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《三体》中的物理奇观

  • 发布时间:2015-09-07 06:34:15  来源:经济日报  作者:佚名  责任编辑:罗伯特

  近日,国内科幻圈因为一本小说获奖而沸腾。由中国科幻作家刘慈欣创作的科幻小说《三体》,获得了第73届雨果奖最佳长篇故事奖。雨果奖相当于科幻小说界的诺贝尔奖,曾颁发给《盗梦空间》、《复仇者联盟》、《权力的游戏》等诸多名著,刘慈欣是获该奖的首个亚洲人。

  刘慈欣在这部恢弘巨著中征引了物理学、社会学、生物学等多种学科的知识,其中用到的物理学的设定最多,也描绘了很多充满瑰丽想象的物理奇观。这些奇特的想象跟现代物理学有哪些联系?它们是否有可能变成现实?

  飞船进化史——

  从分子层面的化学动力,到核子层面的聚变动力,再到利用时空本性的曲率动力,飞船从现实驶向了幻想中的未来。

  辐射帆

  许多科幻作品里,太空飞船已经常见到无需解释它的原理。刘慈欣的《三体》三部曲却让技术从现实起步,作为人类重要工具的飞船也就具备了清晰的技术演进路线。

  故事里,人类在外星三体人入侵的威胁下,设计了“阶梯计划”,用现有技术发射一艘辐射帆飞船,将志愿者云天明的大脑推往三体舰队的方向。

  该计划需预先用现有的化学动力火箭把大量核弹发射至太空,逐个分布在飞船最初航线上。然后发射辐射帆飞船,飞船在途经每颗核弹的瞬间,核弹在帆后爆炸,产生推进力。阶梯计划是人类用现有技术进行的孤注一掷的努力,这个巧妙的低技术组合造就了当时最高速的飞行器。

  宇宙帆船的概念现实中早已有之,用阳光做动力的太阳帆飞船已做过几次试验。同火箭和航天飞机迅速耗完的燃料相比,阳光不会枯竭,它能推动光帆以每秒约1毫米的速度不断加速移动,展开光帆3年后,速度会被提升到每小时16万公里,这是人类任何飞行器都没有达到过的速度,相当于“旅行者”号探测器的3倍。

  人类成功制造的第一个太阳帆飞船是日本2010年发射的伊卡鲁斯(IKAROS)探测器,它在太空中达到约每秒100米的飞行速度,并在展帆后6个月抵达目的地金星。

  小太阳

  《三体》中,在阶梯计划同时,人类也在研究新型动力的太空战舰,无功质核聚变发动机成为人们择定的发展方向。

  当前,人类对核裂变的控制技术更加成熟,但有害辐射太多,上世纪美国的“猎户座核火箭计划”就是因此半途停止。

  与核裂变一字之隔的核聚变是清洁能源,它是较轻原子核聚合时所释放的能量,不会产生有害电磁波和核废料。

  但核聚变由于超高温高压而难于控制,科学家想出两种办法:惯性约束、磁约束。磁约束聚变是将核燃料变成数百万摄氏度的高温等离子体,使原子核活跃到能相互碰撞。高温离子体会熔化任何束缚它们的容器,只可以用强磁场来束缚它们。惯性约束聚变则需利用激光或者粒子束照射核燃料球产生超高温,生成比磁约束聚变时密度更高的离子体,引发聚变反应。由于反应时间非常快,小燃料球自身的惯性就可以维持热度足够长的时间来进行反应,无需强磁场束缚。

  目前世界各国投入很大力量研究磁约束聚变发电,中国也不例外。但它必须安装庞大沉重的磁场发生装置,因而“远路无轻担”的宇宙航行很可能需要另一种方式——惯性约束。

  由于核聚变原理与太阳等恒星的燃烧一样,《三体》中的那些核聚变战舰,“发动起来像天上的小太阳”。

  曲率推进

  《三体》中的核聚变飞船“可以加速到光速的百分之十五”,这种速度在宇宙航行中还是太慢,于是地球人通过打入三体人内部的间谍云天明,获得了光速发动机的宝贵提示:曲率驱动。

  要解释曲率,得先介绍膜宇宙理论。20世纪90年代,理论物理学界在10维空间弦理论的基础上提出了11维空间的膜(M)理论,认为我们所在的宇宙不过是10维或11维时空中的一个四维超曲面,就像薄薄一层膜,空间曲率无处不在。

  这延伸出许多宇宙航行设想,比如空间折叠,把大范围空间的曲率无限增大,像一张纸一样对折,让纸面上相距千万光年的遥远两点贴在一起。刘慈欣在小说中评价说:“这种气吞宇宙的事只有上帝才做得出来,如果加上基本理论的限制,可能上帝也不行。”

  《三体》中的曲率驱动设想更温和更局部:“一艘处于太空中的飞船,如果能够用某种方式把它后面的一部分空间熨平,减小其曲率,那么飞船就会被前方曲率更大的空间拉过去。”它能使飞船以无限接近光速的速度航行。

  这技术能否实现尚不可知。但2012年初,悉尼大学几位物理教授对曲率驱动发动机进行计算机模拟时发现,扭曲时空有风险。在超光速飞行中,会有大量粒子堆积在包裹飞船的“曲速泡”中,并在飞船到达目的地开始减速时,瞬间释放,足以毁灭任何与其接触的物体。

  武器进化史——

  从消灭一支舰队的水滴,到毁掉一颗恒星的光粒,再到拍平一个星系的二向箔,《三体》中的武器,就是这么“任性”地步步升级。

  水滴

  宇宙故事中,战争是永恒主题。《三体》中的几个大杀器,无不简洁、神秘、高效,充满冷冰冰的暴力美学范儿。

  最先出场的大杀器是三体军队的探测器“水滴”。“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。”

  小说中,这粒形似水滴的宇宙探测器表面绝对光滑,可以极快地加速到接近光速。它无坚不摧,仅以简单的撞击方式,就在半小时内让拥有近2000艘核聚变动力战舰的人类太空武装力量全军覆没。

  不过,物理学家李淼认为水滴的物理设定有瑕疵。“刘慈欣假设这种物质结构由强相互作用力控制。如果物质的基本组成还是分子和原子,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。”

  如果材料并非原子和分子构成,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,像夸克星中的物质,这也不可能。《三体》中直接说了,水滴的质量不大,在10吨以下。结论是,水滴材料的控制力不可能是强相互作用力。”

  “如果硬要水滴的设定成立,我们必须假设一种尚未发现的新型固体。也许,水滴的材料是一种三维的石墨烯,但还没有任何物理学家敢于想象是什么原子构成的。”

  光粒

  水滴虽然厉害,但在更高级的文明面前,三体文明也被比成了渣。小说中,地球人向宇宙广播了三体人母星的坐标,三体行星因而被宇宙中更高级文明用“光粒”武器清理掉了。

  当时,三体行星正围绕一颗恒星运行,恒星被光粒击中后,光球层和对流层上被击出一个巨大的裂孔,可并排放下四个地球。恒星内部物质从裂孔喷涌而出,行星在其中运行了30分钟。移出喷出物质带后,行星表面均被烧熔,岩浆的海洋覆盖了一切。被蒸发的海洋的水蒸气成为行星的白色尾迹,行星成了彗星。

  光粒造成巨大破坏的原因,小说中解释为:“光粒虽然体积小,但由于十分接近光速,它的质量被相对论效应急剧放大。”

  这里用到的原理是著名的质能方程: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300000千米,一个光粒,可以仅凭其巨大的相对论质量产生的动能摧毁一颗太阳,成为小说中“经济”地攻击恒星的最原始武器。

  对于这种武器,小说中的地球人只是远程观测并推断,它是一颗精确对准目标恒星并以惯性飞行的光速石头,从某种宇宙飞行器上发射。它是什么材质?如何加到光速?全都不得而知。

  二向箔

  观测到三体星末日的地球人,针对毁灭恒星的光粒作出“掩体计划”:以木星等四大巨行星为掩体,在其背阳面建设太空城,避开光粒引发的太阳爆发。

  但计划赶不上变化,高级文明向太阳系扔来一张小纸片“二向箔”,导致整个太阳跌落到二维空间,几乎毁灭所有人类。

  二向箔是一种维度武器,如果进行诗意的描绘就是这样:“把三维的西湖风景二维化,变成一幅水墨山水画,然后再一维化,变成一根细细的杭州丝绸。”这是在杭州举行的一次科幻笔会上,一群科幻作家讨论如何毁灭一座城市时,刘慈欣给出的答案。

  维度武器是否可行?在理论物理的分支学科弦论中,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,最后吞食整个液体。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。二向箔中有一种场,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。

  小说中,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。整个宇宙就是在这样不择手段的降维攻击中,从高维逐级下降。

  宇宙最终将走向何方?刘慈欣借小说人物之口作出推测,“把一个已跌入低维度的宇宙重新拉回高维,几乎不可能;但从另一个方向努力,把宇宙降到零维,然后继续降维,就可能从零的方向回到最初,使宇宙的宏观维度重新回到十维”。

  星空进化史——

  从三个太阳夹缝中求生,到固步自封的黑域龟壳,再到重构时空的小宇宙,《三体》中的文明在战斗中求存,逐步攀向更高的等级树。

  三体

  《三体》中,三体人居住在一个有三颗恒星的星系里,过着水深火热的生活。三颗无规则运行的太阳带来了行星上智慧生物的百余次毁灭与重生,逼迫三体人逃离母星,进犯最近的宜居星球——四光年外的地球。

  小说中提到的这个恒星系统有“原型”,就是半人马座α(南门二)三合星系统。半人马座α由A、B、C三颗恒星组成,其中C星被命名为“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很稳定,没有小说中描述的那么混乱。因为它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。

  由于半人马座α星系统距离地球很近,许多科幻小说都想象这里存在着发达的宇宙文明。就在2012年,天文学家还发现在半人马座α星系统很可能有一颗地球大小的行星,围绕B星公转。不过据计算,这颗行星上的一年仅有3天多时间,说明它公转周期太短,和恒星距离太近,根本不可能存在生命。

  黑域

  在《三体》中,一个文明所在的星球,只要暴露了坐标,就会被视为有可能的威胁,而被更高级文明随手清理,三体行星就因此灭亡。

  一个文明如何才能表示自己无害,以避免受到攻击呢?刘慈欣设计了一个“黑域”概念,黑域就是光无法逃离出去的区域,被称为宇宙保险柜。如果把真空光速降至太阳系的逃逸速度每秒16.7千米,整个太阳系就成为一个低光速黑洞,隔绝于整个宇宙之外,这个文明永远不可能驶出自己的恒星系,因而也就失去了去其他文明的威胁能力。

  在《三体》中,光速飞船在曲率驱动的航迹上,改变了空间结构。向各个不同方向逃离恒星系的曲率驱动光速飞船,就可以产生包裹该星系的黑域。

  这个设想是否可行?

  “光速变小,与光速有关的一切物理学参数就变了。”李淼在《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,它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137分之一。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。“原子不存在,人类也就不存在了。”

  小宇宙

  在《三体》中,黑域是一个超级龟壳,但这个龟壳可用小宇宙来破。逃亡的地球人程心和关一帆原本陷入黑域,却走进了云天明送来的礼物——小宇宙。这是一个时间空间都独立于大宇宙之外的小小避难所,在云天明的设想中,他们可以在小宇宙中躲过大宇宙末日,并在新的大爆炸后进入新的大宇宙。

  大宇宙小宇宙之间有什么关系呢?《三体》中的设想是:“所有的宇宙都是一个超膜上的空泡。”

  空泡的结局有两种,一是加速膨胀然后被撕裂,二是塌缩为一个奇点后重生。

  小说中,由于发展到一定程度的文明,都从大宇宙中偷走质量建造躲过世界末日的“小宇宙”,以致有一个“回归运动”文明在膜上向各小宇宙广播:“我们宇宙的总质量减少至临界值以下,宇宙将由封闭转变为开放,宇宙将在永恒的膨胀中死去,所有的生命和记忆都将死去。请归还你们拿走的质量,只把记忆体送往新宇宙。”

  这个有趣的设定,让我们想起了现代宇宙学中最有影响的“宇宙大爆炸理论”。

  1929年,埃德温·哈勃作出一个具有里程碑意义的发现,即不管你往哪个方向看,远处的星系正急速远离我们而去。换言之,宇宙正在不断膨胀。1946年物理学家伽莫夫正式提出大爆炸理论,认为宇宙由约140亿年(后来被精确到137亿年)前发生的一次大爆炸形成。大爆炸使宇宙空间不断膨胀,温度随之下降,化学元素开始形成,宇宙中的星系、恒星、行星乃至生命都是在这种不断膨胀和冷却的过程中形成的。后来获得1978年诺贝尔物理奖的发现——宇宙微波背景辐射,就被视作这次大爆炸的遗迹和证据之一。

  事实上,对于尚未真正走出地球摇篮的人类来说,要说清宇宙的真相还为时过早。但这并不妨碍我们读完科幻小说后,在仰望星空时浮想联翩,因为好奇心正是人类科技进步的动力和源泉。

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