对话《三体》科学顾问！别错过！
以下文章来源于中科院物理所 ，作者牧羊
日前，我们邀请到了《三体》电视剧高能物理方向的科学顾问做客直播间，分别有中国科学院大学教授吕晓睿、吴佳俊和副教授刘倩，以及中国科学院大学2022级理论物理专业博士生曾振民（培养单位：中科院理论物理所），为我们一同解读电视剧中的宇宙学知识。
吴佳俊：《三体》三部曲有两个方面蛮打动我，一个是科技方面，一个是人文方面。科技方面，就是里面有非常硬的科学，比如智子，它的名字跟氢原子核的“质子”是谐音的。我本身是做理论的，我们也一直都在研究质子。如果我们能把质子内部研究清楚，是不是也能够把智子真正地给它做出来？这个是《三体》小说非常让我浮想联翩的点。还有人文方面，小说里人类在面对大灾难的时候，各种人物的抉择非常吸引我，比如说常将军和大史，还有汪淼和丁仪，这对我们面对困难和挫折有非常积极的指导意义。
吕晓睿：我感觉《三体》的叙述是很宏大的，大刘对科技发展和科学前沿是有一定理解的，比如飞刃、太空电梯、曲率加速，包括刚刚吴老师说的智子。大刘本职是电力方面的工程师，但能将科学前沿概念灵活运用在作品里，可见他是一个科学爱好者。
刘倩：我一开始看《三体》的时候，没有一下子把它看完。因为一开始杨冬对实验失败表现得极端，以及丁仪用打台球讨论对撞实验，我对这些物理太熟悉了，所以我并没有特别深的代入感。一直读到VR游戏的地方，出现了周文王带着姬昌去找纣王，我完全没理解到底要干什么，于是把书放下了。直到后来大概是我在火车上看手机的时候，又看到了电子书，我就说接着看吧。结果越往后看，越觉得很好玩。比如后面的人列计算机。所以我觉得《三体》一开始并不一定那么地抓你眼球，但是越往后看就越觉得很有意思。
曾振民：我当时看《三体》是在我高一的时候，那个时候我们班有一个互换图书的活动，我就把我当时最喜欢的《时间简史》放到班上的书柜里面，然后从书柜里面拿了《三体》三部曲。然后一看不得了，周末两天的时间就把那三本书全部都看完了，周一的时候突然想起来作业好像没写。这本书当时为什么吸引我呢？因为我在高中的时候，特别喜欢看科普纪录片，比如《与摩根弗利曼一起穿越虫洞》这一类的。我在看这些纪录片的时候发现，《三体》的科幻设定都是有科学依据的，我想如果我们未来的世界是这个样子的话，那也太酷了。其实这跟我学理论物理也是有一定的关系的。
刘倩：先是鲍麟教授联系我。他是中国科学院大学工学系一七级班主任，我是物理系一七级班主任，他先知道电视剧的消息，然后打电话问我感不感兴趣。再是鲍鳞的同学王安教授，他负责给剧组组建一个顾问队伍，我就邀请了吴佳俊和吕晓睿老师一起加入。队伍里还有其他方向的老师，包括理论所的郭奉坤和何颂老师、做弦论的孙雅文老师、上海技术物理所的沈宏老师、国家天文台的张建立博士（国科大毕业生）等等。
BEPC鸟瞰图
吕晓睿：BEPC在长安街玉泉路地铁站边上，中国科学院高能物理研究所里边。直线加速器把正电子和负电子，分别加速到一个很高的能量，速度接近光速，然后分别送到红色箭头标志的环，它们在这个环里会被精密的磁铁系统束缚成一个非常完美的环形。最后到了图里画着星星的地方，发生正负电子对撞，湮灭成能量，而能量会转化为新的物质，进而被北京谱仪探测器所探测。
粒子加速后获得了能量，也就能产生更重的物质，这个过程就可以模拟宇宙早期高温高密的奇点大爆炸的瞬间所发生的相互作用。能量越高，能看到的这个微观尺度就越小，我们就能对这一过程理解得更深入。
在直线加速器里，正负电子能被加速到2~5GeV，十分接近光速。这和三体人朝地球发射智子很像。而且不要小看人类，以我们目前的科技，也能把质子加速到接近光速。另外，高速运动的带电粒子偏转时，会辐射出光子，这被称为同步辐射或者韧致辐射。所以正负电子在储存环里转的时候会不停地损耗能量，需要另外补充能量才能维持。
樊祯：说到同步辐射，大家可以关心一下，一些大科学装置会用到同步辐射光，这种高强度的连续谱光源在各领域都有重要作用。
刘倩：介绍之前我先说一个乌龙，你可以看到电视剧展示的探测器其实不像北京谱仪。我曾经建议剧组去看电影《天使与恶魔》，里面有一段很漂亮的CG动画，描述了质子加速以后，是怎么制作成反物质炸弹的。这个电影正式参考了欧洲核子中心的CMS（紧凑缪子线圈），这可能也解释了为什么最后电视剧组做的良湘加速基地的探测器反而不像北京谱仪。
右下角是我们的北京谱仪，它是一个正八边形的结构，从里到外布满了各种各样的探测器。最靠里的，是希望能在探测粒子信号的同时不损失太多能量，越往外，探测器的密度就会越来越大，比如用晶体量能器之类的，来使粒子的能量尽量全部沉积，然后测出粒子携带的能量。
整个外面包着的，是一个大的一个超导磁铁，它会提供一个特斯拉的磁场。产生的次级末态粒子，在磁场里运动会发生偏转，从偏转的曲率半径我们就能判断出它的动量，然后通过量能器测得的能量，我就能知道末态粒子分别是什么东西了。
刘倩：上图中杨冬看到的实验数据是我们设计的。这里有个小故事，电视剧设定的是2007年，但2006年北京谱仪Ⅱ停止运行了，2007年的时候正在做加速改造，升级后的北京谱仪Ⅲ直到2009年才开始投入对撞实验。那时候我正好读博士，所以我也参与了其中的一些改造工作。
电视剧最后用的是北京谱仪Ⅲ的观测结果图。高能所公开日的时候，大家是可以去参观这个装置的。但这个图其实是有问题的，对于我们比较熟的研究员来说，一眼就能看出来这个事例有问题。
吕晓睿：是的，标准模型是我们将亚原子物理的所有规律总结起来的一套体系，它里头有组成物质结构的费米子（分为夸克和轻子），以及传递相互作用的玻色子。但破坏轻子味的现象并不在标准模型的理论框架中，然而实验上已经看到了轻子味破坏的中微子振荡现象，所以我们目前对世界的理解还不够，需要对标准模型进行改造。
樊祯：所以科学顾问们其实很用心，为了贴合剧情节奏专门设计了能一眼看出问题的反常事例。后来杨冬把实验数据传给了曼费教授，能不能再具体解释下这组数据？
中微子之间的振荡已经在实验上被明确了，跟它们对应的第二行带电轻子，也就是电子e缪子μ陶子τ，它们之间有没有类似振荡的某种转换呢？这是物理学家非常关心的问题，我们为电视剧设计了J/ψ→eμ这个道，它如果存在的话，就意味着带电的轻子之间是有某种轻子味道变化的转换的。而且从我们刚刚讲的5.9%的分支比上看，这个振荡的概率极大，已经远远超过我们当前粒子物理模型对中微子振荡以及超对称模型理论的理解了，所以剧情里边的科学家看到结果后都非常惊讶。
右边的费曼图是可能的理论解释，上面是ccbar中间通过交换一个超对称传播子，变成了右边的两个不同味道的轻子。下面是两个是同味的夸克通过另外一个传播子变成不同味道的轻子。这些在目前的理论里是可能允许的，但是这个比率非常小，远比我们设计的小。
恰好在电视剧热播的时候，我们北京谱仪Ⅲ出了一个成果，我们发现这个衰变的概率小于4.2×10-9，就是说如果我们有10亿个J/ψ，可能最多看见一个这种衰变，而不会像电视剧里表现的那样多。
刘倩：这个图是我当时请侯颖锐博士一起做的，是从BEPCⅡ的实时运行状态截取了其中的一部分。这个图里有两根线，一根比较靠前，一根比较靠后。靠前的那个锯齿，就是刚才提到的正电子的电流。我们一开始先把正电子注入到储存环里面，然后让它达到我们设定的电流值，比如说下面的实时运行图里它在900毫安左右。然后我们把钨靶去掉，注入电子，把电子也注入到900毫安左右，再开始让它们对撞。北京谱仪Ⅲ当时大概是八个纳秒撞一次，当然我们现在升级了以后，变成六个纳秒撞一次，总之一秒钟撞1000多万次。
它在撞的时候并不是一个一个粒子地撞，而是用一个个球状束团，一个球里面包含了1010个电子。束团有个一个厘米左右的长尾巴，它很扁，这两个扁平的冲击波就在探测器中对撞。但这么撞其实很难撞到一起，因为电子实在太小了，我们目前甚至不知道电子半径到底是多大。我们的BEPC一秒钟产生的1000多万对正负电子，只有3000次左右能够撞到，所以大家可以想象要把它撞上去还是不容易的。
第一个费曼图相当于J/ψ变成组成它的两个夸克ccbar，然后粲夸克和反粲夸克湮灭，由于某种机制会产生e-μ+。第二个费曼图是正反粲夸克湮灭以后产生虚光子，然后虚光子产生了e-μ+。最后一个比较复杂，它跟前面讲的中微子的振荡有联系，因为中微子振荡某种意义上也是一种轻子味破坏，那么根据中微子振荡，它实际上是可以构造出一个模型，使得产生e-μ+。这三个图里面，只有最后一个图比较符合我们现在的物理，但是它的计算结果非常小，不足以解释电视剧里这么大的轻子味破坏过程。
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BEPC用正负电子对撞湮灭来产生高能粒子，剧中三体舰队也利用正反物质湮灭作为能量来源，老师们对此有什么看法？
刘倩：这是一个很深的问题，科学界一直在问，为什么我们的世界是以正物质为主，反物质很少？丁肇中先生现在在做的AMS实验，就是在天上放一个大型的磁谱仪，去寻找有没有可能存在一个反物质宇宙。如果有，它和我们正物质宇宙的交界处肯定会有大量的湮灭，然后会有很多的光子过来。但目前为止，我们没有看到这个信号。
曾振民：宇宙微波背景辐射有另一个名字，叫“宇宙的第一束光”，或者“宇宙的黎明”。宇宙诞生38万年后，质子、中子、电子和光子互相耦合成一锅热汤。但随着宇宙膨胀逐渐降温，电子和质子会结合在一起变成中性氢，光子与电子的碰撞几率也就降低了，宇宙对于光子来说也就变得透明了，再经过138亿年的传播，光子在宇宙的各个方向上留下背景辐射。
刘倩：我设想了一个方式，可以几乎无衰减地发射信号，而且能筛选只有高级文明才能收到信号。这个方式就是中微子束流。中微子的穿透能力很强，几乎不会在中途损耗，另外我们已经有手段调制中微子束流。如果我们发射的目标星球上有高等文明，他们收到信息后就能解码。或者这些高等文明早就向我们发射中微子束流了，等我们的中微子探测器建成后，比如江门中微子实验，说不定就能收到这么一个信号。
刘倩：不考虑汪淼所受到的辐射剂量，以目前的手段是真的可以做到的。之前有报道，说宇航员上太空后，闭上眼睛也能看到微光，他看到的就是切伦科夫光。宇宙中的高能粒子在眼中晶状体这个介质的运动速度超过了光在这个介质中的光速，就会产生切伦科夫光。那么我可以用电子加速器对着你的眼睛打，也能在你的眼中产生光线，甚至可以打出数字光斑的倒计时。
吕晓睿：这个边界是和我们认知物质世界的手段有关系的，比如19世纪末发现了放射性，开启了原子物理的实验探测技术，现在我们有了电子加速器，就能看到亚原子层面的粒子。
刘倩：我们可以看到从1900年到1950年，人们只发现了电子、正电子、质子和中子四种费米子，因为那时候只能用云室和气泡室，被观测粒子的来源也只有宇宙线。但1950年到1960年一下子发现了一大堆粒子，因为探测手段进步了（编辑注：1952年，第一个现代粒子加速器布鲁克海文质子同步加速器开始运行）。
吴佳俊：但目前有一个问题，就是夸克由于色禁闭是不能单独存在的，这使得我们无法看到粒子反应的细节是怎么样的。另外强关联的体系我们目前常用的微扰论也没法处理，这种非微扰的问题也是我们目前的瓶颈。但有边界是好事，爱因斯坦说，正因为我们知道的知识圈越大，我们不知道的边界也就越大。
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来源/中科院物理所
美编/何邦彦 谭莹莹
责编/徐天怿
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