三体中的空间物理学：闪光的宇宙

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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。


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——


“……在凌晨一点钟至五点钟，整个宇宙将为你闪烁。”



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。


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”。


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。


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。


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。


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。




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。


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。


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。


《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。




美编：车玥逸
校对：李玉钤

Amy570

三体中的物理学这本书还是很棒的，对三体里的一些知识做了纠错和解释，也挺有趣

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看到了原文对此的解释，智子如何做到这件事在后文（网络阅读大概在290页）是有给出解释的，她用的手法严谨很多（我不太懂是为什么，难道她没有算力一说？还是说监视全球也对人类不放心？），就是通过二维展开将地球整个包裹住，包裹住之后在其他所有观察频段她都是透明的，唯独在微波背景辐射频段她调节了“透明度”，才会导致数值变化，引起了“闪烁”。这个不是我找到的，是回答问题的一位百度知道网友回复的。https://zhidao.baidu.com/question/589515953964140765.html