三体中的奇妙物理
小说中三人武器的水滴模拟图。科幻小说能催生科学发现吗？河北日报信息片
■阅读技巧
8月23日，中国科幻作家刘·的小说《三体》获得了科幻文学大奖——雨果奖。雨果奖被誉为科幻界的诺贝尔奖。《盗梦空间》、《复仇者联盟》、《权力的游戏》等多部科幻巨作均获此殊荣。刘是第一个获此殊荣的亚洲人。《三体》被认为是迄今为止中国科幻界最具影响力的科幻小说之一。
三体，黑场，直子，水滴，双向陪衬...当你翻开小说，看到这些奇幻的文字，你的脑洞会不会大开？在《三体》中，刘融入了大量前沿物理理论，并在此基础上加以延展，建立起硬核科幻风格，为读者呈现神秘的科幻奇观。那么这些科幻奇观和现代物理学有什么联系呢？它们有可能成为现实吗？
河北日报、河北新闻网记者陈诚
什么是《三体》？现实宇宙中存在“三体星系”吗？
小说《三体》中，三体人生活在一个有三颗星星的星系里。由于三颗恒星处于不规则运行状态，不断吞噬星系中的行星，导致星球上的智慧生命不断重生和毁灭，最终只剩下三体文明存活。于是，三人决定向外星系迁徙，入侵最近的宜居星球——地球。
仰望星空，我们会发现一颗极其明亮的恒星——半人马座阿尔法星，一颗距离太阳仅4.22光年的恒星。这颗恒星的阿尔法三座半人马座系统是离太阳系最近的恒星系统，也是小说中“三体星系”的原型。
“半人马座阿尔法三合星系由A、B、c三颗恒星组成，这个真实的星系相对稳定，不像小说中那么混乱。”燕山大学物理学教授朱说，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。A星和B星在椭圆轨道上互相绕转，偏心率很大。公转周期为79.9年。较小的恒星C(比邻星)距离我们0.2光年，围绕恒星A和B的质量中心缓慢旋转超过50万年。
事实上，三体是物理学中一个著名的现象。1900年，著名数学家希尔伯特提出了N体问题的一个特例——三体，至今仍困扰着物理学界。
“三体是天体力学中的基本模型，即探索在万有引力作用下，可视为质点的任意质量、初始位置和初速度的三个天体的运动规律。”燕山大学物理系教授朱表示，目前还没有被精确求解，也不可能预测到的所有数学情景。只研究了几个特例。
三体最简单的例子是太阳、地球和月亮之间的关系。太阳系只有一颗恒星——太阳。太阳的轨道是不变的，地球的轨道也是不变的，地球和太阳的关系也是不变的，所以地球可以维持一个相对不变的生存环境。那么，刘运行不规则的“三体星系”在现实宇宙中是否真的存在呢？
据英国杂志《新科学家》报道，在距离地球约4200万光年的宇宙深处，有三个孤独的星系。这三个星系的外围被一团氢气包围，一条看不见的暗物质键将它们连接在一起。这个由“三体星系”组成的“空星系团”被科学家命名为VGS_31。天文学家说，这样的星系系统以前从未在宇宙空腔中见过。
黑域存在吗？黑洞和黑域有什么关系？
小说中，一个智慧文明为了避免被攻击，向其他文明发出信号，表示自己无害，而唯一无害的前提是这个文明永远不会离开自己的恒星系，恒星系已经变成了一个黑域，也就是光无法逃脱的区域，被称为宇宙保险箱。
那么，黑域是黑洞吗？
在现代广义相对论中，黑洞是空间中密度最大、体积最小的天体。黑洞的引力如此之大，以至于在视界中的逃逸速度大于光速。“黑洞的引力场非常强烈且变化迅速，任何物体都会像面条一样被巨大的引力拉伸。换句话说，没有任何物质或任何人可以在黑洞中生存，更不用说文明的存在了。”朱对说:
因此，作家刘在其小说中虚构了一个低光速黑洞，假设真空光速降为每秒16.7公里的太阳系逃逸速度，从而将整个区域变成了一个黑域。作为一个科幻的想法，广义相对论中的黑域有可能实现吗？
“当光速变小时，所有与光速相关的物理参数都会发生变化。”著名物理学家、科普作家李苗在《三体物理学》一书中分析了黑域，认为如果光速下降，人类将不复存在。
人是由原子组成的。原子理论中有一个精细结构常数，它表示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，电子的速度虽然远低于通常的光速，但却高达1/137。当光速突然降低到16.7km/s时，原子中的电子将超过光速，这与光速在黑域中是上限的设定相矛盾，并可能导致原子的解体。
三维人进入四维会发生什么？次元武器“双向陪衬”可行吗？
“一个四维空间泡飘过地球，与地球的一部分重叠，所以三维空间的一切都在这个四维空间的范围内完全开放，人们可以随意从一个地方旅行到另一个地方，从封闭的坟墓中取出财宝，从囚犯完好的头颅中取出大脑...“——这是小说《三体》中对四维空间的精彩描述，就像二维平面对于三维空间中的我们一样。
在物理学中，“维度”是一种度量。在三维空间坐标上，加上时间，时间和空间是相互联系的，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。”朱说，理论上多维空间是存在的，时空维度是宇宙最基本的性质，但人类的观测只能达到三维。
如果有多维空间，我们能在三维世界中进入四维空间或更高维空间吗？
众所周知，人体是由分子原子构成的。“而分子原子一旦进入四维空间，就会不复存在，人体就会解体。所以人类无法进入四维，更别说进入更高维的空间了。”朱对说:
基于对多维空间的设想，刘在小说《三体》中设计了一种叫做“双向陪衬”的次元武器。高级文明把一张小小的纸“双向箔”扔进了太阳系，导致整个太阳系陷入二维空间，几乎毁灭了整个人类。
那么，这种次元武器在现实中可行吗？这种可能性存在于理论物理的一个分支——弦理论中。
在弦理论中，空间维度的变化可以看作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，这些小气泡逐渐变大，最终吞没整个液体。气体密度和液体密度之差可以看作是一个物理量，物理学家称之为场。
小说中的“双向陪衬”还有一种场，能量比较低。一旦直接接触到三维空间，就会像水中的气泡一样开始膨胀，触发三维空间中能量较高的场跳跃到能量较低的地方，使“双向箔”越长越大。这种降维武器一旦被触发，就无法阻止，只能乘坐光速飞船逃离。
《直子》《水滴》等小说中的科幻武器可行吗？
战争是科幻小说中永恒的主题。
《三体》中，包括次元武器“双向陪衬”在内的几个武器让读者脑洞大开。“因为这两个质子的存在，人类科学不会有重大进展。”《三体》中的这样一句台词，讲述了《三体》中第一件广受好评的科幻武器——质子，也叫“直子”。
在他们到达地球之前，三体人发射了两个“质子”来扰乱基础物理实验所依赖的大型对撞机(又称高能加速器)，从而中断了人类科学研究的正常进程。如果对撞机受到干扰，真的会“锁死”人类技术吗？
在现实生活中，大型对撞机是基础物理进步最重要的源泉。“物理理论必须通过实验来验证。如果大型对撞机的实验结果真的受到干扰，那真的会打击物理学的创新发展。”朱对说:
物理学家李苗在接受采访时说:“三体可以随时控制质子，这是三体最大的缺陷。”直子设定的实质是认为科学实验可能会受到智力的干扰，从而不符合“完全随机碰撞”的实验前提。
但如果直子掌握并计算了地球上所有的量子，那么一定有更多的量子在里面工作。那么它就是一个比它试图模拟的对象更复杂、更有活力的系统。如果它比宇宙小，那么它就不能准确预测一切。
“银河在其表面反射出平滑的光纹，使得水滴看起来纯净而美丽。”在《三体》中，水滴是刘的另一个神奇设定，可以非常迅速地加速到接近光速，仅通过简单的撞击，半个小时就能消灭2000艘核聚变动力战舰。
在小说中，刘假设水滴的物质结构是由强相互作用控制的。如果物质的基本组成是分子和原子，那么强相互作用力就是核子(即质子和中子)之间的作用力，其作用力范围比氢原子的大小小四个数量级，在原子构成的物质中没有影响。
如果水滴的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呢？
“夸克之间的距离小于中子半径，水滴的密度会过大，小说中水滴的质量小于10吨。所以水滴物质的控制力不可能是强相互作用力。”朱说，如果水滴的设置是站得住脚的，必须假设一种人类尚未发现的新物质。
“不管这些假设是真是假，《三体》把科学融入了文学和艺术，让读者更多地接触和思考物理学前沿的科学问题，这在科普方面起到了意想不到的作用。”朱对说: