三體“智子”真能從真空吸收能量？丨Calling 太空_風聞

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