第五章（2 / 2）

我们常见的物质形态有三种：气体、液体、固体。气体的分子或原子之间间距很大，相应地，气体密度也很小。以空气（混合气体）为例，空气密度约为每立方米1.29 千克，也就是说，一个10 平方米的房间内，大约有40 千克重的空气。液体的分子或原子的间距比空气小得多，液体密度也比空气大。以水为例，水的密度为每立方米1000 千克，也就是说，一个浴缸，大约能装300 千克的水。而固体的密度更大，以铁为例，铁的密度为每立方米7800 千克，也就是说，一个笔筒大小的铁块，可以重达15千克。

如果气体温度继续升高，其中一些电子就会出现游离状态，失去电子的分子或原子被称为等离子，这是地球上可见的第四类物质形态。

显然，这些参数都跟“水滴”相去甚远。要知道，“水滴”在一千万倍的光学放大仪器下，依然光滑如镜，这显然是一种密度极高的物质。而且，只要存在分子的热运动，物质就不可能是绝对零度。

我们只能把目光投向宇宙中。目前人类所知的密度最高的物质不外乎白矮星和中子星。白矮星物质的密度为每立方厘米1000 千克，也就是说，一个玻璃珠大小的白矮星就重达一吨，而中子星物质的密度为每立方厘米1012 千克，也就是说，一个玻璃珠大小的中子星就重达一亿吨。至于密度更大的夸克星则完全是假想中的物质，不在讨论之列。白矮星和中子星的内部结构更致密，更接近“水滴”，但另一个参数又远远超过了“水滴”：质量。要知道，长度为3.5米的“水滴”，连10吨都不到。

除非“水滴”是某种人类未知的物质，否则它是不可能存在的。

引力波天线

罗辑一家远远就看到了引力波天线，但车行驶了半小时才到达它旁边，这时，他们才真正感受到它的巨大。天线是一个横放的圆柱体，有一千五百米长，直径五十多米，整体悬浮在距地面两米左右的位置。它的表面也是光洁的镜面，一半映着天空，一半映着华北平原。它让人想起几样东西：三体世界的巨摆、低维展开的智子、水滴。这种镜面物体反映了三体世界的某种至今也很难为人类所理解的观念，用他们的一句名言来讲就是：通过忠实地映射宇宙来隐藏自我，是融入永恒的唯一途径。

——《三体Ⅱ》

基于黑暗森林法则，每个文明都不能主动向外太空发射大功率的电磁信号，也不能使自己的坐标信息被别的文明发给第三方文明，否则就有可能被毁灭。

《三体Ⅰ》一开始，叶文洁意识到太阳是一个电波放大器，只要射向太阳的电波功率超过某个阈值，就能穿透对流层、到达辐射层，被放大后再被反射出去。

不过，这种信号强度还是会随着传播距离而不断衰减。要想向宇宙中高效地发射信号，可以有两种方法：中微子和引力波。

两种介质的衰减微乎其微，因而可以实现远距离通讯。不过中微子只能定向放射，而引力波则可以向所有方向进行广播，于是，引力波发射成了人类对三体世界建立黑暗森林威慑的主要手段。

下面来简单说一下引力波。

在牛顿的力学体系中，地球绕着太阳公转是因为两个星体之间存在相互的引力，这种引力把它们联结在了一起。但在爱因斯坦的广义相对论中，引力被看成是由质量引起的时空弯曲，质量大的物体引起大的弯曲，质量小的物体引起小的弯曲。我们可以把宇宙空间看成一张摊平的床单，把太阳和地球看成放在床单上的两个橡皮球，质量大的球压出一个大的坑，质量小的球压出一个小的坑。而小球会沿着大坑的弯曲的边缘进行旋转。

为了方便引入引力波概念，我们把上述场景切换到水面上。假设宇宙空间就是平静的水面，静止的星体就像静止的小船，会在水面上压出一个水坑，而旋转的星体就像运动的小船，会带起一片涟漪，这涟漪就是引力波。而且船的质量越大，运动越快，涟漪就越大。就像涟漪能够荡开水面上的物体一样，引力波也能拉伸或压缩所有穿过的物体。如果一个人正好处在引力波上，那么，随着周围空间的拉伸或压缩，他应该是忽胖忽瘦的。不过，由于引力波通常极其微弱，我们的感受不会这么明显。

大体来说，两个星体互相绕着旋转所引起的引力波是非常非常小的，两个大质量的星体引起的引力波才可能被观察到。

2016 年年初，美国的LIGO（激光干涉引力波天文台）宣布，直接探测到微弱的引力波。而这一引力波是由一个36 倍太阳质量的黑洞和一个29 倍太阳质量的黑洞合并产生的。至于引力波的探测原理，由于涉及大量专业技术，在此不再展开。

下面来说一下中引力波的产生方法。《三体Ⅲ》中这样写道：

引力波发射的基本原理是具有极高质量密度的长弦的振动……这种超密度弦的直径仅有几纳米，只占天线整体的极小一部分，体积巨大的天线大部分只是用来支撑和包裹这种超密弦的材料，所以天线总质量并不大。

构成振动弦的简并态物质原本在白矮星和中子星内部存在，放在常规环境中会发生衰变，变成普通元素。目前人类能够制造的振动弦半衰期是五十年左右，半衰期一到，天线就完全失效，所以引力波天线的寿命是半个世纪，到时需要更换。

可见，刘慈欣所设想的引力波并不是由微型黑洞等大质量物体产生的，而是具有极高密度的弦振动产生的。

不过，由于弦理论仍是物理学上的一种假设性理论，讨论一个尚有巨大分歧和争议的理论是没有意义的，而计算超密弦的振动所产生的能量同样没有意义，相关内容在此从略。

曲率驱动

香皂在水中溶解后，降低了小船后方水面的张力，但船前方水面的张力不变，小船就被前方水面的张力拉过去了。但这个想法转瞬即逝，程心的思想随即被一道闪电照亮！在她的眼中，浴缸中平静的水面变成了漆黑的太空，白色的小纸船在这无际的虚空中以光速航行……

——《三体Ⅲ》

当三体人解除人类的黑暗森林威慑之后，远在奥尔特星云之外的“万有引力”号战舰启动了引力波广播，向宇宙发射了三体世界的坐标。从此，太阳系也成为一片死亡之地，随时可能遭受黑暗森林打击。人类为应对黑暗森林打击，制定了光速飞船计划，也就是研制由曲率引擎驱动的飞船。

其实，人类决定研制曲率驱动飞船，是受到了云天明的启发。

云天明给程心讲了三个童话故事，其中一个名为《饕餮海》。故事情节是这样的：露珠公主要到墓岛去找深水王子，她必须坐船经过饕餮海，饕餮海中有一种凶残的饕餮鱼，能把木船咬得粉碎。不过，露珠公主很快就解决了这一问题：她把随身携带的香皂浸在船尾的海水里，立马产生了大量泡沫，游进泡沫的饕餮鱼瞬间变得懒散、温顺。这样，露珠公主很快就游过了饕餮海，找到了深水王子。

这个故事里隐藏着一个物理实验：在一个纸船的尾部开一个小孔，往这个小孔里插入一小片香皂，然后把纸船放入平静的书面，由于香皂溶解降低了船尾水面的张力，小船会自行往前移动。类似的实验还有：把一个干燥的雪糕棒（考虑到浮力不够，可以只截一小段）放入水中，在尾部一侧开一个凹槽，然后往凹槽中滴入一些圆珠笔笔油，这个小木片就会快速往前移动。这两个实验的原理是类似的，尾部的香皂或笔油破坏了水的表面张力，而前部的水维持了原来的张力，所以，它们会被前面的水面张力拉着走。

曲率驱动原理跟上面的实验比较类似，书中有详尽的说明：设想把大范围空间的曲率无限增大，像一张纸一样对折，把“纸面”上相距千万光年的遥远的两点贴在一起。这个方案严格来说不应称为宇宙航行，而应该叫作“宇宙拖拽”，因为它实质上并不是航行到目的地，而是通过改变空间曲率把目的地拖过来……后来又出现了一个更温和更局部的设想，一艘处于太空中的飞船，如果能够用某种方式把它后面的一部分空间熨平，减小其曲率，那么飞船就会被前方曲率更大的空间拉过去，这就是曲率驱动。

关于弯曲空间的概念，上一节已经说过。我们身处的宇宙，并不是平直、均匀的空间，而是有一定弯曲度的。再以床单为例，假设四个人拉起一张床单，可以拉成近似水平的平面。在床单上放一个球，这个球会陷在由自身重量压出的坑里。这时，如果有人用手在球的附近压出一个更深的坑，则球会顺着坑的方向滚过去。如果在前方再压出一个坑，球会继续朝前方滚动。曲率驱动也是类似的工作原理：用某种方法改变飞船前部或后部空间的弯曲程度，使两者之间产生一个“落差”，这一“落差”能使飞船自行向前移动。至于刘慈欣所说的“宇宙拖拽”则是一种极端情况，它使大范围的空间曲率无限增大，近似对折，从而使飞船瞬间实现远距离移动，这一速度接近或等于光速。还以床单为例。把球放在绷紧的床单的一侧，一个人用手在床单的另一侧用力压出一个大坑，切住，一定要用力，把床单压到近似对折。这时，小球会迅速滚落到另一边。

由此可以看出，要实现曲率驱动下的光速飞行，关键在于使空间发生弯曲。

不过，使小范围的空间实现弯曲（大范围的空间弯曲意义不大，因为弯曲半径越大，空间越平坦），并没有那么容易。李淼老师对此有一个估算：“如果我想有一个曲率半径只有一千米的空间，质量密度必须高达每立方米1018吨。这个密度比中子星的密度还大。”

黑域计划

在光速为每秒16.7千米的世界里生活是什么样子现在还不得而知，但可以肯定的是，那个世界中的电子计算机和量子计算机只能以极低的速度运行，人类可能退回到低技术社会，这是比智子更强的技术锁死。所以，黑域安全声明除了自我隔绝外，还有技术自残的一面。这也就意味着人类将永远没有力量飞出自造的低光速陷阱了。

——《三体Ⅲ》

智子临行前跟罗辑和程心进行过一次“茶道谈话”，在这次谈话中，罗辑问智子是否存在某种类似安全声明的东西，可以向宇宙表明自己是安全的，不会对其他世界构成威胁，从而使自己避免黑暗森林打击。智子答曰：有！不过，具体方法是什么，智子没有进一步作答。

人类领悟到黑域就是宇宙安全声明，还是受了云天明的童话的启发。

云天明的童话里提到一种赫尔辛根默斯肯香皂，就是露珠公主使用的那种香皂。这种香皂是由长在魔泡树上的泡泡制成的，而泡泡又飘得极快，只有骑最快的马才能收集到。由于泡泡没有重量，所以赫尔辛根默斯肯香皂也没有重量。

IDC（情报解读委员会）工作小组把泡泡解读为光，而赫尔辛根默斯肯是“赫尔辛根”和“默斯肯”两个词语的组合，指的是赫尔辛根山附近的默斯肯大漩涡，喻指黑洞。至此，人类意识到，如果把光速降低到太阳系第三宇宙速度以下，就可以形成一个低光速黑洞，这就是宇宙安全声明。

如果太阳系的真空光速降到每秒十六点七千米以下，光将无法逃脱太阳的引力，太阳系将变成一个黑洞。由于光速不可超越，如果光出不去，那就什么都出不去，没有任何东西可以飞出太阳系黑洞的视界，这个星系将与宇宙的其余部分彻底隔绝，变成一个绝对封闭的世界。

对于宇宙的其他部分来说，这样的世界绝对安全。

我们来简单解释一下。

由于万有引力的存在，航天器必须克服地球引力做功，才能保持飞行。不过，物体所受的引力是随其与地球的距离而不断减弱的。

当我们向空中发射一枚炮弹时，如果它的初始速度太小，就会马上掉下来。如果它的速度达到或超过每秒7.9 千米，它就来到了地球引力范围的边缘，开始环绕地球作圆周飞行。如果它的速度超过每秒11.2 千米，它就摆脱了地球引力，越飞越远。不过，只要速度没有超过每秒16.7 千米，它依然没有脱离太阳的引力场，会成为围绕太阳运行的行星。“每秒7.9 千米”“每秒11.2千米”和“每秒16.7 千米”这三个速度就分别成了能否环绕地球、逃离地球、飞出太阳系的分界线，被称为第一宇宙速度、第二宇宙速度和第三宇宙速度。

我们通常所见的飞机，都是以低于第一宇宙速度的速度在飞行，而人造地球卫星恰好是以第一宇宙速度在飞行，太空探测器的发射速度必须大于第一宇宙速度。

我们知道，星体的引力大小是跟星体的质量有关的，三大宇宙速度跟地球和太阳的质量密切相关。摆脱质量越大的天体，所需的逃逸速度越大，我们现在把条件推向极致，假设存在一个致密的质量点，它的半径足够小，质量足够大，这时候，逃逸速度必须达到光速。因为任何速度都不可能超过光速，所以，任何物体都逃不出它的引力范围，而且，它还能吞噬靠近它的各种物体。由于这个恐怖的质量体对外不发光（光也逃不出它的引力），人们形象地称它为黑洞。

按照爱因斯坦的广义相对论，黑洞也可以得到很好的解释。我们知道，质量能造成时空弯曲，而超大质量的黑洞能造成极致的时空弯曲。在这一世界的某个边界，时间被质量拖着，慢得近乎停止。

光的旅行速度虽然很快，但在几乎静止的时间面前，光也像没有走一样。

要想制造人工黑洞，就要制造一个超大质量的物体，使其能拖住光速。

不过，《三体Ⅲ》中的黑域计划是反其道而行之，它并不是制造大质量物体以拖住光速，因为引力太大的星体会把人压碎，它是主动把光速变慢，使其低于每秒16.7 千米，从而使太阳系内的物体无法突破逃逸速度。

这是一种自我隔绝和技术自残，就像一个害怕纷争的人，干脆把自己反锁在家里，然后在门上贴上“我不会害人”。

但这是可能的吗？

表面看来，制造低光速黑洞是一个精妙的想法：既然无法增大质量，那就降低光速。不过，降低光速可没那么容易。当光速降低时，与光速有关的一切物理学参数都会发生变化，比如，原子将不复存在，进而，所有物理结构，包括人类也将不复存在。

微观和宏观总是相关的，我们不可能翻转微观世界的规律，而不引起宏观世界的变化。

宇宙之死

回归运动声明：我们宇宙的总质量减少至临界值以下，宇宙将由封闭转变为开放，宇宙将在永恒的膨胀中死去，所有的生命和记忆都将死去。请归还你们拿走的质量，只把记忆体送往新宇宙。

——《三体Ⅲ》

《三体Ⅲ》谈到了宇宙的命运。这是刘慈欣笔下的宇宙图式：宇宙在质量上的设计是极其精巧的，三体人已经证明，宇宙的总质量刚刚能够使宇宙坍缩，一点不多，一点不少，总质量只要减少一点，宇宙就由封闭变成开放，永远膨胀下去。

原来的宇宙是十一维的，由于高级文明之间频繁使用降维打击，使得宇宙的维度越来越低。归零者为了重启宇宙，呼吁各个文明把偷偷拿去建造小宇宙的质量归还给大宇宙，从而使其顺利走向坍缩，引发创世大爆炸。

这是一种类似轮回说的宇宙循环生成模型：宇宙走向坍缩，半径逐渐收缩为零，变成另一个宇宙奇点，而奇点再次发生大爆炸，创生新的宇宙，新的宇宙会逐渐由膨胀转向收缩……真实的宇宙生成图式是怎样的呢？目前，科学界普遍认同的是大爆炸理论。

大爆炸理论的构想始自1922 年天文学家埃德温·哈勃观测到“红移现象”。哈勃为了测量地球与其他星系的距离，使用了光谱测量法。因为恒星的亮度与距离有关，所以，我们可以通过测量其辐射出的光的颜色，从而计算出其距离。哈勃发现，远星系的颜色要比近星系的颜色稍红，由于红光的波长较大，这意味着距离地球越远的星系，其辐射光波越长，这说明各个方向的星系正在不断远离我们。“红移现象”隐含的结论是：宇宙正在不断膨胀。

不过，这并不是说所有的星系都在以地球为中心持续膨胀，更可能的情况是，宇宙空间在不断伸长，就像一条被持续拉伸的橡皮筋一样。假设各个星系就是橡皮筋上的一系列黑点，随着橡皮筋的拉伸，各个相邻的黑点都在远离，距离越远的黑点，远离的速度越快，但不能把某个黑点认定为膨胀的中心。

如果把“宇宙膨胀”逆推的话，可以得到这样一个结论：宇宙一定起源于一个奇点的爆炸，这个致密的、炽热的奇点在极短的时间内创生了大量基本粒子，然后形成了原子核、中性原子、各种物质，甚至恒星和恒星系统。

“宇宙膨胀”观点形成的初期，很多人认为宇宙是在减速膨胀的，因为随着质量的稀释，宇宙间的物质不会支持永远的膨胀。可能在相当长的时间之后，宇宙的膨胀会停下来，转而开始收缩变小。

不过，宇宙学家的观测结果似乎不支持“减速膨胀说”，他们认为宇宙是在加速膨胀的。

这样一来，“加速膨胀说”就要解答一个难题：是什么能量在助推宇宙的持续膨胀？

现代物理学认为，宇宙中一定存在着某种未知的能量，它不会因为宇宙膨胀而稀释，它产生了与引力相反的持续斥力。这种能量就是暗能量。暗能量只是一种理论假说，人类至今无法直接观测到其存在。但据估算，暗能量占到宇宙总密度的近70%。也就是说，暗能量的性质决定的宇宙的命运。如果暗能量的密度在未来一段时间会变小，则宇宙的膨胀总有一天会减速。如果暗能量的密度不会随宇宙的膨胀而变小，则宇宙会一定继续膨胀下去，直到把地球、太阳、银河系，甚至所有的物质都撕裂，那将是宇宙的末日。有趣的是，目前的观测结果似乎更支持后者。