一位观察者——爱丽丝，她解码了霍金辐射中的信息，这时便会产生黑洞防火墙悖论，她基于某种原因跳入了黑洞。结果便是，要么是不合理的信息复制，要么就是无法解释的防火墙。无论是哪种结果，都不是好消息。
然而，当两位物理学家帕特里克·海登（Patrick Hayden）和丹尼尔·哈洛（Daniel Harlow）开始思考爱丽丝需要多长时间才能完成解码时，她的命运发生了变化。基于计算复杂性的分析，他们发现解码时间将随着辐射粒子的增多而呈指数级延长。换句话说，在爱丽丝完成解码之前，黑洞早就蒸发完了，一并消失的还有防火墙和所有违背物理定律的东西。计算复杂性允许广义相对论和量子力学和谐共存。
海登和哈洛的工作以全新的方式将物理学与计算机科学联系起来。长期以来，物理学家推测，信息在物理学中具有基础性的作用。这一观点可追溯至1938年，德国工程师康拉德·楚泽（Konrad Zuse）在父母的起居室里制造了世界上第一台可编程数字计算机。三年后，他又制造了第一台通用图灵机。1969年，楚泽写了一本书，叫作《计算太空》（Calculating Space）。他在书中提出，宇宙就是一个巨型数字计算机。20世纪70年代，物理学家约翰·惠勒提出了“万物皆比特”的观点。这一观点认为，物质世界实际上都是由信息构成的。惠勒的影响推动了量子信息理论的蓬勃发展，并催生了量子计算、密码学和传送理论。也许，计算复杂性不仅描述了物理定律，还支撑了物理定律。这是一个全新的观点。
与资源限制一样实际的东西能告诉我们关于现实的本质的深层次知识，初看之下，这确实有些奇怪。同样，在量子力学和相对论中，一些看起来很实际的概念却具有基础性的作用。爱因斯坦通过限制观察者所能看到的内容推算出时空的本质；通过注意到我们无法测量远处的同时性，想到了狭义相对论；通过意识到我们无法区分加速度和引力的区别，想到了时空的曲率。同样，当量子力学的先驱意识到不可能精确地测量位置和动量，或时间和能量时，量子范畴的奇异特征就出现了。这些限制是量子力学和相对论的核心内容。正是基于此，阿瑟·爱丁顿这样的思想家才提出，物理学的本质属性是认识论。计算复杂性取得的新成果也印证了这一点。
因此，我认为的重大新闻是：信息、计算复杂性和时空的几何结构的深层次联系已经显现。虽然我们现在还难以定论这些发现可能带来的影响，但有一点是确定的，那就是物理学家、计算机科学家和哲学家将共同努力探索现实的本质。
43
EINSTEIN WAS WRONG
爱因斯坦错了
汉斯·霍尔沃森（Hans Halvorson）
普林斯顿大学哲学教授。
“量子的奇异性”（quantum weirdness）这一特征的发现已经有100多年了，关于这一领域的重大新闻从未间断过。2015年夏天，来自美国博尔德、荷兰代尔夫特和奥地利维也纳的科研团队宣布，他们已经完成了对量子的非定域性（nonlocality）的证明。这一证明历经了数十年。物理学家第一次注意到量子的非定域性是在20世纪30年代。爱因斯坦称这种特性为“幽灵般的超距作用”，并将其视为新理论的缺陷。爱因斯坦在这一问题上错得有些离谱：非定域性不是量子力学的缺陷，而是物理世界无处不在的基本属性。
为了说明科学界在接受这一特性上如此迟缓的原因，我们先回顾一下19世纪的物理学，它是基于定域因果（local causality）原则的理想条件建立的。根据这一原则，若想两个事件存在因果联系，它们之间必须存在空间上相邻的事件链。换句话说，一个事件若想影响另一个事件，必须先接触第二个事件，第二个事件接触第三个事件……最终才接触另一个事件。
对于受过经典物理学教育的我们来说，定域因果原则似乎是物理世界的基本原则。比如，我对有关心灵感应的报道之所以不是很感兴趣，不是因为我花费时间分析了所有试图证明心灵感应存在的实验，而是因为我知道不需要时空传递的因果联系不合乎逻辑。
然而，量子力学却违背了定域因果原则。根据量子力学，如果两个粒子处于纠缠状态，第二个粒子的测量结果将与第一个粒子保持严格的对应（或逆对应），即使两个粒子相隔很远。量子力学还认为，在测量之前，两个粒子都不具有确定性。那么，我们该如何解释测量结果之间的对应关系呢？
当量子力学认为粒子在测量前不具有确定性时，人们就很容易认为量子力学是错误的。实际上，这正是爱因斯坦在与鲍里斯·波多尔斯基和纳森·罗森在合著的著名论文EPR中提出的观点。实际上，20世纪60年代，荷兰物理学家约翰·贝尔（John Bell）就提出，EPR可以通过实验来验证。如果像爱因斯坦的论文中提到的那样，每个粒子都有各自的状态，总会有实验结果与量子力学的结论相矛盾。因此，20世纪七八十年代，为了证明量子的非定域性，这类实验的努力此起彼伏。
20世纪七八十年代的相关实验结果明显倾向于量子的非定域性。然而，这些实验存在两个不足之处，直到2015年在博尔德、代尔夫特和维也纳进行的创造性实验做了弥补，这使量子的非定域性重新占据了新闻头条。
然而，“量子力学是正确的”这一事实应当成为新闻吗？我们不是已经知道这一点了吗？或者至少对量子力学来说，这些实验结论难道不是有利的吗？真正的新闻不是量子力学是正确的，而是我们开始知道如何利用量子的特性。20世纪二三十年代，量子的非定域性还仅仅是一种哲学上的困惑和讨论话题，而到了2015年，问题从量子的非定域性的含义变成了我们如何利用量子的这一特性。比如，量子的非定域性可以简化信息论和加密协议等所有基于经典物理学的产物。这就是量子的非定域性仍不断成为重大新闻的原因。
不过，不要想太多了，量子的非定域性也无法证明心灵感应是否真的存在。
44
REPLACING MAGIC WITH MECHANISM
量子力学取代魔术？
罗斯·安德森（Ross Anderson）
安全经济学开创者，剑桥大学教授；著有《信息安全工程》（Security Engineering）。
2015年，在我参加过的学术会议中，获得启发最多的是格哈德·格罗辛（Gerhard Groessing）在维也纳举办的关于“新兴的量子力学”的讲座。如果你对“量子力学是否决定了宇宙不是因果的就是定域的，但不能两者皆是”或者“我们最终能否搞懂量子力学”这两个问题感兴趣，那么这个讲座不容错过。这次讲座的主题是：新兴的全局相关性（emergent global correlation）。这是什么意思，为什么要选择它作为主题呢？
量子力学的核心问题是贝尔测试。1935年，爱因斯坦、波多尔斯基和罗森在一篇共同发表的论文中提到，如果你测量一对具有相同量子力学波函数的粒子中其中一个粒子的某些属性，将会立刻影响另一个粒子的相同属性，这样便能保证两个粒子的相同属性总是一致的，即便它们相隔甚远。爱因斯坦认为这种“幽灵般的超距作用”毫无道理，量子力学肯定不完善。这篇论文是几十年内引用次数最多的论文。1964年，物理学家约翰·贝尔证明，如果运用隐藏的局部变量解释粒子的行为，这些局部变量所产生的效果必须满足某种不平衡，而这种不平衡可能在某些条件下会被量子力学行为打破。1969年，约翰·克劳泽（John Clauser）、迈克尔·霍恩（Michael Horne）、阿布内·西蒙尼（Abner Shimony）和霍尔特（Holt）证明了一个相关定理。这一定理限定了两个光子极化间的相关性，并假设极化完全通过粒子本身进行，并完全发生于光子内部。1974年，斯图尔特·弗里德曼（Stuart Freedman）和克劳泽发现，这一限制在实验中被打破了。之后安东·阿斯贝克特（Anton Aspect）、安东·蔡林格（Anton Zeilinger）和其他很多人都证明了这一点。这些贝尔测试让许多物理学家相信，现实世界必定具有非常奇异的特性，可能具有非定域性、非因果性，甚至可能存在多个宇宙。
比如，我们可以分别让光子A与B、光子B与C、光子C与D处于纠缠状态，然后测量光子A与D，无论它们是否存在于同一时间。这是否意味着当我们测量光子D时，某种神秘的作用通过倒退时间将信息反馈给了A？数学不允许我们通过这种方式向过去传递信息，比如，下令谋杀曾祖父［无信令定理（no-signaling theorem）变成了一种无时间机器定理（no-TARDIS theorem）］，但这类实验仍过于反直觉。
在维也纳的这次讲座上，根据来源于局部活动和全局相关性的量子现象，一些学者对不同的模型进行了各种改进。诺贝尔奖得主杰拉德·胡夫特（Gerard’t Hooft）在主题演讲中提到，贝尔曾假设，类空相关性是无关紧要的。不过，这一假设并不正确。在杰拉德的模型中，现实就是信息，由细胞自动机（cellular automaton）组织在普朗克距离范围内进行处理，这就如同约翰·康威（John Conway）的“滑翔机”(18)，不过是三维的。2013年，胡夫特在新兴量子力学会议上展示的版本中，这种细胞自动机是有规律的，它的断点不变性刚好足以提供必要的远距离相关性。问题在于洛伦兹群(19)是开放的，这看起来阻止了细胞自动机中的变量变成无限长度的比特串。在他的新版本中，细胞自动机是随机分布的，这一点受到了霍金关于平衡进出黑洞的信息流的观点的启发。
在另一种新模型中，长程序（long-range order）来自基础热力学。格罗辛提出了一种模型，在这个模型中，长程序来自亚原子统计物理学，阿里尔·卡提查（Ariel Caticha）提出的模型与此类似，在这种模型中，量子力学源自熵动力学。安娜·玛利亚·科托（Ana María Cetto）试图从零点场中寻找答案，描绘处于纠缠状态的活动零点场模式。美国马里兰大学胡悲乐（Bei-Lok Hu）为半经典引力增加了一个随机项，其重整化之后的效果为具有有色噪声的非局部耗散。
还有其他模型。量子密码学领军人物尼古拉斯·基辛（Nicolas Gisin）写了一本关于量子的新书。在书中，他提出解决办法可能是非局部随机性——一种可以在不同位置出现的随机事件。我个人的猜测是，可能是某种不那么色彩化的东西，也许量子真空具有序参数，像正常的超流体或超导体。如果我们想要长程序与量子系统交互，有很多粒子和模拟可以应用。
无论量子真空是“上帝的计算机”“泡泡浴”，还是“密码生成器”，我们都会感到兴奋，为想法的汇聚和成功而感到喜悦。我们相信，量子力学可以取代魔术。
这可能是一个先例。自伽利略之后的40年，物理学是一场开放式的竞赛，自此，托勒密的确定性被抛之脑后，哲学家的想象开始变得无边无际。有人曾畅想，也许在未来，乘坐天鹅衔着的篮子，我们（英国）可以在8个小时内到达美国。牛顿所写的《自然哲学的数学原理》一书结束了所有闹剧。在过去40年里，虽然理论物理学家取得的进展不大，但人们的想象力再一次飞升，比如提出允许物体回到过去而不引发悖论的多元宇宙理论。也许，是时候出现新的东西来结束闹剧了。
45
QUANTUM ENTANGLEMENT IS INDEPENDENT OF SPACE AND TIME
独立于时空的量子纠缠
安东·蔡林格（Anton Zeilinger）
维也纳大学物理学家，量子光学与量子信息研究所科学主任；著有《光子的舞蹈》（Dance of the Photons）。
量子纠缠的观点（被爱因斯坦称为“幽灵般的超距作用”）大大地改变了我们对世界的理解。最近的实验证明，两个处于纠缠状态的粒子的量子相关性比所有经典物理学理论所允许的都要大。实际上，量子物理学至少在80年前就预测到了这样的结果。然而，那又如何？
关键的问题在于，量子力学的预测与独立测量的时空无关：与粒子之间的距离完全无关，与粒子的测量顺序也无关。纠缠系统中的所有粒子均保持着完全的相关性，即使这些相关性不能通过测量之前系统具有的属性来解释。因此，量子力学很大程度上违背了关于时空的物理学理论，我们应当从概念上重新思考时空的基本属性。
假设有一个相互纠缠的系统集合，这个集合可能是两个光子，也可能是任意数量的光子、电子或原子，甚至是更大的系统，比如低温的原子云或超导电路等。接下来，我们需要对这些系统进行独立的测量。关键的问题在于，对于处于最大纠缠状态的粒子而言，量子力学预测到，粒子的纠缠属性具有随机性，就光子而言，可能是极化的状态。也就是说，对于两个或多个处于最大纠缠状态的光子来说，实验中观察到的极化可能是任意状态的：水平的、垂直的、线性的（任意方向）、顺时针旋转的、逆时针旋转的、任意椭圆的。因此，如果进行测量，我们将会观察到随机的极化。对于纠缠系统中的每一个单独的光子来说，也是如此。不过，最大纠缠状态预测到：构成纠缠状态的光子的极化之间存在相关性。
我认为，关于量子纠缠，最重要的结论是，粒子（如光子、电子或原子）或者更大的系统（如超导电路）之间的相关性与先测量哪些粒子或部分，以及相隔的距离无关。
初看之下，这可能没有什么好惊讶的，比如，当我们测量周围山峰的高度时，无论先测量哪一座，比如远处的或者近处的，都不会对测量结果产生影响，量子纠缠系统也是如此。然而，关键的问题在于，先测量任意一个与其他系统缠绕的系统都将会立刻改变所有纠缠系统的共同量子状态，接下来测量其他系统也会产生同样的效应。结果便是，所有相互纠缠的系统的所有测量结果都将完全相关。
此外，如同近期的实验最终证明的那样，这无法通过任何受爱因斯坦“光速最快理论”限制的通信加以解释。有人也许认为，如果运用以下这种方法进行两次测量，结果会有所不同：先测量一个粒子，然后这个粒子发送一个信号给第二个粒子，告诉第二个粒子该如何做；或者粒子被置于某种距离，两个粒子的测量同步进行，以至信号来不及告诉第二个粒子该如何做。因此，从测量相互纠缠的粒子的属性这一点来看，量子物理学无视了空间和时间。
从信息的角度来看，这种解释是可行的，信息带来了获取知识的可能性。然而，量子纠缠描述了这样一种场景：对于单独的测量来说，不存在信息；对于可能进行的测量来说，存在关于测量结果的可能相关性的信息。前者说明量子具有随机性，后者说明量子存在纠缠，两者都对关于因果联系的传统观念产生重大影响。
量子的这种特性将对时空的概念产生何种影响还有待观察。时空本身不能脱离或超越这些思考。我认为，我们需要对时空进行全新的深层次分析，一种类似于维也纳物理学家恩斯特·马赫（Ernst Mach）曾完成的分析，他将牛顿“绝对空间”和“绝对时间”的概念踢下了王座。希望我们最终能形成类似于爱因斯坦相对论所体现的全新物理学。
THE TRUE SIGN THAT DARK-MATTER SEARCHES HAVE SUCCEEDED WILL BE THAT THE DISCOVERY WILL BE TAKEN FOR GRANTED AND CEASE TO BE NEWS.
暗物质寻找成功的真正标志是：该发现被认为是理所当然的，不再成为新闻。
——丽莎·兰道尔，《让突破成为文化的一部分》
46
BREAKTHROUGHS BECOME PART OF THE CULTURE
突破成为文化的一部分
Lisa Randall
丽莎·兰道尔
哈佛大学理论物理学家；著有《暗物质与恐龙》《叩响天堂之门》《弯曲的旅行》(20)。
2015年令人感兴趣的发现和研究成果有：发现新的人种；对冥王星等矮行星的观测表明，冥王星的地质活动比我们原来认为的要频繁；有关物种灭绝的数据表明，我们离第六次物种大灭绝越来越近；对小行星撞击地球的时间的精确测量表明，该事件引发了白垩纪-古近纪灭绝事件和德干火山的猛烈喷发，这两个事件发生于相同时期，并导致6 600万年前的物种灭绝。科学新闻总是源自多年辛苦努力的结果，即使突然获得的革命性发现也是如此。因此，任意特定年度的头条新闻并不能代表当年最重要的科学发现或科研成果。
在这里，我想换一个稍有不同的问题来回答，这一问题便是：我希望在接下来的10年内看到哪些进步？请牢记，从某种意义上来说，流传最广的新闻往往是那些突发事件和许多重要发现，但它们持续的时间很短暂。只有真正的突破才能成为文化的一部分。广义相对论于1915年提出，光会发生扭曲的发现于1919年发表，虽然现在还会出现关于广义相对论的新闻，但它们已不再是新闻；虽然有关量子力学的发现仍不时登上新闻，但这仅仅是因为人们不愿意相信它，因此新增的证据仍然具有新闻价值。
我在这里不打算谈论更多上一年度的重要发现，而是想列举几类希望能在接下来几年看到的科学发现。第一类属于我们可能很难真正解决，但会取得缓慢而稳定的进步的科学发现；第二类属于我们将会取得进步，但新闻可能无法准确传达其最重要影响力的科学发现；第三类是能解决难题的真正突破，类似于希格斯玻色子的发现，这是2012年的重大新闻，但今天就算不上了，即便这一发现仍然令人激动，并且对粒子物理学后续的发展具有重要指导意义。
第一类发现是关于如何更好地理解“生命的组成成分”的，或者至少是我们了解的生命。这一发现有助于我们更好地了解太阳系物质的化学成分，也许还可以推断出将会出现的生命元素，它也有助于我们对其他恒星及其行星系统的化学属性（或者至少一些物理属性）有更深的了解，或者使我们推断出哪里会出现生命（如果不是高级生命的话）。这些都有助于我们发现化石的更多细节，比如新的化学和物理方法会使我们更深入地了解地球的过去。由于在很长一段时间内，我们都无法搞清楚生命是如何产生的，因此，以上这些都将成为新闻。这一难题的答案拼图将会一块儿一块儿地涌现。
第二类发现是，人工智能和机器人领域将会涌现出很多新进展。关于自动化的作用，真正的新闻将会悄然发生，比如，技术将使靠我们自己就能完成的任务变得更简单或更高效，或者替代工人，降低就业率（或者改变就业的现状）。在未来，我们将发现更多关于无人机、医学机器人和人工智能方面取得新进展的新闻。不过，这些工业机器人仅仅算得上商业方面的重要新闻，或者对发现自己即将失业的工人家庭来说是重要新闻。
第三类发现能加深我们对暗物质基本属性的理解。暗物质包含的能量是普通物质的5倍，它们能与引力相互作用，但与光的相互作用非常小或完全没有。有新闻报道，科学家正在用不同的方法寻找暗物质，这其中包括氙1T（XENON1T）项目和LUX-ZEPLIN项目(21)。这两个项目将特殊材料制成的容器埋藏于地下深处，用于探测当暗物质粒子穿过时形成的微小反冲；不过，还存在另一种可能，即当两个暗物质粒子接触并转变为光子时，暗物质将湮灭。
未来还可能会出现一些非常规的探索，它们会告诉我们更多暗物质的特征，以及通过对由暗物质崩溃形成的类似于星系的结果的对比模拟，运用实际数据探索星系内恒星或其他物质的分布。这些对暗物质的细节性观察可能会揭示暗物质是如何发生相互作用的。也许，暗物质具有普通物质不具有的相互作用或作用力，就如同暗物质不具备类似于现实世界中的电磁力。
如果能够发现暗物质的这些属性或者暗物质粒子，科学家将会了解更多暗物质的属性及其对宇宙学和天文物理学的影响。不过，这种从外部的探索将是一个长久的过程。寻找暗物质获得成功的真正标志是，该发现被认为是理所当然的，不再成为新闻。
47
SPACE EXPLORATION, NEW AND OLD
太空探索的过去与现在
罗伯特·普罗文（Robert Provine）
心理学家，马里兰大学教授；著有《奇怪的行为：打哈欠、笑、打嗝及其他》（Curious Behavior: Yawning, Laughing, Hiccupping, and Beyond）。
“新视野号”（New Horizons）宇宙飞船飞过矮行星冥王星时，传回了令人震惊的照片，这是2015年最重大的科学新闻之一。这一事件让太空探索重新登上了新闻头条。与我们原先以为的贫瘠、寒冷的景象不同，冥王星上其实充满了差别明显且复杂的色彩，而且具有不同的地质结构，包括山脉、峡谷，以及由水和氮构成的冰原。冥王星表面留有过去和当前的冰川流动的痕迹，可能还存在从温度更高的内核喷发出的水构成的冰火山。冥王星表面还有一个数百公里厚的大气层。它的五颗卫星中最大的一颗叫作卡戎（Charon），其表面的情景也与冥王星类似。
关于冥王星，2015年还出现了一系列更神秘的新闻。洛厄尔天文台（Lowell Observatory）24英寸的克拉克折射望远镜经重新修葺向公众开放，这是一项具有历史意义的举措。1930年，该天文台的一位年轻工作人员克莱德·汤博（Clyde Tombaugh）在查看天文台拍摄的一些底片时发现了冥王星。无论是巨大的光学天文望远镜，还是放在后院的小小天文望远镜，都是眼睛和大脑的“宇宙飞船”。天文望远镜颇具说服力的直观性是昂贵的高科技航天器所不具备的。回忆一下我们曾在乡间小路上仰望过的星空，或者是通过天文望远镜第一次看到的土星。虽然现代地面天文望远镜不断带来新的天文发现，但这些古老的天文望远镜和圆顶、铜绿斑斑的天文台仍然被当作科学殿堂而留存下来。2015年，“新视野号”飞越冥王星，这给了我们一个时机去纪念太空探索的过去与现在，以及重新思考仰望星空的意义。
SCIENCE AND DISCOVERY ARE THE ULTIMATE DRIVERS OF OUR WEALTH AND SECURITY.
科学与发现是人类保持繁荣和稳定的最终推动力。
——尼古拉斯·克里斯塔基斯，《太空探索中的坎坷：冥王星》
48
PLUTO IS A BUMP IN THE ROAD
太空探索中的小坎：冥王星
Nicholas Christakis
尼古拉斯·克里斯塔基斯
物理学家，社会科学家，耶鲁大学人类自然实验室主任；与詹姆斯·富勒（James Fowler）合著《大连接》(22)，创作了《蓝图》(23)。
2015年7月14日，美国国家航空航天局的“新视野号”宇宙飞船抵达距离冥王星12 600千米的位置。自从2006年发射升空后，它已经在太空中航行了48亿千米。到达这一位置后，“新视野号”开始传回冥王星的照片。太阳系中我们最后探索的这颗行星的外貌震惊了所有人，它拥有许多由冰川组成的山脉与平原。不过，对我而言，这些照片并不是“新视野号”带来的最具新闻价值的成果。
实现这一壮举所运用的科技令人赞叹。“新视野号”是工程上的奇迹，它采用放射性同位素提供动力，而且携带着复杂的电池、光学和等离子科研设备、精密的导航以及遥感技术等。它的主要目标（均已实现）包括拍摄冥王星和它的卫星卡戎的表面照片；测量这两颗星球的地质构造，并分析其大气成分。在这一过程中，“新视野号”还加深了我们对太阳系组成成分的了解。
现在，太阳系内的这类探索的成功率很高，以至它对我们来说就像例行公事，只是我们无尽的探索之路上的一次小颠簸。不过，对冥王星的探索是探索之路上的另外一种坎，探索过程要令人沮丧得多。
2011年进行的一项皮尤调查（Pew survey）(24)显示，超过半数（58%）的美国人支持太空探索。他们认为，这有助于科学进步和提高国家自豪感。而2015年进行的另一项皮尤调查显示，同样有超过半数（59%）的美国人支持将宇航员送入太空。然而，问题是，部分美国人和政治家不太愿意在太空项目上花费太多金钱。2014年进行的一项综合社会调查显示，仅有23%的美国人持赞同意见。与此相对，70%的美国人认为应该在教育上投入更多，57%的人认为应该在医疗上投入更多。自1985年以来，美国国家航空航天局的预算金额几乎就没怎么变过（当前约占联邦预算的0.5%），而在1965年，其预算是历史上最高的，占到了联邦预算的4%。现在的预算水平同样低于20世纪90年代占联邦预算1%的水平。
2015年夏天，冥王星那些迷人的照片仅在不断滚动的新闻中停留了大约一个星期，然后就无人问津了。关于冥王星的新闻，真正令我感到吃惊的是，没有太多人觉得这是一项了不起的成就，甚至人们对太空探索的支持热情都减弱了。美国国家航空航天局的努力让载人／非载人太空探索变得可靠、标准化和安全，但令人感到不幸的是，普通民众觉得这像例行公事，没有什么特别之处，许多人甚至有些厌烦了。我认为，这是冥王星任务真正具有新闻价值的地方。
我的祖父出生于19世纪90年代的希腊，他曾告诉我，当莱特兄弟在1903年实现人类第一次飞行时，他觉得非常不可思议。他也目睹了1969年的登月。他曾参与过第一次世界大战。他还告诉我，在第二次世界大战中，当纳粹入侵时，他是如何让家人在雅典活下来的。不过，我的祖父对太空探索更感兴趣，因为它的前景要乐观得多。从坐在帆布和自行车制造成的飞机飞过海滩到登月，人类仅用了66年的时间。这让我的祖父感到惊讶。同样，直到我写下这些文字时，这样的速度和奇迹仍在激励着我。
当然，我知道20世纪六七十年代太空探索所取得的大部分伟大成就都源于冷战；我也知道现在有许多人认为，私营企业应当接过太空探索的接力棒；我还知道承诺用于太空探索的投入并不高，因为许多人有更好的资金用途，比如给孩子接种疫苗，给穷人提供福利，以及投资公共卫生和医疗研究。这些会比投资太空探索更好吗？我的常规回答是：“科学与发现是人类保持繁荣和稳定的最终推动力。”不过，我更想说的是，这是一个根本就不存在的分歧。真正的问题是，我们应该资助战争还是向火星移民？哪一个更具有新闻价值？在这一点上，我同意祖父的看法。
49
PLUTO NOW, THEN ON TO 550 AU
已抵达冥王星，目标是550天文单位的远方
格雷戈里·本福德（Gregory Benford）
小说家，加州大学埃尔温分校物理学荣誉退休教授；与拉里·尼文（Larry Niven）合著《船星》（Shipstar）。
2015年最具影响力的事件是，美国国家航空航天局的“新视野号”宇宙飞船近距离飞越冥王星，并拍摄到了冥王星及其卫星的许多高清照片。该飞船还携带了克莱德·汤博（Clyde Tombaugh）的一些骨灰，用以纪念他在1930年发现了冥王星。如果汤博看到近星际空间深处这颗美丽星球的彩色照片，应该会非常高兴。我们已经打开了观察冥王星的新视界，将从中收获良多。
“新视野号”宇宙飞船于2019年元旦近距离飞越一颗小行星，并拍摄到了高清照片，第一次向我们展示了太阳系外的寒冷世界，这些原始星球与冥王星显著不同。这些发现向我们展示了地球等行星和早期圆盘状天文结构的物质组成，由此慢慢揭开了宇宙的族谱。不过，这仅仅是“开胃菜”，“新视野号”的重要性并不仅限于完成对太阳系所有行星的首次探测，更在于探索太阳系之外更广阔的世界——银河系。
冥王星外围存在一片区域，太阳的引力在这里形成了巨大的引力透镜效应，将其他恒星的光线汇聚在一小片区域内，这就好比引力将光线汇聚在铅笔尖上，然后聚焦于寒冷星球上的一个点。引力透镜效应本应该出现在牛顿的力学和光学理论中，但直到1912年，爱因斯坦才算出了引力对光的扭曲效应。
直到1988年通过引力透镜效应，我们才发现了银河系的全貌。恒星和行星附近的这种光线放大效应形成了一种功能无比强大的“天文望远镜”，后者可以根据光的频率对画面进行不同倍数的放大，从1亿倍至1 000万亿倍。我们还可以利用这种效应研究遥远的宇宙。通过开普勒望远镜和其他天文望远镜，我们已经发现了其他恒星系中的2 000多颗行星。当这些行星经过我们所观察到的其所围绕的恒星时，在眩光的映衬下，我们便可以观测到行星大气层。通过这种方法，我们还能观测到更多具有大气层的行星。
未来几十年内可能出现的太空天文望远镜会给我们带来遥远行星的信息。不过，这只能通过研究光线如何反射或吸收等变化来实现。最佳的结果是，这样的星球看起来是模糊的光线形成的点。不过，在引力透镜效应的范围内，我们能观测到的画面清晰度要高得多，可以看清行星的全貌：大气层和卫星、海洋和陆地，甚至有可能看清上面的城市。
无畏的“新视野号”现在正以每秒15千米或者一年3天文单位(25)的速度继续前进。正如爱因斯坦在1936年所预测的，太阳的焦点在550天文单位之外。“新视野号”将在180年后抵达那里，并因原子能动力耗尽而长眠在那里。因此，后续发送至那里的宇宙飞船的速度至少要比“新视野号”快10倍以上。“航海家号”（Voyager）宇宙飞船历经38年多的飞行，目前仅仅距离地球108天文单位。
我们已经掌握了提升宇宙飞船速度的方法，大部分均采用向日飞行，然后在近日点点燃火箭，或者展开太阳帆，借助强烈的太阳光来获取推动力。不过，还有其他天文方法可用于提高飞船的速度，如果我们愿意，人类将会在几十年内实现这些壮举。
将来，我们的目标可能是将一艘宇宙飞船发射至“上帝的透镜”的焦点处，后者是一个1 130亿千米长的天文望远镜，光穿过这个望远镜需要三天多的时间，而这艘宇宙飞船应该具备飞出这一焦点的能力。在这个焦点上，宇宙飞船可以看到被太阳挡在许多光年之外的宇宙。
这一壮举将有助于我们对未知世界的探索。不过，当前这种探索还处于选择一些恒星并研究其行星的阶段。使用太阳作为透镜对于所有波长的光线都适用，因此我们可以用其来寻找生命的迹象——大气层中的氧气，甚至“偷听”外星人的电台。这种“天文望远镜”首先应该对准半人马座阿尔法星系。如果阿尔法星系周围存在行星，我们应当进行仔细的观察。这是飞向这些行星之前的重要一步。这艘宇宙飞船可以以垂直于向外路径的螺旋轨迹飞行，缓慢改变其位置以对半人马座阿尔法星系进行精确扫描。由于当宇宙飞船向外飞行时，引力透镜效应在550天文单位以外的区域仍然起作用，所以继续向外探索仍能看到大幅度放大的画面。
在所有的宇宙飞船中，也许“新视野号”的名称最为恰当，因为它确实为我们带来了广阔而有说服力的新视野。
50
THE UNIVERSE SURPRISED US, CLOSE TO HOME
宇宙带给我们离家不远的惊喜
劳伦斯·克劳斯（Lawrence Krauss）
理论物理学家，宇宙学家，亚利桑那州立大学教授；著有《从无到有的宇宙》（A Universe from Nothing）。
2015年，当“新视野号”宇宙飞船飞过冥王星时，传回的第一批近距离照片震惊了世界。之前，大家对这颗刚被降为矮行星的星球的设想错得离谱。常识告诉我们，冥王星应该是一颗冰冻的星球，经过几十亿年彗星的撞击，它的表面应该早已千疮百孔。然而，冥王星实际上是一颗活跃的行星，有三四千米高的山脉，有一个1 000千米宽的冰原，这个冰原没有被碰撞过的痕迹，这意味着它诞生于一亿年以内。冥王星的表面非常活跃。由于冥王星附近没有大行星为其提供潮汐力，因此，它的内核仍然处于活跃状态，从而不断改变着表面的构造。我们目前还不知道其中的原因。
对太阳系其他行星的探索给我们带来了类似的惊喜。比如，土星的卫星土卫二上存在地下液态水海洋和含有有机物的喷泉，木星的卫星木卫一上有火山。现在我们明白，这些奇特现象来源于其主星强大的潮汐力的影响。没有人曾预想到会有这样的极端活动。
随着对其他恒星的日渐了解，我们发现，恒星普遍都有行星围绕。这种观点曾被认为是不可能的。类似于木星和土星的气体巨态行星离所围绕的恒星的距离比水星离太阳的距离要远得多。我们曾一度认为，离恒星较近的行星会更小，更岩石化，而较远的行星会更大，更气态化。而现在我们知道，在这些恒星-行星系统中，随着时间的推移，动力学效应可能会促使大行星向离恒星更近的位置移动。
同样，根据之前经典动力学的推测，双星系统周围不会存在行星，因为引力摄动（gravitational perturbation）会将围绕的行星推出去。而现在，我们已经在双星系统中发现了行星。这表明，双星系统中存在某种新的稳定机制在起作用。
我们习惯性地认为，宇宙的边界是一个神秘之地。比如，暗能量（真空能量）支配着宇宙边界的动力学，并产生万有斥力使宇宙加速膨胀。从微观的角度来说，我们目前还不知道希格斯玻色子如此之轻，以及自然界中的4种基本力的差别如此之大的原因。
在探索太阳系的邻居的过程中，我们逐渐发现，促使形成冥王星、木卫一、土卫二这些天体并使其发生演化的物理学原理比我们想象的要丰富和复杂得多。这不仅戳穿了“不会再出现有助于理解宏观物理世界的新发现”这一谎言，还让我们重新客观地看待“量子引力理论（比如最热门的超弦理论和膜理论）将成为万物之理论”这种夸张的观点。虽然这类理论对于理解宇宙的起源和时空的特性具有关键作用，但它对理解宏观物理世界中复杂现象的帮助并不大，这就好比煮沸的燕麦粥和沙滩上的沙雕之间的区别。
然而，燕麦粥和沙雕不会引起公众的关注，但太阳系内外的新世界会。最新的发现表明，我们应该重新思考关于太阳系邻居的许多传统观点和经典物理学理论（如牛顿的一些理论），这一举措有助于解答一些关键问题，包括最重要的一个问题：我们在宇宙中是独一无二的吗？
太阳系真是奇妙无穷！
IN THE SPACE BUSINESS, NEW ROCKETS ARE LAUNCHED AT REGULAR INTERVALS, BUT THE LAUNCH OF A USED ROCKET IS IMPORTANT NEWS.
在太空领域，虽然不断有新的火箭被发射升空，但其能完好无损、平稳地降落是一则重大新闻。
——乔治·戴森，《火箭技术的最新进展》
51
PROGRESS IN ROCKETRY
火箭技术的最新进展
George Dyson
乔治·戴森
科学历史学家；著有《图灵大教堂》(26)。
2015年年底，两枚火箭陆续被发射升空，穿过卡门线(27)进入太空，然后利用自身动力返回，并完好无损、平稳地降落在地面上。在太空领域，虽然不断有新的火箭被发射升空，但其能完好无损、平稳地降落是一则重大新闻。
