听说要设计实验失败的数据，科学顾问们可高兴了【科幻V计划2】_风闻

原创：中科院物理所

2023年2月26号，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。我们还邀请了中国科学院理论物理研究所的曾振民同学，为我们一同解读电视剧中的宇宙学知识。

直播间现场：从左至右分别是主持人樊祯，嘉宾曾振民、刘倩、吕晓睿、吴佳俊

另外插播一条新闻：今晚七点半，我们将直播第4期【科幻V计划】，嘉宾中既有老朋友为我们出领航员选拔考试题（见本推送次条），也有新面孔为我们解读量子计算机550W和人工智能MOSS。

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嘉宾们对《三体》小说有什么看法？

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，可谓是一个科学爱好者。

**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，我就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。

电视剧中人列计算机的总线部件

**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。

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当时是怎样被剧组联系上做科学顾问的？

**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。再是鲍林的同学王安教授，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教授、国家天文台的张建立博士等等。

电视剧片尾的科学顾问名单

2020年4月，郄国伟导演给我们打电话，他给我们整理了七道粒子物理方向的题。一拿到题目我们立马就组织起来讨论了。不过我们并没有很多去现场做视觉指导的机会，只是在剧本的基础上帮忙做些合理化的科学设定。

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《三体》电视剧去了老师们工作的BEPC（北京正负电子对撞机）取景，可以向我们介绍下BEPC吗？

BEPC鸟瞰图

**吕晓睿：**BEPC在长安街玉泉路地铁边上，中国科学院高能研究所里边。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。

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杨冬在检查什么部件？

**刘倩：**杨冬在的是直线加速的地方，我们经常把它比喻成球拍的拍柄部位。通过这一系列蓝色的加速装置，电子能被加速到150MeV左右，然后去轰击钨靶，产生正电子，在把生成的正电子注入储存环。BEPC一开始只有一条储存环，后来升级成了两条，也就是下面这张图所拍的。正电子注满其中一个环后，再将负电子注入另一个环，并让它们在北京谱仪对撞。

直线加速器和储存环

在直线加速器，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。

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介绍完了直线加速器，能不能再介绍一下北京谱仪（BESⅢ）？

**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。这个电影参考了欧洲核子中心的CMS（紧凑缪子线圈），所以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。

电视剧剧照和北京谱仪

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。

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杨冬是怎么看出实验数据异常的？

电视剧剧照

**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。

刘倩老师提供的观测结果图

哪里有问题呢？这里正负电子对撞，它最后产生的末态也一定是有对称性的，比如说它会产生e+e-，或者μ+μ-，或者τ+τ-，总之一个带正电荷，一个带负电荷。比如上图的一对径迹，一个朝左弯，一个朝右弯，说明它们带的是异种电荷。但有一个问题，左上边的径迹到边上就停下了，右下边的径迹直接穿出去了。有这么强的穿透力的一定是缪子。而穿不过去那个大概率是一个电子，这是一个电子和缪子的一正一负，e+μ-或者e-μ+的事例，而这个事例在标准模型里面是不会那么容易发生的。

**曾振民：**轻子味破坏了。

**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？

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嘉宾们是怎样为杨冬的导师曼费教授设计出令他崩溃的数据？

电视剧剧照

**刘倩：**这个图横轴是e和μ的不变质量谱，表示e和μ是从质量为多少的质心系中衰变出来的，你可以看到它的峰值在3.1GeV左右，3.1GeV就是我们丁肇中先生发现的J/ψ粒子的质量，就是粲夸克偶素ccbar。右边这一系列是我们编的一个实验数据，表示到底有多少个J/ψ，和有多少个J/ψ衰变到了eμ，然后算它的分支比是多少。这个地方的5.9%其实是J/ψ→e+e-或μ+μ-的分支比，我们就特意写了5.9%，所以每个数也是有一个来历的。

J/ψ粒子真实的衰变道

**吕晓睿：**我再来讲讲轻子。轻子有六种，在图中分为三列，或者说三代，其中第一行是三个不带电的中微子。实验上发现不同代的中微子之间是有中微子振荡的，比如说我们中国的大亚湾实验就发现了第三种的中微子振荡，得到了国际上非常强烈的关注。

三代轻子和J/ψ的轻子味破缺衰变道

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。

高能所的相关进展

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。

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曼费教授还收到了一组数据，能不能解释一下这些锯齿状的东西是什么？

电视剧剧照

**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。

BEPCⅡ运行转态图

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。

对撞的束团 | 图源：德国电子同步加速器

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剧中丁仪算的费曼图是什么意思？

电视剧剧照

**吴佳俊：**这个费曼图的手稿是我设计的。刚才说到，杨冬的实验说明J/ψ→eμ的反应有很大的产率，所以丁仪就去思考为什么会有这么大的产率，这三个费曼图就是可能的三种解释。这里值得说一下，费曼是很伟大的物理学家，他设计了一套精美的图示帮助我们理解相互作用的物理图像，同时还极大地简化了计算过程，电视剧里曼费教授的名字其实就取自于费曼。

吴佳俊老师的手稿

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。

电视剧剧照

目前我们宇宙中的反物质很稀薄，光靠航行中收集效率很低。如果是我设计，我会带反物质燃料棒。做个计算，核电站里一个铀235裂变产生200MeV能量；而正负电子湮灭产生的能量只有1.1MeV；用中子的话它又不稳定，自由中子的寿命只有15分钟；正反质子就很棒，一对正反质子能产生将近2GeV的能量，所以我会考虑使用反质子燃料棒。

**吕晓睿：**其实很多物理学家就在实验室研究制造反物质，比如反氢原子，就是一个反质子加正电子的束缚原子。又比如自由中子会很快衰变，可以制造反氘或者反氦，也就是反质子加反中子的束缚原子核。但我们必须要让它整体显电性，才能用电磁场束缚住它。

**樊祯：**三体舰队的最高航速是光速的十分之一，丁仪在剧中是怎么算出三体舰队要花400年才能到的？

电视剧剧照

**刘倩：**你看丁仪画的横轴是时间，纵轴是速度，飞船是个变加速运动。为什么它的弧形是凹的呢？因为速度越快，飞船前面的电磁场扫过的面积越多，就能够吸收到更多的反物质，推力才会越来越大，到光速的十分之一可能发动机就趋于饱和了。

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什么是宇宙微波背景辐射？为什么它的闪烁会让科学家感到震撼？

**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。

宇宙微波背景辐射和黑体辐射谱对照

这个背景辐射的频谱和2.7K黑体辐射的频谱高度吻合，这说明我们的宇宙是一个完美的黑体。下面a图是Planck卫星探测出的宇宙微波背景的各向异性，蓝色部分温度更低，橙色部分温度更高，但它们的差距其实只有十万分之一K的量级，说明整体来看它还是各向同性的。b图是处理后得到的角功率谱图，它说明了天球当中两个方向上的温度涨落有相关性。角功率谱图上有几个峰，从中可以读出宇宙的密度有多大，以及重子物质占比多少，暗物质又占比多少。

微波背景辐射的各向异性

微波背景整体的各向同性还诞生了暴涨理论，如此均匀的温度分布在如此遥远的空间，让人不禁想问这是为什么？暴涨理论认为，宇宙诞生的一瞬间在一个非常致密的区域达到平衡态，随后时空经历e指数膨胀，这个过程叫做暴涨，而宇宙初始时刻平衡态的相关性就被保留了下来。

宇宙暴胀理论

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电视剧里的3K眼镜可行吗？

**刘倩：**我觉得可以呀。从3K换算过来是7厘米波段，到可见光几百纳米的波段差了5个数量级，人眼肯定是看不见的。但我们可以用探测器看见它，之后把数据传到云上，再传到我的眼镜里，这和机场的安检机是一样的。

电视剧剧照

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电视剧里说质子是11维的，有什么依据吗？

**吴佳俊：**我先打个比方，一根头发丝在我们宏观尺度来看是一条一维的线，但进入微观世界的话它又是个三维的圆柱体。也就是说当你的观察尺度很小后，物质所隐藏的空间结构可能就会被释放出来。现在我们宏观尺度是3维空间+1维时间，但到了微观尺度，比如超弦里的弦，它就需要在满足一定对称性的条件下额外添加6个维度（称为卡拉比丘流形），这样就到10维了。后面科学家在此基础上又添加了1个维度发展出M理论，也就是电视剧里说的11维。

**曾振民：**弦论一开始是26维的，引入了超对称思想后的超弦理论降为了10维的，但它在发展历程中产生了5个变种。后来数学物理学家发现，把它升为11维后这5种超弦理论就能统一。在弦论中，基本粒子被视为一根振动的弦，不同的振动模式能描述不同的粒子，其中有一种特别的振动模式能描述质量为0自旋为2的玻色子，也就是科学家们苦苦寻找的引力子。之前提到标准模型有传递电磁、强、弱三种相互作用的传播子，唯独没有传递引力的传播子，因为我们目前很难把引力场量子化。爱因斯坦晚年研究的大统一理论就是在试图统一引力，但失败了。这时候弦论横空出世，大家就觉得这很有可能是我们的终极理论。

**吴佳俊：**超弦理论基于了超对称的思想，也就是每个粒子都有一个超对称伴子，这使得我们可以用对撞机检验这个理论。但遗憾的是，目前欧洲核子中心所能达到的13TeV量级的能量里，没有找到任何超对称伴子的痕迹。

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如果智子封锁了我们的加速器，我们有别的办法研究粒子物理吗？

**刘倩：**一是可以用宇宙线，但它的发生几率不稳定，变量也不可控，实验难以重复。二就是用中微子，因为中微子的截面很小，智子想要控制中微子很难，所以可以用中微子绕过智子封锁。

**吕晓睿：**剧情设计里面智子与人造加速器中的粒子对撞后会被毁坏，然后需要百万分之一秒的时间修复。大刘可能觉得已经够快了，但我们现在的大型粒子对撞机的对撞频率可以达到40兆赫兹，未来还可以发展出更高通量的，完全可以把智子产生的噪音扣除掉。我还想说一下，科学家在看到新东西的时候应该是兴奋的，不会像曼费教授那样自杀。假如是历史上的费曼的话，他是一个有趣的人，可能会敲起他的邦戈鼓。

费曼教授的传统艺能

**刘倩：**所以我们在设计实验失败的数据时其实很纠结。另外剧情还设定曼费教授提前看到了数据，这说明有超光速的作用产生了非因果性的事情。历史上其实有超光速乌龙，当时欧洲核子中心有个OPERA实验组，他们产生了一束中微子束流打到位于意大利的探测器，结果发现中微子居然超光速了，但后来发现其实是GPS定时接口插错了，实际上中微子并没有超光速。当时科学家们都很失望，要是真的能超光速该有多好。

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电视剧中用太阳放大电波向外星文明发射信号，现实中有没有更有效的方式？

**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。

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汪淼眼中的倒计时有可能用智子实现吗？

**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。

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作为科研工作者，你们怎么看待科学边界？

**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。）

Brookhaven国家实验室的加速器 | 图源：BNL

**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。