一文读懂《三体》：到底讲了啥？有哪些“黑科技”?

2023-02-20 17:22:51 来源：科普中国

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《三体》剧集热播，再一次掀起了《三体》科幻讨论的热潮。虽然《三体》是一部科学幻想故事，但它涉及了许多真实存在的科学知识，了解这些，你的追剧、追番体验也许会更好。01《三体》这么火它到底讲了什么《三体》的故事要追溯到文革时期。在那个特殊时代，许多人都经历了苦难。年轻的天体物理学家叶文洁经历了父亲被迫害，自己被诬陷等诸多悲惨经历之后，变得心灰意冷。某天，她在工作中发现了一段特殊讯号，来自科技发达的“三体”世界。叶文洁认为人类文明已经堕落，需要更高级的文明来拯救，就回应了这段讯号，暴露了地球的坐标。一心想摆脱恶劣生存环境的“三体”文明得知地球的存在后，定下了一个目标：向地球出发，将其作为新家园。几十年后，世界上接连出现了知名科学家自杀事件，原来这一切都是三体文明和它的拥趸的阴谋：他们试图通过扰乱地球科学的方式，封锁地球文明的进步可能。为了抵抗三体文明，人类做出了种种尝试：剿灭地球上支持三体文明的组织；研制星际飞船；实行“面壁者”计划；与三体人对峙……为了生存，地球文明和三体文明都在各自努力，但最终，人类、三体人乃至整个宇宙却走向了一个意想不到的结尾。也许很多人还没有读完全书，所以本文也不再剧透，接下来只聊聊《三体》涉及到的科学知识。02“三体”是什么？《三体》这个有些怪异的书名究竟是指什么？虽然其确切含义众说纷纭，但它也许与小说中设定的三体文明生存环境有关。三体人的星系竟然有三颗“太阳”，它们在引力作用下持续做不规则运动，让三体人的星球不是极冷就是极热，并会受到引力影响，给他们带来了巨大苦难。那么，为何三颗球体的运动，会造成这种混乱结果？三体人的科技那么发达，预测一下它们的运动轨迹和位置，提前做准备不就好了？这就要谈到天文学上的著名问题——“三体问题”了。它是一个力学模型：给定三个质量、初始位置和初始速度都任意的天体，研究它们在相互之间万有引力作用下的运动规律问题。虽然这听起来不太复杂，但想要对这三颗天体的运动轨迹和位置进行精确求解却十分困难。无论三体人还是地球人，都很难确定三颗“太阳”的运行规律，三体人也不得不抛弃这个环境恶劣的“家园”，逃向地球。可以说，“三体问题”的难以求解，是整个故事的缘起。03“古筝行动”现实里能成功吗？在《三体》故事中，为了抓捕地球上支持三体文明的组织，人们将一种极为锋利的超强度纳米材料细线拦在轮船必经的运河上。像古筝的“琴弦”一般排列，等组织成员乘船经过，“琴弦”就会将这艘船切成碎片。“琴弦”应用的技术是“纳米飞刃”，来自《三体》主人公之一汪淼的研究，是一种纳米级材料。纳米是一种长度的度量单位，1 纳米等于 10 的负 9 次方米，相当于一根头发丝直径的 6 万分之一左右，而纳米材料是纳米级结构材料的简称，这种材料的结构单元尺寸介于 1 纳米～100 纳米范围之间。这个尺度已经微观到了原子、分子级别，许多物质在这种级别上都会呈现出与宏观状态时十分不同的性质，这与组成物质的原子的排列结构有关。宏观状态时，某些物质的原子排列很不规则，但如果在纳米尺度下将原子按照某些规律整齐排列，就能产生一些特殊的性质。如磁性增大、韧性变强、导电性质更好等等。那么，现实中有类似于“纳米飞刃”的材料吗？根据小说设定，这种材料需要至少满足几个特性：直径极细，强度和韧性极大。其实，现在还真有一种纳米材料符合这几点，它就是碳纳米管。由于特殊的结构，它虽然十分纤细，却拥有极高的强度和韧性，是时下热门的“未来纤维”。不过，真想靠碳纳米管去切割轮船，还得解决许多科学难题，想得到真正的“纳米飞刃”，尚需继续探索。04“智子”的通讯速度难道能超越光速？《三体》中有一个很特殊的“人物”——“智子”，它是三体人派出的一种智能体，能够干扰地球上的科学实验、展现神秘现象扰乱科学家心神、还能监控整个人类社会。而最神奇的是，虽然地球和三体星系相距 4 光年，“智子”竟能与母星实时通讯，这是如何做到的？原作中提到，这是利用量子的特殊性质达成的，这很可能是指“量子纠缠效应”。量子纠缠是微观尺度下的一种特殊现象。当有两个或一群粒子彼此相互作用后，会产生一种集体特性，这就叫量子纠缠。神奇的是，如果将这种纠缠着的粒子分开，无论它们相隔多远，都还保持这个性质。打一个不恰当的比方：假设有两个粒子曾处于纠缠态，再被分开到宇宙两端，它们会呈现出一种心有灵犀般的状态，当宇宙那头的粒子决定向左转时，宇宙这头的粒子就会瞬间决定向右转。哪怕隔着整个宇宙，两者都能立刻了解到彼此心意，好像它们之间通讯的速度超越光速。因为这种变化是瞬时发生的，很多人认为这种瞬时作用可以用来革新通讯技术。不过实际上，信息传播是需要载体的，而量子纠缠之间不存在能传播信息的载体。所以目前为止量子纠缠无法用于通讯技术。“智子”的瞬时通讯，在现实中很难发生。05这个飞船用到的技术，现在有了吗？《三体》中有一位人气很高的角色：太空军指挥官章北海。面对三体人的威胁，他认为应该研发“无工质飞船”带领人类逃往太空。这种飞船利用的核心技术之一是可控核聚变技术。核聚变是一种核反应，是指在特定条件下，两个质量小的原子的原子核互相吸引，碰撞到一起，发生原子核互相聚合作用，生成新的质量更重的原子核的过程，在这一过程中有巨大的能量释放。比如我们已经熟知的氢弹，利用的就是核聚变的原理。而章北海心心念念的飞船所应用的技术更高级，它是一种可控核聚变，顾名思义，就是人类能在特定条件下，控制核聚变的速度和规模，使其能量可以得到充分利用。可控核聚变效益巨大，一直被视为解决能源危机的重要技术，但其研究十分困难，进展缓慢。不过，我国在这一领域已经取得了一定成果。去年年末，中国新一代“人造太阳”（HL-2M）装置等离子体电流突破 100 万安培（1 兆安），创造了我国可控核聚变实验装置运行新纪录。可控核聚变技术虽然仍是一个梦想，但已经不那么遥远。也许应用了该技术、能让人类得以跨越星际的飞船，在我们有生之年就可见到。除了上面提到的那些知识点，三体还涉及了许多科学乃至社会学知识：如涉及到使用强相互作用力材料的“水滴”；与脑科学相关的“思想钢印”，可能参考了社会学巨著《利维坦》的“黑暗森林”理论等等。这些内容有些存在错误，有些则十分巧妙。其实哪怕不了解这些，也不耽误看《三体》。人类目前掌握的知识有限，但人特有的想象力却至于无穷。这也许正是科幻故事最大的魅力：只需片刻，它即可将我们带往前人未至之境。参考文献：[1]https://scienceexchange.caltech.edu/topics/quantum-science-explained/entanglement[2]https://www.nanowerk.com/nanotechnology/introduction/introduction_to_nanotechnology_22.php[3]http://www.news.cn/tech/2022-10/21/c_1129074076.htm[4]https://www.sciencealert.com/what-is-nuclear-fusion作者：王江山科技史博士审核：王扬宗中国科学院大学人文学院教授

关键词：量子纠缠纳米材料超越光速