《三体》中的物理学

《三体》是接近世界一流的中文科幻小说,其中涉及大量的现代物理学知识,例如,黑域在广义相对论中可能实现吗?假如真的存在高维,例如第四维,我们这些“可怜”的三维生物到底能不能进入?本文试图以现代物理学的标准,分析哪些是可能的,哪些是不可能的。

责任编辑:朱力远

黑洞的艺术想象图。 (南方周末资料图/图)

《三体》是接近世界一流的中文科幻小说,其中涉及大量的现代物理学知识,例如,黑域在广义相对论中可能实现吗?假如真的存在高维,例如第四维,我们这些“可怜”的三维生物到底能不能进入?本文试图以现代物理学的标准,分析哪些是可能的,哪些是不可能的。

《三体》是迄今为止中文科幻界出现的最具影响力的科幻小说之一,不论在想象力方面,还是在规模方面,可以说是最接近世界一流的科幻小说。有些三体迷们甚至认为,《三体》超过了很多同样题材的国外科幻小说。《三体》中的设定涉及大量的现代物理学知识,甚至还涉及社会学与心理学。

2012年一年,我断断续续地写了十二万多字的《〈三体〉中的物理学》,讨论这个三部曲涉及很多现代物理学知识的可能与不可能。在这里,我想简要谈谈其中的部分内容。

1 黑洞和黑域

一个相对保守的文明为了避免受到攻击,向别的文明发出信号表示自己是无害的,而唯一无害的可能就是这个文明永远不可能驶出自己的恒星系,这个恒星系成了黑域,即光无法逃离出去的区域。

那么,黑域不就是黑洞吗?不是。《三体》的作者刘慈欣应该知道,如果一个文明将自己局限在一个黑洞的视界中,这个文明将因为引力的作用不可避免地撞上黑洞的奇点,在奇点那里,一切都将毁灭。于是,刘慈欣发明了低光速黑洞,在一个给定的范围内,光速被降低了,例如被降低到逃逸速度以下,这样,这个区域就像黑洞一样了,只是不会塌缩,所以叫黑域。

黑域是《三体》中的一种科幻设想,黑域在广义相对论中是可能实现的吗?原则上可以,我们要降低光速。

当我们说光速变慢了,是指其他物理速度不会改变,例如,单摆在固定重力场中的周期不变,从而相关的机械速度也不变。而用基于光做成的原子钟相对机械钟变慢了。

光速变小的后果有很多,首先,与光速有关的一切物理学参数变了。我们简单地看看都有什么物理学参数与光速有关。第一个被改变的是原子理论中的精细结构常数,这个常数标志电子和质子之间的电磁互相作用强度。由于这个常数与光速成反比,光速小了一半,这个常数就大了一倍。这个常数不影响原子的大小,从而也不会影响物质结构,所以,机械钟还真的不受影响。精细结构常数涉及光速,只有具有相对论效应的物理系统才会受到影响,例如原子核的大小,当然,也会影响到太阳中的核聚变。因为精细结构常数变大了,假设核力的强度不变,质子之间电磁的排斥力变大了,最大的稳定原子核可能是比金还要轻不少的元素了,金元素肯定不稳定。

这就轮到第二个与光速有关的物理学常数,核力的强度。追溯核力的来源,起源于夸克之间交换一种特殊粒子叫胶子导致的,但我们不需要这么基本的图像来理解质子和中子之间的核力。简单地说,质子和中子之间的核力可以看成交换一个有质量的粒子,介子引起的。这种交换的结果有两个,一个是作用强度变了,一个是力的传递距离变了,这两个结果都会影响原子核的聚变。核力的强度与精细结构常数一样,也与光速成反比,光速变小了,强度就变大了。力程与介子的质量成反比,也与光速成反比,如果光速变小,力程也变大了。总结一下,光速变小,质子和中子之间的核力变大,这将导致原子核的结合能变大。无论是核裂变还是核聚变,都和结合能有关,结合能变大了,释放的能量也就变大了。那时,必须将行星人工移动得离太阳更远一些,否则

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网络编辑:Ashley

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