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三体宇宙中维度是一直在降吗(三体中的空间物理学)

三体宇宙中维度是一直在降吗(三体中的空间物理学)“……在凌晨一点钟至五点钟,整个宇宙将为你闪烁。”具体来说,三体组织向汪淼展现了超出人类理解的力量,其中就包括——不同于理论物理学,空间物理学研究的对象和过程,通常都在经典物理的框架下讨论。在这种框架下,我们通常不考虑相对论和量子效应,我们认为电子和离子等,都是粒子,忽略其波粒二象性呈现出的波的性质。在这样的一个前提下,今天我们来带大家看一看《三体》中第一个著名的现象——闪光的宇宙微波背景辐射。一、 闪光的宇宙《三体》第一部中,有一位材料科学家,名叫汪淼。他研究的纳米材料极为坚固,可以被用来制作太空电梯,帮助人类向宇宙迈进,因此也成为了三体人入侵地球的绊脚石。三体人和ETO(地球三体组织)对他无不欲除之而后快。也是因此,ETO在“智子”的配合下,对他进行了深入灵魂深处的恐吓。

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最近一段时间,拜读了全网无论真假科幻迷一律热捧的《三体》三部曲。我当年曾经在《新发现》杂志上,看过李淼老师的专栏:《<三体>中的物理学》。这一专栏后来扩编整理,也正式出版。

李淼老师是中科院理论物理研究所的研究员,他在阅读三体的过程中,产生的科学思考,也主要集中在理论物理学,以及科学哲学的方向,视角宏大,极具启发性。用刘慈欣为《<三体>中的物理学》作的序中的话来说:“……以三体中的科幻内容作为引子和起点,描绘了一幅现代物理学和宇宙学的宏伟图景。”

笔者作为一名刚刚迈入科研大门的菜鸟,要与李淼老师这样的大牛比肩,着实不自量力。但我也在阅读《三体》的过程中,看到了属于我们学科的一些知识和故事,也希望能在这里和各位分享。

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2020.6.5

不同于理论物理学,空间物理学研究的对象和过程,通常都在经典物理的框架下讨论。在这种框架下,我们通常不考虑相对论和量子效应,我们认为电子和离子等,都是粒子,忽略其波粒二象性呈现出的波的性质。在这样的一个前提下,今天我们来带大家看一看《三体》中第一个著名的现象——闪光的宇宙微波背景辐射。

一、 闪光的宇宙

《三体》第一部中,有一位材料科学家,名叫汪淼。他研究的纳米材料极为坚固,可以被用来制作太空电梯,帮助人类向宇宙迈进,因此也成为了三体人入侵地球的绊脚石。三体人和ETO(地球三体组织)对他无不欲除之而后快。也是因此,ETO在“智子”的配合下,对他进行了深入灵魂深处的恐吓。

具体来说,三体组织向汪淼展现了超出人类理解的力量,其中就包括——

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“……在凌晨一点钟至五点钟,整个宇宙将为你闪烁。”

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于是,在约定的时间,汪淼通过多种手段观测宇宙微波背景辐射,发现宇宙微波背景辐射在用摩尔斯电码传递着非常规律的信息,翻译出来,就是一个倒计时。

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微波背景辐射中,显示出一个倒计时。原图是由WMAP卫星于2010年测量的宇宙微波背景辐射。

这个倒记时,在此之前的很多天里,都会出现在汪淼的视野中。如果他不停下纳米材料的研究,倒计时就会继续。他认为这是三体组织恐吓他的某种“小魔术”,直到出现这种他无法用科学理解的现象,完全击垮了他。

具体的剧情比较复杂,感兴趣的读者最好是去阅读一下原文。我们在这里,则要分析一下,这样的宇宙闪烁是什么,能用什么来制造。

二、 让宇宙对卫星闪光

宇宙微波背景辐射(Cosmic Microwave Background,CMB),是宇宙诞生之初的残响。这种辐射的峰值波长1到1.9毫米左右(与峰值的定义有关),而不是《三体》中说的7厘米——我们这里还是以李淼老师和维基百科的说法为准。7厘米的数据可能来源于,最早发现CMB的彭齐亚斯和威尔逊,是在7.35厘米波段检测到的。

首先要注意到,三体的第二部,第三部对于更多宇宙中的文明的描写,让我们知道,三体文明虽然相对地球文明来说,极为先进,但是比起宇宙中更强大的文明——比如歌者文明和归零者文明——还是要差了太多。如果真的直接操纵CMB,如此大尺度的对宇宙的修改,必然会引来黑暗森林中的杀身之祸。三体文明早就知道黑暗森林法则,隐藏自己唯恐不及,当然不会真的大张旗鼓去修改CMB。

所以汪淼猜的没错,这是个“小魔术”;大史(史强)也说,“邪乎到家必有鬼”。三体并没有操纵CMB,而是通过别的方法,蒙蔽了地球上当时的所有观测者。这么看来,并不是“宇宙在闪光”,而是,“所有的观测者看到闪光”。

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COBE、WMAP、Planck卫星,以及它们测量的微波背景辐射的分辨率的示意图。值得一提的是,李淼老师指出,COBE在1993年后就不再运作,WMAP工作到2010年,Planck卫星2009年8月13日才刚刚开始工作。所以文中提到的,同时检查三颗卫星的数据是不可能的,就算是同时查看后两颗卫星,也只有很短的几个月,故事将不得不发生在这段时间。不过,这不重要。

我们现在已经知道,都是智子搞的鬼,智子神出鬼没,瞬息万里,可以篡改人类各种科学仪器的数据。智子本身也拥有无穷无尽的能量,想要在CMB的波段上发出一些强劲的信号,实在也是举手之劳。所以实际上,让COBE、WMAP和Planck卫星,以及文中提到的“3K眼镜”这些电子产品“伪装”出在微波背景辐射波段的“闪光”,对智子来说,反而是相对容易的——只要去修改这些电子设备缓存的数据就好了。

智子可以轻易地,几乎同时地,出现在全世界所有的粒子加速器中,修改粒子加速器的实验结果,也可以潜伏在互联网中,获取人类的各种情报和知识,俨然一个随时上天入地,还精通所有软硬件的黑客。智子只需要在信息缓存或者传输的通路上做一些手脚,全球的所有卫星,各个跟踪站和射电天文台,当然能够呈现出智子想让人类看到的东西。

三、 让宇宙在人眼中闪光

真正的难点在我看来,实际上在于如何让人的眼睛中,出现一个倒计时。这让人想到了空间物理学中的一个“热点地区”——南大西洋异常区。

三体中描述,太空中的一些宇航员,会发现眼中有明亮的闪光,哪怕闭上眼,也依然能够看到。这是因为在太空中,没有大气层的保护,高能粒子直接打进人的眼球中,在视网膜或玻璃体内,与其他分子碰撞,激发出闪光。近地太空中并不是每个地方都很容易发生这样的现象,实际上,通常只有两个区域,辐射强度特别高,那就是内辐射带和外辐射带。

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内辐射带和外辐射带

内外辐射带主要是被地球磁场约束住的等离子体形成的,飞船经过辐射带,就相当于通过了一片由带有较高能量的离子、电子组成的“云雾”,辐射强度自然大大增加。这种时候,就容易在宇航员,尤其是舱外工作的宇航员的眼睛里激发出闪光。探测器携带的各种电子设备,在辐射带内也很容易出现故障,精密仪器有时甚至会选择在这一区域做关机保护。

南大西洋异常区,则是地球磁场的一个异常位置。这里的磁场总强度,相较于其四周,突然变弱,而且目前看来,每年有持续变弱的趋势。部分地球科学家猜想,这是地球磁场倒转的前兆。这样的现象反映到天上,就表现为,地球近地太空相应区域的磁场也变弱了。磁场变弱,对于等离子体的约束能力就变差,等离子体就会向下(地表方向)下沉。一般来说,距离地球越近,地球磁场就会越强。直到磁场强度变得足够强,托住等离子体,下沉的趋势才会停止。

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南大西洋异常区

南大西洋异常区上空,辐射带的高度是最低的。三体中所说的,宇航员眼睛中的闪光,往往也发生在这样的区域。国际空间站的宇航员就曾经报告过这样的事件。

那么现在,我们已经知道如何在人的眼睛内部,“点一盏灯”——也就是用辐射去激发荧光。须知现代人类的显示屏,就是从灯泡一步步发展而来的。现在比较新潮的AMOLED屏幕,说白了就是无数LED灯的阵列。有了灯泡,实际上在制作显示屏的问题上已经没有了理论上的困难。智子要在汪淼的眼中,显示一个8位的数字,也就不是什么难事了。

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用来显示数字的数码管,在数字手表中非常常见,每一个数字其实就是由7-8个LED等组成的,已经可以完成很丰富的显示任务了。图源:微雪电子。

可惜,汪淼先生不是一位计算机硬件工程师,也不是一位高能物理学家或空间物理学家,而是一位材料科学家。他的日常科研生活中,既没有接触过OLED屏幕(本质上就是LED点阵)的开发,也没有接触过高辐射环境。如果他有相应的经验的话,也许就不会那么慌乱了——当然,可能也无缘推动人类纳米材料技术的进展了。

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四、 让宇宙在整个天空闪烁

我们如今知道,智子完全可以钻人类科技的空子,不需要真的让宇宙微波背景辐射在它的指挥下闪烁。不过,我们还是可以假设一下,如果智子是个老实人,为了蒙骗汪淼这一回,真的让整个天空闪烁一番呢?这又该怎么操作呢?

天空的闪烁,其实我们日常生活中非常常见,几乎每天都在发生。大概来说,主要有两个大类——极光和气辉。

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国际空间站拍摄的极光。在右侧没有极光的地方,淡淡的一层辉光实际上就是气辉。

极光自不用说,高能的等离子体,在地球磁场的约束下,在南北两个磁极的周围射入地球大气层,与大气层中的原子和分子碰撞,产生发光现象。刘慈欣在《超新星纪元》中描写了一次超新星爆发,强烈的高能粒子射流,激发了遍布整个地球天空的极光。

气辉,又称“夜辉”,是高层大气的微弱发光现象。源自大气某些成分受太阳光照射后,在光化学过程中所放射的微弱光辉。这种现象其实不分白天黑夜,只不过在夜间没有太阳,能更清晰地看到。

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要让地球的天空闪烁,而且在CMB的波段上闪烁,那就相当于产生1mm波长的“气辉”或者“极光”。但这并不容易,波长越长,能量越低,1mm波长对应的能量太低了。常见的原子光谱大多集中在几百纳米,或者几微米,很少能到毫米这个级别。

但也不是做不到,例如位于远红外波段的,氢原子的芬德系光谱(高能级向第5能级跌落时候的发射光谱)就包含了大致1mm附近的波段。这要求智子能够首先创造非常高能级的原子,向同样很高的其他能级跌落,只释放非常少的能量。同时,还要抹除高能级向低能级跌落的时候释放的那些频率太高,波长太短的成份,以免露出马脚——实在有些事倍功半的感觉。

极光看来是无法使用,但智子本身拥有取之不尽的能源,实际上,也可以自身充当一个无线电发报机,专门在CMB的波段上发报。并且利用它瞬息万里的特性,在地球的各个角落均匀发送,营造CMB那种几乎各向同性的特点——也就是说天线不管指向哪里,都能检测到差不多的强度。

这种方式虽然繁琐,但是我认为可能是更为万无一失的方案——因为确实产生了一个跟CMB波段重叠的信号。只是这个方案,智子也是不得不多受累了。

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《三体》三部曲,本质上是科幻小说,实际上,并不需要非常确切的实践细节。然鹅,通过科幻小说这种生动而有趣的形式,引导大家思考科学技术,笔者认为还是很有价值的。

智子,作为《三体》中最吸引人,最神奇,也最核心的设定之一,它的第一次亮相,就让科学家汪淼的世界观轰然崩塌。抛开幻想的成份,这样的世界观的重塑,在科学史上,总是代表了科技的重大进步。不管是相对论、量子论的提出,还是固定翼飞机、电子计算机的发明,事实上,都是古人无法想象的,也都在不同的层面上,重塑了我们的世界观。

但是科学,以及科学的求证方法,本来就提倡打破自己,不断用新的发现打破旧的观念,不断用新的真理取代旧的真理。在小说中,人们恐惧智子,憎恨智子,是因为智子锁死了人类的科技,断绝了人类的真理迭代的可能性。但在现实中,我们应该怀揣着无限的求知欲,去探索和讨论更多、更神奇的可能性。

因为那里是人类的黎明。

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美编:车玥逸

校对:李玉钤

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