《三體》中的物理奇觀

三體》中的物理奇觀飛船進化史—從分子層面的化學(xué)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，飛船就從現(xiàn)實駛向了幻想中的未來。輻射帆許多科幻作品里，太空飛船已經(jīng)常見到無需解釋它的原理。劉慈欣的《三體》三部曲卻讓技術(shù)從現(xiàn)實起步，作為人類重要工具的飛船也就具備了清晰的技術(shù)演進路線。故事里，人類在三體人入侵的威脅下，設(shè)計了“階梯計劃”，用現(xiàn)有技術(shù)發(fā)射一艘輻射帆飛船，將志愿者云天明的大腦推往三體艦隊的方向。該計劃需預(yù)先用現(xiàn)有的化學(xué)動力火箭把大量核彈發(fā)射至太空，逐個分布在飛船最初航線上。然后發(fā)射輻射帆飛船，飛船在經(jīng)過每顆核彈的一瞬間，核彈在帆后爆炸，產(chǎn)生推進力。階梯計劃是用人類現(xiàn)有技術(shù)所進行的孤注一擲的努力，這個巧妙的低技術(shù)組合造就了當(dāng)時最高速的飛行器。宇宙帆船的概念現(xiàn)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。同火箭和航天飛機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年后，速度會被提升到每小時16萬千米，這是人類任何飛行器都沒有達到過的速度，相當(dāng)于“旅行者”號探測器的3倍。小太陽《三體》中，在實行階梯計劃的同時，人類也在研究新型動力的太空戰(zhàn)艦，無功質(zhì)核聚變發(fā)動機成為人們擇定的發(fā)展方向。當(dāng)前，雖然人類對核裂變的控制技術(shù)更加成熟，但有害輻射卻太多，上世紀(jì)美國的“獵戶座核火箭計劃”就是因此半途停止。而與核裂變一字之差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(chǎn)生有害電磁波和核廢料。但核聚變由于超高溫高壓而難于控制，科學(xué)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(shù)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。慣性約束聚變則需利用激光或者粒子束照射核燃料球產(chǎn)生超高溫，生成比磁約束聚變時密度更高的離子體，引發(fā)聚變反應(yīng)。由于反應(yīng)時間非常快，小燃料球自身的慣性就可以維持足夠長時間的熱度來進行反應(yīng)，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(fā)電，中國也不例外。但它必須安裝龐大沉重的磁場發(fā)生裝置，因而“遠(yuǎn)路無輕擔(dān)”的宇宙航行很可能需要另一種方式——慣性約束。由于核聚變原理與太陽等恒星的燃燒一樣，《三體》中的那些核聚變戰(zhàn)艦，“發(fā)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，于是地球人通過打入三體人內(nèi)部的間諜云天明，獲得了光速發(fā)動機的寶貴提示：曲率驅(qū)動。要解釋曲率，得先介紹膜宇宙理論。20世紀(jì)90年代，理論物理學(xué)界在10維空間弦理論的基礎(chǔ)上提出了11維空間的膜(M)理論，認(rèn)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(shè)想，比如空間折疊，把大范圍空間的曲率無限增大，像一張紙一樣對折，讓紙面上相距千萬光年的遙遠(yuǎn)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?！比w》中的曲率驅(qū)動設(shè)想更溫和更局部：“一艘處于太空中的飛船，如果能夠用某種方式把它后面的一部分空間熨平，減小其曲率，那么飛船就會被前方曲率更大的空間拉過去?！彼苁癸w船以無限接近光速的速度航行。這技術(shù)能否實現(xiàn)尚不可知。但2021年初，悉尼大學(xué)幾位物理教授對曲率驅(qū)動發(fā)動機進行計算機模擬時發(fā)現(xiàn)，扭曲時空有風(fēng)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，并在飛船到達目的地而開始減速時，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，到毀掉一顆恒星的光粒，再到拍平一個星系的二向箔，《三體》中的武器，就是這么“任性”地步步升級。水滴宇宙故事中，戰(zhàn)爭是永恒的主題。《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(xué)范兒。最先出場的大殺器是三體軍隊的探測器“水滴”?！般y河系在它的表面映成一片流暢的光紋，使得這滴水銀看上去純潔而唯美。”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(nèi)讓擁有近2000艘核聚變動力戰(zhàn)艦的人類太空武裝力量全軍覆沒。不過，物理學(xué)家李淼認(rèn)為水滴的物理設(shè)定有瑕疵?！皠⒋刃兰僭O(shè)這種物質(zhì)結(jié)構(gòu)由強相互作用力控制。如果物質(zhì)的基本組成還是分子和原子，那么強相互作用力是核子（即質(zhì)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(gòu)成的材料中不起作用?！比绻牧喜⒎怯稍雍头肿訕?gòu)成，而由更基本的粒子夸克和膠子構(gòu)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(zhì)，這也不可能?！度w》中直接說了，水滴的質(zhì)量不大，在十噸以下。結(jié)論是，水滴材料的控制力不可能是強相互作用力?！薄叭绻惨蔚脑O(shè)定成立，我們必須假設(shè)一種尚未發(fā)現(xiàn)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(xué)家敢于想象是什么原子構(gòu)成的?！惫饬Ｋ坞m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(biāo)，三體行星因而被宇宙中更高級文明用“光?！蔽淦髑謇淼袅恕．?dāng)時，三體行星正圍繞一顆恒星運行，恒星被光粒擊中后，光球?qū)雍蛯α鲗由媳粨舫鲆粋€巨大的裂孔，可并排放下四個地球恒星內(nèi)部物質(zhì)從裂孔噴涌而出，行星在其中運行了三十分鐘。移出噴出物質(zhì)帶后，行星表面均被燒熔，巖漿的海洋覆蓋了一切。被蒸發(fā)的海洋的水蒸氣成為行星的白色尾跡，行星成了彗星。光粒造成這樣巨大破壞的原因，小說中解釋為：“光粒雖然體積小，但由于十分接近光速，它的質(zhì)量被相對論效應(yīng)急劇放大。”這里用到的原理是著名的質(zhì)能方程：E二Mc2。E是能量，M是質(zhì)量，c是代表光速的常數(shù)。由于光速高達每秒30萬千米，一個光粒，可以僅憑其巨大的相對論質(zhì)量產(chǎn)生的動能摧毀一顆太陽成為小說中“經(jīng)濟”地攻擊恒星的最原始武器。對于這種武器，小說中的地球人只是遠(yuǎn)程觀測并推斷，它是一顆精確對準(zhǔn)目標(biāo)恒星并以慣性飛行的光速石頭，從某種宇宙飛行器上發(fā)射。它是什么材質(zhì)？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，針對毀滅恒星的光粒做出“掩體計劃”：以木星等四大巨行星為掩體，在其背陽面建設(shè)太空城，避開光粒引發(fā)的太陽爆發(fā)。但計劃趕不上變化，高級文明向太陽系扔過來一張小紙片“二向箔”，導(dǎo)致整個太陽跌落到二維空間，毀滅了幾乎所有人類。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(fēng)景二維化，變成一幅水墨山水畫，然后再一維化，變成一根細(xì)細(xì)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(xué)科弦論中，這個可能性是存在的。在弦論中，空間維度的變化可看成類似液態(tài)水變成水蒸氣的相變。當(dāng)水達到沸點時，液體中開始出現(xiàn)小氣泡，小氣泡慢慢地變大，最后吞食整個液體。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(xué)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(fā)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(fā)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。最終宇宙將走向何方？劉慈欣借小說人物之口作出推測：“把一個已經(jīng)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，然后繼續(xù)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?！毙强者M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(gòu)時空的小宇宙，《三體》中的文明在戰(zhàn)斗中求存，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恒星的星系里，過著水深火熱的生活。三顆無規(guī)則運行的太陽帶來了行星上智慧生物的百余次毀滅與重生，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。小說中提到的這個恒星系統(tǒng)有“原型”，就是半人馬座a（南門二）三合星系統(tǒng)。半人馬座a由A、B、C三顆恒星組成，其中C星被命名為“比鄰星”，距離太陽4.22光年，是離太陽最近的恒星之一。這個現(xiàn)實的三體系統(tǒng)很穩(wěn)定，沒有小說中描述的那么混亂。因為它不是標(biāo)準(zhǔn)的三體系統(tǒng)，而是一個雙星系統(tǒng)加一個衛(wèi)星恒星。A星和B星以一個偏心率較大的橢圓軌道互相圍繞旋轉(zhuǎn)，公轉(zhuǎn)周期為79.9年。較小的C星（比鄰星）則在遙遠(yuǎn)的0.2光年之外，以50萬年以上的周期圍繞A、B星的質(zhì)量中心緩慢公轉(zhuǎn)。由于半人馬座a星系統(tǒng)距離地球很近，許多科幻小說都想象這里存在著發(fā)達的宇宙文明。就在2021年，天文學(xué)家還發(fā)現(xiàn)在半人馬座a星系統(tǒng)很可能有一顆地球大小的行星，圍繞B星公轉(zhuǎn)。不過據(jù)計算，這顆行星上的一年僅有3天多時間，說明它公轉(zhuǎn)周期太短，和恒星距離太近，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(biāo)，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(shè)計了一個“黑域”概念，黑域就是光無法逃離出去的區(qū)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，隔絕于整個宇宙之外，這個文明就永遠(yuǎn)不可能駛出自己的恒星系，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(qū)動的航跡上，改變了空間結(jié)構(gòu)。向各個不同方向逃離恒星系的曲率驅(qū)動光速飛船，就可以產(chǎn)生包裹該星系的黑域。這個設(shè)想是否可行？“光速變小，與光速有關(guān)的一切物理學(xué)參數(shù)就變了?！崩铐翟凇度w中的物理學(xué)》一書中分析了黑域，認(rèn)為如果光速變小，人類將不復(fù)存在。人類由原子組成。原子理論中有個精細(xì)結(jié)構(gòu)常數(shù)，它標(biāo)志著電子和質(zhì)子之間的電磁相互作用強度。原子中，電子的速度就是精細(xì)結(jié)構(gòu)常數(shù)乘以光速。在氫原子中，電子的速度雖然遠(yuǎn)低于通常的光速，也高達光速的1/137，當(dāng)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(shè)定矛盾，可能導(dǎo)致原子的解體。“原子不存在，人類也就不存在了?！毙∮钪嬖凇度w》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(guān)一帆原本陷入黑域，卻走進了云天明送來的禮物——小宇宙中。這是一個時間空間都獨立于大宇宙之外的小小避難所，在云天明的設(shè)想中，他們可以在小宇宙中躲過大宇宙末日，并在新的大爆炸后進入新的大宇宙。大宇宙小宇宙之間有什么關(guān)系呢？《三體》中的設(shè)想是：“所有的宇宙都是一個超膜上的空泡”?？张莸慕Y(jié)局有兩種，一是加速膨脹然后被撕裂，二是塌縮為一個奇點然后重生。小說中，由于各種發(fā)展到一定程度的文明，都從大宇宙中偷走質(zhì)量建造躲過世界末日的“小宇宙”，以至于有一個“回歸運動”文明在膜上向各小宇宙廣播：“我們宇宙的總質(zhì)量減少至臨界值以下，宇宙將由封閉轉(zhuǎn)變?yōu)殚_放，宇宙將在永恒的膨脹中死去，所有的生命和記憶都將死去。請歸還你們拿走的質(zhì)量，只把記憶體送往新宇宙?！边@個有趣的設(shè)定，讓我們想起了現(xiàn)代宇宙學(xué)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(fā)現(xiàn)，即不管你往哪個方向看，遠(yuǎn)處的星系正急速地遠(yuǎn)離我們而去。換言之，宇宙正在不斷膨脹。1946年，物理學(xué)家伽莫