当前位置：正文

格林童话 【中科院物理所】对话《三体》科学参谋人

格林童话

　　日前，咱们邀请到了《三体》电视剧高能物理标的的科学参谋人作客直播间，区分有中国科学院大学进修吕晓睿、吴佳俊和副进修刘倩，以及中国科学院大学2022级表面物理专科博士生曾振民（培养单元：中科院表面物理所），为咱们一同解读电视剧中的寰宇学常识。

直播间现场：从左至右区分是主理东谈主樊祯，嘉宾曾振民、刘倩、吕晓睿、吴佳俊

　　1.嘉宾们对《三体》演义有什么看法？

　　吴佳俊：《三体》三部曲有两个方面蛮打动我，一个是科技方面，一个是东谈主文方面。科技方面，便是里面有迥殊硬的科学，比如智子，它的名字跟氢原子核的“质子”是谐音的。我自身是作念表面的，咱们也一直齐在考虑质子。如果咱们能把质子里面考虑明晰，是不是也能够把智子实在地给它作念出来？这个是《三体》演义迥殊让我想入非非的点。还有东谈主文方面，演义里东谈主类在濒临大不幸的时候，各式东谈主物的抉择迥殊劝诱我，比如说常将军和大史，还有汪淼和丁仪，这对咱们濒临用功和鬈曲有迥殊积极的同样道理。

　　吕晓睿：我嗅觉《三体》的论述是很遍及的，大刘对科技发展和科学前沿是有一定涌现的，比如飞刃、天外电梯、曲率加快，包括刚刚吴安分说的智子。大刘本职是电力方面的工程师，但能将科学前沿认识无邪哄骗在作品里，可见他是一个科学可爱者。

　　刘倩：我一泉源看《三体》的时候，莫得一下子把它看完。因为一泉源杨冬对实验失败发扬得顶点，以及丁仪用打台球究诘对撞实验，我对这些物理太熟练了，是以我并莫得迥殊深的代入感。一直读到VR游戏的所在，出现了周文王带着姬昌去找纣王，我十足没涌现到底要干什么，于是把书放下了。直到其后约略是我在火车上看手机的时候，又看到了电子书，我就说接着看吧。收尾越往后看，越合计很好玩。比如背面的东谈主列设计机。是以我合计《三体》一泉源并不一定那么地持你眼球，然而越往后看就越合计很有深嗜。

电视剧中东谈主列设计机的总线部件

　　曾振民：我其时看《三体》是在我高一的时候，阿谁时候咱们班有一个互换文籍的行为，我就把我其时最喜欢的《时辰简史》放到班上的书橱里面，然后从书橱里面拿了《三体》三部曲。然后一看不得了，周末两天的时辰就把那三本书全部齐看已矣，周一的时候蓦地想起来功课好像没写。这本书其时为什么劝诱我呢？因为我在高中的时候，迥殊喜欢看科普记录片，比如《与摩根弗利曼一齐穿越虫洞》这一类的。我在看这些记录片的时候发现，《三体》的科幻设定齐是有科学依据的，我想如果咱们异日的天下是这个形势的话，那也太酷了。其实这跟我学表面物理亦然有一定的关系的。

　　2.其时是怎么被剧组考虑上作念科学参谋人的？

　　刘倩：先是鲍麟进修考虑我。他是中国科学院大学工学系一七级班主任，我是物理系一七级班主任，他先知谈电视剧的音信，然后打电话问我感不感意思意思。再是鲍鳞的同学王安进修，他负责给剧组组建一个参谋人队列，我就邀请了吴佳俊和吕晓睿安分一齐加入。队列里还有其他标的的安分，包括表面所的郭奉坤和何颂安分、作念弦论的孙雅文安分、上海技巧物理所的沈宏安分、国度天文台的张成立博士（国科大毕业生）等等。

《三体》电视剧片尾的科学参谋人名单

　　2020年4月，郄国伟导演给咱们打电话，说他给咱们整理了七谈粒子物理标的的题。一拿到题目咱们立马就组织起来究诘了。不外咱们并莫得许多去现场作念视觉同样的契机，仅仅在脚本的基础上维护作念些合理化的科学设定。

　　3.《三体》电视剧去了安分们使命的BEPC（北京正负电子对撞机）取景，不错向咱们先容下BEPC吗？

BEPC俯视图

　　吕晓睿：BEPC在长安街玉泉路地铁站边上，中国科学院高能物理考虑所里边。直线加快器把正电子和负电子，区分加快到一个很高的能量，速率接近光速，然后区分送到红色箭头记号的环，它们在这个环里会被精密的磁铁系统管理成一个迥殊无缺的环形。临了到了图里画着星星的所在，发生正负电子对撞，消亡成能量，而能量会鼎新为新的物资，进而被北京谱仪探伤器所探伤。

　　粒子加快后取得了能量，也就能产生更重的物资，这个经由就不错模拟寰宇早期高温高密的奇点大爆炸的霎时所发生的相互作用。能量越高，能看到的这个微不雅轨范就越小，咱们就能对这照旧由涌现得更深化。

　　4.杨冬在查抄什么部件？

　　刘倩：杨冬在的是直线加快的所在，咱们平凡把它比方成拍子的拍柄部位。通过这一系列蓝色的加快安设，电子能被加快到150MeV傍边，然后去轰击钨靶，产生正电子，在把生成的正电子注入储存环。BEPC一泉源只消一条储存环，其后升级成了两条，也便是底下这张图所拍的。正电子注满其中一个环后，再将负电子注入另一个环，并让它们在北京谱仪对撞。

直线加快器和储存环

　　在直线加快器里，正负电子能被加快到2~5GeV，十分接近光速。这和三体东谈主朝地球辐射智子很像。况且不要小看东谈主类，以咱们目下的科技，也能把质子加快到接近光速。另外，高速通顺的带电粒子偏转时，会辐射出光子，这被称为同步辐射或者韧致辐射。是以正负电子在储存环里转的时候会贬抑地损耗能量，需要另外补充能量才智保管。

　　樊祯：说到同步辐射，大众不错选藏一下，一些大科学安设会用到同步辐射光，这种高强度的继续谱光源在各规模齐有挫折作用。

　　5.先容已矣直线加快器，能不行再先容一下北京谱仪（BESⅢ）？

　　刘倩：先容之前我先说一个乌龙，你不错看到电视剧展示的探伤器其实不像北京谱仪。我也曾提议剧组去看电影《天神与恶魔》，里面有一段很漂亮的CG动画，方法了质子加快以后，是若何制作成反物资炸弹的。这个电影厚爱参考了欧洲核子中心的CMS（紧凑缪子线圈），这可能也讲授了为什么临了电视剧组作念的良湘加快基地的探伤器反而不像北京谱仪。

《三体》电视剧剧照和北京谱仪

　　右下角是咱们的北京谱仪，它是一个正八边形的结构，从里到外布满了各式各种的探伤器。最靠里的，是但愿能在探伤粒子信号的同期不亏空太多能量，越往外，探伤器的密度就会越来越大，比如用晶体量能器之类的，来使粒子的能量尽量全部千里积，然后测出粒子捎带的能量。

　　通盘外面包着的，是一个大的一个超导磁铁，它会提供一个特斯拉的磁场。产生的次级末态粒子，在磁场里通顺会发生偏转，从偏转的曲率半径咱们就能判断出它的动量，然后通过量能器测得的能量，我就能知谈末态粒子区分是什么东西了。

　　6.杨冬是若何看出实验数据特别的？

《三体》电视剧剧照

　　刘倩：上图中杨冬看到的实验数据是咱们设计的。这里有个小故事，电视剧设定的是2007年，但2006年北京谱仪Ⅱ罢手运行了，2007年的时候正在作念加快矫正，升级后的北京谱仪Ⅲ直到2009年才泉源过问对撞实验。那时候我偶合读博士，是以我也参与了其中的一些矫正使命。

　　电视剧临了用的是北京谱仪Ⅲ的不雅测收尾图。高能所公开日的时候，大众是不错去参不雅这个安设的。但这个图其实是有问题的，关于咱们比拟熟的考虑员来说，一眼就能看出来这个事例有问题。

刘倩提供的不雅测收尾图

　　那边有问题呢？这里正负电子对撞，它临了产生的末态也一定是有对称性的，比如说它会产生e+e-，或者μ+μ-，或者τ+τ-，总之一个带正电荷，一个带负电荷。比如上图的一双径迹，一个朝左弯，一个朝右弯，评释它们带的是异种电荷。但有一个问题，左上边的径迹到边上就停驻了，右下边的径迹径直穿出去了。有这样强的穿透力的一定是缪子。而穿不外去阿谁约略率是一个电子，这是一个电子和缪子的一正一负，e+μ-或者e-μ+的事例，而这个事例在轨范模子里面是不会那么容易发生的。

　　曾振民：轻子味粉碎了。

　　吕晓睿：是的，轨范模子是咱们将亚原子物理的统共设施追忆起来的一套体系，它里头有构成物资结构的费米子（分为夸克和轻子），以及传递相互作用的玻色子。但粉碎轻子味的征象并不在轨范模子的表面框架中，关联词实验上已经看到了轻子味粉碎的中微子回荡征象，是以咱们目下对天下的涌现还不够，需要对轨范模子进行矫正。

　　樊祯：是以科学参谋人们其实很精心，为了贴合剧情节拍专门设计了能一眼看出问题的反常事例。其后杨冬把实验数据传给了曼费进修，能不行再具体讲授下这组数据？

　　7.嘉宾们是怎么为杨冬的导师曼费进修设计出令他崩溃的数据？

《三体》电视剧剧照

　　刘倩：这个图横轴是e和μ的不变质地谱，示意e和μ是从质地为若干的质心系中衰变出来的，你不错看到它的峰值在3.1GeV傍边，3.1GeV便是咱们丁肇中先生发现的J/ψ粒子的质地，便是粲夸克偶素ccbar。右边这一系列是咱们编的一个实验数据，示意到底有若干个J/ψ，和有若干个J/ψ衰变到了eμ，然后算它的分支比是若干。这个所在的5.9%其实是J/ψ→e+e-或μ+μ-的分支比，咱们就有益写了5.9%，是以每个数亦然有一个来历的。

J/ψ粒子真实的衰变谈

　　吕晓睿：我再来讲讲轻子。轻子有六种，在图平分为三列，或者说三代，其中第一瞥是三个不带电的中微子。实验上发现不同代的中微子之间是有中微子回荡的，比如说咱们中国的大亚湾实验就发现了第三种的中微子回荡，得到了海外上迥殊浓烈的关注。

三代轻子和J/ψ的轻子味破缺衰变谈

　　中微子之间的回荡已经在实验上被明确了，跟它们对应的第二行带电轻子，也便是电子e缪子μ陶子τ，它们之间有莫得雷同回荡的某种退换呢？这是物理学家迥殊选藏的问题，咱们为电视剧设计了J/ψ→eμ这个谈，它如果存在的话，就意味着带电的轻子之间是有某种轻子滋味变化的退换的。况且从咱们刚刚讲的5.9%的分支比上看，这个回荡的概率极大，已经远远卓越咱们现时粒子物理模子对中微子回荡以及超对称模子表面的涌现了，是以剧情里边的科学家看到收尾后齐迥殊诧异。

　　右边的费曼图是可能的表面讲授，上头是ccbar中间通过交换一个超对称传播子，形成了右边的两个不同滋味的轻子。底下是两个是同味的夸克通过另外一个传播子形成不同滋味的轻子。这些在目下的表面里是可能允许的，然而这个比率迥殊小，远比咱们设计的小。

高能所的相干进展

　　恰好在电视剧热播的时候，咱们北京谱仪Ⅲ出了一个效果，咱们发现这个衰变的概率小于4.2×10-9，便是说如果咱们有10亿个J/ψ，可能最多看见一个这种衰变，而不会像电视剧里发扬的那样多。

　　8.曼费进修还收到了一组数据，能不行讲授一下这些锯齿状的东西是什么？

《三体》电视剧剧照

　　刘倩：这个图是我其时请侯颖锐博士一齐作念的，是从BEPCⅡ的及时运劳动态截取了其中的一部分。这个图里有两根线，一根比拟靠前，一根比拟靠后。靠前的阿谁锯齿，便是刚才提到的正电子的电流。咱们一泉源先把正电子注入到储存环里面，然后让它达到咱们设定的电流值，比如说底下的及时运行图里它在900毫安傍边。然后咱们把钨靶去掉，注入电子，把电子也注入到900毫安傍边，再泉源让它们对撞。北京谱仪Ⅲ其时约略是八个纳秒撞一次，虽然咱们当今升级了以后，形成六个纳秒撞一次，总之一秒钟撞1000多万次。

BEPCⅡ运行转态图

　　它在撞的时候并不是一个一个粒子地撞，而是用一个个球状束团，一个球里面包含了1010个电子。束团有个一个厘米傍边的长尾巴，它很扁，这两个扁平的冲击波就在探伤器中对撞。但这样撞其实很难撞到一齐，因为电子实在太小了，咱们目下以致不知谈电子半径到底是多大。咱们的BEPC一秒钟产生的1000多万对正负电子，只消3000次傍边能够撞到，是以大众不错设想要把它撞上去如故结巴易的。

对撞的束团|图源：德国电子同步加快器

　　9.剧中丁仪算的费曼图是什么深嗜？

《三体》电视剧剧照

　　吴佳俊：这个费曼图的手稿是我设计的。刚才说到，杨冬的实验评释J/ψ→eμ的响应有很大的产率，是以丁仪就去想考为什么会有这样大的产率，这三个费曼图便是可能的三种讲授。这里值得说一下，费曼是很伟大的物理学家，他设计了一套精良的图示匡助咱们涌现相互作用的物理图像，同期还极地面简化了设计经由，电视剧里曼费进修的名字其实就取自于费曼。

吴佳俊的手稿

　　第一个费曼图相配于J/ψ形成构成它的两个夸克ccbar，然后粲夸克和反粲夸克消亡，由于某种机制会产生e-μ+。第二个费曼图是正反粲夸克消亡以后产生虚光子，然后虚光子产生了e-μ+。临了一个比拟复杂，它跟前边讲的中微子的回荡有考虑，因为中微子回荡某种道理上亦然一种轻子味粉碎，那么凭据中微子回荡，它实质上是不错构造出一个模子，使得产生e-μ+。这三个图里面，只消临了一个图比拟妥贴咱们当今的物理，然而它的设计收尾迥殊小，不及以讲授电视剧里这样大的轻子味粉碎经由。

　　10.BEPC用正负电子对撞消亡来产生高能粒子，剧中三体舰队也利用正反物资消亡行为能量开端，安分们对此有什么看法？

　　刘倩：这是一个很深的问题，科学界一直在问，为什么咱们的天下是以正物资为主，反物资很少？丁肇中先生当今在作念的AMS实验，便是在天上放一个大型的磁谱仪，去寻找有莫得可能存在一个反物资寰宇。如果有，它和咱们正物资寰宇的交壤处细目会有无数的消亡，然后会有许多的光子过来。但目下为止，咱们莫得看到这个信号。

《三体》电视剧剧照

　　目下咱们寰宇中的反物资很轻淡，光靠飞翔中网罗效用很低。如果是我设计，我会带反物资燃料棒。作念个设计，核电站里一个铀235裂变产生200MeV能量；而正负电子消亡产生的能量只消1.1MeV；用中子的话它又不自如，解放中子的寿命只消15分钟；正反质子就很棒，一双正反质子能产生快要2GeV的能量，是以我会谈判使用反质子燃料棒。

　　吕晓睿：其实许多物理学家就在实验室考虑制拒抗物资，比如反氢原子，便是一个反质子加正电子的管理原子。又比如解放中子会很快衰变，不错制拒抗氘或者反氦，也便是反质子加反中子的管理原子核。但咱们必须要让它举座显电性，才智用电磁场管理住它。

　　樊祯：三体舰队的最高航速是光速的十分之一，丁仪在剧中是若何算出三体舰队要花400年才智到的？

《三体》电视剧剧照

　　刘倩：你看丁仪画的横轴是时辰，纵轴是速率，飞船是个变加快通顺。为什么它的弧形是凹的呢？因为速率越快，飞船前边的电磁场扫过的面积越多，就能够采纳到更多的反物资，推力才会越来越大，到光速的十分之一可能发动机就趋于足够了。

　　11.什么是寰宇微波配景辐射？为什么它的明慧会让科学家感到震荡？

　　曾振民：寰宇微波配景辐射有另一个名字，叫“寰宇的第一束光”，或者“寰宇的早晨”。寰宇出身38万年后，质子、中子、电子和光子相互耦合成一锅热汤。但跟着寰宇推广徐徐降温，电子和质子会齐集在一齐形成中性氢，光子与电子的碰撞几率也就裁汰了，寰宇关于光子来说也就变得透明了，再经过138亿年的传播，光子在寰宇的各个方朝上留住配景辐射。

寰宇微波配景辐射和黑体辐射谱对照

　　这个配景辐射的频谱和2.7K黑体辐射的频谱高度吻合，这评释咱们的寰宇是一个无缺的黑体。底下a图是Planck卫星探伤出的寰宇微波配景的各向异性，蓝色部分温度更低，橙色部分温度更高，但它们的差距其实只消十万分之一K的量级，评释举座来看它如故各向同性的。b图是搞定后得到的角功率谱图，它评释了天球当中两个方朝上的温度涨落有相干性。角功率谱图上有几个峰，从中不错读出寰宇的密度有多大，以及重子物资占比若干，暗物资又占比若干。

微波配景辐射的各向异性

　　微波配景举座的各向同性还出身了暴涨表面，如斯均匀的温度漫衍在如斯远方的空间，让东谈主不禁想问这是为什么？暴涨表面认为，寰宇出身的刹那间在一个迥殊精细的区域达到均衡态，随后时空资格e指数推广，这个经由叫作念暴涨，而寰宇运行时刻均衡态的相干性就被保留了下来。

寰宇暴胀表面

　　12.电视剧里的3K眼镜可行吗？

　　刘倩：我合计不错呀。从3K换算过来是7厘米波段，到可见光几百纳米的波段差了5个数目级，东谈主眼细目是看不见的。但咱们不错用探伤器看见它，之后把数据传到云上，再传到我的眼镜里，这和机场的安检机是一样的。

《三体》电视剧剧照

　　13.电视剧里说质子是11维的，有什么依据吗？

　　吴佳俊：我先打个比方，一根头发丝在咱们宏不雅轨范来看是一条一维的线，但进入微不雅天下的话它又是个三维的圆柱体。也便是说当你的不雅察轨范很小后，物资所袒护的空间结构可能就会被开释出来。当今咱们宏不雅轨范是3维空间+1维时辰，但到了微不雅轨范，比如超弦里的弦，它就需要在怡悦一定对称性的条目下额外添加6个维度（称为卡拉比丘流形），这样就到10维了。背面科学家在此基础上又添加了1个维度发展出M表面，也便是电视剧里说的11维。

　　曾振民：弦论一泉源是26维的，引入了超对称想想后的超弦表面降为了10维的，但它在发展历程中产生了5个变种。其后数学物理学家发现，把它升为11维后这5种超弦表面就能结伴。在弦论中，基本粒子被视为一根振动的弦，不同的振动模式能方法不同的粒子，其中有一种迥殊的振动模式能方法质地为0自旋为2的玻色子，也便是科学家们苦苦寻找的引力子。之前提到轨范模子有传递电磁、强、弱三种相互作用的传播子，独一莫得传递引力的传播子，因为咱们目下很难把引力场量子化。爱因斯坦晚年考虑的大结伴表面便是在试图结伴引力，但失败了。这时候弦论横空出世，大众就合计这很有可能是咱们的终极表面。

　　吴佳俊：超弦表面基于了超对称的想想，也便是每个粒子齐有一个超对称伴子，这使得咱们不错用对撞机考试这个表面。但缺憾的是，目下欧洲核子中心所能达到的13TeV量级的能量里，莫得找到任何超对称伴子的陈迹。

　　14.如果智子禁闭了咱们的加快器，咱们有别的主见考虑粒子物理吗？

　　刘倩：一是不错用寰宇线，但它的发生几率不自如，变量也不可控，实验难以相通。二便是用中微子，因为中微子的截面很小，智子想要猖狂中微子很难，是以不错用中微子绕过智子禁闭。

　　吕晓睿：剧情设计里面智子与东谈主造加快器中的粒子对撞后会被坑害，然后需要百万分之一秒的时辰成立。大刘可能合计已经够快了，但咱们当今的大型粒子对撞机的对撞频率不错达到40兆赫兹，异日还不错发展出更高通量的，十足不错把智子产生的杂音扣撤除。我还想说一下，科学家在看到新东西的时候应该是兴隆的，不会像曼费进修那样自裁。假如是历史上的费曼的话，他是一个道理的东谈主，可能会敲起他的邦戈饱读。

费曼进修的传统艺能

　　刘倩：是以咱们在设计实验失败的数据时其实很纠结。另外剧情还设定曼费进修提前看到了数据，这评释有超光速的作用产生了非因果性的事情。历史上其实有超光速乌龙，其时欧洲核子中心有个OPERA实验组，他们产生了一束中微子束流打到位于意大利的探伤器，收尾发现中微子竟然超光速了，但其后发现其实是GPS定时接口插错了，实质上中微子并莫得超光速。其时科学家们齐很失望，若是果真能超光速该有多好。

　　15.电视剧顶用太阳放大电波向外星细腻辐射信号，推行中有莫得更有用的方式？

　　刘倩：我设计了一个方式，不错简直无衰减地辐射信号，况且能筛选只消高等细腻才智收到信号。这个方式便是中微子束流。中微子的穿透智商很强，简直不会在半途损耗，另外咱们已经有技巧调制中微子束流。如果咱们辐射的方针星球上有高等细腻，他们收到信息后就能解码。或者这些高等细腻早就向咱们发掷中微子束流了，等咱们的中微子探伤器建成后，比如江门中微子实验，说不定就能收到这样一个信号。

　　16．汪淼眼中的倒计时有可能用智子已毕吗？

　　刘倩：不谈判汪淼所受到的辐射剂量，以目下的技巧是果真不错作念到的。之前有报谈，说宇航员上天外后，闭上眼睛也能看到微光，他看到的便是切伦科夫光。寰宇中的高能粒子在眼中晶状体这个介质的通顺速率卓越了光在这个介质中的光速，就会产生切伦科夫光。那么我不错用电子加快器对着你的眼睛打，也能在你的眼中产生后光，以致不错打出数字光斑的倒计时。

　　17．行为科研使命者，你们若何看待科学鸿沟？

　　吕晓睿：这个鸿沟是和咱们判辨物资天下的技巧关考虑的，比如19世纪末发现了放射性，开启了原子物理的实验探伤技巧，当今咱们有了电子加快器，就能看到亚原子层面的粒子。

　　刘倩：咱们不错看到从1900年到1950年，东谈主们只发现了电子、正电子、质子和中子四种费米子，因为那时候只可用云室暖热泡室，被不雅测粒子的开端也只消寰宇线。但1950年到1960年一下子发现了一大堆粒子，因为探伤技巧跨越了（剪辑注：1952年，第一个当代粒子加快器布鲁克海文质子同步加快器泉源运行）。

Brookhaven国度实验室的加快器 | 图源：BNL

　　吴佳俊：但目下有一个问题，便是夸克由于色禁闭是不行单独存在的，这使得咱们无法看到粒子响应的细节是若何样的。另外强关联的体系咱们目下常用的微扰论也没法搞定格林童话，这种非微扰的问题亦然咱们目下的瓶颈。但有鸿沟是善事，爱因斯坦说，正因为咱们知谈的常识圈越大，咱们不知谈的鸿沟也就越大。