命运的嘲弄
与此同时,数字宇宙和氢弹也先后诞生。弗朗索瓦丝·乌拉姆评价说:“今天世界上许多高科技成果的出现,包括太空、生物和医学上的非凡成就,都是因为一个人的偏执以及开发电子计算机计算氢弹是否可行的需要。这实在是一种命运的嘲弄。”
颇具戏剧性的是,冯·诺依曼作为高等研究院的一员,将大多数时间花在武器研究的工作上;而乌拉姆作为洛斯阿拉莫斯武器实验室的一员,却将大部分时间花在纯数学的研究上。当冯·诺依曼开始从事洲际弹道导弹的工作时,乌拉姆却开始思考如何使用核弹发射导弹,而不是如何使用导弹发射核弹。
他解释道:“核能变为现实之后,使用核动力推进太空飞行器的想法就随即诞生了。”参观“三一试爆”试验场时,当其他人还在惊讶于发射塔被核弹爆炸汽化的场面时,乌拉姆就发现塔基的钢筋依然完整。或许火球范围内的物体能够免受爆炸影响,甚至被推开。小规模核裂变所产生的能量能否向外传导推动太空飞行器的问题,和这种能量能否向内传导引爆热核弹的问题类似。乌拉姆的想法是,氢弹是由内而外反应的。
1955年,乌拉姆和科尼利厄斯·埃弗雷特为洛斯阿拉莫斯国家实验室制定了一份名为《论利用外部核爆炸推进飞行器的方法》(OnaMethod of Propulsion of Projectiles by Means of External Nuclear Explosions)的机密报告,其中提到“将核爆炸视为一种加速手段,在飞行器尾部引发核爆炸,反复多次,将它加速到106厘米/秒……从而达到参加国际战争的导弹射程,甚至有可能脱离地球引力。”
这份报告被搁置了两年,直到苏联“斯普特尼克1号”(Sputnik)人造卫星发射成功之后,这个想法才被特德·泰勒采用。他将这个想法融入到一个真正的宇宙飞船计划中,乌拉姆没有参与这个计划。“猎户座计划”(Project Orion)最初由美国国防部高级研究计划局(Defense Advanced Research Projects Agency, DARPA)出资赞助,后来出资方变成了美国空军。在启动之后的8年里,它一直都被认真对待。1958年年初,乌拉姆在参议员艾伯特·戈尔(Albert Gore)面前证实说:“它和儒勒·凡尔纳(Jules Verne)向月球发射火箭的想法几乎没什么差别。”4月1日,乌拉姆发布了另一份题为《论驾驶宇宙飞船从重力系统中提取能量的可能性》(On the Possibility of Extracting Energy from Gravitational Systems by Navigating Space Vehicles)的报告,描绘了燃料供应有限的宇宙飞船会如何像“麦克斯韦妖”(Maxwell’s Demon)那样运作,即通过计算选择一条合适的轨道,当天体经过时,可以收集来自天体的能量。
詹姆斯·克拉克·麦克斯韦提出了描述电磁场概念的麦克斯韦方程,以及气体粒子之间动能分布的麦克斯韦速度分布律。1871年,他又构思出了一个虚构的存在,被威廉·汤姆森(William Thomson,即开尔文男爵)于1874年命名为“麦克斯韦妖”。威廉·汤姆森评价道:“他拥有非常出色的才能,能够捕捉到每个分子的运动。”“麦克斯韦妖”设想是指将一个绝热容器分成相等的两格,中间是由“麦克斯韦妖”控制的一扇活板门,容器中的空气分子做无规则热运动时会撞击门,“麦克斯韦妖”可以选择性地将速度较快的分子(温度较高)放入其中一格,将速度较慢的分子(温度较低)放入另一格,这样一来,两格的温度就会一高一低。“麦克斯韦妖”在不做功的情况下产生了热量,似乎违反了热力学第二定律。麦克斯韦速度分布律则描绘了在没有“麦克斯韦妖”那样超自然智能体存在的情况下,大量气体粒子的动能会随着时间的推移趋向平衡。最终,较轻的粒子会比较重的粒子运动速度更快。如果给予足够的时间,一艘重达4000吨的宇宙飞船将会比它所环绕的行星速度更快。麦克斯韦最先发展了这些思想,从体积和速度两方面解释组成土星环的粒子的分布,它们后来被应用到了热力学中。
“举例来说,”乌拉姆解释道,“假设有一艘火箭在太阳和木星之间运行,它的轨道和火星的轨道大致相同……
问题在于通过设计让这艘火箭先适当靠近木星,再靠近太阳之后,它的能量是否会增长,比如多出10倍……通过操纵这艘火箭,我们在一定程度上就能实现‘麦克斯韦妖’……将获得超高速所需的必要时间减少多个数量级。”
特德·泰勒回忆说:“我记得斯坦说过能够制造出‘麦克斯韦妖’,它可能是一个有形实体。”1958年曾被视为主要障碍的计算智能,在今天来说是不值一提的。乌拉姆曾提醒道:“设计变轨所需的计算可能极其复杂。”
乌拉姆不需要损耗什么精力进行思考和斟酌,只需要在适当的时机放开胸怀拥抱好点子就可以了,这种情况似乎和热力学第二定律是相悖的。无论是在利沃夫喝咖啡,还是在洛斯阿拉莫斯玩扑克的时候,乌拉姆都只需要吸纳好点子,摒弃坏点子就可以了。1952年2月,他对从洛斯阿拉莫斯过来的冯·诺依曼吹嘘说:“我今年玩扑克的运气出奇得好(连赢了8次)。”20世纪最富有想象力的4项创意:蒙特卡洛法、泰勒-乌拉姆设计方案、自复制细胞自动机以及核脉冲推进,都少不了斯坦的帮助。结果证明,前面三项都非常成功,只有第四项被中途放弃了。
蒙特卡洛法通过数字计算实现了麦克斯韦的想象:一种从元素层面跟踪某物理系统行为的方式,好像我们的智力和工具已经非常高明,足以监测和控制每个分子,全程跟踪它们的行为。泰勒-乌拉姆设计方案则利用“麦克斯韦妖”将一个隔层加热到比太阳温度更高的水平,原理就是让辐射产生的能量进入,并保存一段时间。乌拉姆的自复制细胞自动机是跨越时间的信息模式,通过输入指令而不输出指令来进化。
当尼古拉斯·梅特罗波利斯和斯坦利·弗兰克尔开始为ENIAC编写炸弹的第一个计算代码时,当时只有能容纳一维宇宙的空间,它在我们的世界中表现为一根从炸弹的中心向外延伸的线条。而通过假定球对称,该一维宇宙中所获得的知识就可以用于预测我们所处世界中的三维行为。
乌拉姆开始思考,在一维宇宙中,宇宙学可能会如何演化。“有人思考过这样一个问题吗?”1949年,他给冯·诺依曼写信说,“我认为它很美妙:想象一下,在-∞到+∞的数轴上取整数点,并让每个整数点的质点质量为1/2——我就做过这样的事情。”然后,他在一条线上随机取了几个点。“这是时间t=0时的一种分布情况。”
“现在,在这些点之间有(1/d)2 (与重力相似),”他继续说道,“t>0,会发生什么呢?我认为会迅速压缩,出现类高斯的质量分布。如果点接触就会重合,那么我认为好的类高斯质量分布能够迅速促进压缩的实现。然后,下一阶段会压缩形成集群,虽然速度变慢,但是一定会发生(所有事件的概率=1!)。”乌拉姆先解释了这个简单的一维宇宙将会如何发展出“与真正宇宙类似的结构:恒星、星团、星系、超级星系等”,然后思考了在二维宇宙中会发生什么,乃至三维宇宙,并引入了短程力、热振荡和光。他最后提出:“‘熵’减少——异常‘指令’奏效。”
然后,乌拉姆运用氢弹制造中的二维流体力学代码为线索,开始思考一个二维的细胞宇宙。“我在20世纪40年代曾与冯·诺依曼讨论过细胞模型。”他后来写信给阿瑟·伯克斯时说道,而且他显然已经与尼古拉斯·梅特罗波利斯进行过类似的讨论。“我终于来到了洛斯阿拉莫斯,”1948年6月,尼古拉斯·梅特罗波利斯写信给乌拉姆称,“希望你能有机会进行更多与相空间的几何学以及你的二维世界相关的研究,因为这值得去做。”
本书评论