聽説要設計實驗失敗的數據，科學顧問們可高興了【科幻V計劃2】_風聞

原創：中科院物理所

2023年2月26號，我們邀請到了《三體》電視劇高能物理方向的科學顧問做客直播間，分別有中國科學院大學教授呂曉睿、吳佳俊和副教授劉倩。我們還邀請了中國科學院理論物理研究所的曾振民同學，為我們一同解讀電視劇中的宇宙學知識。

直播間現場：從左至右分別是主持人樊禎，嘉賓曾振民、劉倩、呂曉睿、吳佳俊

另外插播一條新聞：今晚七點半，我們將直播第4期【科幻V計劃】，嘉賓中既有老朋友為我們出領航員選拔考試題（見本推送次條），也有新面孔為我們解讀量子計算機550W和人工智能MOSS。

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嘉賓們對《三體》小説有什麼看法？

吳佳俊：《三體》三部曲有兩個方面蠻打動我，一個是科技方面，一個是人文方面。科技方面，就是裏面有非常硬的科學，比如智子，它的名字跟氫原子核的質子是諧音的。我本身是做理論的，我們也一直都在研究質子。如果我們能把質子內部研究清楚，是不是也能夠把智子真正地給它做出來？這個是《三體》小説非常讓我浮想聯翩的點。還有人文方面，小説里人類在面對大災難的時候，各種人物的抉擇非常吸引我，比如説常將軍和大史，還有汪淼和丁儀，這對我們面對困難和挫折有非常積極的指導意義。

**呂曉睿：**我感覺《三體》的敍述是很宏大的，大劉對科技發展和科學前沿是有一定理解的，比如飛刃、太空電梯、曲率加速，包括剛剛吳老師説的智子。大劉本職是電力方面的工程師，但能將科學前沿概念靈活運用在作品裏，可謂是一個科學愛好者。

**劉倩：**我一開始看《三體》的時候，沒有一下子把它看完。因為一開始楊冬對實驗失敗表現得極端，以及丁儀用打枱球討論對撞實驗，我對這些物理太熟悉了，所以我並沒有特別深的代入感。一直讀到VR遊戲的地方，出現了周文王帶着姬昌去找紂王，我就完全沒理解到底要幹什麼，於是把書放下了。直到後來大概是我在火車上看手機的時候，又看到了電子書，我就説接着看吧。結果越往後看，越覺得很好玩。比如後面的人列計算機。所以我覺得《三體》一開始並不一定那麼地抓你眼球，但是越往後看就越覺得很有意思。

電視劇中人列計算機的總線部件

**曾振民：**我當時看《三體》是在我高一的時候，那個時候我們班有一個互換圖書的活動，我就把我當時最喜歡的《時間簡史》放到班上的書櫃裏面，然後從書櫃裏面拿了《三體》三部曲。然後一看不得了，週末兩天的時間就把那三本書全部都看完了，週一的時候突然想起來作業好像沒寫。這本書當時為什麼吸引我呢，因為我在高中的時候，特別喜歡看科普紀錄片，比如《與摩根弗利曼一起穿越蟲洞》這一類的。我在看這些紀錄片的時候發現，《三體》的科幻設定都是有科學依據的，我想如果我們未來的世界是這個樣子的話，那也太酷了。其實這跟我學理論物理也是有一定的關係的。

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當時是怎樣被劇組聯繫上做科學顧問的？

**劉倩：**先是鮑麟教授聯繫我。他是中國科學院大學工學系一七級班主任，我是物理系一七級班主任，他先知道電視劇的消息，然後打電話問我感不感興趣。再是鮑林的同學王安教授，他負責給劇組組建一個顧問隊伍，我就邀請了吳佳俊和呂曉睿老師一起加入。隊伍裏還有其他方向的老師，包括理論所的郭奉坤和何頌老師、做弦論的孫雅文老師、上海技術物理所的沈宏教授、國家天文台的張建立博士等等。

電視劇片尾的科學顧問名單

2020年4月，郄國偉導演給我們打電話，他給我們整理了七道粒子物理方向的題。一拿到題目我們立馬就組織起來討論了。不過我們並沒有很多去現場做視覺指導的機會，只是在劇本的基礎上幫忙做些合理化的科學設定。

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《三體》電視劇去了老師們工作的BEPC（北京正負電子對撞機）取景，可以向我們介紹下BEPC嗎？

BEPC鳥瞰圖

**呂曉睿：**BEPC在長安街玉泉路地鐵邊上，中國科學院高能研究所裏邊。直線加速器把正電子和負電子，分別加速到一個很高的能量，速度接近光速，然後分別送到紅色箭頭標誌的環，它們在這個環裏會被精密的磁鐵系統束縛成一個非常完美的環形。最後到了圖裏畫着星星的地方，發生正負電子對撞，湮滅成能量，而能量會轉化為新的物質，進而被北京譜儀探測器所探測。

粒子加速後獲得了能量，也就能產生更重的物質，這個過程就可以模擬宇宙早期高温高密的奇點大爆炸的瞬間所發生的相互作用。能量越高，能看到的這個微觀尺度就越小，我們就能對這一過程理解得更深入。

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楊冬在檢查什麼部件？

**劉倩：**楊冬在的是直線加速的地方，我們經常把它比喻成球拍的拍柄部位。通過這一系列藍色的加速裝置，電子能被加速到150MeV左右，然後去轟擊鎢靶，產生正電子，在把生成的正電子注入儲存環。BEPC一開始只有一條儲存環，後來升級成了兩條，也就是下面這張圖所拍的。正電子注滿其中一個環後，再將負電子注入另一個環，並讓它們在北京譜儀對撞。

直線加速器和儲存環

在直線加速器，正負電子能被加速到2~5GeV，十分接近光速。這和三體人朝地球發射智子很像。而且不要小看人類，以我們目前的科技，也能把質子加速到接近光速。另外，高速運動的帶電粒子偏轉時，會輻射出光子，這被稱為同步輻射或者韌致輻射。所以正負電子在儲存環裏轉的時候會不停地損耗能量，需要另外補充能量才能維持。

**樊禎：**説到同步輻射，大家可以關心一下，一些大科學裝置會用到同步輻射光，這種高強度的連續譜光源在各領域都有重要作用。

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介紹完了直線加速器，能不能再介紹一下北京譜儀（BESⅢ）？

**劉倩：**介紹之前我先説一個烏龍，你可以看到電視劇展示的探測器其實不像北京譜儀。我曾經建議劇組去看電影《天使與惡魔》，裏面有一段很漂亮的CG動畫，描述了質子加速以後，是怎麼製作成反物質炸彈的。這個電影參考了歐洲核子中心的CMS（緊湊繆子線圈），所以最後電視劇組做的良湘加速基地的探測器反而不像北京譜儀。

電視劇劇照和北京譜儀

右下角是我們的北京譜儀，它是一個正八邊形的結構，從裏到外佈滿了各種各樣的探測器。最靠裏的，是希望能在探測粒子信號的同時不損失太多能量，越往外，探測器的密度就會越來越大，比如用晶體量能器之類的，來使粒子的能量儘量全部沉積，然後測出粒子攜帶的能量。

整個外面包着的，是一個大的一個超導磁鐵，它會提供一個特斯拉的磁場。產生的次級末態粒子，在磁場裏運動會發生偏轉，從偏轉的曲率半徑我們就能判斷出它的動量，然後通過量能器測得的能量，我就能知道末態粒子分別是什麼東西了。

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楊冬是怎麼看出實驗數據異常的？

電視劇劇照

**劉倩：**上圖中楊冬看到的實驗數據是我們設計的。這裏有個小故事，電視劇設定的是2007年，但2006年北京譜儀Ⅱ停止運行了，2007年的時候正在做加速改造，升級後的北京譜儀Ⅲ直到2009年才開始投入對撞實驗。那時候我正好讀博士，所以我也參與了其中的一些改造工作。

電視劇最後用的是北京譜儀Ⅲ的觀測結果圖。高能所公開日的時候，大家是可以去參觀這個裝置的。但這個圖其實是有問題的，對於我們比較熟的研究員來説，一眼就能看出來這個事例有問題。

劉倩老師提供的觀測結果圖

哪裏有問題呢？這裏正負電子對撞，它最後產生的末態也一定是有對稱性的，比如説它會產生e+e-，或者μ+μ-，或者τ+τ-，總之一個帶正電荷，一個帶負電荷。比如上圖的一對徑跡，一個朝左彎，一個朝右彎，説明它們帶的是異種電荷。但有一個問題，左上邊的徑跡到邊上就停下了，右下邊的徑跡直接穿出去了。有這麼強的穿透力的一定是繆子。而穿不過去那個大概率是一個電子，這是一個電子和繆子的一正一負，e+μ-或者e-μ+的事例，而這個事例在標準模型裏面是不會那麼容易發生的。

**曾振民：**輕子味破壞了。

**呂曉睿：**是的，標準模型是我們將亞原子物理的所有規律總結起來的一套體系，它裏頭有組成物質結構的費米子（分為夸克和輕子），以及傳遞相互作用的玻色子。但破壞輕子味的現象並不在標準模型的理論框架中，然而實驗上已經看到了輕子味破壞的中微子振盪現象，所以我們目前對世界的理解還不夠，需要對標準模型進行改造。

**樊禎：**所以科學顧問們其實很用心，為了貼合劇情節奏專門設計了能一眼看出問題的反常事例。後來楊冬把實驗數據傳給了曼費教授，能不能再具體解釋下這組數據？

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嘉賓們是怎樣為楊冬的導師曼費教授設計出令他崩潰的數據？

電視劇劇照

**劉倩：**這個圖橫軸是e和μ的不變質量譜，表示e和μ是從質量為多少的質心繫中衰變出來的，你可以看到它的峯值在3.1GeV左右，3.1GeV就是我們丁肇中先生髮現的J/ψ粒子的質量，就是粲夸克偶素ccbar。右邊這一系列是我們編的一個實驗數據，表示到底有多少個J/ψ，和有多少個J/ψ衰變到了eμ，然後算它的分支比是多少。這個地方的5.9%其實是J/ψ→e+e-或μ+μ-的分支比，我們就特意寫了5.9%，所以每個數也是有一個來歷的。

J/ψ粒子真實的衰變道

**呂曉睿：**我再來講講輕子。輕子有六種，在圖中分為三列，或者説三代，其中第一行是三個不帶電的中微子。實驗上發現不同代的中微子之間是有中微子振盪的，比如説我們中國的大亞灣實驗就發現了第三種的中微子振盪，得到了國際上非常強烈的關注。

三代輕子和J/ψ的輕子味破缺衰變道

中微子之間的振盪已經在實驗上被明確了，跟它們對應的第二行帶電輕子，也就是電子e繆子μ陶子τ，它們之間有沒有類似振盪的某種轉換呢？這是物理學家非常關心的問題，我們為電視劇設計了J/ψ→eμ這個道，它如果存在的話，就意味着帶電的輕子之間是有某種輕子味道變化的轉換的。而且從我們剛剛講的5.9%的分支比上看，這個振盪的概率極大，已經遠遠超過我們當前粒子物理模型對中微子振盪以及超對稱模型理論的理解了，所以劇情裏邊的科學家看到結果後都非常驚訝。

右邊的費曼圖是可能的理論解釋，上面是ccbar中間通過交換一個超對稱傳播子，變成了右邊的兩個不同味道的輕子。下面是兩個是同味的夸克通過另外一個傳播子變成不同味道的輕子。這些在目前的理論裏是可能允許的，但是這個比率非常小，遠比我們設計的小。

高能所的相關進展

恰好在電視劇熱播的時候，我們北京譜儀Ⅲ出了一個成果，我們發現這個衰變的概率小於4.2×10-9，就是説如果我們有10億個J/ψ，可能最多看見一個這種衰變，而不會像電視劇裏表現的那樣多。

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曼費教授還收到了一組數據，能不能解釋一下這些鋸齒狀的東西是什麼？

電視劇劇照

**劉倩：**這個圖是我當時請侯穎鋭博士一起做的，是從BEPCⅡ的實時運行狀態截取了其中的一部分。這個圖裏有兩根線，一根比較靠前，一根比較靠後。靠前的那個鋸齒，就是剛才提到的正電子的電流。我們一開始先把正電子注入到儲存環裏面，然後讓它達到我們設定的電流值，比如説下面的實時運行圖裏它在900毫安左右。然後我們把鎢靶去掉，注入電子，把電子也注入到900毫安左右，再開始讓它們對撞。北京譜儀Ⅲ當時大概是八個納秒撞一次，當然我們現在升級了以後，變成六個納秒撞一次，總之一秒鐘撞1000多萬次。

BEPCⅡ運行轉態圖

它在撞的時候並不是一個一個粒子地撞，而是用一個個球狀束團，一個球裏面包含了1010個電子。束團有個一個釐米左右的長尾巴，它很扁，這兩個扁平的衝擊波就在探測器中對撞。但這麼撞其實很難撞到一起，因為電子實在太小了，我們目前甚至不知道電子半徑到底是多大。我們的BEPC一秒鐘產生的1000多萬對正負電子，只有3000次左右能夠撞到，所以大家可以想象要把它撞上去還是不容易的。

對撞的束團 | 圖源：德國電子同步加速器

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劇中丁儀算的費曼圖是什麼意思？

電視劇劇照

**吳佳俊：**這個費曼圖的手稿是我設計的。剛才説到，楊冬的實驗説明J/ψ→eμ的反應有很大的產率，所以丁儀就去思考為什麼會有這麼大的產率，這三個費曼圖就是可能的三種解釋。這裏值得説一下，費曼是很偉大的物理學家，他設計了一套精美的圖示幫助我們理解相互作用的物理圖像，同時還極大地簡化了計算過程，電視劇裏曼費教授的名字其實就取自於費曼。

吳佳俊老師的手稿

第一個費曼圖相當於J/ψ變成組成它的兩個夸克ccbar，然後粲夸克和反粲夸克湮滅，由於某種機制會產生e-μ+。第二個費曼圖是正反粲夸克湮滅以後產生虛光子，然後虛光子產生了e-μ+。最後一個比較複雜，它跟前面講的中微子的振盪有聯繫，因為中微子振盪某種意義上也是一種輕子味破壞，那麼根據中微子振盪，它實際上是可以構造出一個模型，使得產生e-μ+。這三個圖裏面，只有最後一個圖比較符合我們現在的物理，但是它的計算結果非常小，不足以解釋電視劇裏這麼大的輕子味破壞過程。

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BEPC用正負電子對撞湮滅來產生高能粒子，劇中三體艦隊也利用正反物質湮滅作為能量來源，老師們對此有什麼看法？

**劉倩：**這是一個很深的問題，科學界一直在問，為什麼我們的世界是以正物質為主，反物質很少？丁肇中先生現在在做的AMS實驗，就是在天上放一個大型的磁譜儀，去尋找有沒有可能存在一個反物質宇宙。如果有，它和我們正物質宇宙的交界處肯定會有大量的湮滅，然後會有很多的光子過來。但目前為止，我們沒有看到這個信號。

電視劇劇照

目前我們宇宙中的反物質很稀薄，光靠航行中收集效率很低。如果是我設計，我會帶反物質燃料棒。做個計算，核電站裏一個鈾235裂變產生200MeV能量；而正負電子湮滅產生的能量只有1.1MeV；用中子的話它又不穩定，自由中子的壽命只有15分鐘；正反質子就很棒，一對正反質子能產生將近2GeV的能量，所以我會考慮使用反質子燃料棒。

**呂曉睿：**其實很多物理學家就在實驗室研究製造反物質，比如反氫原子，就是一個反質子加正電子的束縛原子。又比如自由中子會很快衰變，可以製造反氘或者反氦，也就是反質子加反中子的束縛原子核。但我們必須要讓它整體顯電性，才能用電磁場束縛住它。

**樊禎：**三體艦隊的最高航速是光速的十分之一，丁儀在劇中是怎麼算出三體艦隊要花400年才能到的？

電視劇劇照

**劉倩：**你看丁儀畫的橫軸是時間，縱軸是速度，飛船是個變加速運動。為什麼它的弧形是凹的呢？因為速度越快，飛船前面的電磁場掃過的面積越多，就能夠吸收到更多的反物質，推力才會越來越大，到光速的十分之一可能發動機就趨於飽和了。

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什麼是宇宙微波背景輻射？為什麼它的閃爍會讓科學家感到震撼？

**曾振民：**宇宙微波背景輻射有另一個名字，叫宇宙的第一束光，或者宇宙的黎明。宇宙誕生38萬年後，質子中子電子和光子互相耦合成一鍋熱湯。但隨着宇宙膨脹逐漸降温，電子和質子會結合在一起變成中性氫，光子與電子的碰撞幾率也就降低了，宇宙對於光子來説也就變得透明瞭，再經過138億年的傳播光子在宇宙的各個方向上留下背景輻射。

宇宙微波背景輻射和黑體輻射譜對照

這個背景輻射的頻譜和2.7K黑體輻射的頻譜高度吻合，這説明我們的宇宙是一個完美的黑體。下面a圖是Planck衞星探測出的宇宙微波背景的各向異性，藍色部分温度更低，橙色部分温度更高，但它們的差距其實只有十萬分之一K的量級，説明整體來看它還是各向同性的。b圖是處理後得到的角功率譜圖，它説明了天球當中兩個方向上的温度漲落有相關性。角功率譜圖上有幾個峯，從中可以讀出宇宙的密度有多大，以及重子物質佔比多少，暗物質又佔比多少。

微波背景輻射的各向異性

微波背景整體的各向同性還誕生了暴漲理論，如此均勻的温度分佈在如此遙遠的空間，讓人不禁想問這是為什麼？暴漲理論認為，宇宙誕生的一瞬間在一個非常緻密的區域達到平衡態，隨後時空經歷e指數膨脹，這個過程叫做暴漲，而宇宙初始時刻平衡態的相關性就被保留了下來。

宇宙暴脹理論

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電視劇裏的3K眼鏡可行嗎？

**劉倩：**我覺得可以呀。從3K換算過來是7釐米波段，到可見光幾百納米的波段差了5個數量級，人眼肯定是看不見的。但我們可以用探測器看見它，之後把數據傳到雲上，再傳到我的眼鏡裏，這和機場的安檢機是一樣的。

電視劇劇照

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電視劇裏説質子是11維的，有什麼依據嗎？

**吳佳俊：**我先打個比方，一根頭髮絲在我們宏觀尺度來看是一條一維的線，但進入微觀世界的話它又是個三維的圓柱體。也就是説當你的觀察尺度很小後，物質所隱藏的空間結構可能就會被釋放出來。現在我們宏觀尺度是3維空間+1維時間，但到了微觀尺度，比如超弦裏的弦，它就需要在滿足一定對稱性的條件下額外添加6個維度（稱為卡拉比丘流形），這樣就到10維了。後面科學家在此基礎上又添加了1個維度發展出M理論，也就是電視劇裏説的11維。

**曾振民：**弦論一開始是26維的，引入了超對稱思想後的超弦理論降為了10維的，但它在發展歷程中產生了5個變種。後來數學物理學家發現，把它升為11維後這5種超弦理論就能統一。在弦論中，基本粒子被視為一根振動的弦，不同的振動模式能描述不同的粒子，其中有一種特別的振動模式能描述質量為0自旋為2的玻色子，也就是科學家們苦苦尋找的引力子。之前提到標準模型有傳遞電磁、強、弱三種相互作用的傳播子，唯獨沒有傳遞引力的傳播子，因為我們目前很難把引力場量子化。愛因斯坦晚年研究的大統一理論就是在試圖統一引力，但失敗了。這時候弦論橫空出世，大家就覺得這很有可能是我們的終極理論。

**吳佳俊：**超弦理論基於了超對稱的思想，也就是每個粒子都有一個超對稱伴子，這使得我們可以用對撞機檢驗這個理論。但遺憾的是，目前歐洲核子中心所能達到的13TeV量級的能量裏，沒有找到任何超對稱伴子的痕跡。

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如果智子封鎖了我們的加速器，我們有別的辦法研究粒子物理嗎？

**劉倩：**一是可以用宇宙線，但它的發生幾率不穩定，變量也不可控，實驗難以重複。二就是用中微子，因為中微子的截面很小，智子想要控制中微子很難，所以可以用中微子繞過智子封鎖。

**呂曉睿：**劇情設計裏面智子與人造加速器中的粒子對撞後會被毀壞，然後需要百萬分之一秒的時間修復。大劉可能覺得已經夠快了，但我們現在的大型粒子對撞機的對撞頻率可以達到40兆赫茲，未來還可以發展出更高通量的，完全可以把智子產生的噪音扣除掉。我還想説一下，科學家在看到新東西的時候應該是興奮的，不會像曼費教授那樣自殺。假如是歷史上的費曼的話，他是一個有趣的人，可能會敲起他的邦戈鼓。

費曼教授的傳統藝能

**劉倩：**所以我們在設計實驗失敗的數據時其實很糾結。另外劇情還設定曼費教授提前看到了數據，這説明有超光速的作用產生了非因果性的事情。歷史上其實有超光速烏龍，當時歐洲核子中心有個OPERA實驗組，他們產生了一束中微子束流打到位於意大利的探測器，結果發現中微子居然超光速了，但後來發現其實是GPS定時接口插錯了，實際上中微子並沒有超光速。當時科學家們都很失望，要是真的能超光速該有多好。

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電視劇中用太陽放大電波向外星文明發射信號，現實中有沒有更有效的方式？

**劉倩：**我設想了一個方式，可以幾乎無衰減地發射信號，而且能篩選只有高級文明才能收到信號。這個方式就是中微子束流。中微子的穿透能力很強，幾乎不會在中途損耗，另外我們已經有手段調製中微子束流。如果我們發射的目標星球上有高等文明，他們收到信息後就能解碼。或者這些高等文明早就向我們發射中微子束流了，等我們的中微子探測器建成後，比如江門中微子實驗，説不定就能收到這麼一個信號。

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汪淼眼中的倒計時有可能用智子實現嗎？

**劉倩：**不考慮汪淼所受到的輻射劑量，以目前的手段是真的可以做到的。之前有報道，説宇航員上太空後，閉上眼睛也能看到微光，他看到的就是切倫科夫光。宇宙中的高能粒子在眼中晶狀體這個介質的運動速度超過了光在這個介質中的光速，就會產生切倫科夫光。那麼我可以用電子加速器對着你的眼睛打，也能在你的眼中產生光線，甚至可以打出數字光斑的倒計時。

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作為科研工作者，你們怎麼看待科學邊界？

**呂曉睿：**這個邊界是和我們認知物質世界的手段有關係的，比如19世紀末發現了放射性，開啓了原子物理的實驗探測技術，現在我們有了電子加速器，就能看到亞原子層面的粒子。

**劉倩：**我們可以看到從1900年到1950年，人們只發現了電子、正電子、質子和中子四種費米子，因為那時候只能用雲室和氣泡室，被觀測粒子的來源也只有宇宙線。但1950年到1960年一下子發現了一大堆粒子，因為探測手段進步了。（編輯注：1952年，第一個現代粒子加速器布魯克海文質子同步加速器開始運行。）

Brookhaven國家實驗室的加速器 | 圖源：BNL

**吳佳俊：**但目前有一個問題，就是夸克由於色禁閉是不能單獨存在的，這使得我們無法看到粒子反應的細節是怎麼樣的。另外強關聯的體系我們目前常用的微擾論也沒法處理，這種非微擾的問題也是我們目前的瓶頸。但有邊界是好事，愛因斯坦説，正因為我們知道的知識圈越大，我們不知道的邊界也就越大。