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《三体》中的水滴,早已被中国科学家制造出来了!

小说:三体社区作者:www.santiw.com 发布时间:2019-02-11 02:16
《三体》水滴制造中国科学家
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末日战役的惨烈还历历在目,太阳系就在二维化中化为了灰烬,公元时代的角落里,埋藏着人类翻盘的契机。这一次,我们将制作出水滴。

消灭三体暴政,世界属于人类!

01.先知

公元2019,危机纪年第3年,三体舰队距太阳系4.21光年

我叫王正文,出生于公元1996年的黄金时代。这段从上世纪八十年代开始到危机出现结束的美好时光,在后世被人们不断的反刍、品味:那神话般的和平、繁荣和幸福,世外桃源般的无忧无虑,总能令战争阴云笼罩下的人们产生无限的神往和遐想。

危机爆发的那年,我正离开学校,孤身一人进入社会,投身于热火朝天的社会主义建设。旋即,危机降临,在最初的挣扎和彷徨之后,开始认真思考人类的未来和出路。

 

《三体》中的水滴,早已被中国科学家制造出来了!

插画 Neo Feng

在人类的文明史上,做先知从来不是一件容易的事:孔子周游列国,苏格拉底为雅典人所不容,柏拉图周游列国,耶稣为犹太人所不容。世人永远不会珍惜、听从先知的言语,直到厄运降临,血流成河。但人类历史上也从不缺乏先知,他们抱负着天命,在预言中映射出未来,以警醒世人,躲过地狱般的末日。

这场灾变并非没有前兆。公元2006年,一部名为《三体》的作品开始在《科幻世界》上连载。往后的日子里,《三体》越来越火,直至家喻户晓。其中预言了4光年外三体人对地球的残酷入侵,也预言了人类文明发展的方方面面。

在黄金时代的尾声中,人类已经逐渐显露出书中所预言的颓势:娱乐至死的时代,愈演愈烈的白左,无处不在的圣母和醉生梦死的年轻人,似乎都在印证着书中的预言。

在先知的记载中,三体人用智子锁死了人类的基础科学,人类被三体所击败,整个太阳系最后在二维化中化为灰烬。而三体人的小小探测器——水滴,就令地球人束手无策,击毁了人类的整个舰队。人类精英们费尽九牛二虎之力,无非是在暗地里策划着逃亡,终究不能躲过覆灭的命运。

唯有命运可以改变命运,唯有水滴方能克制水滴,我,将接过先知手中的旗帜,带领人类造出水滴,赢得和三体之间的战争。

02.水滴

公元2221年,危机纪年第205年,三体舰队距太阳系2.10光年

危机纪年第205年,三体舰队派出的探测器——“水滴”,先行抵达太阳系。此时的人类,经历了大低谷,正迎来第二次文艺复兴。给岁月以文明,而不是给文明以岁月。这是一个比黄金时代更加美好的时代,人们仿佛生活在永恒的和平与繁荣当中,他们发自内心的相信,在2000艘能达到15%光速的恒星级战舰面前,三体舰队是如此微不足道。

三体人派来了“和平使者”——水滴,它的表面无比光滑,晶莹剔透,倒映出灿烂的星河。它精致而唯美,好似一滴圣母的眼泪。此时此刻,人类舰队的2000艘恒星级战舰,正排着庄严雄伟的队形,迎接这和平的使者,仿佛人类张开的臂膀,宣示着地球文明的强大和尊严。人们仰望着这庞大的舰队——地球文明永不落下的旗帜,每个人的内心都充满着骄傲和狂喜,发自内心的为自己是人类的一份子而感到自豪。

只有丁仪不这样认为。这位公元时代的时代的顶级物理学家,从冬眠中苏醒后就回到了北京大学任教,此时被任命为第一个接触水滴的人类。智子作用下人类基础科学的停滞,水滴那匪夷所思的外形,无不令他感到深深的不安。

在人们兴奋的注视中,老物理学家胆战心惊的走向水滴,走向巨大的未知。隔着手套,丁仪将手伸向水滴。“光滑,绝对的光滑”,这是唯一的触感。随后,人们看到,即使在一千万倍的电子显微镜下,水滴的表明依然是绝对的光滑。

“真是一件伟大的艺术品!”在人们的赞叹声中,丁仪摸来一把地质锤,高高举起,锤向这来自三体的艺术品。短短一秒钟,对于丁仪却像一个世纪那么长,他等待着命运的审判。旁人来不及震惊,地质锤重重敲击了这美丽的艺术品、圣母的眼泪。

“傻孩子们,快跑啊!”

这是最后的话语,老物理学家在水滴发电机所产生的高温中瞬间汽化。无坚不摧的“艺术品”极速撞击着地球战舰,以最原始的作战方式摧毁掉人类任何的抵抗。舰队一艘艘的被水滴击穿,在黑暗无边的太空中上演了一场前所未有的烟花爆竹,宣告着人类的谢幕。人类伸出的拥抱和平使者的双臂,就这样凋零,甚至来不及拥抱自己。

 

《三体》中的水滴,早已被中国科学家制造出来了!

 

回顾末日战役,人类因傲慢无知而犯下滔天大祸,而被智子锁死的基础物理学似乎早已书写了命运。这场战争中,并不缺乏清醒的人类精英,他们思维缜密,行事果断,残酷无情,但能争取的最好结果,也只能是驾驶战舰逃离,为人类文明保存最后的火种。

可谁又能想到,被锁死的基础物理学,已经足以让人类制造出水滴,改变命运。

03.启示

公元2003年,危机前14年,三体舰队建造中

在《三体》问世的初期,地球人进行了很多的讨论,如何才能建造出水滴,之后讨论的声音便渐渐变弱,直至没有。现有物理学框架下无法建造水滴,早已成为人类的共识。

如果可以从上帝视角回望历史,人们一定会惊讶,早在2003年,水滴的图纸已然降临人间。如果末日战役中出逃的银河系人类带着公元时期的数据库,当他们的科技发展到足以建造水滴之时,回首地球往事,一定会捶胸顿足:水滴的方案在不起眼的角落里一闪而过,之后便无人问津,人类失去了仅有的一次机会。

这一次,我读到了《三体》,读到了先知的预言。我将在人类现有的物理学框架下设计出水滴,将图纸公之于众,这将会是人类打败三体的唯一机会。

众所周知,在我们的基础物理学中,世界犹如一座积木城堡,万物由所谓的基本粒子搭建而成,而四种相互作用黏合着它们。如果你对此感到陌生,请参考我的这篇文章。我们,将用这些粒子搭建出水滴。

 

《三体》中的水滴,早已被中国科学家制造出来了!

 

水滴的无坚不摧决定了只能由强相互作用物质构成,我们需要得到宏观大小的大原子核。地球上的原子核稍大一些就不稳定,比如铀原子核已经具有放射性。可能存在的“大原子核”鲜有人知:类似于原子核由质子中子构成,大原子核由奇子(Strangeon)构成奇子,则由等量的uds夸克构成(比如uuddss共六个夸克)——类似于质子(uud)和中子(udd)。强作用的强度决定了奇子物质做外壳的水滴无坚不摧,无比光滑;数密度极高的电子能够完全反光。再采用奇子物质存储能源γ射线作无工质驱动(γ射线能够穿过奇子物质),我们得到了人类版本的水滴。2003年,北京大学的一位教授首次提出奇子猜想,之后的种种计算和观测,也都符合得很好。水滴的图纸,早已蕴含于当代物理学中。

奇子物质示意图:(等量uds夸克束缚于奇子当中,进而构成宏观物质)

 

《三体》中的水滴,早已被中国科学家制造出来了!

注意夸克颜色

先知的启示仿佛流星划过,水滴的方案依稀诞生于2003年起的一系列科研文章当中,等待着人们的读取。这一次,我们将拥有自己的水滴,改写命运。


高能预警:以下长篇基础物理学论证,为避免严重损伤阅读体验,请直接跳到04部分。如想跳坑,强烈建议阅读我的这篇文章,更严谨的论证在附录。

 

《三体》中的水滴,早已被中国科学家制造出来了!

 

 

此图很重要,注意各个夸克的质量和电荷数

水滴,拥有无坚不摧的外壳,只能是由四种相互作用中最强的强相互作用材料制成。然而地球上的强相互作用体系——原子核,大了之后就无法稳定存在——铀235这样的块头,就已经会自发裂变成更小的原子核了。

大原子核的不稳定,和强相互作用的诸多特性有关。众所周知,原子核由质子中子构成,强相互作用将它们紧紧黏合在一起。但强作用的力程很短,只有一个核子(质子中子的统称)直径的样子,也就是说原子核中核子只能感受到相邻核子的强力,远处的则无济于事。

但带正电的质子间的静电排斥力却是长程的,随着原子核中质子数增加,每个质子感受到的静电排斥越来越强。所以越大的原子核中,中子比例越高。不带电的中子犹如黏合剂一般,将因电磁作用而互相排斥的质子黏合在一起。

《三体》中的水滴,早已被中国科学家制造出来了!

图:横轴中子数,纵轴质子数,原子核越大,稳定点越偏向横轴

按照上面的逻辑,大原子核只要全部由中子构成就行了。但遗憾的是,原子核存在一种神奇的性质——对称能——总是倾向于质子中子数相等,否则能量就会升高。因而全中子的原子核能量是很高的,随时会分裂。随着原子核越来越大,中子占比逐渐提高,小心翼翼的在质子的静电排斥和中子太多带来的对称能问题上找到平衡点。但这种平衡终究无法维系,大原子核的能量总是太高,无法保持稳定。

以上就是大原子核不稳定的原因,静电排斥和对称能则是阻碍大原子核存在的核心因素。在遥远的年代,人类尚不知道夸克,将对称能归结于质子中子的费米能——两个同种费米子无法处于相同的量子态,一些粒子不得不排到能量更高的态。犹如两个水桶,将总量一定的水倒入,各占一半时水面最低。但后来的实验表明,对称能不仅仅是费米能所致,质子中子有一种固有的属性要保持数量均衡。对称能的秘密至今仍是一个没有完全解开的谜团。

后来我们知道,核子都由夸克组成,质子为uud,中子则是udd,u、d夸克和电子竟组成了所有的原子,自然界存在的6种夸克,万物却仅仅由其中两种构成。回顾对称能,从夸克的层次看,则是一种u、d夸克数量倾向于保持对称的性质。余下的几种夸克,c、t、b质量太大注定衰变,s夸克质量虽远大于u和d,但小于核物质密度下的费米能,因而是可以在核物质中大量存在的!

1984年,被誉为当代爱因斯坦的Edward Witten猜想:存在由自由的等量的uds夸克组成的物质。bingo!uds夸克所带电荷加起来正好为零,不再存在静电排斥的问题,而等量的三种夸克,对称程度甚至高于等量质子中子(本质上是等量ud)。而且,由于s夸克质量太大,平衡状态下数量会略少于u和d,导致体系中存在微量电子(想不通的请看附录),但这些电子数密度很大,足以在光照下呈现百分之百的反射率!

遗憾的是,自由夸克组成的体系,表面并非坚硬,甚至无法自我维系,必须存在于如中子星中央的高压下,否则会很快蒸发殆尽。而强相互作用的强度,似乎也不允许零温下自由夸克体系存在——夸克必须禁闭于核子当中,因为强力很强。

但Witten的思路是有一定合理性的;类似于原子核,等量的uds夸克也能够构成宏观的强相互作用物质,只需把夸克像核子(质子中子的统称)那样禁闭即可。2003年,北京大学的一位教授首次意识到了这种物态的存在——由等量uds夸克构成这种特殊的“核子”,“核子”进而构成物质。这样的“核子”(构成原子核的粒子被称为核子,已知的是质子中子)后来(2016年)被命名为奇子(Strangeon),因为其含有s(即strange)夸克——在人类尚不知道夸克的年代,用奇异数这个量子数来表征含有s夸克的粒子的奇特行为。

一堆奇子构成的奇子物质,依赖强相互作用,能够自我束缚维持稳定,且颗粒可以小至微观尺度,是打造水滴外壳的完美材料。强相互作用的强度远远高于电磁作用,强力将奇子们紧紧拉在一起,奇子物质的坚硬程度远远高于电磁力维系的日常物质,甚至在太阳中心也能毫发无损!

由于s夸克的质量更大,奇子物质中的s夸克数目会略微少于u、d夸克,并且产生数密度极高的电子,使得其几乎达到100%的反光率。同时,巨大的强相互作用将夸克紧紧束缚在奇子当中,奇子物质表面的粗糙程度也就一个核子大小,即使在电子显微镜下也是完全的光滑。人类版本水滴已然降世!

依照牛顿第三定律,驱动水滴需要抛出动量,发射光子的无工质驱动毫无疑问是最佳的,γ波段的光子可以轻松穿过光学波段全反射的奇子物质,能源携带方式则毫无疑问是反物质。为了提高能量体积比,我们选用反物质状态的奇子物质——由正电子和反uds夸克构成。正反奇子湮灭所发出的γ光子,可以轻易的穿过外壳。


04.命运

公元2420年,危机纪年第415年,三体舰队距太阳0.0005光年

被智子锁死的基础物理学下,人类依然制造了水滴材料。原理不同,人类水滴比三体水滴更重更硬。

在三体水滴到达太阳系的年代,人类已经能少量生产奇子物质,建造的少量水滴严阵以待,守护着各大行星基地,随时准备和三体水滴同归于尽。在这中情况下,三体水滴不过是一次性炮弹,无法侵犯各大行星,只能用作骚扰,去干扰各种太空舰艇的航路,等待三体舰队到达。

随后,随着技术的进一步发展,环日加速器建立,人类具有了大批量生产正反奇子物质的能力,不仅建造出大量水滴,恒星级战舰表面也得以做到奇子物质全覆盖。而从恒星级战舰发射出的制导水滴,依赖于战舰巨大的功率,发射之时便获得极高的速度,足以追上更加轻便的三体水滴。

历经400多年的跋涉,三体舰队终于快要到达海王星轨道,人类舰队和水滴编队严阵以待,迎击敌人。靠着先知之力,这一次,他们将改变命运!

2478年,流浪地球

太阳发生氦闪,人类决定举球流浪,在地表建立了一万多座行星发动机。这一次,每台发动机下面都连着一根奇子物质做成的棍子,插入地心深处,固定在地球内核之中,不仅避免了巨大的推力引发地壳板块运动带来的灾难,甚至更好的固定了板块防止了刹车转向等引发的惯性漂移。

而行星发动机的聚变核心,需要承受极高的温度和压强,奇子物质也是不二之选。这次流浪,人类将有惊无险。

附录:水滴图纸和详细参数

故事尚未结束,击败了三体舰队之后,我们必须反攻三体,彻底摧毁他们,才能解除智子对基础物理学的封锁!毫无疑问,这是一场更加艰苦的远征,而胜败的关键,在于水滴材料——奇子物质。这种事情可马虎不得,就让我们更加详细的考察一下这种物质。

世界的尺度和面貌由相互作用所塑造,引力最弱,引力束缚下的体系最松散,最大。电磁力较强,电子被束缚于原子核旁边。强相互作用则把夸克紧紧束缚于核子当中,而夸克间剩余的强相互作用,又将核子束缚于原子核的尺度当中。微观粒子受不确定性原理的支配,束缚越紧,位置不确定度越低,动量不确定度越大——因此需要越强的束缚。好比一匹烈马,更强有力的绳子才能将其拉得越近。

强相互作用的强度决定了,强作用束缚的体系一定是十分紧密的,水滴外壳一定是中子星密度,《三体》中的水滴密度等同普通物质,在人类现有物理学框架下是做不到的。“屏蔽电磁作用”,也得给出一种方案,奇子就是我们最好的方案,但强作用体系一定是紧密的。

水滴的依然是有温度的,绝对零度无法达到是人类物理学的基本定律。束缚再强,粒子也会跳动,这是不确定性原理所决定的,即使绝对零度下它们也会跳动。但奇子物质完全反射的特性,将使得它们温度很低,几乎是微波背景辐射的温度。

《三体》中讲,中子星表面几乎绝对光滑。在人类以往的科幻中,也常常幻想外星飞船能够携带中子星物质,然后直接扔下来,它将贯穿地球。但人类所谓的中子星是一个引力约束的体系,靠着巨大的引力,越往里压强越大,逐渐展现出不同的特性。中子星表面是正常物质,原子大气,逐渐往里,随着压强增加,原子被压得越来越紧,电子逐渐进入核中。为了降低电子巨大的费米能,核中中子含量越来越高,直到越过中子滴线,原子核再也承受不了更多的中子,一些中子开始以游离形态存在。随着更加的深入,压强和密度进一步增大,游离中子越来越多,直至几乎全是中子。由此可见,中子星表面压强从零开始,是正常物质,不会是水滴般光滑。而一小块中子星更是无稽之谈,没有巨大的引力约束,根本无法实现中子星物态。


关于电子:宇宙中电荷是守恒的,一个巨大的平衡体系一定几乎是电中性的,原子核含有质子,带有正电荷,所以需要等量的电子来平衡。奇子自身已经达到电中性,所以没有核外电子。弱相互作用下存在可逆反应(为描述简便,已忽略轻子数守恒):

电子+质子→中子

方程两端的化学势保持相等。高密度下,由于电子质量远小于核子,其费米能将会远大于同密度核子,平衡右移,出现所谓的中子化。

奇子物质中,s夸克略少于u、d夸克(约10^-5量级),因此存在同量级的电子。但奇子物质本身密度极高,这些电子的数密度依然很大,所以能够完全反光。


人类设想中的夸克星物态,即由等量的uds自由夸克构成的物质,最初设想存在于中子星中心的高压当中,那里的密度如此之高,以至于到达了夸克解禁的能量。但稍加计算可以发现,一两倍核物质密度下的能标,很可能不足以解禁夸克。但这样的能标高过s夸克质量数倍,显然会激发出s夸克。

Witten 1984年的构想中(Witten, Phy. Rev. D, 30, 272 (1984)),存在裸的夸克物质,中子星其实是夸克星,另外宇宙大爆炸之初的QCD相变中产生了大量的夸克物质,它们存留至今形成人类所谓的暗物质。但除了中子星能标不足以解禁夸克之外,夸克星的物态偏软,极限质量偏低,和现有观测不符。而宇宙初期产生的夸克物质,根据计算,即使存在,或早已蒸发殆尽。

能标足以激发出s夸克,又不足以解禁夸克,奇子的猜想油然而生。如果奇子存在,如同Witten猜想一般,也将表现为“中子星”,暗物质和宇宙线。同时,这也是人类现有物理学框架下可能存在的最硬的材料。

“给我一个支点,我要撬动地球”,阿基米德这根撬棍一定是用奇子物质打造。稳定存在的最小奇子物质团块,大概在原子大小,所以可以用来打造任何宏观的形状。而恒星级战舰上,覆盖薄薄的一层奇子也不会增加多少重量。在奇子物质面前,什么汪淼的纳米材料,钻头上的金刚石,其硬度都微不足道。连接地月的太空电梯,能够伸入太阳中心的探头,这条世界线上的地球工业一定强大许多。

奇子的首次提出,是在2003年(Xu, ApJ, 596, L59 (2003)),那时还没有奇子这个名字。计算表明(Wang et al., RAA, 18, 82(2018)),奇子表面(实际上,大部分电子存在于费米海中,并不能激发,只有表面的会与光子反应)典型的等离子体震荡频率为0.1MeV,所以光学、X射线全部反射,质子-反质子湮灭产生的GeV γ光子则能穿透作为水滴外壳的薄层(比如,1000层奇子,已经足够坚硬了)。

写在最后的话

奇子是个很小众的猜想,此时此刻地球上清晰的明白它是什么的人或许顶多只有几十个,其实我觉得可能只有十来个。但大自然中存在何种物态并不依赖于有多少人认为它存在。

在质子中子尚且不可再分的时代,人们得到了中子星的模型——毫无疑问,这在当时是唯一的答案。但后来关于夸克的深刻认知,需要我们重新从夸克尺度来审视“中子星”。我从小学便知道中子星这三个字,但从没有人指出,这个概念在推算中与观测结果产生过的诸多矛盾(超新星爆发,极限质量,超子疑难,谱线问题)。一代又一代有志于星空的人类,自孩提时代便认为中子星是天经地义的存在,这是一个值得深刻思考的问题。

奇子是一个自然而然的猜想,既然必然有s夸克,又无法解禁,似乎就只剩下这条路可走。而宇宙初期QCD相变产生的奇子,则是极好的暗物质候选者,极其稳定而电磁作用截面很小。更加漂亮的是,这个猜想在人类现有物理学框架下解决了暗物质问题,得到一副统一的宇宙图像。毕竟,我们对于身边的物质的研究已经如此之深,深入到夸克轻子等各种基本粒子,但宇宙中质量五六倍于普通物质的暗物质,如果竟然是完全不同的存在,这将是一个令人难以接受的图像——人类物理学达到的如此深度,居然只能理解宇宙中百分之四的物质。

奇子猜想问世以来,经受住了很多观测的考验;最令我们感到充满信心的是,我们的奇子模型,先验的预见了一些事情——比如宇宙中存在2倍太阳质量的脉冲星——这超过了先前不少模型给出的中子星质量极限。如今,观测手段日新月异,引力波GW170817及更多“中子星”并合提供的独特视角,或能最终给出奇子物质存在与否的答案。届时,制造水滴,不再只存于幻想当中!

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