三体|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：《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《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 。
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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|三体中的空间物理学：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 。 ”
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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 。
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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” 。
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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 。
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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 。
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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 。
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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 。
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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 。
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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 。
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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 。
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《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 。
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美编：车玥逸
校对：李玉钤
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