《三體》中的九大物理奇觀，離現實有多遠？
由中國科幻作家劉慈欣創作的科幻小說《三體》，獲得了第73屆雨果獎最佳長篇故事獎。劉慈欣是獲該獎的首個亞洲人，他在這部恢弘巨著中徵引了物理學、社會學、生物學等多種學科的知識，其中用到的物理學的設定最多，也描繪了很多充滿瑰麗想像的物理奇觀。這些奇特的想像跟現代物理學有哪些聯繫？它們是否有可能變成現實？
飛船進化史
從分子層面的化學動力，到核子層面的聚變動力，再到利用時空本性的曲率動力，飛船從現實駛向了幻想中的未來。
輻射帆
許多科幻作品裡，太空飛船已經常見到無需解釋它的原理。劉慈欣的《三體》三部曲卻讓技術從現實起步，作為人類重要工具的飛船也就具備了清晰的技術演進路線。
故事裡，人類在外星三體人入侵的威脅下，設計了「階梯計劃」，用現有技術發射一艘輻射帆飛船，將志願者雲天明的大腦推往三體艦隊的方向。
該計劃需預先用現有的化學動力火箭把大量核彈發射至太空，逐個分布在飛船最初航線上。然後發射輻射帆飛船，飛船在途經每顆核彈的瞬間，核彈在帆後爆炸，產生推進力。階梯計劃是人類用現有技術進行的孤注一擲的努力，這個巧妙的低技術組合造就了當時最高速的飛行器。
宇宙帆船的概念現實中早已有之，用陽光做動力的太陽帆飛船已做過幾次試驗。同火箭和太空梭迅速耗完的燃料相比，陽光不會枯竭，它能推動光帆以每秒約1毫米的速度不斷加速移動，展開光帆3年後，速度會被提升到每小時16萬公里，這是人類任何飛行器都沒有達到過的速度，相當於「旅行者」號探測器的3倍。
人類成功製造的第一個太陽帆飛船是日本2010年發射的伊卡魯斯（IKAROS）探測器，它在太空中達到約每秒100米的飛行速度，並在展帆後6個月抵達目的地金星。
小太陽
《三體》中，在階梯計劃同時，人類也在研究新型動力的太空戰艦，無功質核聚變發動機成為人們擇定的發展方向。
當前，人類對核裂變的控制技術更加成熟，但有害輻射太多，上世紀美國的「獵戶座核火箭計劃」就是因此半途停止。
與核裂變一字之隔的核聚變是清潔能源，它是較輕原子核聚合時所釋放的能量，不會產生有害電磁波和核廢料。
但核聚變由於超高溫高壓而難於控制，科學家想出兩種辦法：慣性約束、磁約束。磁約束聚變是將核燃料變成數百萬攝氏度的高溫等離子體，使原子核活躍到能相互碰撞。高溫離子體會熔化任何束縛它們的容器，只可以用強磁場來束縛它們。慣性約束聚變則需利用激光或者粒子束照射核燃料球產生超高溫，生成比磁約束聚變時密度更高的離子體，引發聚變反應。由於反應時間非常快，小燃料球自身的慣性就可以維持熱度足夠長的時間來進行反應，無需強磁場束縛。
目前世界各國投入很大力量研究磁約束聚變發電，中國也不例外。但它必須安裝龐大沉重的磁場發生裝置，因而「遠路無輕擔」的宇宙航行很可能需要另一種方式——慣性約束。
由於核聚變原理與太陽等恆星的燃燒一樣，《三體》中的那些核聚變戰艦，「發動起來像天上的小太陽」。
曲率推進
《三體》中的核聚變飛船「可以加速到光速的百分之十五」，這種速度在宇宙航行中還是太慢，於是地球人通過打入三體人內部的間諜雲天明，獲得了光速發動機的寶貴提示：曲率驅動。
要解釋曲率，得先介紹膜宇宙理論。20世紀90年代，理論物理學界在10維空間弦理論的基礎上提出了11維空間的膜（M）理論，認為我們所在的宇宙不過是10維或11維時空中的一個四維超曲面，就像薄薄一層膜，空間曲率無處不在。
這延伸出許多宇宙航行設想，比如空間摺疊，把大範圍空間的曲率無限增大，像一張紙一樣對摺，讓紙面上相距千萬光年的遙遠兩點貼在一起。劉慈欣在小說中評價說：「這種氣吞宇宙的事只有上帝才做得出來，如果加上基本理論的限制，可能上帝也不行。」
《三體》中的曲率驅動設想更溫和更局部：「一艘處於太空中的飛船，如果能夠用某種方式把它後面的一部分空間熨平，減小其曲率，那麼飛船就會被前方曲率更大的空間拉過去。」它能使飛船以無限接近光速的速度航行。
這技術能否實現尚不可知。但2012年初，悉尼大學幾位物理教授對曲率驅動發動機進行計算機模擬時發現，扭曲時空有風險。在超光速飛行中，會有大量粒子堆積在包裹飛船的「曲速泡」中，並在飛船到達目的地開始減速時，瞬間釋放，足以毀滅任何與其接觸的物體。
武器進化史
從消滅一支艦隊的水滴，到毀掉一顆恆星的光粒，再到拍平一個星系的二向箔，《三體》中的武器，就是這麼「任性」地步步升級。
水滴
宇宙故事中，戰爭是永恆主題。《三體》中的幾個大殺器，無不簡潔、神秘、高效，充滿冷冰冰的暴力美學范兒。
最先出場的大殺器是三體軍隊的探測器「水滴」。「銀河系在它的表面映成一片流暢的光紋，使得水滴看上去純潔而唯美。」
小說中，這粒形似水滴的宇宙探測器表面絕對光滑，可以極快地加速到接近光速。它無堅不摧，僅以簡單的撞擊方式，就在半小時內讓擁有近2000艘核聚變動力戰艦的人類太空武裝力量全軍覆沒。
不過，物理學家李淼認為水滴的物理設定有瑕疵。「劉慈欣假設這種物質結構由強相互作用力控制。如果物質的基本組成還是分子和原子，那麼強相互作用力是核子（即質子和中子）之間的力，其力程比氫原子的大小還要小四個量級，在原子構成的材料中不起作用。」
如果材料並非原子和分子構成，而由更基本的粒子夸克和膠子構成呢？「夸克之間的距離比中子半徑還小，水滴的密度會太大，像夸克星中的物質，這也不可能。《三體》中直接說了，水滴的質量不大，在10噸以下。結論是，水滴材料的控制力不可能是強相互作用力。」
「如果硬要水滴的設定成立，我們必須假設一種尚未發現的新型固體。也許，水滴的材料是一種三維的石墨烯，但還沒有任何物理學家敢於想像是什麼原子構成的。」
光粒
水滴雖然厲害，但在更高級的文明面前，三體文明也被比成了渣。小說中，地球人向宇宙廣播了三體人母星的坐標，三體行星因而被宇宙中更高級文明用「光粒」武器清理掉了。
當時，三體行星正圍繞一顆恆星運行，恆星被光粒擊中後，光球層和對流層上被擊出一個巨大的裂孔，可並排放下四個地球。恆星內部物質從裂孔噴涌而出，行星在其中運行了30分鐘。移出噴出物質帶後，行星表面均被燒熔，岩漿的海洋覆蓋了一切。被蒸發的海洋的水蒸氣成為行星的白色尾跡，行星成了彗星。
光粒造成巨大破壞的原因，小說中解釋為：「光粒雖然體積小，但由於十分接近光速，它的質量被相對論效應急劇放大。」
這裡用到的原理是著名的質能方程：E=MC2。E是能量，M是質量，C是代表光速的常數。由於光速高達每秒300000千米，一個光粒，可以僅憑其巨大的相對論質量產生的動能摧毀一顆太陽，成為小說中「經濟」地攻擊恆星的最原始武器。
對於這種武器，小說中的地球人只是遠程觀測並推斷，它是一顆精確對準目標恆星並以慣性飛行的光速石頭，從某種宇宙飛行器上發射。它是什麼材質？如何加到光速？全都不得而知。
二向箔
觀測到三體星末日的地球人，針對毀滅恆星的光粒作出「掩體計劃」：以木星等四大巨行星為掩體，在其背陽面建設太空城，避開光粒引發的太陽爆發。
但計劃趕不上變化，高級文明向太陽系扔來一張小紙片「二向箔」，導致整個太陽跌落到二維空間，幾乎毀滅所有人類。
二向箔是一種維度武器，如果進行詩意的描繪就是這樣：「把三維的西湖風景二維化，變成一幅水墨山水畫，然後再一維化，變成一根細細的杭州絲綢。」這是在杭州舉行的一次科幻筆會上，一群科幻作家討論如何毀滅一座城市時，劉慈欣給出的答案。
維度武器是否可行？在理論物理的分支學科弦論中，可能性是存在的。
在弦論中，空間維度的變化可看成類似液態水變成水蒸氣的相變。當水達到沸點時，液體中開始出現小氣泡，小氣泡慢慢地變大，最後吞食整個液體。氣體密度和液體密度的差別可以看成一種物理量，它被物理學家稱為場。二向箔中有一種場，能量比較低，一旦與三維空間直接接觸，就變得像水中的氣泡那樣開始膨脹，觸發三維空間的能量較高的場向能量更低的地方跳，讓二向箔越長越大。
小說中，這種降維武器一旦觸發就無法停止，只有乘坐光速飛船才能逃生。整個宇宙就是在這樣不擇手段的降維攻擊中，從高維逐級下降。
宇宙最終將走向何方？劉慈欣借小說人物之口作出推測,「把一個已跌入低維度的宇宙重新拉回高維，幾乎不可能；但從另一個方向努力，把宇宙降到零維，然後繼續降維，就可能從零的方向回到最初，使宇宙的宏觀維度重新回到十維」。
星空進化史
從三個太陽夾縫中求生，到固步自封的黑域龜殼，再到重構時空的小宇宙，《三體》中的文明在戰鬥中求存，逐步攀向更高的等級樹。
三體
《三體》中，三體人居住在一個有三顆恆星的星系裡，過著水深火熱的生活。三顆無規則運行的太陽帶來了行星上智慧生物的百餘次毀滅與重生，逼迫三體人逃離母星，進犯最近的宜居星球——四光年外的地球。
小說中提到的這個恆星系統有「原型」，就是半人馬座α（南門二）三合星系統。半人馬座α由A、B、C三顆恆星組成，其中C星被命名為「比鄰星」，距離太陽4.22光年，是離太陽最近的恆星之一。這個現實的三體系統很穩定，沒有小說中描述的那麼混亂。因為它不是標準的三體系統，而是一個雙星系統加一個衛星恆星。A星和B星以一個偏心率較大的橢圓軌道互相圍繞旋轉，公轉周期為79.9年。較小的C星（比鄰星）則在遙遠的0.2光年之外，以50萬年以上的周期圍繞A、B星的質量中心緩慢公轉。
由於半人馬座α星系統距離地球很近，許多科幻小說都想像這裡存在著發達的宇宙文明。就在2012年，天文學家還發現在半人馬座α星系統很可能有一顆地球大小的行星，圍繞B星公轉。不過據計算，這顆行星上的一年僅有3天多時間，說明它公轉周期太短，和恆星距離太近，根本不可能存在生命。
黑域
在《三體》中，一個文明所在的星球，只要暴露了坐標，就會被視為有可能的威脅，而被更高級文明隨手清理，三體行星就因此滅亡。
一個文明如何才能表示自己無害，以避免受到攻擊呢？劉慈欣設計了一個「黑域」概念，黑域就是光無法逃離出去的區域，被稱為宇宙保險柜。如果把真空光速降至太陽系的逃逸速度每秒16.7千米，整個太陽系就成為一個低光速黑洞，隔絕於整個宇宙之外，這個文明永遠不可能駛出自己的恆星系，因而也就失去了去其他文明的威脅能力。
在《三體》中，光速飛船在曲率驅動的航跡上，改變了空間結構。向各個不同方向逃離恆星系的曲率驅動光速飛船，就可以產生包裹該星系的黑域。
這個設想是否可行？
「光速變小，與光速有關的一切物理學參數就變了。」李淼在《三體中的物理學》一書中分析了黑域，認為如果光速變小，人類將不復存在。
人類由原子組成。原子理論中有個精細結構常數，它標誌著電子和質子之間的電磁互相作用強度。原子中，電子的速度就是精細結構常數乘以光速。在氫原子中，電子的速度雖然遠低於通常的光速，也高達光速的137分之一。當光速突然變小到每秒16.7千米，電子在原子中就超光速了，這和黑域中光速為速度上限的設定矛盾，可能導致原子的解體。「原子不存在，人類也就不存在了。」
小宇宙
在《三體》中，黑域是一個超級龜殼，但這個龜殼可用小宇宙來破。逃亡的地球人程心和關一帆原本陷入黑域，卻走進了雲天明送來的禮物——小宇宙。這是一個時間空間都獨立於大宇宙之外的小小避難所，在雲天明的設想中，他們可以在小宇宙中躲過大宇宙末日，並在新的大爆炸後進入新的大宇宙。
大宇宙小宇宙之間有什麼關係呢？《三體》中的設想是：「所有的宇宙都是一個超膜上的空泡。」
空泡的結局有兩種，一是加速膨脹然後被撕裂，二是塌縮為一個奇點後重生。
小說中，由於發展到一定程度的文明，都從大宇宙中偷走質量建造躲過世界末日的「小宇宙」，以致有一個「回歸運動」文明在膜上向各小宇宙廣播：「我們宇宙的總質量減少至臨界值以下，宇宙將由封閉轉變為開放，宇宙將在永恆的膨脹中死去，所有的生命和記憶都將死去。請歸還你們拿走的質量，只把記憶體送往新宇宙。」
這個有趣的設定，讓我們想起了現代宇宙學中最有影響的「宇宙大爆炸理論」。
1929年，埃德溫·哈勃作出一個具有里程碑意義的發現，即不管你往哪個方向看，遠處的星系正急速遠離我們而去。換言之，宇宙正在不斷膨脹。1946年物理學家伽莫夫正式提出大爆炸理論，認為宇宙由約140億年（後來被精確到137億年）前發生的一次大爆炸形成。大爆炸使宇宙空間不斷膨脹，溫度隨之下降，化學元素開始形成，宇宙中的星系、恆星、行星乃至生命都是在這種不斷膨脹和冷卻的過程中形成的。後來獲得1978年諾貝爾物理獎的發現——宇宙微波背景輻射，就被視作這次大爆炸的遺迹和證據之一。
事實上，對於尚未真正走出地球搖籃的人類來說，要說清宇宙的真相還為時過早。但這並不妨礙我們讀完科幻小說後，在仰望星空時浮想聯翩，因為好奇心正是人類科技進步的動力和源泉。
文/佘惠敏編/王玥/李靜
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