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三体中的奇妙物理学

发布时间:2020-07-13 15:00:35 阅读: 来源:帆布鞋厂家

8月23日,我国科幻作家刘慈欣的小说《三体》获得科幻文坛大奖雨果奖。雨果奖被誉为科幻小说界的诺贝尔奖,《盗梦空间》、《复仇者联盟》、《权力的游戏》等诸多科幻名著都曾获此殊荣,刘慈欣是获得该奖的首位亚洲人。《三体》被认为是迄今为止中文科幻界出现的最具影响力的科幻小说之一。

三体、黑域、智子、水滴、二向箔……翻开小说,看到这些奇幻的字眼时,你是否会脑洞大开?在《三体》中,刘慈欣融入了大量的前沿物理学理论,并在此基础上加以延伸,树立了硬派的科幻风格,向读者呈现出一个个神秘莫测的科幻奇景。那么这些科幻奇景与现代物理学有哪些联系?他们是否有可能成为现实呢?

“三体”是什么?现实宇宙中存在“三体星系”吗?

在小说《三体》中,三体人居住在一个有三颗恒星的星系里。由于三颗恒星处于无规律运转状态,不断吞噬星系中的行星,造成行星上智慧生命不断地重生和毁灭,最后只剩下三体文明存活下来。因此,三体人决定迁徙至外界星系,进犯最近的宜居行星——地球。

仰望星空,我们会发现一颗极为明亮的星星——半人马座α,一个距离太阳只有4.22光年的恒星。这颗恒星所在的半人马座α三合星系统是距离太阳系最近的恒星系统,也是小说中“三体星系”的原型。

“半人马座α三合星系统由A、B、C三颗恒星组成,这个现实的星系相对稳定,并不像小说里那样混乱。”燕山大学物理学教授朱艳英说,它并不是标准的三体系统,而是一个双星系统加一个卫星恒星。A星和B星以一个偏心率较大的椭圆轨道互相围绕旋转,公转周期为79.9年。较小的C星(比邻星)则在遥远的0.2光年之外,以50万年以上的周期围绕A、B星的质量中心缓慢公转。

实际上,三体是物理学中的著名现象。1900年,著名数学家希尔伯特提出了N体问题的特例——三体问题,时至今日,三体问题依然困扰着物理学界。

“三体问题是天体力学中的基本模型,即探究三个质量、初始位置和初始速度都为任意的可视为质点的天体,在相互之间万有引力作用下的运动规律问题。”燕山大学物理学教授朱艳英表示,目前,三体问题仍得不到精确求解,无法预测所有三体问题的数学情景,只有几种特殊情况已研究。

三体问题最简单的例子就是太阳、地球、月球的关系,太阳系仅有一颗恒星——太阳,太阳的轨道恒定,地球的轨道恒定,地日的关系恒定,因此地球才能维持相对恒定的生存环境。那么,刘慈欣笔下那样毫无南昌最好的牛皮癣医院规律运转的“三体星系”在现实宇宙中真的存在吗?

据英国《新科学家》杂志报道,距离地球大约4200万光年的宇宙深处,存在着3个孤零零的星系,这三个星系的外围被一团氢气团包围,一团无形的暗物质纽带将它们关联在一起。这个“三体星系”构成的“空洞集群”被科学家命名为VGS_31。天文学家表示,此前还从未在一个宇宙空洞区域内看到过这样的星系系统。

黑域存在吗?黑洞和黑域有什么关系?

在小说中,一个智慧文明为了避免受到攻击,向别的文明发出信号表示自己是无害的,而唯一无害的前提就是这个文明永远无法驶出自己所在的恒星系,这个恒星系成了黑域,即光无法逃离出去的区域,被称为宇宙保险柜。

那么,黑域就是黑洞吗?

黑洞是现代广义相对论中,宇宙空间内存在的一种密度极大体积极小的天体。黑洞的引力很大,使得视界内的逃逸速度大于光速。“黑洞的引力场非常剧烈并且快速变化,任何物体都会像面条一样被巨大引力拉伸。也就是说,任何物质或者任何人都无法在黑洞中幸存,更谈不上文明的存在。”朱艳英说。

于是,作家刘慈欣在小说中发明了低光速黑洞,假定将真空光速降至太阳系的逃逸速度每秒16.7千米,从而使整个区域变成黑域。作为一种科幻设想,黑域在广义相对论中是可能实现的吗?

“光速变小,与光速有关的一切物理学参数就变了。”著名物理学家、科普作家李淼在所著的《三体中的物理学》一书中分析了黑域,认为如果光速变小,人类将不复存在。

人类由原子组成。原子理论中有个精细结构常数,这个常数标志着电子和质子之间的电磁互相作用强度。原子中,电子的速度就是精细结构常数乘以光速。在氢原子中,电子的速度虽然远低于通常的光速,也高达光速的1/137。当光速突然变小到每秒16.7千米,电子在原子中就超光速了,这和黑域中光速为速度上限的设定矛盾,可能导致原子的解体。

三维人进入四维会发生什么?维度武器“二向箔”可行吗?

“一个四维的空间泡飘过地球,与地球的一部分发生了重叠,于是,在这片四维空间的范围内,三维空间的一切都被完全敞开,人们可以随意从一个地方穿越到另一个地方,从密闭的墓室里拿出珍宝,从囚犯完好无损的头颅中取出大脑……”——这是小说《三体》对四维空间一段精彩的描述,就好像二维平面对于三维空间的我们来说是一览无余的,从四维空间看来,三维的物体也同样无处隐藏。

在物理学中,“维”是一种度量,在三维空间坐标上,加上时间,时空互相联系,就构成了四维时空。“一维是线,二维是面,三维是静态空间,四维是动态空间。”朱艳英介绍说,理论上多维空间是存在的,时间空间的维度是宇宙最基础的性质,只是人类的观测只能到三维。

如果真的存在多维空间,三维世界的我们能否进入四维或者更高的维度空间呢?

众所周知,人的身体是由分子原子构成。“而分子原子一旦进入四维空间就会不复存在,人体也就会随之解体。因此,人类无法进入四维,更谈不上进入更高的维度空间。”朱艳英说。

基于多维空间的假定,刘慈欣在小说《三体》中设计了一种维度武器叫“二向箔”。高级文明向太阳系扔来一张小纸片“二向箔”,导致整个太阳系跌落到二维空间,几乎毁灭整个人类。

那么,这种维度武器在现实中是否可行?在理论物理的分支学科弦论中,这种可能性是存在的。

在弦论中,空间维度的变化可看成类似液态水变成水蒸气的相变。当水达到沸点时,液体中开始出现小气泡,小气泡慢慢地变大,最终吞噬整个液体。气体密度和液体密度的差别可以看成一种物理量,它被物理学家称为场。

小说中的“二向箔”中也有一种场,能量比较低,一旦与三维空间直接接触,就变得像水中的气泡那样开始膨胀,触发三维空间的能量较高的场向能量更低的地方跳,让“二向箔”越长越大。这种降维武器一旦触发就无法停止,只有乘坐光速飞船才能逃生。

智子、水滴等小说中的科幻武器可行吗?

在科幻故事中,战争是永恒的主题。

在《三体》中,包括维度武器“二向箔”在内的几大武器令读者脑洞大开。“因为这两个质子的存在,人类的科学将不可能有任何重大进展。”《三体》中的这样一句台词,道出了《三体》广受赞誉的第一个科幻武器——质子,又叫“智子”。

三体人在尚无法抵达地球时,向地球发射了两个“质子”,专门扰乱基础物理实验依赖的大型对撞机(也叫高能加速器),从而打断了人类科研的正常进程。对撞机被干扰,真的会让人类科技“锁死”吗?

在现实生活中,大型对撞机是基础物理学进步的最重要来源。“物理学的种种理论必须通过实验验证才能证明,如果大型对撞机的实验结果真的被干扰,确实会重创物理学的创新发展。”朱艳英说。

物理学家李淼在一次采访中谈道:“三体可以随时控制质子,这是《三体》里面最大的硬伤。”智子的设定,实质是认为科学实验有可能被智能干扰,从而不遵守“碰撞完全随机”的实验前提。

但是如果智子掌握和计算地球上所有的量子,那么它内部工作的量子必然更多。那么它就是一个比它要模拟的对象更复杂,能量更大的系统。如果它比宇宙更小,那么它就没法精确地预测一切。

“银河系在它的表面映成一片流畅的光纹,使得水滴看上去纯洁而唯美。”在《三体》中,水滴是刘慈欣又一神奇设定,它可以极快地加速到接近光速,仅以简单的撞击方式,就在半小时内使人类2000艘核聚变动力战舰全军覆没。

小说中,刘慈欣假设水滴的物质结构由强相互作用力控制。如果该物质的基本组成是分子和原子,那么强相互作用力是核子(即质子和中子)之间的力,其力程比氢原子的大小还要小四个量级,在原子构成的材料中不起作用。

如果水滴的材料并非由原子和分子构成,而由更基本的粒子夸克和胶子构成呢?

“夸克之间的距离比中子半径还小,水滴的密度会太大,而小说中的水滴质量还不到10吨。所以,水滴材料的控制力不可能是强相互作用力。”朱艳英说,如果硬要水滴的设定成立,就必须假设一种尚未被人类发成都治疗牛皮癣现的新型材料。

“无论这些假设是否成立,《三体》把科学融于文艺,让读者更多地接触和思考物理学前沿的科学问题,起到了意想不到的科普作用。”朱艳英说。(记者 陈诚)

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