三體“智子”真能從真空吸收能量?丨Calling 太空_風聞
中科院之声-中国科学院官方账号-04-02 14:44
編者按:“浩瀚的空天還有許多未知的奧秘有待探索”,為此,中科院之聲與中國科學院國家空間科學中心聯合開設“Calling太空”科普專欄,為大家講述有趣的故事,介紹一些與空間科學和航天相關的知識。****
儘管數年前科幻迷們都不看好《三體》被改編成影視,但2022年底開始,各大平台播出的國產動畫、電視劇等接踵而至,據説還有一部正在拍的電影。再加上小説已經在中國火了許多年,朋友們或多或少已經接觸過這樣一款作品。

動畫版《三體》的海報(圖片來自bilibili)
《三體》除了商業上的成功,本身無疑是一部有趣的作品。它把科學的概念和想象帶給人們,激發對人們對科技發展現狀與未來的興趣,也聚焦人類命運的前瞻與反思、人與自然環境的關係以及如何應對挑戰、共創未來等,這些是相當宏闊的社會主題。為了營造劇情中的矛盾,一些科學想象被設定進來,這就是“科幻”作品。其中,“智子”就是一個科幻的設定。
《三體》中的“智子”是一種什麼東西?
三體人是對地球有敵意的外星人,製造出“智子”這種東西監視人類文明,甚至給我們的科學發展搞破壞,被稱為“鎖死地球的基礎科學”。
“智”字反映了這種東西的智能,而“子”表明它是像分子、原子、質子、電子一樣的微觀粒子。智子(Sophon)是三體人改造過的一種微觀粒子,像是超高精尖的超小機器人,是三體人製造出的一種高級智能計算機。《三體》中稱,智子由三體人制造,可以從真空中獲取能量,以極其接近光速的速度飛行,並利用量子糾纏實現瞬時通信,也可以利用微觀高維空間進入任何地方,還可以自由切換自己的維度。《三體·3 死神永生》中甚至出現了受智子控制的擬人機器人,名字也叫“智子”,可視作三體人駐地球的大使。

國人畫師ask(pid:1980643)創作“智子”的同人畫作,在網絡上廣為流傳
(圖片來源:https://view.inews.qq.com/k/20220519A05VXV00?web_channel=wap&openApp=false)
智子如何運行,能量從何而來?
智子能夠通訊又有智能,確實可以起到監視作用。那它怎麼幹擾地球科技發展呢?根據設定,智子的基本原理就是潛伏在地球人的高能加速器後,替代高能加速器中的靶標粒子接受撞擊而引起混亂的結果,也就是智子會干擾地球人的加速器實驗,通過干擾粒子,使物體運動不規律,運動的變量值也不同,從而使人類不可能找到正確的結果,也就無法對物質深層的結構進行有效探索,從而無法在微觀物理學產生突破性的發展,進一步限制科學技術的整體發展。“如果他們不知道物質是由原子、分子組成的,就永遠造不出導彈和衞星,科學水平限制着呢。”
要製造這樣功能強大的智子,三體人把一個質子進行二維展開,然後蝕刻集成電路。“智子”其實也是“質子”的諧音。質子(proton)是構成原子核的微觀粒子,直徑約1.6~1.7×10−15米,大概是1米的100萬億分之一,靠我們當下的技術可沒辦法在上邊“雕花”做出電路,只能寄託於幻想中的高維和低維空間。
可是,智子是微觀粒子,有什麼東西能給它充電,幫助它有目的地執行工作呢?原作中説它能直接“從真空中汲取能量”。咱們現實當中,真空中確實有能量,被稱為“真空零點能”。
什麼是“真空零點能”?它真的存在嗎?
維爾納·海森堡(Werner Heisenberg)提出了一個著名的概念:不確定性原理(Uncertainty principle),即“不可能同時精確確定一個基本粒子的位置和動量”。人們理解不確定性原理時常用一種形象化的説法,表示測量某東西的行為將會不可避免地擾亂那個事物,從而改變它的狀態,例如用光照到一個粒子上的方式來測量一個粒子的位置和速度,一部分光波被此粒子散射開來,由此指明其位置,但光子會擾動粒子,並以一種不能預見的方式改變粒子的速度。由於這種表述,不確定性原理與“觀察者效應”時常會被混淆在一起,也就是説對於系統的測量不可避免地會影響到這系統,也就是説我們對微觀粒子的觀察肯定會影響到這個系統,也許它本身是確定的,我們一觀測它就不確定了。但是厄爾·肯納德(Earl Kennard)指出,位置的不確定性與動量的不確定性是粒子的秉性,無法同時壓抑至低於某極限關係式,與測量的動作無關。

不確定性原理:位置x與動量p不能同時測準(來源:百度百科)
回到我們的問題,根據不確定性原理,當温度降到絕對零度時,微觀粒子必定仍然在振動;否則,如果粒子完全停下來,那它的動量和位置就可以同時精確的測知,而這是違反不確定性原理的。因此,在絕對零度時的振動(零點振動)時,這種微觀粒子振動時所仍然具有的能量就是零點能,在真空中就是“真空零點能”。
“真空零點能”是否存在呢?1948年,荷蘭物理學家亨德里克·卡西米爾(Hendrik Casimir)提出了一項檢測這種能量存在的方案,在真空中放置兩片不帶電的金屬板,當它倆靠得足夠近時,它們之間會存在一個微小的吸引力,排除了它們微弱到忽略不計的萬有引力後,這種真空當中“憑空出現”的吸引力就是由能量漲落帶來的。1996年,這種效應被試驗證實。

驗證“真空零點能”的科學實驗(來源:百度百科)
我們略微講得深入一些,從理論上看,真空能量以粒子的形態出現,並不斷以微小的規模形成和消失,通常真空中充滿着幾乎各種波長的粒子。卡西米爾認為,這兩個不帶電的金屬板靠近時,它們之間較長的波長會先被排除出去,它們之外的其他波就會產生一種擠壓使它們相互靠近的力,表現為金屬板之間的吸引力。
因此,真空中確實存在能量。
“真空零點能”真的能被智子提取嗎?
如果真空零點能可以提取,無疑將是人類所能夠利用的最佳能源了,它清潔並且取之不盡用之不竭。科學家也確實希望有朝一日能像智子一樣任意提取真空的能量。
不過,《三體》中僅僅提出了這樣一個設定,並不能解釋這種科學幻想是如何實現的。我個人也無法想象智子怎樣提取出真空能量用於自己的運行,並且“只借不還”。從我們當前的理論體系來説,能量仍然需要遵循守恆法則,不能憑空增加或消失。
我們把微觀粒子與能量的這種活動稱作“量子漲落”(quantum fluctuation)。對於能量守恆,有人解釋漲落可以隨機發生在空間任何地方,且能量存在的時間非常短,會立刻消失,也即是“漲”和“落”,量子與量子的背景空間(環境)已構成糾纏態,其總能量保持不變。有人解釋漲落產生能量的瞬間,也產生了具有負能量的引力場,從而能量互相抵消。由於我並非該領域的研究者,就不做過多討論。
從我們讀者和觀眾來説,我們不需要對科幻文藝作品中的設定做太多較真。智子是個有趣的想法,解釋了作品中矛盾衝突的現象,其中也反映了許多我們已知的科學道理,這就是一個非常好的科幻產物,希望我們大家在對智子、對《三體》的興趣中,能多領略到一些自然與科學的神奇。
來源:中國科學院國家空間科學中心