《三体》中的物理学2019新版

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造就了硬科幻类型的坎贝尔曾经声称,他的杂志上发表的科幻小说是给工程师看的,但也没说是给科学家看的。 P3

而这样的想象力与他精深的专业知识相结合,更是难能可贵。 P4

但更为震撼的是,这个创世图景不是虚假的幻想,而是基于现有的对宇宙的观测数据所做的严格的科学推论。 P5

但是,我还是在微博上写了《三体》中的一个物理学问题,给自己惹来了麻烦——《三体》粉纷纷赶来,要求我继续写。 P6

这个节目的名字起得有意思,它叫《智造将来》而不叫《智造未来》。 P7

其魅力主要来自作者宏大的想象力、难以预测的情节以及幻想的主题。 P8

这支太空舰队之后还出现了可以直接进入光速飞行的第二太空舰队。 P9

目前的估计是,大约有1000亿~2000亿个星系。 P10

因为我们生活在三维空间中,就难以想象三维空间是弯曲的,但在数学和物理上这都是可能的。 P11

在这个固定的宇宙时刻上,我们的宇宙在空间上是平坦的。 P12

最早的记录分(没有秒)的时钟制造于1475年,后来出现了记录秒和分的钟。 P13

在《三体Ⅲ》中,还出现了神秘的时间颗粒,这是毁灭了人类文明的“歌者”和“长老”所属文明的计时单位。 P14

那么,时间有结束吗?这个问题,我们留到第五章中讨论。 P15

——编者注 [4]例如,我们在计算机程序中模拟一个三维空间,其实就是给其中的物体赋予一组三维坐标。 P16

这一章中,我们再从物理学的角度了解空间和时间的性质。 P17

物理时间的定义仍然需要周期运动的存在,直到爱因斯坦,我们才知道还可以任意定义时间,这话后面再提。 P18

电磁感应的含义是,磁场的变化会诱导电场的产生从而诱导电流的出现。 P19

我们看到,T是t的一个大于1的倍数,这是著名的时间延长公式,或者说,运动的时钟在静止的人看来变慢了:虽然时钟跳了一格,在静止的人来看,这一格的时间长于一百亿分之一秒,但跟着时钟运动的人坚持说这一格就是一百亿分之一秒,因为对于他来说光速也是那么大。 P20

如果不学数学,我们很难欣赏爱因斯坦新理论的美。 P21

我们先将空间从时空中分离出来,这样,我们就可以用一个二维曲面来描述这个空间。 P22

当然,这样的文明必须先进到至少能够接收引力波广播。 P23

与黑洞出现频率差不多的还有虫洞,偶尔,还有白洞出现。 P24

(b)周长和半径之比随位置变化。 P25

在宇宙早期,物质密度非常大,如果局部的物质不均匀,就会有小质量黑洞形成,这些黑洞叫作原初黑洞。 P26

光速变小的后果有很多。 P27

再看《三体Ⅲ》中黑域是怎么制造出来的。 P28

如果我们能够降低原子核和电子的电荷让原子存在,原子又将变得庞大无比,这同样会毁灭人类。 P29

汪淼是一位应用物理学家,专门研究纳米科学。 P30

他没有对汪淼解释什么,两眼死盯着屏幕上的浏览器,汪淼能听到他急促的呼吸声。 P31

爱因斯坦这个人从来不惮于创新,广义相对论才两岁时,他就觉得这个理论不够用了,得补点“妆”,于是宇宙学常数就诞生了。 P32

物质则不同,随着宇宙的膨胀,总能量保持不变,但能量密度会变小,物质和辐射在膨胀之下都会稀释,辐射的能量稀释得更快。 P33

7万年看上去是一个很古老的年龄,但和140亿年相比,就像一天与三分之一秒相比。 P34

为什么通过测量微波背景辐射我们可以探测宇宙的史前期?这得从20世纪70年代末一位混得不怎么得意的物理学博士后说起。 P35

今天,我们可以在宇宙的任何方向上测量宇宙微波背景辐射,发现所有方向上的光子温度几乎是一样的。 P36

物理学家一般都特别相信一个被检验过很多次的理论,尤其当理论还特别漂亮的时候。 P37

但是,万一暗能量密度在更长的时间之后也变小了呢?那我们就不能肯定宇宙的膨胀会永远加速下去,也许终有一天宇宙的膨胀会开始减速。 P38

开车的时候,挂好挡,踩上油门,你会看到汽车速度计指针慢慢升高。 P39

” 智子利用从真空借来的能量加速,这可以做到吗? 这就涉及不确定性原理。 P40

在狭缝前面再放一个荧光屏,光子打在什么地方,什么地方就会发光。 P41

不确定性原理只是一个量子力学的解释,它本身不足以取代量子力学。 P42

这个公式不过反映了频率的定义,它告诉我们,如果测量的时间无限长,那么频率就会被测量得无限精确。 P43

我们将在后面的一章中讨论电子自旋的不确定性。 P44

首先,电场含有能量,它会将能量直接交给正负电子,这样,不确定性原理就不适用了,因为正负电子没有破坏能量守恒。 P45

后来,一个智子还化身成一个美丽的日本女人。 P46

虽然海森堡用了电子的位置和速度来说明不确定性原理,但我们发现,用电子的自旋来说明不确定性原理最为简单。 P47

根据量子力学的法则,这后两个态分别是前两个态的线性叠加。 P48

电子自旋的不确定性的主要来源是,它的态是有限的,并且任何一个态都是有限多个态的叠加。 P49

当然,小涟手中的电子A还处于A(↑)态,因为他没有对这个电子做进一步测量。 P50

证明其实很简单,在证明过程中,我们也会看到,贝尔不等式成立的条件中有哪些我们公认的假设。 P51

所以,贝尔实验中破坏不等式的结果其实是验证了量子力学。 P52

智子是三体人送到地球来的“信使”,它可以监察人类的一切活动,同时将结果瞬时传回三体星系的另一个智子。 P53

要判断《三体》中的智子即时通信或近于即时通信是否可能,《星际迷航》和《阿凡达》中的人体或人的“灵魂”输运是否可能,我们当然先要弄清楚量子力学以及基于量子力学的量子通信。 P54

这是对人类娱乐方式的一个极大改变。 P55

这完全违背日常经验,这是当年爱因斯坦非常不乐意接受的,但事实如此。 P56

后来,光的微粒理论完全被波动理论取代,因为波动理论也能解释光的传播现象,同时还解释了干涉和衍射等波动现象。 P57

量子不可克隆定理 在电影《阿凡达》中,我们看到,不论是地球人还是纳美人,只能将人的灵魂从一个身体里传输到另一个身体里,不能让两个身体里同时具有同一个灵魂,这种做法是为了尊重量子不可克隆定理。 P58

下面我们用一个直观方式解释这个证明。 P59

我读《三体Ⅰ》末尾三体人展开质子的时候就想,看来三体人在用一个微观的粒子制造一个可以做量子通信的量子计算机,即量子电脑,或兼具量子电脑和量子传输功能的机器。 P60

这样,小涟手里的光子A的态由两个系数来决定,我们想将小清手里的光子B也变成这个态。 P61

假如老系统是M个原子,每个原子有两个基本状态,即每个原子的状态由两个系数决定,那么M个原子的状态就由2M个系数决定,当M很大时,2M就是一个不小的数。 P62

这些“积木”居然具备进化的能力,进化成一个智能体,最后形成一面反射镜,企图通过反射三体恒星的阳光摧毁三体行星。 P63

很遗憾以这样的结论来结束我们对智子的讨论。 P64

《三体》有很多神奇的设定,如果智子排在第一位,那么水滴可能排在第二位。 P65

物质的基本结构和形态 原子学说的最古老的版本是属于希腊人的。 P66

如果我们将这些物质称为普通物质,那么,是否存在不能简单地用原子和分子解释的非普通物质呢? 如果原子像古希腊哲学家想象的那样绝对不可分,那么,应该不可能存在非普通物质。 P67

温度足够高的气体会让分子或原子电离:其中的一些电子被激发进游离状态,这样,气体就含有自由电子和一些离子(失去电子的原子或分子)。 P68

因为电子不是玻色子,而是所谓的费米子,因为电子的自旋是普朗克常数的半整数倍,严格地说是二分之一倍,电子不可能都进入最低能量态。 P69

如果母恒星的质量远大于太阳质量,却小于10个或20个太阳质量,在恒星生命的最后阶段,由于核合成(轻原子核合并为较重的原子核)减少导致辐射压不足以承受引力,恒星先是坍缩,在坍缩过程中产生极高的温度从而引发超新星爆发,超新星爆发的亮度可以超过一个星系的亮度。 P70《三体》中的物理学2019新版 科学与自然电子书 第2张

到此为止,我们知道中子星和白矮星是天体中密度最高的两种,分别是冠军和亚军,但是,如果夸克星存在,它们就只能屈居亚军和季军了。 P71

刘慈欣在《三体》中不止一次提到粒子加速器,在他的其他作品中提到的次数就更多了。 P72

智子来到地球的第一目标,就是锁死地球人通过加速器对粒子物理的研究,可见粒子物理是多么重要。 P73

虽然早期如笛卡儿、惠更斯等人认为光是波,但直到1801年杨用实验演示了光的干涉,菲涅尔在1815年发现了光的衍射,光是波的事实才被大家接受。 P74

第十种被发现的基本粒子是电子和缪子的大哥——陶子。 P75

原子核是核子,即由质子和中子组成。 P76

这个数学方案后来叫希格斯机制。 P77

在19世纪,人们先研究了静电力和静磁力,直到麦克斯韦之后的赫兹,才观测到电磁波(光波虽然早已被确定,但人们却不知道它原来就是电磁波)。 P78

现有的加速器上,单个粒子的质量当然远远比这个质量小,也就是说,现有的加速器不可能产生哪怕是最小的黑洞。 P79

《三体》三部曲中与自由意志有关的部分大概是思想钢印的故事,这个故事出现在第二部《黑暗森林》中。 P80

再谈意志。 P81

不相容论认为,世界是决定论的,自由意志与决定论矛盾,所以自由意志不存在。 P82

小明第二天要考数学了,他知道,他的考分已经是板上钉钉不可更改了。 P83

我们先陈述康威和科亨定理(以下简称CK定理),在下一章中再讨论这个定理的证明:两位实验家测量两个光子的自旋,如果两个光子是纠缠的,如果实验家能自由决定选择测量的方向(自旋的方向),那么测量的结果不是过去历史的函数。 P84

阅读这一部分非常需要脑力,所以我分成几节。 P85

但是,在电子打在荧光屏上之前,我们不能完全预言哪一点会亮。 P86

KS定理 KS定理有时又叫贝尔-科亨-施佩克尔定理。 P87

而且,这些自旋平方只能取值为两个1和一个0。 P88

这两个立方体是在一起造出来的。 P89

CK定理的物理表述 觉得物理太困难的人可以跳过这一部分。 P90

最后,在自由意志定理中,所谓自由是不是随机? 也不是。 P91

”褚岩说,然后像跳水似的钻进了那个空间。 P92

这个定律说,两个电荷之间的作用力也与距离平方成反比,这和信号强度类似。 P93

你问我为什么,我不知道,也许上帝希望有一个稳定的太阳系,有一个美丽的银河系,并且,还有智慧的人类。 P94

作为能量充足的恒星,太阳大约处于中年。 P95

那四百一十五条航迹以每秒三十万千米的光速延伸,在光速飞船的冲击下,那些航迹十分醒目。 P96

上面这个例子告诉我们,由一个运动的粒子连接的事件之间的距离平方总是正的,因为在这个粒子自己看来,距离平方完全是由时间间隔决定的。 P97

图15-3 聪明的人不难看到,其实图15-3还不是真实情况。 P98

同样,在三维空间中,如果我们知道点与点之间的距离,我们就知道了一切,我们还可以测量三角形各个边和各个角之间的关系。 P99

在接近飞船的地方,时空形成一个“气泡”,这个气泡可以用任何速度向前飞行,而飞船藏在气泡中。 P100

它被刘慈欣冠以一个诗意的名字:二向箔。 P101

水开了是什么意思?有两个典型的特征,第一水面有很多水汽上升,第二是很多气泡沸腾。 P102

此时,图16-2的右边是不正确的,左边才是正确的,也就是说,当希格斯场为零时,能量最低,那时整个宇宙处于这个状态。 P103

但不要担心,这种粒子不会破坏相对论,因为它一出现,就会出现真空气泡,这个气泡将以光速膨胀,迅速让真空衰变。 P104

例如,热量只会从温度高的地方传向温度低的地方;滴入一杯水中的墨水只会慢慢扩散开来;一只杯子被不小心碰倒,摔在地上会碎。 P106

假定宇宙从一个微观态跳到另一个微观态的时间是T,那么,我们的宇宙因为涨落或者庞加莱回归回到宇宙开始时的状态需要多长时间?宇宙现在状态对应的宏观状态数是熵的指数,也就是e10120,宇宙原初状态数是e100,两个态数的比例e10120e-100,所以,宇宙突然回到宇宙大爆炸之前的状态的时间大约是: e10120e-100T 无论T多小,这都是一个难以计算的时间。 P107

自从希格斯粒子现身之后,引力波直到最近才得到证实。 P108

这片草地并不是专门种植的,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,大气中的水汽在天线上方聚集,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型飞碟般悬在天线上方,从雨中可以看到周围灿烂的阳光。 P109

而物质的能量与动量分布导致时间和空间弯曲,特别是能量,直接导致时间弯曲,即不同地点的时钟走得快慢不同。 P110

当引力波通过这些质点时,我们会发现,这一圈质点排列的形状会变形,从原来的圆变成椭圆,而且椭圆的离心率会随时间变化,先变大,再变小,在这个循环中,椭圆的长轴当然是固定的。 P111

在第十章《神奇的水滴》中,我们介绍了白矮星和中子星。 P112

韦伯本人曾经发表过探测到引力波的记录,但一直没有被他人所证实。 P113

例如,宇宙中存在很多伽马暴源,一些理论认为短促的伽马暴的来源是一个中子星与另一个中子星或黑洞合并。 P114

本来,物理学家以为宇宙弦与基本弦完全不同,宇宙弦本身不是基本的,而是场的某种有长度有厚度的激发形式,只不过厚度远远小于长度,所以看上去是弦。 P115

如果我们假设某种高级技术——如三体人的技术——能够构造出头发丝这样粗的中子星物质弦,这个时候我们就必须计算一下这种弦的截面面积有多大,弦的张力就等于单中子弦的张力乘以截面面积除以中子的截面,这个公式的来源很简单,因为头发丝可以被看成由许多单中子弦捆绑在一起形成的。 P116

宇宙中不同的文明就是这样互相攻击的,二向箔到处都在用,这也被“万有引力”号飞船和“蓝色空间”号飞船在四维空间中看到的“墓地”所证实。 P117

然而,宇宙学的终极问题之一是,宇宙暴胀的起源是什么?在短到10-32秒的暴胀期之前,宇宙是什么样子?回答这个问题,是回答前面几个问题的基础。 P118

永恒暴胀论与多元宇宙 这是一个在过去十几年中非常流行的理论。 P119

这是一个什么样的理论,居然能够排除上帝? 牛顿在试图解释太阳系起源的时候,最后将地球和其他行星的绕日运行归结为第一推动。 P120

永恒的主题 我们还可以举出更多解决宇宙起源的方案,所有这些方案都可以写成一本书。 P121

宇宙就这样循环往复地继续下去,斯坦哈特和图拉克也将他们的理论称为循环宇宙模型。 P122

这个黑暗森林法则用《三体Ⅱ·黑暗森林》中的罗辑的原话说就是: “真实的宇宙就是这么黑。 P124

因为技术爆炸,一个文明必须防范另一个文明,因为在光年尺度上,一个文明接触另一个文明也许需要数百年,而在数百年内技术爆炸完全可以使得对方成为超乎想象的强大文明。 P125

一切艺术的奥秘就在这只‘临终的眼’吧。 P126

哪怕在一个社会内部,只要从统计入手,大量社会事实也会呈现出清晰的数学结构,例如离婚率、自杀率、教派人数兴衰等等,并不需要放大到宇宙级别。 P127

当然,对个体来说,他能建立最亲密关系的人是有限的,而且几乎不因时间而变化。 P128

当然,也有著名物理学家霍金这样的人。 P129

作为科幻迷,在我们聊天不到几分钟后他就建议我读读刘慈欣的科幻小说,他特别提到《球状闪电》。 P130

就这样,一直写到2013年6月初,我写下最后一个短故事,这是第200个故事。 P131

主持人:在您眼里大刘是什么样的人? 李淼:我觉得他首先是一个非常单纯的人,你看他今天穿得已经是比较好的了,平常更邋遢(笑)。 P132

在这种情况下,实际上科幻表现出来的科学神奇感就像洞穴中的影子一样,都是很间接的东西,真正的震撼性的神奇感是科学本身表现出来的,但是我们如何努力把现代科学的神奇感和世界观,这种远超过我们的常识、与我们有巨大差异的世界观,展示给现代的公众和普通的读者,这确实是科幻文学和科学传播面临的巨大挑战。 P133

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