《三體》中的科學 | 袁嵐峯_風聞

■ 導讀

《三體》整個故事的設定都基於這麼一點：離我們最近的恆星是一個三星系統。請問，這對不對呢？答案很有趣：對，但不完全對。

本文是作者2023年2月26日在由共青團、國資委等機構主辦的第七屆中國製造日活動上的主旨演講文稿。

大家好，我是中國製造日的老朋友袁嵐峯，我參加了迄今為止每一年的活動。團團來跟我商量這次講什麼的時候，我提議的是科幻中的科學，包括《三體》和《流浪地球》等等。

《流浪地球2》海報

沒想到，團團的建議卻是隻講《三體》中的科學。我問，為什麼？回答是：因為這次活動的含球量已經太高了！

《三體》封面

他們向我介紹了其他演講者，我才發現這次成了《流浪地球》展銷會。好吧，我就來談談《三體》中的科學，反正都是我的山西老鄉劉慈欣的作品。用一句名言説：主不在乎！

主不在乎

我們首先來談天文學，因為《三體》整個故事的設定都基於這麼一點：離我們最近的恆星是一個三星系統。請問，這對不對呢？如果你能答出這個問題，你的知識水平就超過了90%的人。

答案很有趣：對，但不完全對。

離我們最近的恆星被稱為比鄰星（Proxima Centauri），它確實屬於一個三星系統。這個三星系統在中國古代叫做南門二（Rigil Kent），現在叫做半人馬座α星（α Centauri），α的意思是它是半人馬座中最亮的。請注意，半人馬座α星指的是這三顆恆星的整體，而不是隻有比鄰星這一顆恆星，因為比鄰星太暗了，在地面看不見，而另兩顆星離得很近，肉眼分不出來。這三顆星分別被稱為半人馬座α星A、半人馬座α星B和半人馬座α星C，其中C就是比鄰星，它離太陽只有4.2光年，是離我們最近的恆星。A和B離我們稍微遠一點，在4.3光年左右。

三體星系

原著説，三體星系是一個混沌系統，即運動雜亂無章，無法預測。劉慈欣發明了兩個詞：恆紀元和亂紀元。行星只圍着一顆恆星運動的時候就是恆紀元，這時日出日落是有序的。而行星同時受到多顆恆星影響時就是亂紀元，這時太陽可能長時間落下不升起，也可能長時間升起不落下。

原著中還有一個有趣的詞，叫做“飛星”。三體人通過觀察飛星，就能預測自己的處境。他們發現有兩顆飛星的時候是最好的，這説明兩顆恆星都離自己比較遠，自己只繞着一顆恆星運動，這就是恆紀元。而只有一顆飛星的時候就很糟糕，這意味着自己在繞着兩顆恆星運動，這會帶來亂紀元。但更糟糕的是出現三顆飛星，這時自己離三顆恆星都太遠，漫長的嚴寒會把岩石都凍成粉末！

這讓我想起了一首著名的詞：纖雲弄巧，飛星傳恨，銀漢迢迢暗渡……秦觀秦少游發來賀電！可以設想一個地獄笑話：三體人為什麼不喜歡飛星？因為“飛星傳恨”！

纖雲弄巧，飛星傳恨

恆紀元、亂紀元、飛星形象地科普了混沌的概念，很多人可能都是從這裏學到了，三體運動帶來混沌。但下面我要告訴大家一個重要的實際情況：半人馬座α星並不是混沌的。它確實是一個三星系統，但並不混沌。

為什麼呢？因為這個三星系統其實是2 + 1，A星和B星互相環繞組成一個雙星系統，然後C星跟這個雙星系統互相環繞。關鍵在於，C星離AB有0.2光年，遠大於AB之間的距離，所以這個三星系統的運動相當簡單，沒有混沌。此外它們的質量也相差懸殊，C星只有0.12倍太陽質量，而A星和B星分別有1.09倍和0.92倍太陽質量，因此基本上可以理解為C星繞着AB公轉。公轉的週期2017年才測出來，約為54萬7千年。三體人如果住在比鄰星附近的行星上，那麼他們感受到的就是恆紀元，沒有亂紀元，——真是索然無味啊！

因此，三體人的生存環境並不像小説中那樣水深火熱，他們應該沒有那麼強的動機到我們這兒來。反過來，按照《流浪地球》的設定，我們搬過去也許倒是完全合理的。現在經常有人傳這樣的笑話，地球人和三體人在換家的途中相遇，面面相覷……對此我只能説：主不在乎！

然而這個笑話其實有個bug。《三體》第一部第33節中有一個對話，發生在三體人的元首和執政官之間：

“這麼快？！現在距警告信息發出僅八萬多時，這就是説，這就是説……”

“這就是説，地球文明距我們僅四萬光時。”

“那不就是距離我們最近的那顆恆星嗎？！”

那不就是距離我們最近的那顆恆星嗎？！

這裏的問題在於，比鄰星是太陽的最近鄰，太陽卻不是比鄰星的最近鄰。比鄰星的最近鄰叫做盧曼16雙星系統（Luhman 16，又稱WISE 1049-5319），它離太陽6.516光年，但它離比鄰星只有3.520光年，小於太陽與比鄰星的距離。

太陽最近的鄰居（https://infogalactic.com/info/Luhman_16）

不過，盧曼16雙星系統是2013年發現的，而《三體》是2010年寫完的，那時人們還不知道它的存在呢。在那時，太陽確實是已知的離三體最近的恆星。

此外，盧曼16的這兩顆星屬於褐矮星，即質量太低不足以發生氫聚變的天體，許多科學家甚至不認為它們屬於恆星。褐矮星或許可以讓氘聚變，但氘的含量十分有限，因此褐矮星不足以持續放出能量。所以，三體人是不會想移居到那裏去的，——他們最近的可行的目標仍然是我們這兒！

下一個問題是，三體有沒有行星？回答是有，而且僅僅在比鄰星周圍就已經發現了三顆。《三體》第一部第20節裏説這個星系曾經有12顆行星，但現在只剩下一顆，11顆都已經被恆星吞噬了，因此三體人不得不潤出去。現在大家可以明白，沒這麼慘。 

誰敢比我慘

那麼，比鄰星周圍的行星有沒有生命呢？目前我們當然不知道，我們還沒有收到“不要回答！不要回答！！不要回答！！！”。不過現在已經知道，其中的一顆行星比鄰星b位於宜居帶內，也就是説那裏的温度允許出現液態水。而且它是一顆巖質行星，即像地球、火星這樣的行星，而不是像木星、土星那樣的氣態行星，因此在上面出現生命的可能性是存在的。

從恆星的角度來看，比鄰星能否支持生命出現呢？答案也很有意思。前面説過，它的質量只有太陽的0.12倍，因此它的亮度比太陽低得多。實際上，它是一顆暗淡的紅矮星。

然而恆星演化有個特點，質量越大的壽命越短，反過來説就是質量越小的苟得越長。因此神奇的結果是，雖然比鄰星的年齡跟太陽差不多，分別是48.5億年和46億年，但比鄰星卻會比太陽多生存很長時間。

太陽大約在50億年後就要變成紅巨星（《流浪地球》中的氦閃究竟是什麼？| 袁嵐峯）。而比鄰星會在那之後還保持目前的狀態，即所謂主序星，很長時間。到底有多長呢？我們不確定，因為它比宇宙當前的年齡137億年還長，只能通過恆星演化模型來推算。推算的結果是，可能有4萬億年（https://www.star-facts.com/proxima-centauri/#:~:text=It%20is%20a%20little%20older%20than%20the%20Sun%2C,other%20than%20the%20Sun%2C%20as%20seen%20by%202MASS.）……

比鄰星的壽命

由此可見，跟三體人搬過來相比，我們搬過去是更靠譜的選擇。雖然那裏的房子不太暖和，但房產證有效期長啊！

一個有趣的觀察角度是，比鄰星三顆行星發現的時間。最近的一顆是在2022年2月發現的，僅僅一年之前。另外兩顆發現得也很近，分別在2020年和2016年。

這表現了天文學的進步之快。實際上，人類第一次發現環繞正常恆星的系外行星也只是在1995年而已，發現者米歇爾·馬約爾（Michel G. E. Mayor）和迪迪埃·奎洛茲（Didier Queloz）獲得了2019年的諾貝爾物理學獎。

2019年諾貝爾物理學獎（https://www.nobelprize.org/prizes/physics/2019/summary/）

還有前面説的盧曼16星系2013年發現，這些都説明，我們對宇宙的探索不但沒有停滯，而且是在爆發，我們隨時可能遇到新的震撼。天文學堪稱人類最古老的科學，但同時也充滿了活力，歡迎大家投身這門古老而年輕的科學！

這又令人想到一個問題：中國的天文學怎麼樣？

實際上一眼就能看出，中國的天文學還遠談不上先進，因為前面説的這些關於三體的知識沒有一條是中國發現的。更深入的道理是，天文學歸根結底是一門觀測科學。工欲善其事，必先利其器，中國的天文觀測設備整體上還處於落後，所以中國的天文學肯定是落後的。

在此基礎上，有一個專業的回答：現在是射電天文一枝獨秀，光學天文與國際水平相差比較大（中國的天文學究竟是先進還是落後？| 科技袁人）。

這話是誰説的呢？是中國科學院國家天文台台長、我的科大師兄常進院士，他在2021年11月接受《科技日報》採訪時説的（https://www.cas.cn/zkyzs/2021/11/320/cmsm/202111/t20211102_4812096.shtml）。

現在是射電天文一枝獨秀，光學天文與國際水平相差比較大

我來解釋一下。射電就是無線電（radio），光學指的是可見光，它們都屬於電磁波，只是頻率不同。射電是30 MHz至300 GHz，可見光是380至 750 THz，射電的頻率比可見光低得多。

在光學天文方面，可能大多數人都不知道中國落後到什麼程度。目前我國最大的通用光學望遠鏡口徑是2.4米，位於中國科學院雲南天文台。而美國威爾遜天文台的胡克望遠鏡在1917年建成，它的口徑是2.54米。你看，差了整整一個世紀！

雲南天文台2.4米望遠鏡（http://www.ynao.cas.cn/kyzz/2m4_telescope/） 

胡克望遠鏡

而在射電方面，中國後來居上。大家經常聽到“中國天眼”，它的全稱是500米口徑球面射電望遠鏡（Five-hundred-meter Aperture Spherical radio Telescope，簡稱FAST），位於貴州省黔南州平塘縣大窩凼。 

FAST夜景

FAST的特點是什麼？它是世界最大的單口徑射電望遠鏡。為什麼要強調單口徑？因為有另一種技術是望遠鏡陣列，把多個望遠鏡組合起來用。例如位於智利的阿塔卡馬大型毫米波/亞毫米波陣列（ALMA），組合了66個拋物面天線。當然它們的探測波段不同，不過如果硬比的話，ALMA的分辨率比FAST更高，即來自兩個很近方向的信號它能分辨出來。但FAST的靈敏度更高，即它能探測到更弱的信號。因此，單口徑望遠鏡和望遠鏡陣列並不存在誰比誰高明的問題，而是相輔相成（有人認為FAST是燒錢作假——聽蝲蝲蛄叫就不種莊稼了？| 袁嵐峯）。 

阿塔卡馬大型毫米波/亞毫米波陣列

FAST的高靈敏度，帶來一個有趣的應用，就是尋找外星文明。是的，尋找外星文明是一個真實的項目！大家可以看中國科學院國家天文台2020年4月28日的消息，“FAST開啓地外文明搜索”（http://www.nao.cas.cn/xwzx/kydt/202004/t20200428_5565266.html）。 

FAST開啓地外文明搜索

這裏的頭一句話就是，地外文明搜索（Search for ExtraTerrestrial Intelligence，簡稱SETI）是FAST的五大科學目標之一。三體人如果真有很高的技術水平，我們現在是完全有可能發現他們的！

另一個可能令三體人倒吸一口涼氣的消息是，我的科大師兄葛健教授現在正在中國科學院上海天文台領導一個尋找地球2.0的項目。如果一切順利的話，爭取在2027年左右開始探測（如果《流浪地球》真的發生，我們新的家園在哪裏？@“地球2.0”首席科學家葛健）。所謂地球2.0，就是跟地球非常相似的行星。它位於類太陽恆星的宜居帶內，半徑在地球的0.8倍至1.25倍之間，質量和密度與地球相似，表面有岩石、有水、有大氣，大氣中含有氧氣、水汽、二氧化碳以及臭氧等等。

宜居的類地行星示意圖（https://h.xinhuaxmt.com/vh512/share/11349856）

你可能想問，我們目前找到了多少個地球2.0？答案是——0。葛健做了一張圖（尋找第二個地球和生命 |葛健），列出了目前已知的所有5000多個系外行星，橫座標是行星的公轉週期，縱座標是它跟地球的質量比值。你會發現，地球在其中是個巨大的異類。很多其他區域行星是扎堆的，但在地球附近卻稀稀拉拉，沒有一個符合條件的。 

系外行星分佈圖

這説明什麼？這可能説明，地球是宇宙中是獨一無二的，我們再也找不到其他宜居的星球。不過不能這麼快下結論，因為這也可能是因為探測手段的不足。

因此有一點值得説的是，葛健主持的這個項目有很高的技術可行性，全世界很多科學家都想來加入，遠不只是中國科學家。葛健做了另一個圖，展示對發現的預期：在四年觀測期間觀測到約3萬個系外行星，其中包括5000個左右跟地球大小相近的類地行星，15個左右的地球2.0。 

地球2.0項目預期發現的系外行星質量和軌道週期的分佈

因此，大家在不遠的將來是有可能聽到中國人發現地球2.0的。有句名言説，中國應當對於人類有較大的貢獻，——這就是一個較大的貢獻！

讓我們回到《科技日報》對常進的採訪。其中常進在描述了現狀的不足後，還提到了中國在望遠鏡方面的規劃。

中國在望遠鏡方面的規劃

在射電領域，我們希望建設FAST的陣列。是的，與其爭論單口徑望遠鏡與望遠鏡陣列哪個重要，不如把它們結合起來。小孩子才做選擇，成年人全都要……

我全都要

在光學領域，我們希望建設12米大型光學紅外望遠鏡。另外，我國還即將發射空間站巡天望遠鏡，即伴飛我國空間站的望遠鏡，它被稱為中國的哈勃望遠鏡。

前面談的都是電磁波探測，現在還有一種新的探測方法，就是引力波。《三體》中就提到了引力波，作為一種向宇宙廣播的手段。在三體人對程心發動突襲之後，“萬有引力”號就是通過引力波把三體的座標廣播出去的，當然同時也泄露了太陽系的座標，最終引來了大家喜聞樂見的二向箔。 

二向箔

其實在《三體》寫作的時候，人類還沒有探測到引力波。第一次探測到引力波是在2015年，美國的激光干涉引力波天文台（Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory，簡稱LIGO）實現的。 

LIGO

這讓全世界的科學家都很興奮，認為天文學將進入多信使的時代，包括電磁波、引力波、中微子、宇宙線等等，一股腦都上。小孩子才做選擇，成年人全都要！ 

兩個黑洞合併，放出引力波，形成類似太極的圖案

2021年，我跟LIGO的負責人、2017年諾貝爾物理學獎獲得者巴里·巴里什（Barry C. Barish）教授做了一次對話，從這個髮型就能看出這是一位強者（探測引力波到底有多難？諾獎得主大讚中國引力波探測項目 | 科技袁人）。中國目前的引力波探測計劃，包括探測原初引力波的阿里宇宙微波背景偏振望遠鏡（AliCPT），以及將引力波探測器送入太空的太極計劃和天琴計劃。巴里什教授對這些項目非常感興趣，對它們寄予厚望。 

人類如何探測引力波？

在這裏可以簡單地介紹一下。太極計劃和天琴計劃十分相似，都是把三個引力波探測器送入太空，組成一個等邊三角形。兩者的區別在於，天琴計劃的三個探測器是圍繞地球，三角形邊長17萬公里，而太極計劃的三個探測器是圍繞太陽，三角形邊長3百萬公里。所以太極計劃更加雄心勃勃，難度當然也更大。

天琴計劃（https://tianqin.sysu.edu.cn/about）

太極計劃

上面介紹了與《三體》有關的天文學，下面介紹與《三體》有關的量子信息科學。實際上這兩個話題都足夠講好幾節課，但我只有20分鐘，所以我只能十分簡略地談談量子信息。

最簡略的介紹就是一句話：《三體》中提到的量子通信是錯的。

讓我們看看《三體》第一部第33節中的原文：量子感應是超距的，即使智子分處宇宙的兩端，感應照樣可以在瞬間傳遞。實際上，這正是很多人對量子通信的理解，有很多媒體與科普文章就是這麼寫的。但我需要強調一下，這種説法是錯的。

《三體》對量子通信的描述

錯在哪裏呢？錯在量子通信並不會超光速。《三體》中多次提到地球人在遠距離之間的通信會有時差，但地球跟三體之間通信卻可以瞬時到達，——這個圖像完全是錯的！實際情況是，量子通信的最高速度就是光速，跟常規的通信一樣。它的好處不在於超光速，而在於其他方面。

這可能讓你沮喪，但很抱歉，真相就是這樣。量子力學確實在很多方面推翻了傳統的世界觀，但並不包括狹義相對論。狹義相對論告訴我們，信息傳輸不能超光速。這一點在量子力學中也是成立的，任何量子科技都不會推翻這一條。

你也許想問：量子糾纏（quantum entanglement）不是超光速的嗎？對此的回答很微妙：量子糾纏確實是超光速的，但它本身不能傳輸信息，因為測量結果是隨機的。請注意，狹義相對論説的是傳輸信息不能超光速，但如果一個現象不傳信息，那麼你可以隨便超！量子糾纏就是這樣一個超光速但不傳信息的現象。

2022年諾貝爾物理學獎剛好發給了實驗驗證量子糾纏的三位科學家。如果你想了解這個燒腦的概念，歡迎看我的解讀文章（為什麼量子信息獲諾獎：量子的世界觀才是正確的！| 袁嵐峯）。 

2022年諾貝爾物理學獎（https://www.nobelprize.org/prizes/physics/2022/summary/）

諾貝爾委員會用“黑球白球”介紹量子糾纏（https://www.nobelprize.org/prizes/physics/2022/press-release/）

聽到量子糾纏不傳信息，你也許會大失所望：那它不是沒用了嗎？回答是有用。單用量子糾纏不能傳信息，但它跟其他一些手段聯合使用就可以傳信息。不過那些手段的最高速度就是光速，由此導致整個技術的最高速度就是光速。

兩個具體的例子，是量子隱形傳態（quantum teleportation）和量子保密通信（quantum cryptography）。前者相當於《星際迷航》中的傳送術，後者是已知的最安全的保密傳輸方法。請注意它們倆不是一回事，雖然很多媒體把它們混為一談。它們是同屬於量子通信這個大類的兩種不同的技術，最高速度同樣都是光速。

量子信息的三個分支

由於時間關係，我沒法在這裏詳細解讀這些技術的原理。其實在上次的中國製造日活動中，我的第二場演講就是量子信息（量子信息：第二次量子革命 | 科技袁人），歡迎大家去回看。

很多人可能都聽説過，我國在量子通信領域是世界領先的，例如天上的“墨子號”量子科學實驗衞星和地上的量子保密通信“京滬幹線”。在這方面中國確實是少有的無爭議的領先，而不是並駕齊驅。 

中國的天地一體化量子通信網絡

如果大家想深入瞭解量子信息科學，歡迎看我的科普書《量子信息簡話》。 

《量子信息簡話》

《三體》中還有大量的科學話題可以討論，例如智子展開、曲率驅動、降維打擊。這些可以實現嗎？答案非常玄妙。我可以向大家推薦一本書，我的前輩校友、著名理論物理學家李淼教授的《<三體>中的物理學》。看了以後你不一定能直接得到解答，但你至少會了解這些問題的背景。

《<三體>中的物理學》

還可以向大家推薦一本書，我的科大師弟、香港科技大學物理系副教授王一博士的《一説<三體>》。王一是《三體》的鐵粉，他做了一系列科普演講詳細解説了《三體》的方方面面，然後集結成這本書，即將出版，敬請期待。

《一説<三體>》

最後我想説：宇宙很大，生活更大。希望大家從《三體》出發，心事浩茫連廣宇，於無聲處聽驚雷，為國家、為人類、為科學事業做出更大的貢獻！