《三体》中的物理学

8月23日，中国著名科幻作家刘的长篇小说《三体》荣获2015年科幻文学奖“雨果奖”，这被称为诺贝尔科幻文学奖，也是亚洲作家第一次获得这一荣誉。

在科幻小说《三体》中，使用了大量的物理设置。我国著名物理学家和科普作家李淼先生在最近出版的《三体物理学》一书中对这些知识作了生动的解释。尽管有些内容很难懂，而且让人头疼，但拥有自然科学知识的基础知识对于生活在现代社会的读者来说也是必要的。经作者同意，新知识周刊科技版的特别摘录和汇编的部分内容将提供给读者。

黑洞

作为天体物理学家，对核武器非常敏感。她知道这是星星拥有的力量。她更清楚宇宙中有更多可怕的力量，包括黑洞、反物质等。与这些力量相比，热核炸弹只是柔和的蜡烛。-三具尸体

根据牛顿的万有引力理论，拉普拉斯推测黑洞存在。拉普拉斯黑洞是众所周知的。我们知道，如果火箭发射到地球表面，如果初始速度不够大，无论火箭飞多远，它最终都会落回地球。如果速度稍高一点，例如，超过每秒7.9公里，火箭将飞得越来越远，永远逃离地球。对于宇宙中的每个质量点，逃逸速度都可以计算出来。质量越大，离质心的距离越近，逃逸速度越大。如果我们把地球的质量压缩成一个更小的球体，地球表面的逃逸速度将会增加，因为重力变得更强。拉普拉斯发现，如果这个质量点的半径足够小，逃逸速度将达到光速，因为没有比光速更大的速度，所以所有物体都无法逃脱这个质量引力。不管它飞多远，它最终都会后退或者绕着这个物体旋转。这是拉普拉斯的黑洞。

史瓦西先生发现黑洞是爱因斯坦理论的自然结果。在他去世前一年，爱因斯坦发现广义相对论后几个月，他发现了爱因斯坦理论中的第一个严格解。在由中心质量引起的弯曲时空中，靠近中心的时钟移动得更慢，到达一个固定的边界，时钟移动得无限慢，也就是说，如果我们站在外面看这个边界上的时钟，它的秒针几乎不移动。这个边界就是著名的黑洞视界。在这个边界上，光无法逃脱。为什么光不能逃脱？这很简单。虽然光速很高，但时间变得太慢了。一小时甚至一年来，那里的时间几乎没有变化。当然，光并没有离开我们的视线。

史瓦西发现了黑洞的解，但是爱因斯坦不相信质量可以被极大地压缩而产生视界，所以黑洞对他来说并不存在。

直到史瓦西在理论上发现黑洞50年后，黑洞研究才变得流行起来，因为天体物理学家发现黑洞会在宇宙中自然形成。

黑洞是真实的。可以说宇宙充满了黑洞，从质量只有几个太阳质量的恒星黑洞到质量是太阳质量100到100，000倍的中型黑洞，再到质量为1000到100亿太阳质量的星系中心的黑洞。天文学家甚至推测所有星系的中心都是一个黑洞。

有一个简单的公式，黑洞的视界半径与其质量成正比。根据这个公式，如果我们把太阳插入一个半径约为3000米的球体，就会形成一个黑洞。如果地球要变成黑洞，它的直径可能小于1厘米。

事实上，不可能有比太阳质量更小的黑洞，因为天体物理学不允许小质量黑洞的形成。较小的恒星在形成黑洞、白矮星或中子星之前停止核反应。当恒星的质量大到中子之间的排斥力不足以抵抗万有引力时，黑洞就形成了。这样的黑洞通常不少于三个太阳质量。

引力波

罗吉一家从远处看到了引力波天线，但汽车花了半个小时才到达它的身边。直到那时，他们才真正感受到它的巨大。天线是一个水平放置的圆柱体，长度为1500米，直径超过50米。它悬挂在离地面大约2米的地方。它的表面也是一面光滑的镜子，反射半个天空和半个华北平原。-三具尸体

引力是现代科学确认的自然界的第一种基本力。牛顿的万有引力理论比法拉第和麦克斯韦的电磁力理论早了一个半世纪到两个世纪。牛顿在解释天体运动、潮汐和预测新行星方面取得了巨大成就。

然而，直到爱因斯坦的时代，牛顿的理论才被发现是不完美的，并且在原则上是完全错误的，因为它假设两个质量之间的超距离效应，也就是说，它假设两个物体之间在一定距离上的直接和瞬时的相互作用，没有任何介质传输或任何传输时间。这显然是不可想象的。

在爱因斯坦的理论中，万有引力是时空弯曲的结果。然而，如果我们从一个固定的时间和空间开始，考虑时间和空间与这个固定的时间和空间的微小偏差，在爱因斯坦的理论中就会出现类似光子的东西，那就是引力波。

引力波是爱因斯坦广义相对论的预言。引力波的存在表明重力传播的速度也是有限的，这等于爱因斯坦理论中的光速。自从希格斯粒子出现以来，引力波是现代物理学中唯一尚未被证实的预测，尽管有间接的证据。

重力无处不在，但为什么引力波难以探测？唯一的原因是重力太弱了。静态引力足够弱。只有当质量积累形成像月球和地球这样的天体时，我们才能感觉到引力的存在，引力波甚至更弱。

一个振荡的电荷产生电磁波，两个互相围绕的天体可以成为引力波的来源。事实上，引力波是间接发现的。两颗中子星围绕着彼此旋转。辐射引力波导致中子星失去能量，它们之间的距离变小，旋转周期变小。这种间接的观察完全符合爱因斯坦的理论。天文学家泰勒和霍尔斯共同获得了1993年诺贝尔物理学奖。

在宇宙中，当超新星爆炸、黑洞形成、恒星落入黑洞时，就会产生引力波，而且引力波相对较强。尽管泰勒和霍尔斯在1974年间接观测到了引力波，但是科学家直到今天还不能直接探测到引力波，因为引力波非常微弱。人类有望在2016年至2017年间探测到引力波。

宇宙的死亡

在永恒的膨胀中，所有的星系都会彼此远离...星星将一颗接一颗地熄灭...宇宙将变成一个空坟墓，所有的文明和所有的记忆将永远被埋葬在这个无尽的坟墓里，一切都将永远死去。-三具尸体

在谈论宇宙的未来之前，我们应该首先了解宇宙的现状。事实上，我们不需要知道太多，只需要弄清楚两个重要的问题:

第一个问题:宇宙的膨胀是多少？它是加速还是减速？

第二个问题:宇宙中的能量成分是什么？

在1998年之前，几乎每个人都认为，尽管宇宙在膨胀，但膨胀速度在减慢。在未来的许多年后，膨胀速度可能会无限期地接近零或降低到零，然后宇宙开始收缩。这是一个自然的想法。自从大约150亿年前的大爆炸以来，宇宙一直在膨胀，但是现在的膨胀速度比宇宙早期要小得多。许多人认为宇宙的膨胀已经放缓。观察似乎也支持这个自然的想法。有趣的是，很少有人质疑观测数据，尽管现在回顾以前的观测数据并不能从严格意义上告诉我们宇宙的膨胀正在放缓。

为什么物理学家特别相信宇宙的膨胀率正在下降？这是因为主宰宇宙的力是重力，即使爱因斯坦的理论也不能改变这一事实。在万有引力的引导下，宇宙中所有天体之间的相对速度将会降低。

爱因斯坦为了获得一个静态的宇宙，引入了一个宇宙排斥力。宇宙排斥只是宇宙加速膨胀的一种解释。从现代物理学的观点来看，他的理论相当于真空中有某种能量永远不会被宇宙的膨胀所稀释，而且这种能量的密度保持不变。这种能量被称为暗能量。

暗能量的性质决定了我们宇宙的命运。这是因为暗能量现在主宰了宇宙，占宇宙所有能量的60%以上，而肉眼可见的物质和暗物质不到40%。

让我们来谈谈暗物质，它是除暗能量之外宇宙能量的最大组成部分。这种物质是无形的，但是天文学家在20世纪60年代发现了它的存在。它的存在导致星系和星系团的引力远大于可见物质的引力。天文学家通过观察星系中心周围恒星的运动速度，可以推断出暗物质比普通物质多5到6倍。

无论是普通物质、暗物质还是辐射，这些能量密度都被空间的膨胀所稀释，而暗能量在数十亿年里没有显著变化。换句话说，经过几十亿年到几百亿年，暗能量不仅主宰了宇宙，而且还远远高于其他能量份额。

另一种可能性是暗能量密度实际上正在缓慢增加。如果是这种情况，暗能量密度将在有限的时间内变得无限，也就是说，宇宙排斥力将变得无限。没有专家，我们都可以预测会发生什么。宇宙中所有的空间和物质都将被撕裂——首先，银河系将被撕裂，然后地球将被抛出太阳系，然后月球将被抛出地球引力场，然后地球本身将被撕裂...直到每个原子，每个原子核，每个质子和中子都被撕裂。

我们也许永远不会知道爆炸前宇宙的状态，但我们应该知道宇宙的命运，它是否会继续膨胀，或者有一天会减速刹车，或者...一个大的撕裂将会发生。

在宇宙死亡之后以及更远的地方

为了避免这种未来，只有由不同文明产生的大量小宇宙物质才能回到大宇宙。然而，如果这样做了，小宇宙将无法生存，小宇宙中的人们只能回到大宇宙。这是回归运动。-三具尸体

近20年的宇宙学观测，特别是微波背景辐射的观测，已经证实了宇宙暴涨的主要预测，并可能在不久的将来毫无异议地得到证实。例如，由这一理论预测的宇宙第一时刻发出的引力波被观测到了(2014年3月，一个美国观察小组宣称)，格斯提出这一理论的成就可能会得到诺贝尔物理学奖的证实。

然而，宇宙学中的一个终极问题是，飞速发展的宇宙的起源是什么？宇宙是唯一的吗？下面，我们从众多理论中选择两个理论向您介绍:

轮回理论

首先，我们想提一下类似佛教循环的循环理论。佛教的轮回理论说不同的人有不同的理解，甚至那些学习佛教的人也有非常不同的解释。佛教徒也有对天地成败的“抢劫”。抢劫持续多长时间？有句话说，一次抢劫大约有43.2亿年的历史。虽然它比现在的宇宙年龄要短，但它是一个数量级。

宇宙学家早就提出宇宙膨胀-收缩-反弹，膨胀-收缩的观点...类似于佛教的转世理论。这种观点为宇宙的起源提供了一个理由:宇宙在大爆炸之前是另一个宇宙，在另一个宇宙之前还有另一个宇宙，等等，这些都可以无限追溯。

永恒膨胀理论与多元宇宙

这是过去十年非常流行的理论。

1983年，林德提出了一个非常令人惊讶的想法。他认为繁荣的起源几乎无处不在。他把模型命名为混沌通货膨胀理论。在这个模型中，驱动浪涌是一个总是产生量子波动的场。当能量场上升或下降到某个地方，使能量场中包含的能量足够大时，就会发生浪涌。例如，即使在我们安静的宇宙中，这个场也到处波动。万一它波动到一个足够大的能量密度，那个区域将会暴涨，从我们的母宇宙产生一个小宇宙。小宇宙剧烈膨胀。很快，一个全新的大宇宙将从我们的母宇宙中出现。

如果世界真的是这样的，那么在我们的宇宙之外，应该有许多、许多环境完全不同的宇宙，大的和小的，甚至不同的物理定律。这样的宇宙图片被称为多元宇宙。