《三體》中的奇妙物理學

三體、黑域、智子、水滴、二向箔……翻開小說，看到這些奇幻的字眼時，你是否會腦洞大開？在《三體》中，劉慈欣融入了大量的前沿物理學理論，並在此基礎上加以延伸，樹立了硬派的科幻風格，向讀者呈現出一個個神秘莫測的科幻奇景。那麼這些科幻奇景與現代物理學有哪些聯繫？他們是否有可能成為現實呢？

「三體」是什麼？

現實宇宙中存在「三體星系」嗎？

在小說《三體》中，三體人居住在一個有三顆恆星的星系裡。由於三顆恆星處於無規律運轉狀態，不斷吞噬星系中的行星，造成行星上智慧生命不斷地重生和毀滅，最後只剩下三體文明存活下來。因此，三體人決定遷徙至外界星系，進犯最近的宜居行星——地球。

仰望星空，我們會發現一顆極為明亮的星星——半人馬座α，一個距離太陽只有4.22光年的恆星。這顆恆星所在的半人馬座α三合星系統是距離太陽系最近的恆星系統，也是小說中「三體星系」的原型。

「半人馬座α三合星系統由A、B、C三顆恆星組成，這個現實的星系相對穩定，並不像小說里那樣混亂。」燕山大學物理學教授朱艷英說，它並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。

實際上，三體是物理學中的著名現象。1900年，著名數學家希爾伯特提出了N體問題的特例——三體問題，時至今日，三體問題依然困擾著物理學界。

「三體問題是天體力學中的基本模型，即探究三個質量、初始位置和初始速度都為任意的可視為質點的天體，在相互之間萬有引力作用下的運動規律問題。」燕山大學物理學教授朱艷英表示，目前，三體問題仍得不到精確求解，無法預測所有三體問題的數學情景，只有幾種特殊情況已研究。

三體問題最簡單的例子就是太陽、地球、月球的關係，太陽系僅有一顆恆星——太陽，太陽的軌道恆定，地球的軌道恆定，地日的關係恆定，因此地球才能維持相對恆定的生存環境。那麼，劉慈欣筆下那樣毫無規律運轉的「三體星系」在現實宇宙中真的存在嗎？

據英國《新科學家》雜誌報道，距離地球大約4200萬光年的宇宙深處，存在著3個孤零零的星系，這三個星系的外圍被一團氫氣團包圍，一團無形的暗物質紐帶將它們關聯在一起。這個「三體星系」構成的「空洞集群」被科學家命名為VGS_31。天文學家表示，此前還從未在一個宇宙空洞區域內看到過這樣的星系系統。

黑域存在嗎？

黑洞和黑域有什麼關係?

在小說中，一個智慧文明為了避免受到攻擊，向別的文明發出信號表示自己是無害的，而唯一無害的前提就是這個文明永遠無法駛出自己所在的恆星系，這個恆星系成了黑域，即光無法逃離出去的區域，被稱為宇宙保險柜。

那麼，黑域就是黑洞嗎？

黑洞是現代廣義相對論中，宇宙空間內存在的一種密度極大體積極小的天體。黑洞的引力很大，使得視界內的逃逸速度大於光速。黑洞的引力場非常劇烈並且快速變化，任何物體都會像麵條一樣被巨大引力拉伸。也就是說，任何物質或者任何人都無法在黑洞中倖存，更談不上文明的存在。

於是，作家劉慈欣在小說中發明了低光速黑洞，假定將真空光速降至太陽系的逃逸速度每秒16.7千米，從而使整個區域變成黑域。作為一種科幻設想，黑域在廣義相對論中是可能實現的嗎？

「光速變小，與光速有關的一切物理學參數就變了。」著名物理學家、科普作家李淼在所著的《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，這個常數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1/137。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。

三維人進入四維會發生什麼？

維度武器「二向箔」可行嗎?

「一個四維的空間泡飄過地球，與地球的一部分發生了重疊，於是，在這片四維空間的範圍內，三維空間的一切都被完全敞開，人們可以隨意從一個地方穿越到另一個地方，從密閉的墓室里拿出珍寶，從囚犯完好無損的頭顱中取出大腦……」——這是小說《三體》對四維空間一段精彩的描述，就好像二維平面對於三維空間的我們來說是一覽無餘的，從四維空間看來，三維的物體也同樣無處隱藏。

在物理學中，「維」是一種度量，在三維空間坐標上，加上時間，時空互相聯繫，就構成了四維時空。「一維是線，二維是面，三維是靜態空間，四維是動態空間。」朱艷英介紹說，理論上多維空間是存在的，時間空間的維度是宇宙最基礎的性質，只是人類的觀測只能到三維。

如果真的存在多維空間，三維世界的我們能否進入四維或者更高的維度空間呢？

眾所周知，人的身體是由分子原子構成。「而分子原子一旦進入四維空間就會不復存在，人體也就會隨之解體。因此，人類無法進入四維，更談不上進入更高的維度空間。」朱艷英說。

基於多維空間的假定，劉慈欣在小說《三體》中設計了一種維度武器叫「二向箔」。高級文明向太陽系扔來一張小紙片「二向箔」，導致整個太陽系跌落到二維空間，幾乎毀滅整個人類。

那麼，這種維度武器在現實中是否可行？在理論物理的分支學科弦論中，這種可能性是存在的。

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，最終吞噬整個液體。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。

小說中的「二向箔」中也有一種場，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。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。

《三體》三部曲，又名「地球往事」三部曲，該系列小說由《三體》、《黑暗森林》、《死神永生》三部小說組成。該系列講述了地球文明在宇宙中的興衰歷程。作品對人類歷史、物理學、天文學、社會學及哲學等均有涉及，從科幻的角度對人性進行了深入探討，被譽為迄今為止中國當代最傑出的科幻小說。究竟電影將如何展現？由時尚星光傳媒旗下北京時尚星光影業、阿里影業 、游族影業聯合出品的同名科幻巨制電影《三體》已定檔暑期上映，答案將在7月揭曉。

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