《三體》中的物理學

《三體》是接近世界一流的中文科幻小說，其中涉及大量的現代物理學知識，例如，黑域在廣義相對論中可能實現嗎？假如真的存在高維，例如第四維，我們這些“可憐”的三維生物到底能不能進入？本文試圖以現代物理學的標準，分析哪些是可能的，哪些是不可能的。

《三體》是迄今為止中文科幻界出現的最具影響力的科幻小說之一，不論在想象力方面，還是在規模方面，可以說是最接近世界一流的科幻小說。有些三體迷們甚至認為，《三體》超過了很多同樣題材的國外科幻小說?！度w》中的設定涉及大量的現代物理學知識，甚至還涉及社會學與心理學。

2012年一年，我斷斷續續地寫了十二萬多字的《〈三體〉中的物理學》，討論這個三部曲涉及很多現代物理學知識的可能與不可能。在這里，我想簡要談談其中的部分內容。

1 黑洞和黑域

一個相對保守的文明為了避免受到攻擊，向別的文明發出信號表示自己是無害的，而唯一無害的可能就是這個文明永遠不可能駛出自己的恒星系，這個恒星系成了黑域，即光無法逃離出去的區域。

那么，黑域不就是黑洞嗎？不是?！度w》的作者劉慈欣應該知道，如果一個文明將自己局限在一個黑洞的視界中，這個文明將因為引力的作用不可避免地撞上黑洞的奇點，在奇點那里，一切都將毀滅。于是，劉慈欣發明了低光速黑洞，在一個給定的范圍內，光速被降低了，例如被降低到逃逸速度以下，這樣，這個區域就像黑洞一樣了，只是不會塌縮，所以叫黑域。

黑域是《三體》中的一種科幻設想，黑域在廣義相對論中是可能實現的嗎？原則上可以，我們要降低光速。

當我們說光速變慢了，是指其他物理速度不會改變，例如，單擺在固定重力場中的周期不變，從而相關的機械速度也不變。而用基于光做成的原子鐘相對機械鐘變慢了。

光速變小的后果有很多，首先，與光速有關的一切物理學參數變了。我們簡單地看看都有什么物理學參數與光速有關。第一個被改變的是原子理論中的精細結構常數，這個常數標志電子和質子之間的電磁互相作用強度。由于這個常數與光速成反比，光速小了一半，這個常數就大了一倍。這個常數不影響原子的大小，從而也不會影響物質結構，所以，機械鐘還真的不受影響。精細結構常數涉及光速，只有具有相對論效應的物理系統才會受到影響，例如原子核的大小，當然，也會影響到太陽中的核聚變。因為精細結構常數變大了，假設核力的強度不變，質子之間電磁的排斥力變大了，最大的穩定原子核可能是比金還要輕不少的元素了，金元素肯定不穩定。

這就輪到第二個與光速有關的物理學常數，核力的強度。追溯核力的來源，起源于夸克之間交換一種特殊粒子叫膠子導致的，但我們不需要這么基本的圖像來理解質子和中子之間的核力。簡單地說，質子和中子之間的核力可以看成交換一個有質量的粒子，介子引起的。這種交換的結果有兩個，一個是作用強度變了，一個是力的傳遞距離變了，這兩個結果都會影響原子核的聚變。核力的強度與精細結構常數一樣，也與光速成反比，光速變小了，強度就變大了。力程與介子的質量成反比，也與光速成反比，如果光速變小，力程也變大了?？偨Y一下，光速變小，質子和中子之間的核力變大，這將導致原子核的結合能變大。無論是核裂變還是核聚變，都和結合能有關，結合能變大了，釋放的能量也就變大了。那時，必須將行星人工移動得離太陽更遠一些，否則