三体中的奇妙物理学

发布时间：2020-07-13 15:00:35 阅读：次来源：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）