《三体》中的物理学

《三体》是接近世界一流的中文科幻小说，其中涉及大量的现代物理学知识，例如，黑域在广义相对论中可能实现吗？假如真的存在高维，例如第四维，我们这些“可怜”的三维生物到底能不能进入？本文试图以现代物理学的标准，分析哪些是可能的，哪些是不可能的。

《三体》是迄今为止中文科幻界出现的最具影响力的科幻小说之一，不论在想象力方面，还是在规模方面，可以说是最接近世界一流的科幻小说。有些三体迷们甚至认为，《三体》超过了很多同样题材的国外科幻小说。《三体》中的设定涉及大量的现代物理学知识，甚至还涉及社会学与心理学。

2012年一年，我断断续续地写了十二万多字的《〈三体〉中的物理学》，讨论这个三部曲涉及很多现代物理学知识的可能与不可能。在这里，我想简要谈谈其中的部分内容。

1 黑洞和黑域

一个相对保守的文明为了避免受到攻击，向别的文明发出信号表示自己是无害的，而唯一无害的可能就是这个文明永远不可能驶出自己的恒星系，这个恒星系成了黑域，即光无法逃离出去的区域。

那么，黑域不就是黑洞吗？不是。《三体》的作者刘慈欣应该知道，如果一个文明将自己局限在一个黑洞的视界中，这个文明将因为引力的作用不可避免地撞上黑洞的奇点，在奇点那里，一切都将毁灭。于是，刘慈欣发明了低光速黑洞，在一个给定的范围内，光速被降低了，例如被降低到逃逸速度以下，这样，这个区域就像黑洞一样了，只是不会塌缩，所以叫黑域。

黑域是《三体》中的一种科幻设想，黑域在广义相对论中是可能实现的吗？原则上可以，我们要降低光速。

当我们说光速变慢了，是指其他物理速度不会改变，例如，单摆在固定重力场中的周期不变，从而相关的机械速度也不变。而用基于光做成的原子钟相对机械钟变慢了。

光速变小的后果有很多，首先，与光速有关的一切物理学参数变了。我们简单地看看都有什么物理学参数与光速有关。第一个被改变的是原子理论中的精细结构常数，这个常数标志电子和质子之间的电磁互相作用强度。由于这个常数与光速成反比，光速小了一半，这个常数就大了一倍。这个常数不影响原子的大小，从而也不会影响物质结构，所以，机械钟还真的不受影响。精细结构常数涉及光速，只有具有相对论效应的物理系统才会受到影响，例如原子核的大小，当然，也会影响到太阳中的核聚变。因为精细结构常数变大了，假设核力的强度不变，质子之间电磁的排斥力变大了，最大的稳定原子核可能是比金还要轻不少的元素了，金元素肯定不稳定。

这就轮到第二个与光速有关的物理学常数，核力的强度。追溯核力的来源，起源于夸克之间交换一种特殊粒子叫胶子导致的，但我们不需要这么基本的图像来理解质子和中子之间的核力。简单地说，质子和中子之间的核力可以看成交换一个有质量的粒子，介子引起的。这种交换的结果有两个，一个是作用强度变了，一个是力的传递距离变了，这两个结果都会影响原子核的聚变。核力的强度与精细结构常数一样，也与光速成反比，光速变小了，强度就变大了。力程与介子的质量成反比，也与光速成反比，如果光速变小，力程也变大了。总结一下，光速变小，质子和中子之间的核力变大，这将导致原子核的结合能变大。无论是核裂变还是核聚变，都和结合能有关，结合能变大了，释放的能量也就变大了。那时，必须将行星人工移动得离太阳更远一些，否则