《三体》中的物理学分析.docx

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《三体》中的物理学分析

《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