《三体》中的物理学

 

这是一本特别的科普书。物理学家李淼以刘慈欣的科幻小说《三体》为起点，介绍了令人耳目一新的现代物理学和现代宇宙学知识。
宇宙的生死，世界的实在性和不确定性，乃至人的自由意志，在李淼的笔下妙趣横生；智子、水滴、二向箔、思想钢印等《三体》中的超级神器，他也一一分析了能否真正在现实中出现。
《三体》涉及的种种科学问题，你都可以在这本书中找到权威的答案，从而深入地领略《三体》的意趣；如果你还没有读过《三体》，这本书也会带你进入一个奇异的新世界，让你充分感受科学的魅力，惊叹物理学为人类提供的可能性。

李淼，理论物理学家，畅销科普作家，文津图书奖得主。
1982年毕业于北京大学天体物理专业，1984年获中国科学技术大学理学硕士学位。1989年赴丹麦哥本哈根大学玻尔研究所学习，1990年获哲学博士学位。1990年起先后在美国加州大学圣塔芭芭拉分校、布朗大学任研究助理教授，1996年在芝加哥大学费米研究所任高级研究助理。1999年回国，任中国科学院理论物理研究所研究员、博士生导师。
身为物理学家的李淼也活跃于科普领域，他从刘慈欣的科幻史诗作品《三体》延伸出的《〈三体〉中的物理学》出版后获得世界华人科普金奖等多项大奖，少儿科普《给孩子讲量子力学》获得文津图书奖，《给孩子讲宇宙》《给孩子讲相对论》《给孩子讲时间简史》也深受读者欢迎，屡获大奖。

推荐序 刘慈欣
再版序
第1章 宇宙与智慧
第2章 时间与空间（上）
第3章 时间与空间（下）
第4章 黑洞和黑域
第5章 宇宙的生与死
第6章 不确定的世界
第7章 实在性、诡异的“超距作用”和贝尔不等式
第8章 智子和量子通信（上）
第9章 智子和量子通信（下）
第10章 神奇的水滴
第11章 物质的深层结构
第12章 思想钢印和自由意志——人类有自由意志吗？（上）
第13章 思想钢印和自由意志——人类有自由意志吗？（下）
第14章 三维人进入四维会发生什么？
第15章 曲率驱动星际旅行
第16章 二向箔和空间灾变
第17章 庞加莱回归、熵增以及宇宙大爆炸
第18章 引力波天线
第19章 宇宙永生？
第20章 黑暗森林
结束语
附录 李淼、刘慈欣对谈

推荐序
比科幻更神奇的科学
刘慈欣
科幻小说能够引发读者对科学的兴趣，进而投身科学研究事业，这样的例子有许多。但科幻小说本身却并不是以科学家为读者对象的。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。显然，科幻小说中的科学对专业科学家而言过于幼稚简陋了，其中的硬伤也常常让他们难以容忍。在20世纪80年代，我曾经读过大量的包括科幻小说在内的西方类型文学，深知写出好小说不容易，但在小说里在某个领域显得很专业并不是一件难事，西方类型文学作家们深谙此道，像科幻中的迈克尔·克莱顿、军事小说中的汤姆·克兰西和专写各专业领域的阿瑟·黑利都是此中高手，他们在小说中所表现的专业程度真的能把读者唬得五体投地。但这种“专业”只是对一般读者而言，在真正的专业人士面前无疑是千疮百孔的。所以，当我得知李淼老师在看《三体》系列，后来又得知他在写这本书时，心里很是不安。
但在读完《〈三体〉中的物理学》的书稿后，我对李老师的眼界和胸怀深为敬佩，为之折服。他并没有像一般的读者和网友一样，专注于挑小说中的硬伤（在这方面他无疑是最有资格的），而是以《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。从牛顿力学到相对论，从量子力学到弦论，从多维空间到黑洞，从宇宙的诞生到最后的终结，甚至还从物理学的角度探讨了自由意志的命题。本书几乎涉及物理学和宇宙学前沿的所有方面，在一本篇幅不长的书中展现了如此广阔的视野，呈现出如此丰富的内容，令人赞叹。同时，书中对各个话题的探讨并非浮光掠影，也不是仅仅满足于用简单的比喻对复杂的理论进行粗略的描述，而是很快抓住了其科学和哲学的内涵，处处可见作者思想的犀利和深刻。在对理论内容的叙述中，作者的语言准确而生动，更难能可贵的是，为了照顾不同的读者，还对一些复杂的理论进行了不同层次的描述。
《〈三体〉中的物理学》给人印象最深的地方还在于，作者没有局限于知识的叙述，而是在《三体》的背景上提出了许多富有创意的想法和推论。比如在超光速航行的状态下，在不同时间多个自我的出现；在四维空间中，电磁波能量的衰减与距离的立方成反比，以及黑域中低光速对精细结构常数产生的影响，都可能导致分子和原子解体，使从三维世界进入其中的一切都灰飞烟灭；还有关于水滴和降维攻击的可能性，创造小宇宙的可能性等，都十分震撼和新奇，让我们有读科幻小说的快感，但这些推论又都是建立在严谨的科学理论基础上，建立在作者对物理学和宇宙学深刻的理解上的，有科学幻想的神奇，却比其高一个层次。
最初我是从《新发现》杂志上知道李淼老师的。在这本由欧洲引进中国的著名科学传播杂志上有他的一个专栏，当时他正在专栏上发表《中国神话中的现代物理学》的系列文章，用现代宇宙学理论演绎中国古代神话，从盘古到玉皇大帝，都在现代的宇宙演化图景中扮演着自己的角色，构筑了一幅色彩奇异的画卷。作为一名物理学家，作者对中国文化的广博知识自然让人印象深刻，但最令人惊叹的是作者在文中所表现出来的想象力，天马行空，汪洋恣肆，又不乏幽默风趣，让我这样的科幻作者也不得不叹服。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。后来，我又看到了李淼更多的文章，也常看他的微博，发现他的知识面很广，特别是对文学和音乐都有广泛的涉猎，还是一位诗人，在微博上贴出了许多现代诗，那些诗精致而意境深远，读后回味无穷。其实这样的科学家在国外并不罕见，就我读过的科学传播著作而言，像彭罗斯、刘易斯、加来道雄等人，都是知识广博、文理俱佳的自然科学学者。但在国内则不同，以前我也接触过一些国内的科学家，他们留给我的印象是严谨认真，勤奋努力，但总感觉缺少一种灵气，在自己的专业领域之外视野比较窄，对专业本身也缺少一种超越性的眼界，这可能是中国文理分科的教育环境所造成的。所以知道李淼老师后，我和《新发现》的主编严锋教授一样发出感叹：原来我们也有这样的科学家！李老师所研究的弦论是物理学最前沿的理论，这个理论体系具有强烈的未来物理学的色彩，正如有人评论说，弦论很可能像古希腊德谟克里特的原子论，要到两千年后才可能在实验中得到证实。研究这样的课题，必须有开阔的视野和灵动而深刻的思想，以及美学上的敏感和悟性，我想本书的作者就是这样的科学家。

读完《〈三体〉中的物理学》后，我对李老师的眼界和胸怀深为敬佩，为之折服。本书几乎涉及物理学和宇宙学前沿的所有方面，在一本篇幅不长的书中展现了如此广阔的视野，呈现出如此丰富的内容，令人赞叹。
——《三体》作者 刘慈欣

用前沿科学对《三体》世界进行支撑，用烧脑理论让《三体》的意义进一步延伸。
——复旦大学教授 严锋

作为理论物理学大家，李淼为科幻小说《三体》做了一件重要的事情，让我们看到了科学与艺术融合的大美。
——科幻作家 韩松

作者从《三体》中的物理学入手，描绘了一幅由《三体》衍生的现代物理学图景，严谨而不失想象力，堪称科幻与科普的完美结合。
——果壳网创始人 姬十三

第1章 宇宙与智慧

刘慈欣的《三体》三部曲是迄今在中国出版的影响最大的华语科幻小说。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。
开始读《三体》三部曲的时候，我并没有特别喜欢，主要觉得作者的三观有些“主流”，比如说某个政府的形态可以延续到未来的一百年后，而且，其中一些我们熟悉的称谓，如首长和同志之类，也显得有些过时。可随着阅读的深入，我慢慢改变了看法，或许作者不可避免地受到了主流三观的影响，但其实这部小说真正的目的是探索文明与文明之间的关系，文明将如何延续，以及智慧在宇宙中的位置。
换句话说，刘慈欣写这部小说，除了过他的科幻瘾之外，还想顺便探讨一下人类的一些终极问题：宇宙如何发展？宇宙在智慧的影响下如何发展？时空可变吗？文明的归宿是什么？……因此在故事展开的过程中，就不免涉及各门各类科学与技术。刘慈欣在这部恢宏的巨著中用到了物理学、社会学以及计算科学，但用到的物理学设定最多，这是为什么？
原因只有一个，20世纪的物理学发展彻底颠覆了人类对世界的看法，同时也改变了人类的生活。量子论与相对论改变了我们对客观世界实在性的认识，改变了我们对时间和空间的认识，使得宇宙本身变得更加奇妙，不像牛顿机械论中那么冷冰冰且永恒不变。物理学在某种程度上更加接近哲学了，这使得一些早已被科学界主流抛弃的哲学命题得以回归。至于物理学改变了人类的生活，我们只要举几个例子就能明白这种改变有多么巨大：航空与航天、核能、计算机与网络。
所以，如果你要写一部设定宏大的科幻小说，借助物理学是最方便快捷的。
保罗·戴维斯在他的名著《上帝与新物理学》中写道：
具有讽刺意味的是，一直走在各种学科之前的物理学现在正对精神越来越倾向于肯定；而生命科学则仍旧走在上一个世纪的物理学的路上，现在正试图完全取消精神。心理学家哈罗德·莫洛维茨对物理学和生命科学如此转换对精神的看法提出了如下的评论：
“实际情况是，生物学家们以前认为人的精神在自然界的分类等级之中占有一个特殊地位，现在则义无反顾地走向赤裸裸的唯物论，而19世纪的物理学就是以唯物论为其特色的。与此同时，面对着咄咄逼人的实验证据的物理学家们则脱离严格机械的种种宇宙模型，转而把精神看作是一切物理事件中扮演着一个与事件不可分离的角色。这两个学科就像是坐在两列逆向飞驰的火车上的乘客，彼此都没注意到对面开过来的火车上正在发生什么事。
“在下面的几章里，我们将要看到新物理学如何赋予‘观察者’在物理实在的自然中的中心地位。越来越多的人认为，基础科学近来的进展更有可能揭示出存在的更深一层的意义，而不是投合传统的宗教。总之，宗教对这些科学进展不可能视而不见。”
《三体》一开始就展示了三体人令人不可思议的技术，从发射智子到派出以十分之一光速飞行的太空舰队。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。可是，三体人的技术与后来的“神一样的文明”相比完全是小巫见大巫。那种神一样的文明可以改变空间维度，甚至改变物理学规律。改变物理学规律成了文明之间战争的终极武器。最后，宇宙不得不在文明的干涉之下完全改变了演化进程。
改变物理学规律，这可能吗？智慧生物将成为无所不能的神？其实，刘慈欣不是在科幻中涉及这个话题的第一人。波兰科幻作家、哲学家斯坦尼斯拉夫·莱姆在《宇宙创始新论》中写的就是这个。
《三体》中的终极设定和莱姆的设想其实在超弦理论中原则上是可以实现的，这是目前最为流行的物理基础理论。弦论作为一个统一所有物理学基本规律的理论，并不预言一个唯一的宇宙。在弦论中，我们的宇宙只是所有可能的宇宙中的一个，它所遵循的物理学规律，它包含的物质形态，都是弦论中无数可能的一种。因此，设想超级智慧可以改变宇宙，改变物理学规律，并不像看上去那么异想天开。当然，物理学家还不知道弦论是否正确。很多实验家和理论家还在努力证明弦论就是描述这个世界的理论。
随着年纪的增大，我对人在宇宙中的位置的兴趣越来越大。倒不是因为我也想知道人类的未来是什么，人类是否会飞向其他恒星，甚至飞出银河系，也不是因为想知道人类在未来是否会遭遇外星文明，不同文明之间的相遇是友好的还是敌对的，所有这些对我来说都并不重要。对我来说更加重要的是，我们到底能不能够认识世界的终极规律？宇宙是怎么来的，宇宙的宿命是什么？意识，乃至智慧是这个宇宙发展过程中的偶然现象，还是必然？我们有着唯一的宿命，还是可以改变自己的未来？这些都是科学上的终极问题。这些终极问题，当然不可避免地会在科幻写作中出现。也许，我和华语科幻作家视人类为一个整体稍有不同的是，我更加关心个人，关心人的生存状态和意义，说到底，这与关心自己有关。