三体“智子”真能从真空吸收能量？丨Calling 太空_风闻

编者按：“浩瀚的空天还有许多未知的奥秘有待探索”，为此，中科院之声与中国科学院国家空间科学中心联合开设“Calling太空”科普专栏，为大家讲述有趣的故事，介绍一些与空间科学和航天相关的知识。****

尽管数年前科幻迷们都不看好《三体》被改编成影视，但2022年底开始，各大平台播出的国产动画、电视剧等接踵而至，据说还有一部正在拍的电影。再加上小说已经在中国火了许多年，朋友们或多或少已经接触过这样一款作品。

动画版《三体》的海报（图片来自bilibili）

《三体》除了商业上的成功，本身无疑是一部有趣的作品。它把科学的概念和想象带给人们，激发对人们对科技发展现状与未来的兴趣，也聚焦人类命运的前瞻与反思、人与自然环境的关系以及如何应对挑战、共创未来等，这些是相当宏阔的社会主题。为了营造剧情中的矛盾，一些科学想象被设定进来，这就是“科幻”作品。其中，“智子”就是一个科幻的设定。

《三体》中的“智子”是一种什么东西？

三体人是对地球有敌意的外星人，制造出“智子”这种东西监视人类文明，甚至给我们的科学发展搞破坏，被称为“锁死地球的基础科学”。

“智”字反映了这种东西的智能，而“子”表明它是像分子、原子、质子、电子一样的微观粒子。智子（Sophon）是三体人改造过的一种微观粒子，像是超高精尖的超小机器人，是三体人制造出的一种高级智能计算机。《三体》中称，智子由三体人制造，可以从真空中获取能量，以极其接近光速的速度飞行，并利用量子纠缠实现瞬时通信，也可以利用微观高维空间进入任何地方，还可以自由切换自己的维度。《三体·3 死神永生》中甚至出现了受智子控制的拟人机器人，名字也叫“智子”，可视作三体人驻地球的大使。

国人画师ask（pid：1980643）创作“智子”的同人画作，在网络上广为流传

（图片来源：https://view.inews.qq.com/k/20220519A05VXV00?web_channel=wap&openApp=false）

智子如何运行，能量从何而来？

智子能够通讯又有智能，确实可以起到监视作用。那它怎么干扰地球科技发展呢？根据设定，智子的基本原理就是潜伏在地球人的高能加速器后，替代高能加速器中的靶标粒子接受撞击而引起混乱的结果，也就是智子会干扰地球人的加速器实验，通过干扰粒子，使物体运动不规律，运动的变量值也不同，从而使人类不可能找到正确的结果，也就无法对物质深层的结构进行有效探索，从而无法在微观物理学产生突破性的发展，进一步限制科学技术的整体发展。“如果他们不知道物质是由原子、分子组成的，就永远造不出导弹和卫星，科学水平限制着呢。”

要制造这样功能强大的智子，三体人把一个质子进行二维展开，然后蚀刻集成电路。“智子”其实也是“质子”的谐音。质子（proton）是构成原子核的微观粒子，直径约1.6~1.7×10−15米，大概是1米的100万亿分之一，靠我们当下的技术可没办法在上边“雕花”做出电路，只能寄托于幻想中的高维和低维空间。

可是，智子是微观粒子，有什么东西能给它充电，帮助它有目的地执行工作呢？原作中说它能直接“从真空中汲取能量”。咱们现实当中，真空中确实有能量，被称为“真空零点能”。

什么是“真空零点能”？它真的存在吗？

维尔纳·海森堡（Werner Heisenberg）提出了一个著名的概念：不确定性原理（Uncertainty principle），即“不可能同时精确确定一个基本粒子的位置和动量”。人们理解不确定性原理时常用一种形象化的说法，表示测量某东西的行为将会不可避免地扰乱那个事物，从而改变它的状态，例如用光照到一个粒子上的方式来测量一个粒子的位置和速度，一部分光波被此粒子散射开来，由此指明其位置，但光子会扰动粒子，并以一种不能预见的方式改变粒子的速度。由于这种表述，不确定性原理与“观察者效应”时常会被混淆在一起，也就是说对于系统的测量不可避免地会影响到这系统，也就是说我们对微观粒子的观察肯定会影响到这个系统，也许它本身是确定的，我们一观测它就不确定了。但是厄尔·肯纳德（Earl Kennard）指出，位置的不确定性与动量的不确定性是粒子的秉性，无法同时压抑至低于某极限关系式，与测量的动作无关。

不确定性原理：位置x与动量p不能同时测准（来源：百度百科）

回到我们的问题，根据不确定性原理，当温度降到绝对零度时，微观粒子必定仍然在振动；否则，如果粒子完全停下来，那它的动量和位置就可以同时精确的测知，而这是违反不确定性原理的。因此，在绝对零度时的振动（零点振动）时，这种微观粒子振动时所仍然具有的能量就是零点能，在真空中就是“真空零点能”。

“真空零点能”是否存在呢？1948年，荷兰物理学家亨德里克·卡西米尔（Hendrik Casimir）提出了一项检测这种能量存在的方案，在真空中放置两片不带电的金属板，当它俩靠得足够近时，它们之间会存在一个微小的吸引力，排除了它们微弱到忽略不计的万有引力后，这种真空当中“凭空出现”的吸引力就是由能量涨落带来的。1996年，这种效应被试验证实。

验证“真空零点能”的科学实验（来源：百度百科）

我们略微讲得深入一些，从理论上看，真空能量以粒子的形态出现，并不断以微小的规模形成和消失，通常真空中充满着几乎各种波长的粒子。卡西米尔认为，这两个不带电的金属板靠近时，它们之间较长的波长会先被排除出去，它们之外的其他波就会产生一种挤压使它们相互靠近的力，表现为金属板之间的吸引力。

因此，真空中确实存在能量。

“真空零点能”真的能被智子提取吗？

如果真空零点能可以提取，无疑将是人类所能够利用的最佳能源了，它清洁并且取之不尽用之不竭。科学家也确实希望有朝一日能像智子一样任意提取真空的能量。

不过，《三体》中仅仅提出了这样一个设定，并不能解释这种科学幻想是如何实现的。我个人也无法想象智子怎样提取出真空能量用于自己的运行，并且“只借不还”。从我们当前的理论体系来说，能量仍然需要遵循守恒法则，不能凭空增加或消失。

我们把微观粒子与能量的这种活动称作“量子涨落”（quantum fluctuation）。对于能量守恒，有人解释涨落可以随机发生在空间任何地方，且能量存在的时间非常短，会立刻消失，也即是“涨”和“落”，量子与量子的背景空间（环境）已构成纠缠态，其总能量保持不变。有人解释涨落产生能量的瞬间，也产生了具有负能量的引力场，从而能量互相抵消。由于我并非该领域的研究者，就不做过多讨论。

从我们读者和观众来说，我们不需要对科幻文艺作品中的设定做太多较真。智子是个有趣的想法，解释了作品中矛盾冲突的现象，其中也反映了许多我们已知的科学道理，这就是一个非常好的科幻产物，希望我们大家在对智子、对《三体》的兴趣中，能多领略到一些自然与科学的神奇。

来源：中国科学院国家空间科学中心