如何與限制一起增長

第十章增長的極限

世界是個(gè)棋盤，自然現(xiàn)象是棋子，游戲的規(guī)那么被我們稱為自然法那么。

——T.H.HUXLEY〔赫胥黎〕

在這個(gè)世紀(jì)我們創(chuàng)造了飛機(jī)，宇宙飛船，核技術(shù)，和計(jì)算機(jī)。在下個(gè)世紀(jì)我們將開發(fā)組裝機(jī)，復(fù)制機(jī)，自開工程，廉價(jià)的星際旅行，細(xì)胞修復(fù)機(jī)器，和很多很多。這一系列的突破似乎暗示了技術(shù)開展是沒有限制的。按照這個(gè)觀點(diǎn)，我們將突破任何障礙，沖向無限的未知領(lǐng)域——但是這個(gè)觀點(diǎn)是錯(cuò)誤的。

自然的法那么和世界的情形將限制我們所能做的事。沒有限制，未來將完全不可知，無影無形的事使我們所想和所方案的顯得很可笑。有了限制，未來還是不太確定，但是會(huì)被規(guī)定在某個(gè)范圍之內(nèi)。

從自然的限制中，我們學(xué)到了關(guān)于我們面對的問題和時(shí)機(jī)的一些知識，限制確定了可能的界限，告訴我們能使用什么樣的資源，我們的飛船能飛多快，以及我們的納米機(jī)器能做和不能做什么。

討論限制是有風(fēng)險(xiǎn)的：我們通常更愿意確信一件事是可能的而不是不可能的。工程師可以使用近似值和特別情況。如果給以工具，材料，和時(shí)間，他們能直接證明可能性。即使在做探索性設(shè)計(jì)時(shí)，他們也可以找到可能的領(lǐng)域而避開限制。相反，科學(xué)家不能證明一個(gè)普遍理論——不可能性的一般論述本身就是一種普遍理論。沒有一個(gè)特殊的實(shí)驗(yàn)〔某時(shí)，某地〕可以證明某件事是不可能的〔任和時(shí)候，任何地方〕。任何數(shù)量的特殊實(shí)驗(yàn)也不可能證明。

盡管如此，普遍的科學(xué)規(guī)律確實(shí)描述了可能性的限制。雖然科學(xué)家不能證明普遍法那么，他們還是開展出了關(guān)于宇宙運(yùn)行的最好圖景。即使奇異的實(shí)驗(yàn)和精細(xì)的數(shù)學(xué)再一次改變了我們的物理概念，也不會(huì)改變多少工程上的限制。相對論并不影響汽車的設(shè)計(jì)。

最終限制的存在并不意味著它們會(huì)限制住我們，雖然很多人認(rèn)為限制將很快使開展停止，這種想法是簡單化的，沒有考慮到開展將會(huì)帶來的前所未知的進(jìn)步。其他的人模糊地認(rèn)為增長是無限的——這種看法用完全不可知模糊了未來的圖景。

搞不清科學(xué)和技術(shù)的區(qū)別的人也會(huì)搞不清限制在哪里，軟件工程師MarkS.Miller指出，他們認(rèn)為新知識通常意味著新的解決方法，一些人甚至認(rèn)為如果我們知道了每件事我們就能做任何事。技術(shù)進(jìn)步確實(shí)帶來新的方法，開放了新的可能性。但是根底科學(xué)的進(jìn)步只是重新劃定了最終的界限，這常常意味著新的不可能性。例如，愛因斯坦的發(fā)現(xiàn)，說明了沒有什么東西能超過光速。

真空的結(jié)構(gòu)

光速真的是極限嗎？人們曾經(jīng)談?wù)摗耙粽熄?，就是說飛機(jī)在超越音速時(shí)會(huì)遇到巨大的阻礙。然而在1947年，愛德華空軍基地，查克.耶戈?duì)栆砸粋€(gè)音爆劃破了十月的天空。今天，人們談?wù)摗肮庹熄?，并想知道它是否也?huì)被突破。

不幸地，對科幻作家來說，這種類比是淺薄的。沒有人認(rèn)為音速是一個(gè)真正的物理限制。流星和子彈天天都在超過它，甚至抽一個(gè)響鞭也能突破“音障〞。但是沒有人看見超過光速的東西。在射電望遠(yuǎn)鏡看起來一些遙遠(yuǎn)的點(diǎn)似乎移動(dòng)速度超過光速，但是簡單的透視理論就可以解釋這點(diǎn)。某種假設(shè)的被稱為“超光速粒子〞的微粒能超光速，如果它們存在的話——但是沒有人發(fā)現(xiàn)過它，現(xiàn)有理論也沒有預(yù)言它。實(shí)驗(yàn)者可以把光子加速到光速的99.9995%，結(jié)論和愛因斯坦的預(yù)言完美地吻合。當(dāng)更加加速時(shí)，粒子的速度緩慢地接近光速，而它的能量〔質(zhì)量〕趨近于無限大。

在地球上，人們可以步行或航行到某個(gè)地方，而沒有任何神秘的邊緣或障礙阻止他們到達(dá)目的地，因?yàn)榈厍蚴菆A的。在太空中的速度的限制不再意味著“光障〞，象地球上距離的限制意味著一堵墻那樣。空間本身——真空承載著所有的能量和物質(zhì)——具有屬性。屬性之一是幾何尺度，時(shí)間可以被看作一個(gè)特殊的維。幾何尺度使得光速在飛船加速時(shí)后退，就象地平線在海船航行時(shí)不斷后退一樣：光速，象地平線一樣，在所有方向都是一樣的。但是類推在這里終止了——這種相似沒有涉及到空間的彎曲。我們只要了解速度的極限不是簡單的一個(gè)可突破的“光障〞。物體可以不斷加速，但是不能快過光速。

人們長期夢想著控制引力。在1962年版的對未來的預(yù)測中，阿瑟.克拉克寫道：“在所有的力中，引力是最神秘的和最難馴服的，〞然后他提議我們將來要建造方便的引力控制裝置。引力真的這么神秘嗎？在廣義相對論中，愛因斯坦把引力描述成真空的時(shí)空結(jié)構(gòu)的彎曲。數(shù)學(xué)家優(yōu)雅而精確地描述了它，并且得出的結(jié)果與所有檢驗(yàn)都吻合。

引力不比其它的力更難馴服。沒有人能讓一塊大石頭失去重力，但是也沒有人能讓一個(gè)電子失去電荷或者讓電流失去它的磁場。我們通過移動(dòng)帶電粒子來控制電荷和磁場。我們也能用類似的方法來控制引力場，通過移動(dòng)普通的物質(zhì)?？雌饋砦覀儧]有學(xué)到引力控制的秘密是因?yàn)槲覀円呀?jīng)掌握了它。

一個(gè)小孩用一塊磁鐵可以吸起一個(gè)釘子，使用磁場來抵抗地球的引力。但是不幸地，對于引力工程師來說，利用引力來舉起一個(gè)釘子需要巨大的質(zhì)量。你頭頂上的金星差不多能做這個(gè)工作——還得落到地上才行。

工程師通過在天線中激起電荷振蕩來產(chǎn)生電磁波。你可以通過搖動(dòng)一塊石頭來產(chǎn)生引力波，但是這樣產(chǎn)生的結(jié)果是很微弱的。雖然一個(gè)功率一千瓦的無線電發(fā)射站是很普通的，但是即使把太陽系內(nèi)所有的質(zhì)量都集中在一起振蕩也不能發(fā)出一千瓦的引力波。

我們很了解萬有引力，當(dāng)我們造比月亮輕得多的機(jī)器時(shí)它通常不是很有用。但是利用巨大質(zhì)量的裝置確實(shí)可以工作。水利大壩就是某種重力機(jī)器的一局部〔地球是另外一局部〕，它從下落的質(zhì)量中獲取能量。使用黑洞的機(jī)器將能從下落的質(zhì)量中獲取50%的能量，基于E=mc2，把一桶水丟入黑洞產(chǎn)生的能量相當(dāng)于把幾萬億桶水從一個(gè)一千米高的大壩上倒下去產(chǎn)生的能量。

因?yàn)橐碚撁枋隽苏婵帐侨绾螐澢?，所以它們也被用科幻語言描述成“時(shí)空彎曲〞?？雌饋韽目臻g一點(diǎn)到另一點(diǎn)的“隧道〞是不穩(wěn)定的，即使它們在宇宙開始時(shí)就存在，這使得宇宙飛船很難通過走捷徑來超過光速到達(dá)遙遠(yuǎn)的地方，而這一旅行的限制也會(huì)變成增長的限制。

愛因斯坦的理論似乎精確地描述了真空的全部幾何特性。如果是這樣的話，那限制的結(jié)果是不可防止的：你幾乎可以擺脫任何事，但是卻不能擺脫真空。

其它的定律和限制似乎因?yàn)橥瑯拥睦碛墒遣豢煞乐沟?。?shí)際上，物理學(xué)家日益傾向于用空間結(jié)構(gòu)來看待所有的物理定律。引力波是某種真空中的漣漪，黑洞是某種結(jié)。同樣地，無線電波是真空中的另一種漣漪，根本粒子是其他的，更不同的一種結(jié)〔在某些理論中是微小的，振動(dòng)的弦〕。從這點(diǎn)來看，在宇宙中只有一種物質(zhì)——真空——但是它有多種表現(xiàn)形式，包括那些我們稱為“固體物質(zhì)〞的粒子點(diǎn)陣。這種看法暗示了自然法那么的不可防止的性質(zhì)。如果宇宙由一種簡單物質(zhì)填充，那么它的性質(zhì)就限制了我們能做的事情。

現(xiàn)代物理學(xué)的不可思議，使得很多人不相信它。量子力學(xué)和相對論的革命給我們帶來了“不確定性原理〞，“物質(zhì)的波性質(zhì)〞，“質(zhì)能轉(zhuǎn)化〞和“彎曲時(shí)空〞等概念。自相矛盾圍繞著這些概念和物理學(xué)本身。新技術(shù)使我們感到不尋常是可以理解的，但是為何古老的，永恒的自然規(guī)律也會(huì)變得古怪和不尋常呢？

我們的大腦和語言進(jìn)化為可以處理比原子大得多的東西，動(dòng)作速度比光速慢很多，但是這是可以接受的，雖然人們花了幾個(gè)世紀(jì)的時(shí)間才學(xué)會(huì)描述石頭下落的運(yùn)動(dòng)。而我們現(xiàn)在獲得的知識遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了古代的感知世界。我們發(fā)現(xiàn)奇異的事物〔物質(zhì)波，彎曲空間〕——某些完全超出了我們的想象能力。但是“奇異〞并不意味著神秘和不可預(yù)知。數(shù)學(xué)和試驗(yàn)還起作用，使得科學(xué)家們可以改變和選擇理論，進(jìn)化它們以適應(yīng)特殊的事實(shí)。人類思維被證明是很靈巧的，但是我們也不總是能把不可見的事物形象化。

物理學(xué)看起來這么奇怪的局部理由是因?yàn)槿藗冏非笃娈悾⑶覙芬鈧鞑テ娈惖臄M子。一些人認(rèn)為世界是分層的并且是神秘的，很自然地，他們樂于傳播物質(zhì)是非實(shí)質(zhì)的，以及量子力學(xué)看起來是心理學(xué)的一個(gè)分支這種擬子。

相對論，揭示了物質(zhì)〔人們認(rèn)為他們已經(jīng)了解了的平坦而古老的東西〕實(shí)際上是能量〔會(huì)使某種事情發(fā)生的微妙的，神秘的東西〕。這促成了一種對宇宙的神秘的模糊的概念?？梢愿宄卣f相對論揭示了能量可以成為物質(zhì)的一種形態(tài)，能量具有質(zhì)量。確實(shí)，光帆就是按照這個(gè)理論工作的，因?yàn)橛形镔|(zhì)沖擊它的外表，光以粒子包的形式出現(xiàn)。

再考慮一下海森堡的不確定性原理，和相關(guān)的“觀測者會(huì)影響觀測〞的事實(shí)。不確定性原理是對普通物質(zhì)在原子級別上的固有本質(zhì)的數(shù)學(xué)描述，但是相關(guān)的“觀測者的影響〞卻被一些出版物描寫成意識的神奇作用。事實(shí)上，核心的觀點(diǎn)是很平常的。你可以想象觀察光束中的一個(gè)灰塵微粒：當(dāng)你觀察反射光時(shí)，當(dāng)然會(huì)影響它——你的眼睛吸收了它。同樣的，光線〔具有質(zhì)量〕也影響灰塵微粒：從灰塵上反彈，產(chǎn)生一個(gè)反作用力。結(jié)果不是你的思想影響了灰塵，而是光線作用于灰塵。雖然量子測量比這要精細(xì)的多，但是這與思維改變事實(shí)的說法毫不相關(guān)。

最后，考慮一下“孿生悖論〞，相對論預(yù)言，如果孿生兄弟的其中一個(gè)以接近光速的速度飛到其他星球并返回，那么他會(huì)比呆在家里的那個(gè)年輕。確實(shí)，精確的時(shí)鐘測量證明了在快速運(yùn)動(dòng)時(shí)時(shí)間會(huì)變慢。但這不是一個(gè)“悖論〞，而是一個(gè)簡單的客觀事實(shí)。

物理學(xué)將再一次被顛覆嗎？

在1894年杰出的物理學(xué)家邁克爾遜曾說：“物理學(xué)的最重要的根本規(guī)律和事實(shí)都已經(jīng)被發(fā)現(xiàn)了，并且被牢固地確定下來以至于它們被新的發(fā)現(xiàn)推翻的可能性是很小的……我們的將來的發(fā)現(xiàn)也只不過是在修正小數(shù)點(diǎn)后的第六位數(shù)字。〞

但是到了1895年，倫琴發(fā)現(xiàn)了x射線；1896年，貝克勒爾發(fā)現(xiàn)了放射能；1897年，湯姆遜發(fā)現(xiàn)了電子；1905年，愛因斯坦寫出了相對論的方程〔也解釋了邁克爾遜在1887年對光速的觀測〕。在1905年，愛因斯坦同時(shí)也提出了光量子理論；1911年，盧瑟福發(fā)現(xiàn)了原子核；1915年，愛因斯坦提出了廣義相對論方程；1924-30年間，德布羅意，海森堡，玻爾，泡利，和狄拉克創(chuàng)立了量子力學(xué)；在1929年，哈勃宣布發(fā)現(xiàn)了宇宙膨脹的證據(jù)；1931年，邁克爾遜去世。

邁克爾遜犯了一個(gè)令人難忘的錯(cuò)誤，人們一直記著他的話并得出結(jié)論，我們不應(yīng)該〔永遠(yuǎn)不？〕聲稱我們已經(jīng)確實(shí)理解了自然法那么或可能的限制。畢竟，邁克爾遜說的太肯定然而又錯(cuò)的太離譜了，我們難道不應(yīng)該害怕重犯他的錯(cuò)誤嗎？物理學(xué)的革命使得一些人得出結(jié)論說科學(xué)將不斷地帶來重大的驚奇——甚至對工程師來說也是重大的驚奇，但是我們又是否愿意再一次遭遇這種重大的劇變？

也許不愿意，量子力學(xué)的內(nèi)容是一個(gè)驚奇，而在它出現(xiàn)之前，物理學(xué)明顯地很不完善。在量子力學(xué)之前，你可以走向任何一個(gè)科學(xué)家，不懷好意地對著他笑，并敲著他的桌子問他：“這是由什么組成的？為什么它是棕色的和結(jié)實(shí)的，而空氣卻是透明的和氣態(tài)的？〞你的可憐的受害人可能會(huì)含模糊糊地答復(fù)一些關(guān)于原子和它們的排列的事情，但是當(dāng)你追問解釋時(shí)，最多只能得到這樣的答案：“誰知道呢？物理學(xué)現(xiàn)在還不能解釋物質(zhì)！〞做事后諸葛亮實(shí)在是很容易的，而在一個(gè)由物質(zhì)構(gòu)成的世界，居住著使用物質(zhì)工具的物質(zhì)的人，這樣的對物質(zhì)自然屬性的無知是應(yīng)該被邁克爾遜注意到的。這樣的知識的缺口不是“小數(shù)點(diǎn)以后第六位的〞，而是首要的。

我們也有必要注意到邁克爾遜說對的地方。他提到了牛頓的關(guān)于引力和運(yùn)動(dòng)的定律，和麥克斯韋的電磁定律，確實(shí)，在普通工程應(yīng)用條件下，這些定律僅僅在“小數(shù)點(diǎn)后第六位〞改變。愛因斯坦的關(guān)于引力和運(yùn)動(dòng)的方程在引力和速度極大時(shí)才與牛頓方程不相吻合；而費(fèi)曼，施溫格，和朝永振一郎寫出的量子電動(dòng)力學(xué)方程也和麥克斯韋的電磁方程很吻合，只在尺度和能量的極端條件下才例外。

未來的革命毫無疑問存在于這些理論的邊沿。但是那些邊沿看起來離我們生活的世界太遠(yuǎn)了。相對論和量子力學(xué)的革命改變了我們關(guān)于物質(zhì)和能量的看法，但是物質(zhì)和能量本身并沒有改變——它們是真實(shí)的并且根本不在乎我們的理論。物理學(xué)家現(xiàn)在用一整套定律來描述原子中的原子核和電子的相互作用，以及分子，分子機(jī)器，生命，行星，和恒星。這些定律還很不全面。對一個(gè)描述所有物理現(xiàn)象的統(tǒng)一理論的需求繼續(xù)存在。但是象物理學(xué)家斯蒂芬.霍金所說：“現(xiàn)在我們已經(jīng)擁有了許多局部定律描述所有的宇宙行為，但是要除掉那些極端條件下的情況。〞從一個(gè)工程師的標(biāo)準(zhǔn)來看，那些條件確實(shí)是格外的極端。

物理學(xué)家有規(guī)律地發(fā)布在極端高能粒子碰撞中發(fā)現(xiàn)的新粒子，但是你買不到裝在一個(gè)盒子里的這類粒子。認(rèn)識到這點(diǎn)是很重要的，因?yàn)槿绻粋€(gè)粒子不能被保存，它就不能作為一個(gè)穩(wěn)定的機(jī)器的部件。盒子和里面裝的東西都是由電子和原子核組成的，鉛原子有82個(gè)質(zhì)子和超過100個(gè)中子，單獨(dú)的中子在幾分鐘后就會(huì)分解。一些其它的穩(wěn)定粒子我們已經(jīng)知道：光子——光的粒子——是很有用的并且能被暫時(shí)捕捉；中微子幾乎不能被探測和捕捉到。這些粒子〔除了光子〕都具有相匹配的反粒子。所有其它的粒子都在百萬分之一秒之內(nèi)分解。因此，能作硬件磚塊的只有電子和原子核〔或它們的反粒子，在特殊的孤立的應(yīng)用中〕，這些磚塊通常結(jié)合在一起形成原子和分子。

不管現(xiàn)代物理學(xué)的威力有多大，我們的知識還是有明顯的漏洞。根本粒子理論的不穩(wěn)定使得一些限制也不確定。我們可以發(fā)現(xiàn)新的穩(wěn)定的，“可盒裝的〞粒子，例如磁單極子或自由夸克，如果這樣的話，它們無疑將會(huì)得到應(yīng)用。我們甚至能發(fā)現(xiàn)一個(gè)新的長程場或某種輻射，雖然這看起來日益不可能了。最后，一些新的合成粒子的方法可以增強(qiáng)我們轉(zhuǎn)換一種粒子到另外一種粒子的能力。

但是通常來說，復(fù)雜的硬件將需要復(fù)雜的、穩(wěn)定的粒子陣列。除了塌縮的恒星環(huán)境以外，這意味著能被相對論量子力學(xué)很好的描述的原子的圖案。物理學(xué)的前沿在向前推進(jìn)。在理論水平上，物理學(xué)家尋找一個(gè)統(tǒng)一的關(guān)于所有粒子間作用的理論，包括那些極短命的粒子。在實(shí)驗(yàn)水平上，他們研究粒子加速器轟擊產(chǎn)生的亞原子碎片的圖像。只要沒有新的，穩(wěn)定的，和有用的粒子在轟擊中產(chǎn)生——或者找到過去宇宙劇變產(chǎn)生的殘跡——原子將仍是制造穩(wěn)定的硬件的唯一磚塊。工程學(xué)將仍是一個(gè)用部件和規(guī)那么搭積木的游戲。新的粒子只是增加部件，而不破壞規(guī)那么。

硬件的極限

分子機(jī)器真的是小型化道路的終點(diǎn)嗎？分子機(jī)器可能是邁向向更小的“核機(jī)器〞的過程中的一步的想法可能更自然一些。一個(gè)年輕人〔哥倫比亞大學(xué)的經(jīng)濟(jì)學(xué)學(xué)生〕聽說了分子技術(shù)和它操縱原子的能力后，馬上得出結(jié)論說分子技術(shù)幾乎可以做任何事，甚至可以把落下來的原子彈在一定距離上就分解成無害的鉛塊。

分子技術(shù)不能做這樣的事情。把钚變成鉛〔無論是近還是遠(yuǎn)〕超過了分子機(jī)器的能力就象煉金術(shù)士的化學(xué)不能把鉛變成金子一樣。分子力幾乎不能對核子產(chǎn)生任何影響。原子核集中了99.9%的原子質(zhì)量，而只占1/1,000,000,000,000,000的體積。與原子核相比，原子的其余局部〔電子云〕比氣狀的絨毛還輕，想用分子來改變原子核就象用棉花糖在鋼制滾珠軸承上晃動(dòng)一樣無效果。分子技術(shù)可以區(qū)別和重排原子，但是不能接觸到原子核改變原子的類型。

納米機(jī)器對建造原子核級別的機(jī)器毫無幫助，但是那樣的機(jī)器能存在嗎？顯然不能，至少在實(shí)驗(yàn)室條件下是如此。機(jī)器必須有許多緊密連接的部件，而被打包的核子互相之間極度抵抗。當(dāng)投放在廣島的原子彈爆炸時(shí)，大局部能量來自于核分裂時(shí)的猛烈的靜電排斥。眾所周知的核聚變的困難也是源于這種核排斥。

除了分裂和融合，核子也能被用來發(fā)射或吸收各種輻射。在一種技術(shù)中，它們被旋轉(zhuǎn)來產(chǎn)生有用的信息，使得醫(yī)生可以得到核磁共振的圖像。但是所有這些現(xiàn)象都僅僅依賴于別離的核子的特性。孤立的核子太簡單以至于不能象機(jī)器或電路那樣工作。核子可以被力聚合到一起，但是只有在恒星塌縮時(shí)才能產(chǎn)生如此大的壓力，在那種情況下干工程是很困難的，即使在我們能掌握塌縮恒星的時(shí)候。

這使我們轉(zhuǎn)向根本問題，我們能正確安排原子的時(shí)候可以做什么？一些限制看來已經(jīng)清楚了。最結(jié)實(shí)的材料將比現(xiàn)在的強(qiáng)度最高的鋼材還要高十倍〔最結(jié)實(shí)的制造電纜的材料看來是一種碳的直鏈〕。看起來熱振動(dòng)，在常壓下，將在4000攝氏度左右融化最難熔的固體〔大約比太陽外表溫度低1500度〕。

這些物質(zhì)的原始屬性——強(qiáng)度和熱阻抗——不能通過復(fù)雜的、靈巧的原子排列來得到顯著改善，最好的排列方式很可能是相當(dāng)簡單的和規(guī)那么的。其他相當(dāng)簡單的目標(biāo)包括能導(dǎo)熱，絕熱，導(dǎo)電，絕緣，發(fā)光，反光以及吸收光線等。

在某些目標(biāo)上追求完美將能得到簡單的設(shè)計(jì)，在另外的目標(biāo)上，將可能導(dǎo)致無法解決的問題。設(shè)計(jì)計(jì)算機(jī)中最好的開關(guān)元件可能很容易，但是設(shè)計(jì)最好的計(jì)算機(jī)將是非常復(fù)雜的。確實(shí)，我們認(rèn)為的“最好的可能性〞依賴于很多因素，包括物質(zhì)，能量和時(shí)間的消耗——和我們?nèi)魏我?jì)算的東西。在很多工程工程中，我們稱作“較好〞的定義受限于很多不確定因素，包括定義錯(cuò)誤和不斷改變的人類需求。還有，即使“較好〞已被明確定義，為追求完美所付出的代價(jià)也是不值得的。但是，當(dāng)我們考慮限制是否確確實(shí)實(shí)存在時(shí)，我們可以忽略所有的這些關(guān)于復(fù)雜性和設(shè)計(jì)花費(fèi)的問題。

為了定義極限，你必須選擇一個(gè)方向，一個(gè)品質(zhì)的衡量范圍。在定義成“較好〞的方向上，肯定有一個(gè)最好的。原子的排列決定了硬件的特性，按照量子力學(xué)，可能的原子排列方式是有限的——雖然是天文數(shù)字，但還是有限的。也就是說是可計(jì)算的，給定一個(gè)明確的目標(biāo)，某些排列就會(huì)是最好的，或者組合起來是最好的。在國際象棋中，有限的棋子個(gè)數(shù)和空間限制了組合和可能性。但在象棋和工程中，在這些限制之下的各種變化的可能性仍然是無窮無盡的。

僅僅知道物質(zhì)的根本法那么是不能了解所有的極限所在的。我們?nèi)员仨毭鎸υO(shè)計(jì)的復(fù)雜性。我們的對限制的了解還很不夠：“我們只知道限制在這里〔不遠(yuǎn)的地方〕和那里〔地平線上的某點(diǎn)〕之間〞組裝機(jī)將翻開通向極限的道路，無論它們在哪里，而自開工程系統(tǒng)將加速在這條路上的進(jìn)步。絕對的最好將一直是不確定的，但終點(diǎn)會(huì)被無限地接近。

當(dāng)我們接近真正的極限時(shí)，我們的能力將在更多的技術(shù)領(lǐng)域內(nèi)停止增長。這些領(lǐng)域內(nèi)的進(jìn)步將不僅停止十年或一個(gè)世紀(jì)，而是永遠(yuǎn)。

一些人會(huì)回避“永遠(yuǎn)〞這個(gè)詞，會(huì)想“在一千年內(nèi)沒有進(jìn)步？那么一百萬年呢？這聽起來太夸張了。〞但是當(dāng)我們到達(dá)真正的物理極限，我們將不能再前進(jìn)一步。游戲的規(guī)那么建立于真空的構(gòu)成中，存在于宇宙的構(gòu)成中。沒有任何原子的重排方式，粒子的轟擊，或者立法，或者圣歌，或者跺腳，能移動(dòng)自然的極限哪怕一點(diǎn)點(diǎn)。今天我們可能會(huì)誤判極限的所在，但是無論自然的極限在哪里，它都會(huì)一直存在下去。

這種對自然法那么的看法顯示了事物的質(zhì)的方面的限制，但是我們也面對著量的限制，這種限制不僅由自然法那么規(guī)定而且也被我們發(fā)現(xiàn)的物質(zhì)與能量在宇宙中的分布所決定。?增長的極限?的作者，象其他的很多人一樣，試圖描述這些限制，而不是首先檢驗(yàn)技術(shù)的限制。這產(chǎn)生了容易令人誤解的結(jié)果。

熵：能量使用的極限

近來，一些作者描述了浪費(fèi)的熱能和無序的累積會(huì)成為人類的活動(dòng)的最終限制。在?荒年——缺乏的時(shí)代的對策?中，RichardBarnet寫道：

“具有挖苦意味的是，對于極限的重新發(fā)現(xiàn)與兩個(gè)人類歷史上最大膽的技術(shù)創(chuàng)舉有關(guān)。一個(gè)是基因工程，閃現(xiàn)了形成生命的根本材料的能力；另一個(gè)是太空移民。這些突破刺激了對權(quán)力的夢想，但是它們沒有打破生態(tài)的約束，象熱力學(xué)第二定律描述的：消耗更多的能量會(huì)產(chǎn)生更多的熱量，它們不會(huì)消失，而必須被看成永久的能量消耗。由于熱量積累會(huì)引起生態(tài)災(zāi)難，所以這些代價(jià)會(huì)限制人類的太空冒險(xiǎn)，象在地球上一樣。〞

JeremyRifkin〔和TedHoward〕寫了一整本書描述熱力學(xué)的限制和人類的未來，名字叫?熵：新的世界觀?。

熵是一個(gè)對熱運(yùn)動(dòng)和無序的科學(xué)的測量單位。在運(yùn)動(dòng)消耗有用的能量時(shí)，它們也產(chǎn)生熵，因此世界的熵穩(wěn)定而不可逆地增加。最終，有用能量的消耗將摧毀生命的根底。正如Rifkin所說，這個(gè)觀點(diǎn)令人壓抑而不能接受，但是他說我們應(yīng)該面對熵、人類和地球的可怕現(xiàn)實(shí)。但是這些現(xiàn)實(shí)真的那么可怕嗎？

Barnet認(rèn)為熱量積累是一種永久的能量消耗，限制了人類活動(dòng)。Rifkin認(rèn)為“污染是世界上所有被轉(zhuǎn)化成不可用能量的可用能量的總和〞。這種不可用能量主要是低溫的廢熱，就象那種使電視變熱的能量。但是熱量真的會(huì)積累，象Barnet所擔(dān)憂的那樣嗎？如果是的話，地球就會(huì)穩(wěn)定地變熱，一分鐘一分鐘，一年又一年地，我們現(xiàn)在就會(huì)被烘烤著，如果我們的祖先在世時(shí)沒有被凍成固體的話。反過來說，大陸會(huì)在晚上變冷，在冬天會(huì)更冷，在冰川時(shí)代，整個(gè)地球都會(huì)凍成冰塊。

Rifkin走到了另一個(gè)極端。他說“組成地球外殼的陸地物質(zhì)被經(jīng)常消耗。山丘和表層土每時(shí)每刻都被磨損和吹走。〞Rifkin所說的“吹走〞并不意味著吹到太空或吹得不存在了，他的意思是山丘的原子變得和別的原子混在一起了。而這一過程，他說，意味著我們的消滅。原子的混亂使它們成為“無用的物質(zhì)〞，由此產(chǎn)生了“熱力學(xué)第四定律〞，由經(jīng)濟(jì)學(xué)家NicholasGeorgescu-Roegen提出：“在封閉系統(tǒng)內(nèi)，物質(zhì)的熵最終會(huì)到達(dá)最大值，〞或〔相等地〕“無用物質(zhì)不能被重復(fù)利用，〞Rifkin宣稱地球是一個(gè)封閉系統(tǒng)，和周圍的環(huán)境交換能量而不是物質(zhì)，因此“地球上的熵持續(xù)增加，最終會(huì)到達(dá)一個(gè)最大值，〞使得地球上的生命顫抖和死亡。

一個(gè)真正嚴(yán)酷的現(xiàn)實(shí)是——地球已經(jīng)退化了幾十億年，所以終點(diǎn)很可能已經(jīng)很接近了。

但是這些是真的嗎？生命的進(jìn)化過程，給地球帶來了更多的有序，而不是更少。礦石的形成也是一樣道理。地球退化的觀點(diǎn)是奇特的〔而Rifkin認(rèn)為進(jìn)化是空談〕。除此之外，由于物質(zhì)和能量本質(zhì)上是一回事，為什么一個(gè)合理的法那么會(huì)挑出一個(gè)叫“物質(zhì)熵〞的概念并把它放在首位呢？

Rifkin把一瓶放在房間里的香水散發(fā)出的香氣作為“消散的物質(zhì)〞、物質(zhì)熵增加的實(shí)例——物質(zhì)變得“難以獲得〞。鹽在水里融化也同樣能作為例子。我們可以想象一下一個(gè)驗(yàn)證“熱力學(xué)第四定律〞的鹽水瓶實(shí)驗(yàn)：

想象瓶子底部有一道棱，把它分成兩個(gè)池子，在一邊放鹽，在另一邊放水。一個(gè)軟木塞塞在瓶頸上：這使得系統(tǒng)成為封閉的，符合所謂的熱力學(xué)第四定律的條件。瓶子的內(nèi)部處于有組織的狀態(tài)：物質(zhì)熵還不是最大值。

現(xiàn)在，拾起瓶子并搖晃它，使水進(jìn)入鹽池，溶化鹽，熵在增加——越變越亂！在這個(gè)封閉系統(tǒng)內(nèi)，“熱力學(xué)第四定律〞說物質(zhì)熵會(huì)持久增加。Rifkin的所有關(guān)于地球熵增加的理論都依賴于這條定律。

為了證實(shí)Rifkin的新世界觀的根底，傾斜瓶子，把鹽水都傾到一邊的池子中，這應(yīng)該沒什么不妥，因?yàn)橄到y(tǒng)保持封閉狀態(tài)?，F(xiàn)在把瓶子重新直立起來，把有鹽水的池子朝向陽光，而空池子在陰影中。光線射入，熱量散出，系統(tǒng)象地球那樣保持封閉。但是，看——太陽光蒸發(fā)掉了水，它們在陰暗處重新凝結(jié)！淡水慢慢充滿了空的池子，留下鹽在原來的池子里。

Rifkin自己說“在科學(xué)里，只要有一個(gè)確定的例外就足以證偽一條定律。〞這個(gè)思想實(shí)驗(yàn)，顯示了自然的鹽沉淀是如何在地球上形成的，同時(shí)證偽了他整本書的根底定律。植物也一樣，陽光從太空帶來了能量，熱量返回太空帶走了熵〔只有一種〕。因此，熵在一個(gè)封閉系統(tǒng)內(nèi)可以減少，花朵可以在地球上年年盛開。

但Rifkin說的這句話是對的：“在孤立的時(shí)間和空間中逆轉(zhuǎn)熵的過程是可能的，但要通過消耗能量來完成，因此環(huán)境的總熵是增加的。〞而Rifkin和Barnet都犯了同一個(gè)錯(cuò)誤：當(dāng)他們寫環(huán)境時(shí)，暗示著在地球上——但是這條定律把環(huán)境看成一個(gè)整體，也就是宇宙本身。因此，Rifkin和Barnet都忽略了太陽光和黑暗寒冷的太空。

按Rifkin的說法，他的觀點(diǎn)摧毀了歷史在進(jìn)步的概念，超越了現(xiàn)代世界觀。他要求大家奉獻(xiàn)，說“沒有任何第三世界的國家有希望到達(dá)美國的物質(zhì)富裕程度。〞他擔(dān)憂恐慌和流血的發(fā)生。Rifkin最后結(jié)束時(shí)說道：“熵的定律答復(fù)了歷史上存在過的每個(gè)文化都關(guān)注的這個(gè)中心問題，即：人類在這個(gè)世界上應(yīng)該怎么做才對？〞他答復(fù)：“最終的道德標(biāo)準(zhǔn)是，盡可能少地消耗能量。〞

這似乎意味著我們必須保存盡可能多的能量，杜絕浪費(fèi)。但是我們身邊最大的能量浪費(fèi)者是什么？什么，是太陽！當(dāng)然——它消耗能量的速度比我們?nèi)祟惪鞄兹f億倍。要是當(dāng)真的話，Rifkin的最終的道德標(biāo)準(zhǔn)將是：“消滅太陽！〞

這種愚蠢的推論可以推翻Rifkin的論點(diǎn)。他和很多其他的持同樣觀點(diǎn)的人都有點(diǎn)前哥白尼時(shí)代的人的自大的味道：他們假設(shè)地球是整個(gè)世界并且不管人類做什么都是宇宙中最重要的事。

當(dāng)然，存在一個(gè)真正的熵定律：熱力學(xué)第二定律。不象那個(gè)假的“第四定律〞，它寫在課本上并被工程師們使用。它將確實(shí)限制我們所能做的事。人類活動(dòng)將產(chǎn)生熱量，地球散熱能力的有限也限制了基于地球的工業(yè)活動(dòng)的總量。同樣的，我們的星際飛船上也需要散熱板。最后，熵定律將——在時(shí)間的很遠(yuǎn)的終點(diǎn)——使宇宙塌縮，象我們知道的那樣，限制生命本身的期限。

為什么要批評Rifkin的熵呢？很簡單，因?yàn)楝F(xiàn)代的信息系統(tǒng)常常使已死亡的觀念復(fù)活。通過鼓勵(lì)錯(cuò)誤的希望，錯(cuò)誤的恐懼，和誤導(dǎo)行動(dòng)，這些觀念會(huì)浪費(fèi)那些關(guān)心世界長期開展的人的努力。

在Rifkin的書的封底上題寫贊美之詞〔“一項(xiàng)令人鼓舞的工作〞“光輝的工作〞“震撼全球〞“應(yīng)該牢記于心〞〕的人中，有一個(gè)普林斯頓大學(xué)的教授，一位脫口秀的主持人，和兩個(gè)美國參議員。一個(gè)MIT的研討會(huì)〔“有限的地球——關(guān)于可供養(yǎng)的未來的世界觀〞〕以Rifkin的書作為號召。

所有的研討會(huì)發(fā)起人都來自于非技術(shù)部門，大局部參議員在我們這個(gè)技術(shù)社會(huì)中卻缺乏技術(shù)訓(xùn)練，很多教授和脫口秀主持人也一樣。Georgescu-Roegen，創(chuàng)造“熱力學(xué)第四定律〞的那位，在很大范圍內(nèi)得到支持——作為一個(gè)社會(huì)科學(xué)家。

熵的威脅是一個(gè)炫耀式的胡扯，而它的創(chuàng)造者和支持者還沒有被嘲笑聲趕下舞臺。想象成千的，成百萬的類似的歪曲——有些是謹(jǐn)慎的，有些是無恥的，但是都扭曲了群眾對世界的理解?，F(xiàn)在想象一群民主國家在展望加速的技術(shù)革命的時(shí)代的時(shí)候被這些擬子侵襲的景象吧。我們有了一個(gè)真正的問題。要使我們的生存更加可能，我們將需要更好的方法除掉擬子中的雜草，并為了解增長的呼聲提供空間。在第13章和14章我將提出兩個(gè)建議解決這個(gè)問題。

資源的限制

自然法那么限制了技術(shù)的質(zhì)和量，但是在這些法那么的框架之下我們可以用自復(fù)制組裝機(jī)生產(chǎn)超級太空船，用它們，我們可以開發(fā)更深更廣闊的空間。

今天地球開始顯得小了，引起我們對耗盡它的資源的擔(dān)憂。但是我們總共消耗的能量只有太陽照到地球上的1/10,000。我們不用如此擔(dān)憂這種能源供應(yīng)，而更應(yīng)該擔(dān)憂便于利用的石油和天然氣資源的消耗；我們的礦場在地球上挖的到處都是；我們對資源的絕對數(shù)量一點(diǎn)也不關(guān)心，而只關(guān)心它們的使用價(jià)值。地球?qū)⒛苤我粋€(gè)我們從來沒見過的巨大和富有的文明，而只受到比我們現(xiàn)在造成的還要小的傷害。地球的潛力使得我們現(xiàn)在使用的資源相比之下顯得無足輕重。

而地球也只不過是一個(gè)小點(diǎn)而已，行星形成時(shí)遺留下來的碎片可以組成比地球大陸大一千倍的原料基地，太陽發(fā)送到整個(gè)太陽系的能量比它照到地球上的多十億倍。太陽系的資源是巨大的，使得地球上的資源顯得無足輕重。

而太陽系也只不過是一個(gè)小點(diǎn)而已，充滿夜空的星星都是太陽，人眼能看到的都是離得近的。我們的銀河系里面有上千億的太陽，其中很多把它們的能量傾瀉到毫無生機(jī)的行星上，等待生命的到來。我們的銀河系的資源使得太陽系的資源顯得無足輕重。

而銀河系也只不過是一個(gè)小點(diǎn)而已，遙遠(yuǎn)的光線顯示了在我們的銀河系之外還有很多其他的星系。目前可見的宇宙含有上千億的星系，其中每一個(gè)都含有幾十億顆太陽?？梢姷挠钪娴馁Y源使我們的銀河系的資源顯得無足輕重。

我們將會(huì)到達(dá)知識的極限，如果不是資源的極限的話。太陽系似乎足以解決地球的限制——如果宇宙的其他局部沒有別人占有的話，我們開拓的前景是超出想象的。這是否意味著可復(fù)制組裝機(jī)和廉價(jià)的星際旅行將結(jié)束我們的資源困擾？

在某種意義上，開放的空間將打破對我們增長的限制，因?yàn)槲覀儾恢烙钪娴倪吘?。然而，從根本上來說，馬爾薩斯是對的。

馬爾薩斯

在他的1798年的論述人口理論的文章中，托馬斯.羅伯特.馬爾薩斯，一個(gè)英國牧師，提出了成為現(xiàn)在所有增長限制理論的鼻祖的觀點(diǎn)。他注意到人口的自由增長會(huì)周期性地翻倍，因此是指數(shù)性增長。這很有意義：由于所有的生物都是從一個(gè)成功的復(fù)制機(jī)祖先開展而來的，只要有時(shí)機(jī)它們就會(huì)復(fù)制。為了證明，馬爾薩斯假設(shè)資源——食物供應(yīng)——可以每年增長一個(gè)固定數(shù)量〔稱為線性增長，因?yàn)樗嬙趫D上是一條直線〕。計(jì)算說明任何固定的指數(shù)式增長最終都會(huì)超過固定的線性增長，馬爾薩斯得出結(jié)論說人口增長，如果不加限制的話，最終會(huì)超過食物的增長。

從那時(shí)到現(xiàn)在，很多作者都一再地對他的觀點(diǎn)進(jìn)行發(fā)揮，例如?人口炸彈?和?饑荒-1975！?。但是食物增長和人口增長的步調(diào)是保持一致的，在非洲以外的地方，甚至還超過一些。馬爾薩斯錯(cuò)了嗎？

根本上沒錯(cuò)：他主要是錯(cuò)在時(shí)間和細(xì)節(jié)上。地球上的增長確實(shí)面對極限，因?yàn)榈厍蛏系目臻g有限，不管是對農(nóng)業(yè)來說還是對其他任何事情來說。馬爾薩斯對限制到來的預(yù)言沒有成功是因?yàn)樗麤]有預(yù)見到在農(nóng)具，農(nóng)作物遺傳學(xué)，和肥料方面的突破。

一些人現(xiàn)在注意到指數(shù)式增長將過度消耗地球上的固定資源，一種馬爾薩斯論點(diǎn)的簡單形式。雖然空間技術(shù)將突破這一限制，但它也不能突破所有的限制。即使宇宙無限大，我們還是不能用無限的速度航行。自然的法那么將限制增長率：地球生命的擴(kuò)展速度將不會(huì)超過光速。

穩(wěn)定的開展將帶來新的資源，其增長率將和我們向更深更遠(yuǎn)的太空開展的速率一樣。這將不是線性的增長，而是成立方倍的增長。但馬爾薩斯本質(zhì)上還是對的：指數(shù)增長還是會(huì)很容易地超過立方冪增長像它超過線性增長一樣。計(jì)算說明不受控制的人口增長，不管人們的壽命長不長，都將在最多一到兩千年內(nèi)超過可利用資源的消耗。無限的指數(shù)增長永遠(yuǎn)是個(gè)夢，即使在太空中。

有人會(huì)阻礙我們嗎？

其他的文明已經(jīng)占有宇宙的資源了嗎？如果這樣，他們就會(huì)顯示出增長的極限所在。關(guān)于進(jìn)化和技術(shù)限制的事實(shí)將對解決這個(gè)問題有幫助。

由于很多類太陽系的恒星系統(tǒng)比我們的太陽系早數(shù)億年就有了，所以一些文明〔如果確實(shí)存在〕應(yīng)該比我們的要領(lǐng)先數(shù)億年。我們可以想象一些文明會(huì)做我們所做的所有事情：盡可能地?cái)U(kuò)展。地球是綠色的，不僅在海洋，也在海岸，丘陵和高山上。綠色植物現(xiàn)在已經(jīng)擴(kuò)展到了空間站上。如果我們成功，地球上的植物將擴(kuò)展到別的星球上。生物盡可能遠(yuǎn)地?cái)U(kuò)展，然后更遠(yuǎn)。一些會(huì)失敗，死亡，而成功者生存下來并更遠(yuǎn)地?cái)U(kuò)展。移民者駛往美洲，航行或者淹死，登陸或者餓死，但幸存者建立了新的國家。每個(gè)地方的生物都會(huì)感到馬爾薩斯描述過的壓力，因?yàn)樗鼈円獮榱松娑M(jìn)化和為相同目的擴(kuò)張自己的基因和擬子〔擬子〕。如果地球之外的文明存在，即使只有一小局部和地球上的生命行為一樣，那么他們現(xiàn)在應(yīng)該已經(jīng)擴(kuò)展到橫跨整個(gè)太空了。

象我們一樣，他們也會(huì)嘗試進(jìn)化技術(shù)以接近自然法那么的極限。他們將學(xué)習(xí)如何用接近光速的速度旅行，競爭和好奇心會(huì)驅(qū)使他們這樣做。確實(shí)，只有高度組織的，高度穩(wěn)定的社會(huì)才能緩解競爭的壓力，防止接近光速時(shí)產(chǎn)生的爆發(fā)。到現(xiàn)在為止，在幾億年之后，即使很分散的文明也能擴(kuò)展得足以互相接觸了，開始劃分他們周圍的空間。

如果這些文明確實(shí)到處都有，他們必然顯示了很大的克制和很好地隱藏了自己。他們可能已經(jīng)控制了整個(gè)星系數(shù)百萬年了，并面對著宇宙尺度上的增長的極限。當(dāng)一個(gè)先進(jìn)的文明面對生態(tài)限制的時(shí)候，它將既不會(huì)浪費(fèi)物質(zhì)也不會(huì)浪費(fèi)能量。而我們觀察各個(gè)方向的星系時(shí)，都能看見浪費(fèi)：星系的螺旋臂由浪費(fèi)的物質(zhì)構(gòu)成，背景里都是浪費(fèi)的星光。

如果這種先進(jìn)文明存在，我們的太陽系會(huì)成為其中之一的一塊領(lǐng)地，如果這樣，主動(dòng)權(quán)就在他們手里——我們不能威脅他們，而他們可以隨意研究我們，不管我們合不合作。敏感的人可以聽到他們的要求。但是如果他們存在，他們很可能隱藏了他們自己——并保持著他們的秘密。

人類在可見宇宙中是唯一存在的觀點(diǎn)是和我們對宇宙的觀測和對生命起源的認(rèn)識一致的。不需要用害羞的外星人來解釋這個(gè)事實(shí)。有些人會(huì)說因?yàn)橛羞@么多恒星，所以應(yīng)該有其他文明存在。但是在可見宇宙中的恒星數(shù)量還是少于一杯水中的分子數(shù)。就像一杯水不必包含所有可能的化學(xué)物質(zhì)〔即使是化工廠的水〕一樣，其他星系也不必非得承載文明。

我們知道競爭的復(fù)制時(shí)機(jī)朝它們的生態(tài)極限開展，而宇宙中卻到處存在資源浪費(fèi)。我們沒有接觸到任何外星使節(jié)。如果他們確實(shí)不存在，我們就不必在我們的方案中考慮他們；如果他們確實(shí)存在，他們就會(huì)支配我們的方案，為他們的不可了解的目的效勞，因此我們也就不可能為可能發(fā)生的事情做準(zhǔn)備。因此到現(xiàn)在為止，也許直到永遠(yuǎn)，我們都可以為自己的未來作方案而不必考慮可能會(huì)被其他文明所限制。

與限制一起增長

不管是否有別人在那兒或不在，我們都將走自己的路。太空在等待著我們，那里光禿禿的巖石和陽光與我們地球上幾十億年前生命出現(xiàn)之前的情況一樣，我們的工程師正在進(jìn)化擬子〔擬子〕幫助我們建造太空船和太空殖民地：我們將移民到太陽系中適合居住的地方。在我們富饒的太陽系之外還有彗星——一團(tuán)巨大的云狀物質(zhì)，飛到星際空間時(shí)變薄，接近并環(huán)繞其他星系時(shí)又再一次變厚，而在那里一個(gè)全新的太陽和巖石系統(tǒng)正等待著生命的觸摸。

雖然無限的指數(shù)式增長是一個(gè)夢，但是生命和文明的擴(kuò)張卻不會(huì)面對固定的邊界。擴(kuò)展會(huì)繼續(xù)下去，如果我們存活的話，因?yàn)槲覀兪巧到y(tǒng)的一局部，而生命趨向于擴(kuò)展。先驅(qū)