《三体》中的物理奇观

最近，国内科幻界因为一部获奖小说而沸腾起来。中国科幻作家刘的科幻小说《三体》获得第73届雨果奖最佳长篇小说奖。雨果奖相当于诺贝尔科幻奖。它被授予许多著名的作品，如《盗梦空间》、《复仇者联盟》和《权力的游戏》。刘是第一个获得该奖项的亚洲人。

在这部宏伟的杰作中，刘吸收了物理学、社会学、生物学和许多其他学科的知识。其中，物理学使用最频繁，描绘了许多充满宏伟想象的物理奇观。这些奇怪的想象和现代物理学之间有什么联系？它们有可能成为现实吗？

宇宙飞船的进化史-

从分子水平的化学能量到核水平的聚变能量，再到利用空间和时间性质的曲率能量，宇宙飞船从现实航行到想象的未来。

辐射帆

在许多科幻作品中，宇宙飞船变得如此普遍，以至于没有必要解释它的原理。然而，刘的“三体”三部曲使技术从现实出发，航天器作为人类的重要工具，有着明确的技术进化路线。

在这个故事中，在外星人入侵的威胁下，人类设计了“阶梯计划”，利用现有技术发射辐射帆飞船，将志愿者云田明的大脑推向三体舰队的方向。

该计划要求用现有的化学动力火箭将大量核弹提前发射到太空，并在飞船的初始路线上一个接一个地分发。然后发射一艘辐射帆飞船。飞船穿过每个核弹，核弹在船帆后面爆炸产生推进力。阶梯计划是人类利用现有技术的一种绝望的努力。这种低技术的巧妙结合创造了当时最快的飞机。

太空帆船的概念在现实中早已存在。由阳光驱动的太阳帆航天器已经被测试过几次。与火箭和航天飞机快速消耗的燃料相比，阳光不会干涸。它可以推动光帆以每秒1毫米的速度移动。在展开轻帆3年后，速度将增加到每小时16万公里，这是人类飞机从未达到的速度，是航海家号探测器的3倍。

人类成功制造的第一艘太阳帆航天器是日本在2010年发射的IKAROS探测器。它在太空中的速度约为每秒100米，在船帆展开六个月后到达目的地金星。

小太阳

在《三体》中，在阶梯计划的同时，人类也在研究新型动力太空战舰，而反应式核聚变发动机已经成为人们选择的发展方向。

目前，人类控制核裂变的技术比较成熟，但是有害辐射太多，导致美国的“猎户座核火箭计划”在上个世纪中途停止。

从核裂变中分离出来的核聚变是一种清洁能源。它是由较轻的原子核聚合释放的能量，不会产生有害的电磁波和核废料。

然而，由于超高温和超高压，核聚变很难控制。科学家们提出了两种方法:惯性约束和磁约束。磁约束聚变是将核燃料转变成几百万摄氏度的高温等离子体，使原子核足够活跃，相互碰撞。高温离子会熔化任何束缚它们的容器，只有强磁场才能束缚它们。惯性约束聚变需要激光或粒子束照射核燃料球产生超高温，产生密度高于磁约束聚变的离子体并引发聚变反应。由于反应时间非常快，小燃料球本身的惯性可以将热量保持足够长的时间以进行反应，而不受强磁场的约束。

目前，世界各国都在磁约束聚变发电的研究上投入了大量的精力，中国也不例外。但是，它必须配备一个巨大而沉重的磁场发生器，所以“长距离没有轻重量”的空间导航可能需要另一种方式——惯性约束。

因为核聚变的原理与太阳等恒星的燃烧相同，所以“三体”中的核聚变战舰就像天空中的小太阳一样启动。

曲率推进

“三体”中的核聚变宇宙飞船可以“加速到光速的15%。在太空导航中，这个速度仍然太慢，所以地球人得到了一个关于光引擎速度的有价值的提示:曲率驱动通过云，一个进入三体内部的间谍。

为了解释曲率，我们必须首先介绍膜宇宙理论。20世纪90年代，理论物理学在10维空间弦理论的基础上提出了11维空间的膜(M)理论，认为我们的宇宙只是10维或11维空间中的4维超曲面，就像一层薄膜，空间曲率无处不在。

这扩展了许多航天学的概念，例如空间折叠，它无限增加了大面积空间的曲率，并像一张纸一样折叠起来，将纸上相隔数千光年的两个遥远的点粘在一起。刘在小说中评论说:“只有上帝才能做这样的事情，吞噬宇宙。如果我们加上基本理论的限制，上帝可能做不到。”

《三体》中的曲率驱动概念更温和、更本地化:“如果太空中的宇宙飞船能够以某种方式将它后面的一部分空间弄平并减小其曲率，那么宇宙飞船将被前方曲率更大的空间所牵引。”它能使宇宙飞船以无限接近光速的速度航行。

这项技术能否实现还不得而知。然而，在2012年初，悉尼大学的几名物理学教授发现，当他们对曲率驱动发动机进行计算机模拟时，时空扭曲是有风险的。在超光速飞行中，大量粒子将聚集在飞船周围的“翘曲气泡”中，当飞船到达目的地开始减速时，这些粒子将立即释放出来，足以摧毁与其接触的任何物体。

武器的进化-

从消灭舰队中的水滴到摧毁恒星中的轻粒子，再到展平星系的双向箔片，《三体》中的武器都是以这种“任性”一步步升级的。

水滴

在宇宙故事中，战争是永恒的主题。《三体》中所有的大杀手都简洁、神秘、高效，充满了暴力的冰冷美学风格。

第一个出现在现场的大杀手是三体部队的探测器“水滴”"银河系表面有一个光滑的光图案，使得水滴看起来纯净而美丽。"

在这部小说中，这种形状像水滴的宇宙探测器的表面是绝对光滑的，可以非常快地加速到接近光速。它坚不可摧，只用一个简单的撞击方法，在半个小时内就把近2000艘人类太空部队的核聚变动力战舰消灭了。

然而，物理学家李淼认为水滴的物理环境是有缺陷的。”刘假定这种物质的结构是由强大的相互作用力控制的。如果物质的基本成分仍然是分子和原子，那么最强的相互作用力是核子(即质子和中子)之间的作用力，其作用力范围比氢原子小四个数量级，在由原子组成的材料中不起作用。”

如果物质不是由原子和分子组成，而是由更基本的粒子夸克和胶子组成，会怎么样？“夸克之间的距离小于中子半径，水滴的密度就会太大，就像克星的物质，这是不可能的。”三体》直接说水滴的质量不大，在10吨以下。结论是水滴材料的控制力不能是强相互作用力

“如果我们坚持水滴的设置，我们必须假设一种尚未被发现的新型固体。也许，水滴的材料是一种三维石墨烯，但没有物理学家敢想象原子是由什么组成的。”

轻粒子

虽然水滴很厉害，但在更高一级的文明面前，三体文明也被比作渣。在小说中，地球人向宇宙广播了三体母星的坐标，因此三体行星被宇宙中更高的文明用“轻粒子”武器清除了。

那时，三体行星正围绕一颗恒星运行。这颗恒星被光粒子撞击后，在光球层和对流层中形成了一个大洞，使得四个地球并排放置。这颗恒星的内部物质从洞中涌出，行星在其中运行了30分钟。在喷射出的物质带被移除后，行星表面被烧毁并融化，岩浆海洋覆盖了一切。从海洋蒸发的水蒸气变成了行星的白色轨迹，行星变成了彗星。

在这部小说中，轻粒子造成巨大破坏的原因解释如下:“虽然轻粒子体积小，但它们的质量被相对论效应大大放大，因为它们非常接近光速。”

这里使用的原理是著名的质量能量方程:E=MC2。e是能量，m是质量，c是代表光速的常数。由于光速高达每秒30万公里，一个光粒子只能通过其巨大的相对论质量产生的动能摧毁一个太阳，从而成为小说中“经济地”攻击恒星的最原始武器。

对于这种武器，小说中的地球人只能从很远的距离观察和推断出它是一种光速的石头，它精确地瞄准目标恒星，惯性飞行，并从某种宇宙飞船上发射出去。它是由什么材料制成的？如何增加光速？这些都不为人知。

二维箔

观察到三体星球尽头的地球人已经为摧毁该星球的光粒子制定了一个“掩体计划”:以木星和其他四颗大行星为掩体，他们将在自己的太阳背面建造一座太空城，以避免光粒子引起的太阳爆炸。

但是这个计划跟不上变化。先进文明将一张小纸片“双向箔”扔进太阳系，导致整个太阳落入二维空间，几乎摧毁了所有人类。

双向陪衬是一种立体的武器，如果用诗意的方式来描绘，就是这样:“把三维的西湖风景变成二维的水墨山水画，再变成薄薄的杭州丝绸。”这是刘在杭州举行的一次科幻笔会上，一群科幻作家讨论如何摧毁一座城市时给出的答案。

次元武器可行吗？在理论物理学的一个分支——弦理论中，可能性是存在的。

在弦理论中，空间维度的变化可以看作是类似于液态水到水蒸气的相变。当水达到沸点时，液体中开始出现小气泡。小气泡逐渐变大，最终吞下全部液体。气体密度和液体密度之间的差异可以看作是一个物理量，物理学家称之为场。双向箔中有一种能量相对较低的场。一旦与三维空间直接接触，它将开始像水中的气泡一样膨胀，触发三维空间中能量较高的场跳到能量较低的地方，因此双向箔越长，它就越大。

在小说中，这种降维武器一旦被触发就无法停止，只有乘坐光速飞船才能逃脱。在这种肆无忌惮的降维攻击中，整个宇宙正从高维空间一步步下降。

宇宙最终会走向何方？刘通过小说中的人物做了一个猜想:“把一个已经陷入低维度的宇宙带回到高维度几乎是不可能的；然而，如果我们从另一个方向将宇宙降为零维，然后继续降维，我们可能会从零向返回到原始方向，并将宇宙的宏观维度返回到十维。”

恒星演化史-

从在三个太阳的缝隙中生存，到自封的黑龟壳，再到时空小宇宙的重建，《三体》中的文明在战斗中求生存，并逐渐攀升到更高的层次。

三体

在“三体”中，三体人生活在一个有三颗星的星系中，生活在热水中。三个不规则运动的太阳给这个星球上的智能生物带来了超过一百次的毁灭和重生，迫使三脚从它们的母星逃离，并入侵最近的可居住星球，地球，四光年之外。

小说中提到的恒星系统有“原型”，即半人马座阿尔法星(南门2号)三分系统。半人马座阿尔法星由三颗恒星A、B和C组成，其中C星被命名为“半人马座比邻星”，距离太阳4.22光年，是离太阳最近的恒星之一。这个现实的三体系统是稳定的，不像小说中描述的那样混乱。因为它不是一个标准的三体系统，而是一个双星系统加上一颗卫星星。恒星A和B在一个大偏心率的椭圆轨道上围绕彼此旋转，旋转周期为79.9年。较小的恒星C(半人马座比邻星)在500，000多年的时间里以0.2光年的距离围绕恒星A和B的质心缓慢旋转。

因为半人马座阿尔法星非常接近地球，许多科幻小说想象这里有一个发达的宇宙文明。早在2012年，天文学家们还发现，在半人马座阿尔法星系中，可能有一颗地球大小的行星围绕恒星B运行。然而，根据计算，这颗行星一年只有三天多，这表明它的公转周期太短，离恒星太近，根本没有生命。

黑色领域

在“三体”中，一个文明所在的星球，只要坐标暴露出来，就会被认为是一个可能的威胁，它会被一个更高的文明清理掉，这样三体星球就会灭亡。

一个文明怎么能说避免被攻击是无害的呢？刘提出了“黑场”的概念，即光无法逃逸的区域，被称为宇宙安全区。如果真空光速降低到太阳系每秒16.7公里的逃逸速度，整个太阳系将变成一个光速很低的黑洞，与整个宇宙隔离开来。这个文明永远不会离开自己的恒星系统，从而失去威胁其他文明的能力。

在《三体》中，光速飞船在曲率驱动的轨道上改变了它的空间结构。从不同方向逃离恒星系统的曲率来驱动光速宇宙飞船会在银河系周围形成一个黑色区域。

这个想法可行吗？

"随着光速的降低，所有与光速相关的物理参数都会发生变化."李淼在他的《三体物理学》一书中分析了黑色区域，认为如果光速变小，人类将不复存在。

人类是由原子组成的。原子理论中有一个精细的结构常数，它标志着电子和质子之间电磁相互作用的强度。在原子中，电子的速度是精细结构常数乘以光速。在氢原子中，虽然电子的速度远低于正常光速，但却高达光速的1/137。当光速突然变得小到每秒16.7公里时，原子中的电子将超过光速，这与黑域中光速上限的设定相矛盾，并可能导致原子的分裂。"如果原子不存在，那么人类就不存在."

小宇宙

在《三体》中，黑鱼是一个超级龟壳，但是这个龟壳可以被一个小宇宙打破。逃离地球的人程心和关一帆原本落入了黑域，但进入了来自云天田明的礼物——小宇宙。这是一个小避难所，时间和空间独立于宇宙。在云的视野中，他们可以在小宇宙中逃离宇宙的尽头，在新的大爆炸后进入新的宇宙。

大宇宙和小宇宙之间有什么关系？《三体》中的假设是:“所有的宇宙都是超级膜上的空泡。”

空化有两种结果:一是加速膨胀，然后被撕裂；另一个是崩溃成一个奇点，然后重生。

在这部小说中，由于文明发展到一定程度，他们从大宇宙中窃取质量，建立一个避免世界末日的“小宇宙”，这样一个“回归运动”文明就在膜上向小宇宙广播:“我们宇宙的总质量降低到临界值以下，宇宙将从封闭变为开放，宇宙将在永恒的膨胀中死亡，所有的生命和记忆都将死亡。请归还你拿走的质量，只把记忆送到新的世界。”

这个有趣的背景让我们想起了现代宇宙学中最有影响力的“大爆炸理论”。

1929年，埃德温·哈勃做出了一项划时代的发现，无论你朝哪个方向看，遥远的星系都在迅速远离我们。换句话说，宇宙正在膨胀。1946年，物理学家伽莫夫正式提出了大爆炸理论，认为宇宙是由大约140亿年前的大爆炸形成的(后来精确到137亿年)。大爆炸导致宇宙空间不断膨胀，温度也相应下降。化学元素开始形成。星系、恒星、行星甚至宇宙中的生命都是在不断膨胀和冷却的过程中形成的。后来，获得1978年诺贝尔物理学奖的宇宙微波背景辐射的发现被认为是大爆炸的遗迹和证据之一。

事实上，对于还没有真正走出地球摇篮的人类来说，说出宇宙的真相还为时过早。然而，这并不妨碍我们在看完科幻小说后仰望星空时的想象，因为好奇心是人类科技进步的动力和源泉。