《三体》中的科学 | 袁岚峰_风闻

■ 导读

《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？答案很有趣：对，但不完全对。

本文是作者2023年2月26日在由共青团、国资委等机构主办的第七届中国制造日活动上的主旨演讲文稿。

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！

《三体》封面

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！

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。

三体星系

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”！

纤云弄巧，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？！”

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。

太阳最近的邻居（https://infogalactic.com/info/Luhman_16）

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.）……

比邻星的寿命

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。

2019年诺贝尔物理学奖（https://www.nobelprize.org/prizes/physics/2019/summary/）

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）。

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

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/） 

胡克望远镜

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夜景

FAST的特点是什么？它是世界最大的单口径射电望远镜。为什么要强调单口径？因为有另一种技术是望远镜阵列，把多个望远镜组合起来用。例如位于智利的阿塔卡马大型毫米波/亚毫米波阵列（ALMA），组合了66个抛物面天线。当然它们的探测波段不同，不过如果硬比的话，ALMA的分辨率比FAST更高，即来自两个很近方向的信号它能分辨出来。但FAST的灵敏度更高，即它能探测到更弱的信号。因此，单口径望远镜和望远镜阵列并不存在谁比谁高明的问题，而是相辅相成（有人认为FAST是烧钱作假——听蝲蝲蛄叫就不种庄稼了？| 袁岚峰）。 

阿塔卡马大型毫米波/亚毫米波阵列

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）。 

FAST开启地外文明搜索

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！

另一个可能令三体人倒吸一口凉气的消息是，我的科大师兄葛健教授现在正在中国科学院上海天文台领导一个寻找地球2.0的项目。如果一切顺利的话，争取在2027年左右开始探测（如果《流浪地球》真的发生，我们新的家园在哪里？@“地球2.0”首席科学家葛健）。所谓地球2.0，就是跟地球非常相似的行星。它位于类太阳恒星的宜居带内，半径在地球的0.8倍至1.25倍之间，质量和密度与地球相似，表面有岩石、有水、有大气，大气中含有氧气、水汽、二氧化碳以及臭氧等等。

宜居的类地行星示意图（https://h.xinhuaxmt.com/vh512/share/11349856）

你可能想问，我们目前找到了多少个地球2.0？答案是——0。葛健做了一张图（寻找第二个地球和生命 |葛健），列出了目前已知的所有5000多个系外行星，横坐标是行星的公转周期，纵坐标是它跟地球的质量比值。你会发现，地球在其中是个巨大的异类。很多其他区域行星是扎堆的，但在地球附近却稀稀拉拉，没有一个符合条件的。 

系外行星分布图

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。 

地球2.0项目预期发现的系外行星质量和轨道周期的分布

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。

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……

我全都要

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。 

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。 

LIGO

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！ 

两个黑洞合并，放出引力波，形成类似太极的图案

2021年，我跟LIGO的负责人、2017年诺贝尔物理学奖获得者巴里·巴里什（Barry C. Barish）教授做了一次对话，从这个发型就能看出这是一位强者（探测引力波到底有多难？诺奖得主大赞中国引力波探测项目 | 科技袁人）。中国目前的引力波探测计划，包括探测原初引力波的阿里宇宙微波背景偏振望远镜（AliCPT），以及将引力波探测器送入太空的太极计划和天琴计划。巴里什教授对这些项目非常感兴趣，对它们寄予厚望。 

人类如何探测引力波？

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。

天琴计划（https://tianqin.sysu.edu.cn/about）

太极计划

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。

《三体》对量子通信的描述

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年诺贝尔物理学奖刚好发给了实验验证量子纠缠的三位科学家。如果你想了解这个烧脑的概念，欢迎看我的解读文章（为什么量子信息获诺奖：量子的世界观才是正确的！| 袁岚峰）。 

2022年诺贝尔物理学奖（https://www.nobelprize.org/prizes/physics/2022/summary/）

诺贝尔委员会用“黑球白球”介绍量子纠缠（https://www.nobelprize.org/prizes/physics/2022/press-release/）

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。

量子信息的三个分支

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。 

中国的天地一体化量子通信网络

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。

《一说<三体>》

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！