《三体》中的物理学

大家好，我叫李淼，来自于广州的中山大学，在广州中山大学天文与空间科学研究院做院长，以后会到珠海成立物理天文学院。今天跟大家聊聊我的一本书，叫《三体中的物理学》。介绍刘慈欣《三体》三部曲科幻中所涉及的物理学中的一些问题。今天跟大家聊三个问题，第一个问题就是前段时间美国人发现的引力波。这个引力波是怎么回事，在三体小说中也涉及到了。第二个问题我们讲讲大刘的地球往事第一部《三体》，三体的来历，三体星人受到的不规则的运动到底是真的还是假的？第三部分我们谈谈三维人进入四维空间的碎片会发生什么？

第一个问题就是引力波。美国LIGO在2月11号公布他们发现引力波的结果，所以我先想讲第18章，引力波天线这一章节。

引力波天线的好处是什么呢？是它可以发射的更远，你如果定向发射的话，是没有任何东西可以阻挡它的，因为它是一个时间和空间的波动，它和我们平常看到的波动不一样。平常看到的波动，水波是水在晃动。比如说你在河里面扔一个石子，就产生了一个波动，这是水波。光波稍微抽象一点，它并不是一个介质的波动，而是一个纯粹的由电磁现象引起的波动。最早发现光波的人是英国一个伟大的物理学家，叫麦克斯韦。麦克斯韦发现了电磁学的一组完整的方程，他发现这个方程里面有波动解，就像水波一样。而且这个波动解的速度，他认为和光速是一样的，于是他就预言，光其实也是一种电磁波。

电磁波是如何产生的呢？它有很多种，其中有一种是赫兹为了验证麦克斯韦的预言，用电火花产生了射电波段。电火花产生波动之后，在另外一边，就可以被检测到，也产生电火花了，所以赫兹是第一个验证了电磁波存在的人。大家都知道现在电磁波的应用非常广泛，比如说电视、广播、手机信号，都是射电波段。麦克斯韦发现电磁波远远不只这个，因为他还预言光也是一种电磁波。那物理学家就可以通过电磁波来探测很多东西，比如说我们可以探测很远之外的天体，他们会发射出射电。我们通过光学望远镜，可以看到月球上的环形山，土星环，诸如此类的。而且现在光学望远镜可以做到很大，口径非常大，已经超过十米了，我们可以看到非常非常遥远的天体。

话扯了这么长，我们回来谈谈引力波。引力波和光波一样，爱因斯坦发明了万有引力这个方程组，他就像麦克斯韦对电磁现象一样，他发现了完整的一个方程组，他也发现在他的方程组里也存在着波，这个波当然就不是电磁波了，也不是水波，也不是声波，这就是所谓的引力波。引力波是怎么产生的呢？有点像电磁波依赖于电荷的变动，引力波的产生是依赖于质量的变动、能量的变动。我们都知道世界上万事万物都有质量都有能量，比如一个人的身体体重大概70公斤左右，重一点的话是80公斤90公斤，轻一点的话50公斤60公斤，这都是质量，地球也有质量，太阳也有质量，所有这些天体都有质量。有了质量就会产生万有引力，这是牛顿最早发现的。

到了爱因斯坦的时代，它认为其实万有引力不像牛顿说的那样是一种力，而是种时空弯曲的现象，就相当于给你一个球体，你把它想办法变成一个桔子皮，桔子皮上面是弯的，高低不平的，其实由于宇宙里面充满了各式各样的能量和天体，天体有质量，这些各式各样的质量和能量使得时间和空间都是弯曲的，特别是空间是弯曲了，就像桔子皮一样。当然桔子皮表面上看来是两维的，我们的空间是三维的。整个爱因斯坦理论是说，如果有了能量和质量，那么时间和空间就会变弯。对于时空变弯，有静态的变弯，比如说一个太阳，地球绕着太阳转，这是一个静态的，太阳产生的引力场是通过时间和空间的一个静态的弯曲，所谓的静态是不随时间变化。地球在太阳产生的弯曲时空里面就绕着太阳转，就是所谓的最短程线。这就像我们出门吃饭，比如说我们家附近有一个餐馆，你不可能是弯弯曲曲的走过去，除非你喝醉了，你肯定是直着走过去，这叫最短程线。同样一个球体上也有最短程线，球体上的最短程线就是一个大圆，不可能在球面上走一个直线，因为球本来是弯的，你只能绕着一个大圆走。所以当空间变的更弯的时候，可能你走的线就不是我们通常想象的一条直线。他的短程线是弯的，就像地球绕着太阳转一样，是弯的。这是一个静态的时空。

但是引力波是怎么回事呢？引力波是说这个时空弯曲还会随着时间变化。就像水里面的波动一样，一个静态的水你可以看成是一个平面，当然你也可以放一个闸，左边水面高一点，右边水面低一点，这也是一个静态的，但是他不是一个完整的平面。但水波不一样，水波的波谷和波峰不时的在变化，才是波。同样时间和空间的弯曲也会是这样。如果他也随着时间变化，这就是引力波，这就是爱因斯坦大约在一百年前就预言了。正好去年9月份，叫LIGO，极光干涉引力波天文台。他们花了二十多年的时间，终于检测到弯曲时空会随着时间变化的波动叫引力波，而这个引力波是来自于两个黑洞合并的过程。这两个黑洞非常遥远，离我们大概有13亿光年，也就是说光从那边跑过来要13亿年。但是黑洞是不发光的，我们看不到这两个黑洞，但是它合并的过程中就有点像我们扔一颗石子在水里面一样，它会使得时空产生强大的波动，这就是引力波。其中一个黑洞大概质量是36个太阳那么大，还有一个黑洞是29个太阳那么大，合并之后就变小了。应该加起来质量守恒， 36+29应当是65，但是合并之后的这个黑洞的质量发现只有62个太阳质量。这些黑洞是怎么发现的？完全是通过LIGO探测到引力波不到一秒中间的信号，把它分析出来的。换句话说，在合并之前，这两个黑洞总共有65个太阳质量，合并之后损失了3个太阳质量。这3个太阳质量到哪里去了呢？因为这两个黑洞不发光了，黑洞黑洞，太黑了，不发光，它是以引力波的形式传播出来的，引力波也携带能量，这样就被我们的实验看到了。

回到三体，三体里面有一个很长的故事，咱们也忽略了，就是说三体人和地球人进入一个威慑时代，就是暂时和平时代，就相当于我们很多国家拥有核武器，核威慑时代。他们就进入了一个所谓的黑暗森林的威慑时代。为什么说是有威慑呢？是因为地球人掌握了通过太阳放大电磁波信号的手段，可以向银河系其他地方广播三体人的位置，那么其他高级文明一旦收到这个信号，就像黑暗森林中的狩猎者一样，啪，一下子就把他干掉了。地球人掌握了这个东西之后，三体人处于被威慑的状态，就跟三体人要很多技术，其中一个技术就是发射引力波，就是我刚才讲的。所以三体人就帮助地球人在地球上建了好几个引力波发射器。这个引力波发射器也有具体的描述，我们看一下刘慈欣是怎么描述的，我来读一段。

五年之后，罗辑一家远远的看到引力波天线，但车行驶了半个小时才到达它旁边。这时候，他们才真正感觉到它的巨大。天线是一个横放的圆柱体，有一千五百米长，直径有五十米，整体悬浮在距地面两米左右的位置。它的表面也是光洁的镜面，一半映着天空，一半映着华北平原。它让人想起几样东西，三体世界的巨摆，低维展开的质子，水滴。这种经面物体反映了三体世界的某种至今也很难为人类所理解的观点，用他们一句名言来讲就是，通过忠实的映射宇宙来隐藏自我，是融入永恒的唯一途径。天线周围有一大片翠绿的草地，形成了华北沙漠上的一个小小的绿洲。这片草地并不是专门种植的，因为引力波系统建成后，一直在不间断地发射，只是发出的波没有被调制，与超新星爆发、中子星或黑洞发出的引力波无异，但密集的引力波束却在大气层中产生了奇特的效应，大气中的水汽在这个上方聚集，使得天线周围经常降雨，有时，降雨的区域仅有三四公里半径，一块圆形的雨云像晴空中的巨形飞碟般悬在天线上方，从雨中可以看到周围灿烂的阳光。于是这一区域长出了丰茂的野草。但今天罗辑一家并没有看到这种奇观，只见到天线上空聚集的一片白云。

写了很多，这是看到天线的外观，巨大的天线，我再重复一遍这个天线有多大，有1.5公里长，直径有50多米。

到底是不是说引力波天线就有这么大呢，我要发射引力波就需要这么大吗？不是的，其实整个直径50米的圆柱体里面是作为一个包裹体，里面是非常细的弦，但这个弦非常重，不是普通物质组成的，是中子物质组成的。

这样的中子物质组成的弦，到底能不能强大到发射出引力波，我的分析的结果是这样的，如果说这根天线的弦是密密麻麻的，是一个中子一个中子的挨在一起的，那么它发射引力波的功率是比较小的，完全不足以来传递出信号，比如说传递出很远很远，银河系其他地方，让其他文明收到这个信号，这是做不到的。

要到什么程度呢？它必须是由不是单个中子排在一起，而是有很多很多中子排在一起，它有一个截面，这个截面里面有很多很多的中子，其实就是中子形成的一个小的圆柱体，而不是单个儿中子排的细线，形成了一个小的圆柱体。而且中子要密密麻麻的排在一起。这样的话，应该可以达到像全银河系做广播的目的。我计算了一下，它的功率是每秒一亿焦耳，这是相当强大的功率。只要你方向性好，你就可以让别的文明收到你的信号，比如说你可以广播，三体人在什么地方。确实后来这件事情发生了，这件事情怎么发生的呢？不是在地球上发生的，是万有引力号。万有引力号是人类在三体星人的帮助下，又发生了一个技术爆发，爆发了两次，第一次是人类建造了非常强大的星际舰队，这个星际舰队形成了几个共和国。但是第一个星际舰队被三体人摧毁了，这是有非常美妙的一个故事，我建议大家去三体中学习，读一读，非常好的故事。

然后被水滴摧毁之后，第二次发生了科学技术的爆发，建立了第二批更加先进的星际舰队。这个星际舰队其中有一个叫万有引力号。万有引力号和其他的星际舰队长的完全不一样，长的就像我刚才读的那段故事一样，长的就是引力波天线。长大概是1.5公里，直径有50米。这里面是有一根中子物质组成的线，这个引力波天线其实是一个活动的引力波天线，三体星人没有把能把它摧毁，因为它是活动的，它可以走。当然最后我们知道，在三体里面发生了这样的故事，第一批星舰被三体人摧毁了，用水滴摧毁了，剩下了几个星舰，其中一个叫蓝色天空号，蓝色天空号逃跑，为什么逃跑呢，是因为他们认为太阳系已经不适合居住了，因为时刻受到三体星人的威胁，所以他们向外太空逃跑，而且逃跑的过程中，他们还杀死了自己别的星舰，所以犯下了一些反人类罪行，万有引力号就来追击它，在追击的过程中发生了很多的故事，然后就合并了，合并了以后，他们发现威慑时代已经过去了，三体星人已经战胜了人类，他们不得不向全宇宙广播，他们广播的方式就是用万有引力号。确确实实在广播后不久，有一个光粒，就是以光速运动的巨大的东西，把三体星人的三体星给摧毁了。我们关于万有引力就讲到这。

现在接着讲三体中的物理学，三体中涉及到方方面面的物理学，有很多很多点。其实《三体中的物理学》这本书有一个东西没有讲，这个东西实际上是三体的关键。因为三体星人是处于一个三颗恒星系统中的智慧生命。他们的行星受到三颗恒星的影响，使得三体星人受到的周期变成和我们地球人不一样，地球绕着太阳转，是很规律的，一年有四季，夏天比较热，冬天比较冷，春天和秋天比较舒服。但是三颗恒星在一起是没有规律的变化，所以三体星人经常被毁灭，他们的文明经常会被毁灭，然后重新再诞生。后来他们的文明先进到什么程度呢，他们可以把自己脱水，变成了一张皮，然后把它收起来，比如说藏在很深的山洞里面，免得被三颗恒星烤焦。等三颗恒星变得更加规律的时候，他们又出来了。那时候也许就像我们地球一样，有四季变化。

三体星为什么会运行不规律。这件事情非常有意思，在物理学里面经常见到，叫混沌系统，所谓混沌系统就是乱七八糟的，没规律。举一个最简单的例子，打桌球，大家都知道打桌球是球在长方形的四个壁上来回反射，这个反射有规律，如果一个球顺着一个斜线打到壁上，它可以反弹出来，它反弹出来的角跟入射的角是一样大的。这个是有规律的。但是时间长了以后你会发现，这个球被四个壁来回来回反弹，最后完全没有办法预言它的轨迹，变的非常混乱，就不像地球绕着太阳转那么规律，没有办法预言。

三颗恒星放在一起也是这样的，不像地球绕着太阳转是规律的，它们互不相干的绕，乱七八糟的，没有办法预言。这就是大刘在三体里面设计的这么一个故事，非常有意思。为什么三体星人要入侵地球呢？很简单，因为他们经常被毁灭。叶文洁是三体里面的一个主角，收到了三体星的信号，而且她还回了，因为她对地球人不信任，对地球失去信心了，她发现三体星人的文明比我们更先进，所以她就在地球发起了一个组织，三体组织，是干什么的呢？其实就是希望三体星入侵地球，取代人类的统治地位，因为三体星人的文明更先进，说不定道德也比地球人更高，它是这样的。

我们回到三体，三体星人为了逃避不断发生的灾难，要入侵地球。这个灾难的源头就是三颗恒星运行的不规律，他们有三个太阳，就像我们的古代传说一样有九个太阳，被羿给射掉了八个。他们有三颗，大家经常发现一颗太阳会突然靠近他们，或者是两颗太阳突然靠近他们，甚至是三颗太阳同时靠近他们，那就完全把这个行星烤化了，更不要说整个文明了。

其实我要指出这一点，非常重要的一点，物理学，刘慈欣的设定没有问题，三颗恒星如果形成了三星系统，会出现这种非常不规律的变化，而且在银河系里面。三星系统也占了千分之几，并不很少，所以挺多。刘慈欣的设定是没错，但是他在书里写了一个东西有点问题。他说这个三体星其实就是靠我们最近的恒星，那个恒星叫比邻星。确实是靠我们最近的恒星和另外两个恒星形成了三星系统。为什么说大刘的设定有问题呢，其实他后来也发现了问题。这个问题还蛮大，他说离我们最近的三星系统大约有4.2光年。换句话说光从那边发出到我们这边来，已经是4.2年前发出的，非常遥远。比如说太阳发出的光，其实你是看到的光，是8分钟之前来的。8分钟和4.2年比，那是少很多。光跑8分钟跑了多远？1.5亿公里。你可以换算一下跑4.2年得跑多少亿公里，所以非常遥远。

但是尽管遥远，它也是距离我们最近的三颗恒星，其中两颗恒星我们古代人已经知道了，一个叫南门A，一个叫南门B，就是南门星。我们中国人都知道有南门星。而比邻星是非常非常小的一个恒星，肉眼看不到。一百年前被欧洲的一个天文学家用望远镜发现了，一测，也是离我们大约有4.2光年。所以就推测这颗比邻星是离我们最近的一个恒星，是跟南门A和南门B形成一个三星系统。

确实是存在这么一个三星系统，所以刘慈欣拿来作为他的设定，三体人就在那。但问题出在什么地方呢？其实这三个系统，在我看来还是比较稳定的，为什么比较稳定呢？首先我们知道，两颗恒星互相绕着转是稳定的，这就有点像地球绕着太阳转一样，只不过是地球比太阳的质量小很多，体积是小了一百万倍。所以基本上是地球绕着太阳转，因为地球的质量不大影响到太阳的质量，太阳太大了。那两个南门A和南门B的质量是差别不大，所以他们互相绕着转。换句话说，用我们物理学的术语是绕着他们的质心在转，但是是有规律的。加上比邻星，是不是会形成刚才我们说的没有规律的运动呢？不是的。因为比邻星离这两个星比较远，因此对他们之间相互绕着转影响不大。应该这么看，我觉得是南门A和B相互绕着转，然后比邻星绕着他们转。所以从更长的时间来看，应当是一个不可预测的系统，但是比较短的尺度看是可以预测的。就像月亮、地球、太阳，其实也是一个三星系统。我们能不能说月亮、地球和太阳是不可预测的？我们不能说，只是说在更长的，也可能是上亿年，或者是数十亿年的尺度上说，是不可预测的。但是在一个世纪，甚至几十万年，都是可以预测的。所以我们人类一直活的挺好的，没有因为三星系统而混乱。虽然那个三星不一样，是两颗恒星靠的近，互相绕着转，另外一颗小的比邻星绕着他们转，而且很明显比邻星绕着他们转的周期非常长，我估计得有上千万光年到上亿年。大概距离是0.2光年，8光分是1.5亿公里，0.2光年是非常遥远的。所以估计得上千万光年绕着转。因此至少在上亿年的尺度上是不会发生紊乱现象。上亿年的尺度上不会发生紊乱现象我觉得三体星人会活的挺好的。这是关于三体设定的物理学知识介绍。

下面一段我们讲讲《三体中的物理学》里面三维人进入高维空间会发生什么事情，这是第14章，三维人进入四维空间发生什么。

这件事是三体中一段非常有趣的故事产生出来的，就是讲万有引力号，第二批比较先进的星舰来追击另外一个逃亡的星舰蓝色空间号。蓝色空间号是人类第一批星舰被三体人剩下的所剩无几的星舰之。他们认为人类在地球已经没有希望了，所以就向外面逃亡。在逃亡的过程中，他们消灭了另外自己的同一个舰队里面的星舰，叫量子号。为什么要消灭呢？是因为觉得如果向外太空逃亡，可能他们星舰上所含的资源不够，包括能源、燃料、食物之类的。其实在他们消灭量子号的时候，量子号同时也想消灭他们，他们的想法是一样的。消灭对方然后把对方的燃料和生活用品都拿过来。

因为他们不知道后来地球人发现了罗辑，发现了黑暗森林法则，跟三体人进入了一个短暂的和平时期，威慑时代，他们不知道，他们就逃。但是对于地球人来看，他们就犯了反人类罪行，可是对于蓝色空间号，他们认为我们是一个新的人种诞生了，这个人种为了活命不择手段，包括干掉同类，拿到他们的资源。所以地球人后来由于新的技术的发展，又建造了第二批舰队，这第二批舰队的航速更高，远远超过第一批舰队，是光速的百分之几。其中追击蓝色空间号的叫万有引力号。追击了大约有50年，终于快追到了。为什么说人类可以在一个星舰上生活50年呢？因为大部分人一直在冰冻状态，冷冻起来了。可能只有百分之几的人在工作，他们轮换工作，百分之几人的工作三两年，然后也去冬眠了，再唤醒两三个人再工作。

但是当万有引力号追蓝色空间号，他们之间只有一个天文单位的时候，一个天文单位是什么呢？就是地球到太阳的距离，大概是1.5亿公里。一个天文单位的时候，他们就开始唤醒了所有的人，认为战争要一触即发了。如果是星舰以光速运动，8分钟左右就到了，当然星舰没有那么高，是光速的百分之几，那也不过是8分再乘上几十。换句话说也就是几个小时就追到了，所以他们就唤醒了所有的人。但他们突然发现本来护卫他们的三体星人的水滴突然失灵了。原来发生了一个非常离奇的事情，就是蓝色空间号和万有引力号进入了一个四维空间的碎片。

就是宇宙里面的空间不完全是三维的，我们知道三维是什么意思，就是上下前后左右，用三个坐标来描述。他们进入了一个四维的碎片，四维就比三维还高出一维，就相当于三维比两维高出一维一样，一个立方体比一张纸要多一维，一张纸张只有上下和左右，我们高出一维，还有一个前后。我不知道怎么来形容四维，可能除了上下左右前后还有一个。我们三维空间放在四维空间里，就像一张纸放在我们的空间里一样。突然蓝色空间号和万有引力号都进了四维空间的碎片。就相当于一个蚂蚁在纸上爬，我们可以用手把它提到第三维里面。所以就发生了这么一个奇怪的事情，蓝色空间号知道进入了四维空间，万有引力号不知道。所以他们就相当于通过了第四维，然后抄近路把水滴给干掉了，他们又抄近路占有了万有引力号。因为蓝色空间号上的人数是他们的十倍，有一千多人，而万有引力号只有一百多人，而且他们根本不知道存在着这个四维空间，就突然被占领了。

我们回过头来看，四维碎片的事是怎么回事儿。我们读刘慈欣的小说觉得很正常嘛，就像爬在纸上的蚂蚁，你用手把它提出来，放到高于纸面一样的第三维空间一样，这很正常，刘慈欣也觉得很正常，但这个物理上是有缺陷的。

我的结论是，如果真的三维人坐着星舰驶到一个四维空间的碎片，他要胆敢爬到四维空间里去，他会立刻毁灭，爆炸或者什么样。用我们的成语讲就是灰飞烟灭。为什么会灰飞烟灭呢？他跟蚂蚁从纸面上拿起来不一样，因为蚂蚁在纸面上所体会的物理学规律和离开纸面体会到的物理学规律是一样的。但是三维空间的人体会到的物理学的规律和四维空间的物理学规律是完全不一样的。我们三维的人之所以生存要依赖于三维物理学规律。到了四维里面，物理学规律变了，那么三维人就没有办法生存了。我就讲讲为什么没有办法生存。

我们知道，有两个非常重要的因素使得人类得以生存，首先存在原子和分子。原子就是电子绕着原子核在运动，形成了一个稳定的系统，然后原子之间再相互吸引，再形成分子，等等，组成了我们人体。原子之所以存在，依赖于一个非常重要的规律，就是说，电子和原子核之间的相互作用是库仑力，库仑力是什么意思呢？就是他们的吸引力是跟距离平方成反比的。而且我们可以证明，只有当库仑力成立的时候，原子才是稳定的，如果不是和距离平方成反比，比如说和距离的三次方成反比，或者是和距离四次方成反比，这个原子系统都是不稳定的。

换句话说，我们非常幸运，在这个世界，库仑力是成立的。但是非常遗憾，库仑力到了四维就变成了和距离的立方成反比，R的立方成反比，如果把我们身体的原子突然放到四维里面，这个原子核和电子之间的吸引力突然变成R的三次方了，马上就崩溃了，原子都崩溃了，那人的整个身体都崩溃了。

我们回过头来再讲讲，为什么说库仑力在三维空间里面跟距离平方成反比，而在四维空间里面是跟距离立方成反比，非常简单，我们想想能量是守恒的，你比如说一个灯泡发出的光，比如说40瓦，是每秒钟它的功率是40个焦耳，这个是不会变的。所以你离这个灯泡越远，你会感到光越弱，因为它散布的球面就更大，它总的球面上所受的功率是每秒钟40焦耳，你离它很远，它的球面变的更大了，所以你看到的，你的眼睛接收到的是有限的光，有限的面积，因此你看到的灯泡就弱，而这个弱是跟距离有个关系，就是跟距离平方成反比。原因很简单，这个球面是跟距离平方成反比的。因此你单位面积里面接受的光一定是跟距离平方成反比的。库仑力也是这么一个道理，他虽然不是能量守恒，但道理是类似的。

那么到了四维会怎么样呢？同样的灯泡你让它发光，这个时候包着灯泡的球面就不再是两维的球面了，因为它在四维空间里面，它的球面就变成三维了。因此根据能量守恒，它的灯泡发出的光的强度，是跟三维球面的体积有关的。而三维球面的体积是跟距离的立方成正比，因为它是三维的，它是立方。所以如果你在四维里面用眼睛看一个灯泡，你看到的这个亮度是跟距离的立方成反比，同样在四维空间里面，库仑力也是跟距离的立方成反比。所以我们就回到前面的话题，如果把我们身体的原子放到四维空间里，他们之间的关系是跟距离的立方成反比，然后根据我们的物理学，你可以很快的解这个方程，这个是不稳定的，马上就崩溃。所以三维人是没有办法进入四维的。这个是跟我们的直觉完全相反的。它和纸上的蚂蚁不一样，因为蚂蚁尽管在纸上爬，它的规律还是三维的，它的身体里面分子原子还是三维的，所以你把它提到三维里，它不会发生变化。

今天就跟大家聊这么些，以后有机会和大家再聊，我有可能在我的公众号上会继续谈一些和科幻相关的物理学问题，欢迎大家关注我的公众号，我的公众号叫淼叔。谢谢大家。

撰稿：李淼

讲述：李淼

《三体》中的物理学