妖精在吃唐僧肉问题上的古怪行为之物理学诠释？| 曹则贤

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导读

袁岚峰评论：“只”需要经典力学、广义相对论和量子力学的知识，就足以看懂这篇文章。

西天取经是个二维曲面上两点间路径之艰辛极大化的问题，路途越艰辛就越有教化的价值。参照构建经典力学的作用量原理可以更好地理解这一点。为了增加取经的艰辛程度，二维曲面的度规张量由崇山峻岭、深沟大河所主导，此外更以二维曲面为基流形点缀了一个妖精纤维丛。吃唐僧肉可长生不老的谣言是因果律的要求，而多数妖精选择蒸着吃则是利用了水的高沸点、大比热容和大汽化热的特点为孙猴子搬救兵赢得时间，从而化解吃这个湮灭算符消灭唐僧这个单粒子态的尴尬。是事件撑起了时间，并为时间提供了度量。物理学的亮光，照见了《西游记》作者编故事的艰辛。

撰文｜曹则贤（中国科学院物理研究所研究员）

《西游记》绝对是是名著中的名著。估计近代中国人没有一个不知道《西游记》的。即便没有读过原著，各种文艺形式表现的《西游记》里的故事总是看过的，孙悟空、猪八戒的形象也是烂熟于胸。《西游记》已经深入到了中华文化的骨髓，在可预见的未来，世世代代的中国人还会人人阅读《西游记》。

我本人大约是在9岁那年和《西游记》遭遇的。记得那是个炎热的夏天，书是一本繁体字的、发黄的旧书。虽然每一行都有许多不认识的字儿，我还是被它深深地吸引住了，那么热的天在太阳底下眼都舍不得从书本上抬起片刻~孙猴儿、猪八戒还有沙僧，上天入地、降妖捉怪，多好玩啊。

几乎每一个读《西游记》的人都会有一个疑问：“为什么妖怪逮到唐僧不麻利地吃了，总是磨磨唧唧地直到孙悟空找外援把唐僧给救了？” 细心的读者还会发现妖怪一般会选择要把唐僧蒸了吃，结果因为要洗涮可能还加上请客啥的就把时间给耽搁了。少年时的我读《西游记》时一样有这些疑问，如今很多年过去了，我觉得从物理学的角度给一个全面系统的合理化，也许是有趣的。

首先，西天取经是个要建立起教化价值 (劝东土人民信佛) 的国家工程。事情必须有难度，充满传奇式艰辛，才更有教化的价值。取经这件事设定在两个固定点——大唐国都长安和西天大雷音寺——之间，取经这件事情的艰辛程度就在于什么样的取经者以什么样的运动方式循着什么样的路径来连接长安和雷音寺这两个点了。这就是拉格朗日、欧拉和哈密顿他们构建经典力学 (还有光学。在哈密顿那里经典力学和光学是一体的！) 的套路，关键的数学是变分法 (variational calculus)。物理上就是用action (作用、作用量) 来衡量一条路径的物理意义的。举个简单透明的栗子，一个质量为m的物体，沿着某条路径以某种节奏 v(x) 运动，其作用量就是 。物质的运动规律就是要求，也就是说物理上实现的那条路必须是作用量最小或者最大的。物理上一般情形都是要求作用量最小，这个最小作用量原理 (least-action principle) 后来就成了构造物理理论的出发点了 (有兴趣的读者量子场论、规范场论了解下) ，见功夫的地方就在于构造出什么样的拉格朗日密度函数L要求由其积分得到的作用量  最小从而得到运动方程以及其它物理。

还是回到取经这件事儿。如果取经过程费力、费时还路程远，那教化的价值肯定大，碰巧力乘上距离再乘上时间的量纲就是作用量。所以，这个取经的工程要遵循的就是最大作用量原理。显然，这事儿安排孙猴儿去干就非常不合适，他一个筋斗就到雷音寺了，估计等他圆满取经回来给他送行的唐王还没回宫呢。这里特别要指出的是，孙悟空是从空中走的，而连接长安和雷音寺的这一段空中是没有任何物质分布的，故根据爱因斯坦引力场方程  可以近似看作是平直空间 (三维欧几里得空间。论时空则是闵可夫斯基时空)，其中两点间的距离满足公式 ds²=dx²+dy²+dz²。如果是唐僧这样的肉体凡胎，他走的可是地面上的路径，地面是一个二维的黎曼流形，两点间的距离满足公式 ，。在平原地区，。但是哪有这样的便宜事呢？为了让路途更长更难，唐僧的路途上都是高山峻岭，还有深沟大河。这相当于在公式 中引入了特别坑人的度规张量g_µv~具体形式连作者吴承恩都写不出来。唐僧只能贴着地走，意思是说他是被约束在地面上的，且约束他的地形在取经时间尺度上可以认为是不随时间改变的，故唐僧去取经的运动可描述为一个约束在二维曲面上的运动，且约束是holomnomic (可用方程表示) and scleronomous (方程不显含时间) 。

这样的取经方式，一个僧人步行，在二维曲面上翻山越岭、登高伏低，用于教化其宣传价值是远远不够的。这相当于物理上的时空结构只由引力决定，只需要学点广义相对论和微分几何就能搞定，算是平庸问题。要给唐僧的取经工程增加难度，就要在路上添加其它的磨难，相当于在作用量表达式  中加入额外的权重函数 (weighting function) h(x)，使得  的价值爆棚。怎么给唐僧路途增加难度的权重呢？这就要借助妖怪了。以地面这个二维黎曼流形作为基空间 (base)，在上面引入一个妖精场 (demonic field)。妖精本事大，在它的地盘的邻域可以上天入地，这相当于妖精自家附近的切空间 (tangent space) 是个三维欧几里得空间。

可是，妖怪干嘛要费劲巴拉地难为一个取经的和尚呢？这就牵扯到物理学的一个基本定律了——因果律 (law of causality) 。也就是说，一个事件的发生，必有它发生的理由。虽然总有人有在微观粒子理论中破坏因果律的冲动，关于宏观世界因果律总是成立的。物理学家笃信因果律，所以遇到不明白的事情不会咋咋呼呼~物理学家相信一个事情不好理解，可能只是促成它的背后原因我们不知道而已。现在，要给妖怪难为唐僧找一个强的理由：吃唐僧肉可以长生不老，一般职称的妖精能完成草鸡变凤凰的相变 (phase transition)。这个说法十分诱人，不，是十分诱妖。

这下子妖精们就有了拦路逮唐僧的动力了。不过，且慢。妖怪逮住唐僧不能真吃了啊。真吃了那和尚，这个事件若用量子力学的方式表达，吃相当于一个针对被吃对象的湮灭算符，，，吃完就没了——往下故事怎么演进呢。量子力学中当湮灭算符作用于低量子数的状态时就会出现这种情况，比如关于谐振子的二次量子化表示，，。不过，在量子力学中与湮灭算符共事的 (不，共轭的，in conjugacy) 有产生算符，能往回找补，。可是吃唐僧这个宏观操作没法找补啊。真吃了就没有到雷音寺这件事儿了。所以，妖怪既要有吃唐僧的强烈动机，能吃到，还坚决不能吃成了！咋办呢？接着编！

在具体吃唐僧这个操作 (operation) 上妖精就得磨蹭，直到孙猴儿找到恰当的救兵把唐僧救了以继续他的行程。怎么耽搁时间的呢？书中表明，多数妖精逮着唐僧都是选择蒸着吃。那为什么要选择蒸呢，妖精吃熟食多不自然啊？因为物理上会告诉你，蒸比用油烹炸更花时间。《西游记》第七十七回：“小的们，着五个打水，七个刷锅，十个烧火，二十个抬出铁笼……”果然很费事。此外，请客来一起吃是个拖延时间的有效方式，等逮着八戒把唐僧和猪一起蒸也是个理由。这就牵扯到什么是时间这个物理的本原问题了。要用事件撑起一段时间，事件提供了对时间的度量——这样的一段时间还要能够容纳足够多的其它事件。此事件度量的时间是彼时间展开的舞台。在唐僧被泡在清水里跟泥鳅一样吐泥儿的时候，孙猴子正满世界求人。

图：三兄弟开笼屉看唐僧熟了没有。笼屉直径约两米，高约三米，铝合金外壳

烹饪之蒸法耗时耗能量。我们知道，我们的地球神奇的地方就在于它表面有水，而水的各种物理性质都是反常的。它有反常地高的沸点、比热容、汽 (气) 化热和熔化 (融化) 热。在给水加热到沸点的过程中，水的热容量一直大约为4.187kJ/kg·℃ (酒精约为2.4kJ/kg·℃，不到水的一半) ，同时，水的汽化化热为1.996kJ/kg。这样，大锅蒸唐僧如果用30公斤水的话，光烧开水就够小妖忙乎半天的~柴灶的热效率很低的 (要不是传热总有损耗，热机效率很低，人类也不会想出热力学来)。这段时间就够孙猴子去搬救兵的了。孙猴子有时候还往蒸锅里放一条冷龙。冷龙实际上就是大比热容的热沉材料 (heat sink)，吸收热量能力强，但温度上升不大, 这样孙猴子大可以从容旅游一圈再去搬救兵。顺便说一句，孙猴子一个筋斗十万八千里，按一个筋斗耗时一秒钟算，孙猴子的运动速度约是光速的1/6，确实很快。

好了，到此为止，我用我有限的物理学知识算是理解了为什么妖精非要把唐僧蒸熟了再吃。是因为小说家要为孙猴子搬救兵留出足够的时间来~两个定点间路径选择的故事，主角不能被湮灭 (annihilate)了。烧开水撑开了一段时间，这段时间要容纳足够多的物理事件——孙猴子先大哭一场，然后有人指点他去找救兵，救兵不好使还得换一家，终于有救兵把妖精收服了，而这时水温才刚够洗澡的~“那长老从蒸锅里出来，洗脱了一身疲乏，此时红光满面，煞是好看。”然而，这么编，终究不是很令人信服。不得不说，论编故事的能力小说家比物理学家可差远了。物理学家编的关于自然的故事，The BOOK of physics, 又大又圆，处处漏风还非说是自洽的 (consistent) 。想知道我说的啥意思？那你得好好学物理。等你有一定的物理基础了，咱们好好聊。

哟，光顾着聊，差点忘了正事儿了。巡山的，唐僧到哪儿啦？

作者简介

曹则贤，现为中国科学院物理研究所研究员，著有《物理学咬文嚼字》 (四卷)，《至美无相》，Thin Film Growth，《一念非凡》, 《惊艳一击》，《量子力学-少年版》，《相对论-少年版》，《云端脚下》等。

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背景简介：本文2020年8月21日发表于微信公众号  返朴（妖精在吃唐僧肉问题上的古怪行为之物理学诠释丨贤说八道），风云之声获授权转载。

责任编辑：杨娜