三体中的“智子”真能从真空吸收能量?

作者: 王铮

来源: 中国科学院国家空间科学中心

发布日期: 2023-04-02 08:00:30

本文探讨了《三体》中“智子”这一科幻设定,分析了其功能、能量来源以及与现实科学理论的关系,指出尽管科幻作品中的设定可能与现实科学不符,但它们激发了人们对科学的兴趣和探索。

尽管数年前科幻迷们都不看好《三体》被改编成影视,但2022年底开始,各大平台播出的国产动画、电视剧等接踵而至,据说还有一部正在拍的电影。再加上小说已经在中国火了许多年,朋友们或多或少已经接触过这样一款作品。

《三体》除了商业上的成功,本身无疑是一部有趣的作品。它把科学的概念和想象带给人们,激发对人们对科技发展现状与未来的兴趣,也聚焦人类命运的前瞻与反思、人与自然环境的关系以及如何应对挑战、共创未来等,这些是相当宏阔的社会主题。为了营造剧情中的矛盾,一些科学想象被设定进来,这就是“科幻”作品。其中,“智子”就是一个科幻的设定。

三体人是对地球有敌意的外星人,制造出“智子”这种东西监视人类文明,甚至给我们的科学发展搞破坏,被称为“锁死地球的基础科学”。“智”字反映了这种东西的智能,而“子”表明它是像分子、原子、质子、电子一样的微观粒子。智子(Sophon)是三体人改造过的一种微观粒子,像是超高精尖的超小机器人,是三体人制造出的一种高级智能计算机。

《三体》中称,智子由三体人制造,可以从真空中获取能量,以极其接近光速的速度飞行,并利用量子纠缠实现瞬时通信,也可以利用微观高维空间进入任何地方,还可以自由切换自己的维度。

智子能够通讯又有智能,确实可以起到监视作用。那它怎么干扰地球科技发展呢?

根据设定,智子的基本原理就是潜伏在地球人的高能加速器后,替代高能加速器中的靶标粒子接受撞击而引起混乱的结果,也就是智子会干扰地球人的加速器实验,通过干扰粒子,使物体运动不规律,运动的变量值也不同,从而使人类不可能找到正确的结果,也就无法对物质深层的结构进行有效探索,从而无法在微观物理学产生突破性的发展,进一步限制科学技术的整体发展。

要制造这样功能强大的智子,三体人把一个质子进行二维展开,然后蚀刻集成电路。“智子”其实也是“质子”的谐音。质子(proton)是构成原子核的微观粒子,直径约1.6~1.7×10−15米,大概是1米的100万亿分之一,靠我们当下的技术可没办法在上边“雕花”做出电路,只能寄托于幻想中的高维和低维空间。

可是,智子是微观粒子,有什么东西能给它充电,帮助它有目的地执行工作呢?

原作中说它能直接“从真空中汲取能量”。咱们现实当中,真空中确实有能量,被称为“真空零点能”。维尔纳·海森堡(Werner Heisenberg)提出了一个著名的概念:不确定性原理(Uncertainty principle),即“不可能同时精确确定一个基本粒子的位置和动量”。

人们理解不确定性原理时常用一种形象化的说法,表示测量某东西的行为将会不可避免地扰乱那个事物,从而改变它的状态,例如用光照到一个粒子上的方式来测量一个粒子的位置和速度,一部分光波被此粒子散射开来,由此指明其位置,但光子会扰动粒子,并以一种不能预见的方式改变粒子的速度。

根据不确定性原理,当温度降到绝对零度时,微观粒子必定仍然在振动;否则,如果粒子完全停下来,那它的动量和位置就可以同时精确的测知,而这是违反不确定性原理的。因此,在绝对零度时的振动(零点振动)时,这种微观粒子振动时所仍然具有的能量就是零点能,在真空中就是“真空零点能”。

1948年,荷兰物理学家亨德里克·卡西米尔(Hendrik Casimir)提出了一项检测这种能量存在的方案,在真空中放置两片不带电的金属板,当它俩靠得足够近时,它们之间会存在一个微小的吸引力,排除了它们微弱到忽略不计的万有引力后,这种真空当中“凭空出现”的吸引力就是由能量涨落带来的。1996年,这种效应被试验证实。

如果真空零点能可以提取,无疑将是人类所能够利用的最佳能源了,它清洁并且取之不尽用之不竭。科学家也确实希望有朝一日能像智子一样任意提取真空的能量。不过,《三体》中仅仅提出了这样一个设定,并不能解释这种科学幻想是如何实现的。我个人也无法想象智子怎样提取出真空能量用于自己的运行,并且“只借不还”。从我们当前的理论体系来说,能量仍然需要遵循守恒法则,不能凭空增加或消失。

我们把微观粒子与能量的这种活动称作“量子涨落”(quantum fluctuation)。对于能量守恒,有人解释涨落可以随机发生在空间任何地方,且能量存在的时间非常短,会立刻消失,也即是“涨”和“落”,量子与量子的背景空间(环境)已构成纠缠态,其总能量保持不变。有人解释涨落产生能量的瞬间,也产生了具有负能量的引力场,从而能量互相抵消。由于我并非该领域的研究者,就不做过多讨论。

从我们读者和观众来说,我们不需要对科幻文艺作品中的设定做太多较真。智子是个有趣的想法,解释了作品中矛盾冲突的现象,其中也反映了许多我们已知的科学道理,这就是一个非常好的科幻产物,希望我们大家在对智子、对《三体》的兴趣中,能多领略到一些自然与科学的神奇。

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