《三体》中的科学 | 袁岚峰
■ 导读
大家好，我是中国制造日的老朋友袁岚峰，我参加了迄今为止每一年的活动。团团来跟我商量这次讲什么的时候，我提议的是科幻中的科学，包括《三体》和《流浪地球》等等。
《流浪地球2》海报
没想到，团团的建议却是只讲《三体》中的科学。我问，为什么？回答是：因为这次活动的含球量已经太高了！
他们向我介绍了其他演讲者，我才发现这次成了《流浪地球》展销会。好吧，我就来谈谈《三体》中的科学，反正都是我的山西老乡刘慈欣的作品。用一句名言说：主不在乎！
我们首先来谈天文学，因为《三体》整个故事的设定都基于这么一点：离我们最近的恒星是一个三星系统。请问，这对不对呢？如果你能答出这个问题，你的知识水平就超过了90%的人。
答案很有趣：对，但不完全对。
离我们最近的恒星被称为比邻星（Proxima Centauri），它确实属于一个三星系统。这个三星系统在中国古代叫做南门二（Rigil Kent），现在叫做半人马座α星（α Centauri），α的意思是它是半人马座中最亮的。请注意，半人马座α星指的是这三颗恒星的整体，而不是只有比邻星这一颗恒星，因为比邻星太暗了，在地面看不见，而另两颗星离得很近，肉眼分不出来。这三颗星分别被称为半人马座α星A、半人马座α星B和半人马座α星C，其中C就是比邻星，它离太阳只有4.2光年，是离我们最近的恒星。A和B离我们稍微远一点，在4.3光年左右。
原著说，三体星系是一个混沌系统，即运动杂乱无章，无法预测。刘慈欣发明了两个词：恒纪元和乱纪元。行星只围着一颗恒星运动的时候就是恒纪元，这时日出日落是有序的。而行星同时受到多颗恒星影响时就是乱纪元，这时太阳可能长时间落下不升起，也可能长时间升起不落下。
原著中还有一个有趣的词，叫做“飞星”。三体人通过观察飞星，就能预测自己的处境。他们发现有两颗飞星的时候是最好的，这说明两颗恒星都离自己比较远，自己只绕着一颗恒星运动，这就是恒纪元。而只有一颗飞星的时候就很糟糕，这意味着自己在绕着两颗恒星运动，这会带来乱纪元。但更糟糕的是出现三颗飞星，这时自己离三颗恒星都太远，漫长的严寒会把岩石都冻成粉末！
这让我想起了一首著名的词：纤云弄巧，飞星传恨，银汉迢迢暗渡……秦观秦少游发来贺电！可以设想一个地狱笑话：三体人为什么不喜欢飞星？因为“飞星传恨”！
恒纪元、乱纪元、飞星形象地科普了混沌的概念，很多人可能都是从这里学到了，三体运动带来混沌。但下面我要告诉大家一个重要的实际情况：半人马座α星并不是混沌的。它确实是一个三星系统，但并不混沌。
为什么呢？因为这个三星系统其实是2 + 1，A星和B星互相环绕组成一个双星系统，然后C星跟这个双星系统互相环绕。关键在于，C星离AB有0.2光年，远大于AB之间的距离，所以这个三星系统的运动相当简单，没有混沌。此外它们的质量也相差悬殊，C星只有0.12倍太阳质量，而A星和B星分别有1.09倍和0.92倍太阳质量，因此基本上可以理解为C星绕着AB公转。公转的周期2017年才测出来，约为54万7千年。三体人如果住在比邻星附近的行星上，那么他们感受到的就是恒纪元，没有乱纪元，——真是索然无味啊！
因此，三体人的生存环境并不像小说中那样水深火热，他们应该没有那么强的动机到我们这儿来。反过来，按照《流浪地球》的设定，我们搬过去也许倒是完全合理的。现在经常有人传这样的笑话，地球人和三体人在换家的途中相遇，面面相觑……对此我只能说：主不在乎！
然而这个笑话其实有个bug。《三体》第一部第33节中有一个对话，发生在三体人的元首和执政官之间：
“这么快？！现在距警告信息发出仅八万多时，这就是说，这就是说……”
“这就是说，地球文明距我们仅四万光时。”
“那不就是距离我们最近的那颗恒星吗？！”
这里的问题在于，比邻星是太阳的最近邻，太阳却不是比邻星的最近邻。比邻星的最近邻叫做卢曼16双星系统（Luhman 16，又称WISE 1049-5319），它离太阳6.516光年，但它离比邻星只有3.520光年，小于太阳与比邻星的距离。
不过，卢曼16双星系统是2013年发现的，而《三体》是2010年写完的，那时人们还不知道它的存在呢。在那时，太阳确实是已知的离三体最近的恒星。
此外，卢曼16的这两颗星属于褐矮星，即质量太低不足以发生氢聚变的天体，许多科学家甚至不认为它们属于恒星。褐矮星或许可以让氘聚变，但氘的含量十分有限，因此褐矮星不足以持续放出能量。所以，三体人是不会想移居到那里去的，——他们最近的可行的目标仍然是我们这儿！
下一个问题是，三体有没有行星？回答是有，而且仅仅在比邻星周围就已经发现了三颗。《三体》第一部第20节里说这个星系曾经有12颗行星，但现在只剩下一颗，11颗都已经被恒星吞噬了，因此三体人不得不润出去。现在大家可以明白，没这么惨。
谁敢比我惨
那么，比邻星周围的行星有没有生命呢？目前我们当然不知道，我们还没有收到“不要回答！不要回答！！不要回答！！！”。不过现在已经知道，其中的一颗行星比邻星b位于宜居带内，也就是说那里的温度允许出现液态水。而且它是一颗岩质行星，即像地球、火星这样的行星，而不是像木星、土星那样的气态行星，因此在上面出现生命的可能性是存在的。
从恒星的角度来看，比邻星能否支持生命出现呢？答案也很有意思。前面说过，它的质量只有太阳的0.12倍，因此它的亮度比太阳低得多。实际上，它是一颗暗淡的红矮星。
然而恒星演化有个特点，质量越大的寿命越短，反过来说就是质量越小的苟得越长。因此神奇的结果是，虽然比邻星的年龄跟太阳差不多，分别是48.5亿年和46亿年，但比邻星却会比太阳多生存很长时间。
太阳大约在50亿年后就要变成红巨星（《流浪地球》中的氦闪究竟是什么？| 袁岚峰）。而比邻星会在那之后还保持目前的状态，即所谓主序星，很长时间。到底有多长呢？我们不确定，因为它比宇宙当前的年龄137亿年还长，只能通过恒星演化模型来推算。推算的结果是，可能有4万亿年（https://www.star-facts.com/proxima-centauri/#:~:text=It%20is%20a%20little%20older%20than%20the%20Sun%2C,other%20than%20the%20Sun%2C%20as%20seen%20by%202MASS.）……
由此可见，跟三体人搬过来相比，我们搬过去是更靠谱的选择。虽然那里的房子不太暖和，但房产证有效期长啊！
一个有趣的观察角度是，比邻星三颗行星发现的时间。最近的一颗是在2022年2月发现的，仅仅一年之前。另外两颗发现得也很近，分别在2020年和2016年。
这表现了天文学的进步之快。实际上，人类第一次发现环绕正常恒星的系外行星也只是在1995年而已，发现者米歇尔·马约尔（Michel G. E. Mayor）和迪迪埃·奎洛兹（Didier Queloz）获得了2019年的诺贝尔物理学奖。
还有前面说的卢曼16星系2013年发现，这些都说明，我们对宇宙的探索不但没有停滞，而且是在爆发，我们随时可能遇到新的震撼。天文学堪称人类最古老的科学，但同时也充满了活力，欢迎大家投身这门古老而年轻的科学！
这又令人想到一个问题：中国的天文学怎么样？
实际上一眼就能看出，中国的天文学还远谈不上先进，因为前面说的这些关于三体的知识没有一条是中国发现的。更深入的道理是，天文学归根结底是一门观测科学。工欲善其事，必先利其器，中国的天文观测设备整体上还处于落后，所以中国的天文学肯定是落后的。
在此基础上，有一个专业的回答：现在是射电天文一枝独秀，光学天文与国际水平相差比较大（中国的天文学究竟是先进还是落后？| 科技袁人）。
这话是谁说的呢？是中国科学院国家天文台台长、我的科大师兄常进院士，他在2021年11月接受《科技日报》采访时说的（https://www.cas.cn/zkyzs/2021/11/320/cmsm/202111/t20211102_4812096.shtml）。
我来解释一下。射电就是无线电（radio），光学指的是可见光，它们都属于电磁波，只是频率不同。射电是30 MHz至300 GHz，可见光是380至 750 THz，射电的频率比可见光低得多。
在光学天文方面，可能大多数人都不知道中国落后到什么程度。目前我国最大的通用光学望远镜口径是2.4米，位于中国科学院云南天文台。而美国威尔逊天文台的胡克望远镜在1917年建成，它的口径是2.54米。你看，差了整整一个世纪！
云南天文台2.4米望远镜（http://www.ynao.cas.cn/kyzz/2m4_telescope/）
而在射电方面，中国后来居上。大家经常听到“中国天眼”，它的全称是500米口径球面射电望远镜（Five-hundred-meter Aperture Spherical radio Telescope，简称FAST），位于贵州省黔南州平塘县大窝凼。
FAST的高灵敏度，带来一个有趣的应用，就是寻找外星文明。是的，寻找外星文明是一个真实的项目！大家可以看中国科学院国家天文台2020年4月28日的消息，“FAST开启地外文明搜索”（http://www.nao.cas.cn/xwzx/kydt/202004/t20200428_5565266.html）。
这里的头一句话就是，地外文明搜索（Search for ExtraTerrestrial Intelligence，简称SETI）是FAST的五大科学目标之一。三体人如果真有很高的技术水平，我们现在是完全有可能发现他们的！
宜居的类地行星示意图（https://h.xinhuaxmt.com/vh512/share/11349856）
这说明什么？这可能说明，地球是宇宙中是独一无二的，我们再也找不到其他宜居的星球。不过不能这么快下结论，因为这也可能是因为探测手段的不足。
因此有一点值得说的是，葛健主持的这个项目有很高的技术可行性，全世界很多科学家都想来加入，远不只是中国科学家。葛健做了另一个图，展示对发现的预期：在四年观测期间观测到约3万个系外行星，其中包括5000个左右跟地球大小相近的类地行星，15个左右的地球2.0。
因此，大家在不远的将来是有可能听到中国人发现地球2.0的。有句名言说，中国应当对于人类有较大的贡献，——这就是一个较大的贡献！
让我们回到《科技日报》对常进的采访。其中常进在描述了现状的不足后，还提到了中国在望远镜方面的规划。
在射电领域，我们希望建设FAST的阵列。是的，与其争论单口径望远镜与望远镜阵列哪个重要，不如把它们结合起来。小孩子才做选择，成年人全都要……
在光学领域，我们希望建设12米大型光学红外望远镜。另外，我国还即将发射空间站巡天望远镜，即伴飞我国空间站的望远镜，它被称为中国的哈勃望远镜。
前面谈的都是电磁波探测，现在还有一种新的探测方法，就是引力波。《三体》中就提到了引力波，作为一种向宇宙广播的手段。在三体人对程心发动突袭之后，“万有引力”号就是通过引力波把三体的坐标广播出去的，当然同时也泄露了太阳系的坐标，最终引来了大家喜闻乐见的二向箔。
其实在《三体》写作的时候，人类还没有探测到引力波。第一次探测到引力波是在2015年，美国的激光干涉引力波天文台（Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory，简称LIGO）实现的。
这让全世界的科学家都很兴奋，认为天文学将进入多信使的时代，包括电磁波、引力波、中微子、宇宙线等等，一股脑都上。小孩子才做选择，成年人全都要！
在这里可以简单地介绍一下。太极计划和天琴计划十分相似，都是把三个引力波探测器送入太空，组成一个等边三角形。两者的区别在于，天琴计划的三个探测器是围绕地球，三角形边长17万公里，而太极计划的三个探测器是围绕太阳，三角形边长3百万公里。所以太极计划更加雄心勃勃，难度当然也更大。
上面介绍了与《三体》有关的天文学，下面介绍与《三体》有关的量子信息科学。实际上这两个话题都足够讲好几节课，但我只有20分钟，所以我只能十分简略地谈谈量子信息。
最简略的介绍就是一句话：《三体》中提到的量子通信是错的。
让我们看看《三体》第一部第33节中的原文：量子感应是超距的，即使智子分处宇宙的两端，感应照样可以在瞬间传递。实际上，这正是很多人对量子通信的理解，有很多媒体与科普文章就是这么写的。但我需要强调一下，这种说法是错的。
错在哪里呢？错在量子通信并不会超光速。《三体》中多次提到地球人在远距离之间的通信会有时差，但地球跟三体之间通信却可以瞬时到达，——这个图像完全是错的！实际情况是，量子通信的最高速度就是光速，跟常规的通信一样。它的好处不在于超光速，而在于其他方面。
这可能让你沮丧，但很抱歉，真相就是这样。量子力学确实在很多方面推翻了传统的世界观，但并不包括狭义相对论。狭义相对论告诉我们，信息传输不能超光速。这一点在量子力学中也是成立的，任何量子科技都不会推翻这一条。
你也许想问：量子纠缠（quantum entanglement）不是超光速的吗？对此的回答很微妙：量子纠缠确实是超光速的，但它本身不能传输信息，因为测量结果是随机的。请注意，狭义相对论说的是传输信息不能超光速，但如果一个现象不传信息，那么你可以随便超！量子纠缠就是这样一个超光速但不传信息的现象。
2022年诺贝尔物理学奖（https://www.nobelprize.org/prizes/physics/2022/summary/）
听到量子纠缠不传信息，你也许会大失所望：那它不是没用了吗？回答是有用。单用量子纠缠不能传信息，但它跟其他一些手段联合使用就可以传信息。不过那些手段的最高速度就是光速，由此导致整个技术的最高速度就是光速。
两个具体的例子，是量子隐形传态（quantum teleportation）和量子保密通信（quantum cryptography）。前者相当于《星际迷航》中的传送术，后者是已知的最安全的保密传输方法。请注意它们俩不是一回事，虽然很多媒体把它们混为一谈。它们是同属于量子通信这个大类的两种不同的技术，最高速度同样都是光速。
由于时间关系，我没法在这里详细解读这些技术的原理。其实在上次的中国制造日活动中，我的第二场演讲就是量子信息（量子信息：第二次量子革命 | 科技袁人），欢迎大家去回看。
很多人可能都听说过，我国在量子通信领域是世界领先的，例如天上的“墨子号”量子科学实验卫星和地上的量子保密通信“京沪干线”。在这方面中国确实是少有的无争议的领先，而不是并驾齐驱。
如果大家想深入了解量子信息科学，欢迎看我的科普书《量子信息简话》。
《量子信息简话》
《三体》中还有大量的科学话题可以讨论，例如智子展开、曲率驱动、降维打击。这些可以实现吗？答案非常玄妙。我可以向大家推荐一本书，我的前辈校友、著名理论物理学家李淼教授的《<三体>中的物理学》。看了以后你不一定能直接得到解答，但你至少会了解这些问题的背景。
《<三体>中的物理学》
还可以向大家推荐一本书，我的科大师弟、香港科技大学物理系副教授王一博士的《一说<三体>》。王一是《三体》的铁粉，他做了一系列科普演讲详细解说了《三体》的方方面面，然后集结成这本书，即将出版，敬请期待。
最后我想说：宇宙很大，生活更大。希望大家从《三体》出发，心事浩茫连广宇，于无声处听惊雷，为国家、为人类、为科学事业做出更大的贡献！
风云之声
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