原創(chuàng) 劉倩 GQ報道

最近電視劇《三體》熱播，劉慈欣的“硬核”科幻再次掀起討論熱潮。為了將小說中的物理學(xué)設(shè)定盡量真實(shí)地展現(xiàn)出來，《三體》劇組邀請了天體物理、粒子物理、納米等諸多領(lǐng)域的科學(xué)顧問，將小說中的天馬行空，落地成一個個扎實(shí)可信的電視畫面。

本文作者劉倩是《三體》電視劇的科學(xué)顧問之一，他是中國科學(xué)院大學(xué)物理科學(xué)學(xué)院副教授，博士生導(dǎo)師，研究方向是粒子物理實(shí)驗(yàn)。在《三體》的科學(xué)顧問團(tuán)中，劉倩負(fù)責(zé)的粒子物理部分，主要體現(xiàn)在最初幾集年輕的女物理學(xué)家楊冬的故事線上。

而在真實(shí)的科研世界中，劉倩從事的粒子物理研究領(lǐng)域，也面臨著和《三體》中一樣的機(jī)遇與挑戰(zhàn)，“研究中的試錯過程自然讓人沮喪，但最終得到結(jié)果時的喜悅，會讓人感覺之前的付出完全值得?！?/p>

我們陸續(xù)請了各個行業(yè)的資深人士寫作專欄。我們希望以這種方式，拓展新聞熱點(diǎn)之外的內(nèi)容邊界，展示智識，思考與美?！安灰卮?，不要回答，不要回答”

“三體正在拍電視劇，需要在科學(xué)方面提供一些指導(dǎo)，你感興趣么？”2020年4月19號，同為本科生班主任的鮑麟教授給我打電話問道。

“三體？是劉慈欣的《三體》小說嗎？“我的頭腦里立刻閃現(xiàn)出三體星人使用智子封鎖地球科技的情節(jié)。

“是的，就是那個《三體》！“

拿著手機(jī)的我停下了手上的工作，腦袋里只有三句話：不要回答、不要回答、不要回答！

但我說出口的卻是：“當(dāng)然了，我很感興趣！”

我最早接觸劉慈欣的科幻小說，是被大家稱為“三體前傳”的《球狀閃電》?！扒驙铋W電”這一自然現(xiàn)象是我小時候在《十萬個為什么》里讀到的，我至今記得書里的描述，“那是一團(tuán)直徑約10～20厘米的帶電氣體球，它很輕，能隨風(fēng)飄移……有一年球形閃電緊跟在飛快奔跑的野兔后邊進(jìn)入草叢。事后發(fā)現(xiàn)那里有一團(tuán)被燒焦的草叢和一只死兔?！?/p>

因此，小時候每逢雷雨天，我都會趴在窗戶上盯著外面的天空，仔細(xì)搜索著球狀閃電的蹤跡，結(jié)果自然是一無所獲。讀博士期間，我在書店看到了劉慈欣的《球狀閃電》，一口氣從頭讀到尾。書中吸引我的，除了故事情節(jié)環(huán)環(huán)相扣，還有對于“球形閃電是宏電子”這一假設(shè)的驗(yàn)證過程。

驗(yàn)證的整體思路和我們在真實(shí)世界中進(jìn)行科學(xué)研究的過程非常相似：觀測到一種特殊的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象（球形閃電），進(jìn)而用現(xiàn)有的物理理論對其進(jìn)行描述，經(jīng)過多次迭代后發(fā)現(xiàn)現(xiàn)有物理理論不能描述這一實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象（用電磁學(xué)無法描述球形閃電，而且無法在實(shí)驗(yàn)上重復(fù)制造出球形閃電），提出新的假設(shè)后發(fā)展新的理論并進(jìn)行預(yù)言（科學(xué)家丁儀提出宏電子假設(shè)），最后在實(shí)驗(yàn)上確實(shí)按照新的理論觀測到了所預(yù)言的現(xiàn)象（設(shè)計(jì)電網(wǎng)實(shí)驗(yàn)成功制造出多個球形閃電）。大劉的想象力令人驚嘆，當(dāng)然，現(xiàn)實(shí)中“宏電子”肯定是不存在的。

在《三體》中，同樣有許多球形閃電一樣的科學(xué)概念和設(shè)定，那么該如何去展現(xiàn)這些設(shè)定呢？郄國偉導(dǎo)演打電話對我說，“我們希望拍的是硬科幻，因此希望您能夠?qū)⑾嚓P(guān)科學(xué)設(shè)定設(shè)計(jì)得越真實(shí)越好！”這也成為了后續(xù)我們在進(jìn)行物理設(shè)定中的一個準(zhǔn)則。

我很快聯(lián)系了本校高能物理所、理論物理所、技術(shù)物理所和國家天文臺的多位老師，我們和三體劇組的合作就這樣建立起來了。

棘手的難題之一

三體書中提出了許多物理學(xué)的設(shè)定，但很多內(nèi)容在書中是一筆帶過，而且出場人物更多像“工具人”，有一種站在上帝視角（三體星人的視角）俯瞰人類的感覺。因此要將其拍出來，就需要補(bǔ)充大量信息。郄導(dǎo)將拍攝所需的科學(xué)內(nèi)容提煉了出來，其中有7個問題與我負(fù)責(zé)的粒子物理相關(guān)，沒想到，第一個問題就直接難住了我們。

電視劇是從女科學(xué)家楊冬自殺的故事拍起的，但在書中，關(guān)于楊冬的直接描述其實(shí)很少，更多是通過汪淼、丁儀（是的，就是《球狀閃電》中的丁儀）及楊冬母親葉文潔的對話側(cè)面展現(xiàn)的。為了豐富她的形象，《三體》劇中為楊冬安排了一條活動線：良湘加速器基地發(fā)現(xiàn)了奇怪的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，邀請弦論物理學(xué)家楊冬來幫忙計(jì)算；楊冬在加速器基地進(jìn)行了三次實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果均不同；楊冬同時也進(jìn)入加速器裝置內(nèi)部進(jìn)行檢查，但沒有找到原因，最后得出“物理學(xué)不存在了”這一結(jié)論。

三體中2008年的良湘加速器上的對撞機(jī)現(xiàn)實(shí)中的對撞機(jī)：作者參與的BESIII子系統(tǒng)安裝建造過程，拍攝于2005年

所以，第一個問題就是：“楊冬在加速器基地上一直在忙碌計(jì)算，她在計(jì)算什么？”

關(guān)于這個問題，我和幾位老師討論了好幾次，一晃一個月過去了，一直沒有答案。為什么這個問題這么難回答呢？（下面的解釋我盡量通俗，但不可避免還是有些艱澀，先說聲抱歉了）。

自然界一共有四種相互作用力： 強(qiáng)相互作用力、弱相互作用力、電磁相互作用力及萬有引力。標(biāo)準(zhǔn)模型(Standard Model)是粒子物理學(xué)中一套描述前三種基本作用力及組成所有物質(zhì)的基本粒子的理論，而且?guī)缀跛幸陨先N力的實(shí)驗(yàn)結(jié)果都符合這套理論的預(yù)測（但中微子振蕩說明標(biāo)準(zhǔn)模型理論仍不完備）。為了將引力也加入到大統(tǒng)一的模型里，弦論就是理論物理學(xué)家使用的武器。

但是要驗(yàn)證弦論是否正確，需要將粒子加速到一個非常高的動能（即普朗克能標(biāo)，是我們目前所有物理理論能描述的最高的能標(biāo)，其數(shù)值為1.2×1019GeV）。但是在現(xiàn)實(shí)世界，即使是歐洲核子中心，也僅僅能將質(zhì)子加速到103GeV量級，遠(yuǎn)遠(yuǎn)達(dá)不到驗(yàn)證弦論所需要的能量。

“可不可以修改某些物理學(xué)參數(shù)，使得我們可以在低能下來驗(yàn)證弦論呢？”我望向?qū)O雅文，她是一位年輕有為的弦論理論物理學(xué)家。

“那就有好多超出標(biāo)準(zhǔn)模型的物理理論，但目前都是假設(shè)，選哪個合適呢？”大家都想借此機(jī)會向大眾科普正確的物理知識，而不是一個假設(shè)的理論，因此討論再一次在沉默中結(jié)束。

如果設(shè)定楊冬的實(shí)驗(yàn)是驗(yàn)證弦論，那么即使以目前加速能力最強(qiáng)的 “激光等離子體尾場加速”方案，也只能到GeV/cm量級。拋開現(xiàn)實(shí)中工程實(shí)現(xiàn)和能源上的種種限制，仍然需要1013km的軌道，而地球繞太陽的軌道距離才只有108km。因此如果楊冬在良湘加速器上已經(jīng)可以開展弦論實(shí)驗(yàn)研究，那人類的科學(xué)技術(shù)水平一定是超級先進(jìn)了，甚至制造出三體人的智子也不是不可能的。

“如果人類真的可以在地球上制造出可以驗(yàn)證弦論的對撞機(jī)，那么三體星人根本不足為懼?！碑?dāng)晚，我在和郄導(dǎo)通電話的時候說。

“我明白了，那我們能不能換一個思路？”

和郄導(dǎo)溝通后，我才意識到，我們陷入了將科幻設(shè)定當(dāng)作科學(xué)課題的牛角尖里了。正如劉慈欣在某次訪談時說的，“在科幻小說里來找技術(shù)漏洞，那您真是來對地方了！”科幻再“硬核”，內(nèi)容總歸是要為故事情節(jié)服務(wù)的。

于是，我們轉(zhuǎn)換了思路，不是先討論楊冬計(jì)算的具體物理內(nèi)容，而是先確定她是在哪里做實(shí)驗(yàn)的。畢竟故事的三要素是：時間，地點(diǎn)，人物。

我國目前正在運(yùn)行的大型加速器裝置有兩臺：一臺是位于中國科學(xué)院高能物理研究所的北京正負(fù)電子對撞機(jī)(BEPCΙΙ)，另一臺是中國科學(xué)院近代物理研究所的蘭州重離子研究裝置(HIRFL)。

楊冬設(shè)定為弦論理論物理學(xué)家，更貼近BEPCΙΙ上北京譜儀BESΙΙΙ正在開展的粒子物理方面的研究。于是，我們決定將實(shí)驗(yàn)地點(diǎn)確定為北京正負(fù)電子對撞機(jī)。正好電視劇里良湘（鄉(xiāng)）加速器的設(shè)定也是在北京。

《三體》劇照

果然，當(dāng)沿著一個方向走到死胡同時，抬起頭來換個思路就豁然開朗了，這一點(diǎn)和搞科研也挺像的。

棘手的難題之二

確定了實(shí)驗(yàn)地點(diǎn)后，楊冬所計(jì)算的題目范圍就大大縮小了。

“《生活大爆炸》（The Big Bang Theory）里有一個很有意思的場景：謝爾頓有道題算不出來輸?shù)袅烁傎?，還記得么？”吳佳俊是一位極富朝氣的強(qiáng)子理論物理學(xué)家，也是big bang的影迷。

“是電子e和繆子μ的散射么？”

“那我們這里可以用巴巴Bhabha散射過程啊，這么一個經(jīng)典過程，在量子場論課上都會要求計(jì)算的！”大家你一言我一語的討論起來。

Big bang的第一季第十三集中，謝爾頓卡在了物理碗(physics bowl)知識競賽中的最后一題，而一旁的“掃地僧”門衛(wèi)大叔只瞄了一眼，就輕松地把正確答案回答了出來。這一題其實(shí)就是要計(jì)算電子e和繆子μ的散射振幅。電子和繆子是兩種輕子，都帶負(fù)電荷。它們通過交換一個光子來發(fā)生電磁相互作用。

Bhabha巴巴散射是正電子e+和負(fù)電子e-的散射過程。其計(jì)算過程和電子繆子散射相似。從名字就可以看出來，Bhabha散射是北京正負(fù)電子對撞機(jī)BEPC上最容易觀測到的物理過程。

確定了楊冬的計(jì)算內(nèi)容后，我們又卡在了第二道題上。楊冬在一天內(nèi)進(jìn)行了三次實(shí)驗(yàn)，三次結(jié)果都不一樣，而且曼費(fèi)教授在實(shí)驗(yàn)結(jié)束前就收到了結(jié)果。這些事情導(dǎo)致楊冬認(rèn)為物理學(xué)不存在了，從而留下了遺書。那么，這三次到底是做的什么實(shí)驗(yàn)？三次不一樣的結(jié)果是什么樣的？如何通過電視劇展現(xiàn)出來？

“曼費(fèi)教授很明顯就是費(fèi)曼倒過來的呀?！笨吹骄巹“l(fā)過來的劇本，我立馬說道。

“是的。這里就是特意這樣設(shè)定的。”

“但是物理學(xué)家如果發(fā)現(xiàn)三次實(shí)驗(yàn)不一樣，肯定會去檢查是不是分析有錯誤啊。而且實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)量那么大，不可能一天就分析完，更何況還要做系統(tǒng)誤差分析呢?！?/p>

話一說完，我就意識到自己又開始鉆牛角尖了。

“想要在一天之內(nèi)完成三次實(shí)驗(yàn)，要收集到足夠的事例數(shù)，并且能完成實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析，那一定要選一個粒子，它的產(chǎn)生率很高，本底干凈，同時去觀察這個粒子在物理上很難發(fā)生的一個衰變過程。”回到辦公室，我和同事呂曉睿開始討論。

“要不選J/ψ到電子e和繆子μ的輕子味破壞的過程？”呂曉睿是一位優(yōu)秀的實(shí)驗(yàn)物理學(xué)家，此時他正帶領(lǐng)著學(xué)生在做這個物理道的數(shù)據(jù)分析。

“太好了！這樣我們也可以快速產(chǎn)生一些蒙卡數(shù)據(jù)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果提供給劇組?！?/p>

難懂的理論又來了，請讀者姑且忍耐一下，也可以直接略過。J/ψ粒子是由一對正反粲夸克組成的介子，由物理學(xué)家丁肇中、Burton Richter于1974年發(fā)現(xiàn)，并獲得了1976年的諾貝爾物理學(xué)獎。BEPCΙΙ/BESΙΙΙ設(shè)計(jì)工作在陶/粲能區(qū)，截止2019年2月11日，已經(jīng)獲取了100億的J/ψ粒子樣本，這也是世界上最大的J/ψ粒子樣本?！?00億 J/ψ事例的采集成功將使BESⅢ實(shí)驗(yàn)?zāi)芤郧八从械木葘ふ液脱芯科嫣貜?qiáng)子態(tài)、精確檢驗(yàn)強(qiáng)相互作用。”

在標(biāo)準(zhǔn)模型中，輕子的味道（即輕子的種類）是守恒的。電子伴隨的一定是電子型的中微子，繆子伴隨的一定是繆子型的中微子，而且電子不會變成繆子。用俗話說就是“龍生龍子，鳳生鳳子”。但是實(shí)驗(yàn)中人們已經(jīng)觀測到了中微子振蕩。例如大亞灣中微子實(shí)驗(yàn)，就是通過測量電子型中微子變成其他類型中微子的比例得到了中微子θ13的振蕩參數(shù)?！褒堊釉陲w行一段距離后變成了鳳子”。很自然的，科學(xué)家們開始尋找?guī)щ娸p子味破壞(LPV)的過程，也就是在尋找“龍變成鳳”的過程。目前這一過程被認(rèn)為是最有機(jī)會發(fā)現(xiàn)新物理的黃金觀測道，吸引了國際上許多實(shí)驗(yàn)正在開展測量。

有意思的是，BESIII上這一個物理分析的工作也在2023年2月份正式刊物發(fā)表，正好是《三體》熱播期間。

三體中的良湘加速器現(xiàn)實(shí)中的BEPC-II加速器中的直線加速器

楊冬終于拿到了數(shù)據(jù)

按照最初劇本的設(shè)計(jì)，楊冬于2007年8月20日總共進(jìn)行了三次實(shí)驗(yàn)，每次實(shí)驗(yàn)30分鐘。

“30分鐘太少了，正常BES取數(shù)一個run最短也有約1個小時，長的時候有10個小時。”

“可以延長，但是整個實(shí)驗(yàn)最好在半天內(nèi)完成?！?/p>

與劇組溝通完，我立即聯(lián)系了侯穎銳博士?！翱墒?007年BESII已經(jīng)停止運(yùn)行了呀?！焙罘f銳博士跟我說道。她也和我一樣鉆進(jìn)了牛角尖。

“可以是平行世界的嘛?！蔽掖蛉さ卣f道，然后突然發(fā)現(xiàn)用平行世界這一概念，可以很容易讓我們跳出原本的思維定式。

于是我們開始討論楊冬的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)細(xì)節(jié)。

其實(shí)，2020年正在運(yùn)行的是北京譜儀升級后的第三期BESIII。因此我們決定就直接借用BESIII的束流運(yùn)行數(shù)據(jù)，采用BESIII的軟件模擬框架，產(chǎn)生了一批J/ψ到電子e和繆子μ的蒙特卡洛模擬數(shù)據(jù)。

分別帶有正負(fù)電荷的電子e與繆子μ的徑跡偏轉(zhuǎn)方向不同，因此，從數(shù)據(jù)結(jié)果圖中，有經(jīng)驗(yàn)的粒子物理學(xué)家一眼就可以識別出這是帶不同電荷的電子e和繆子μ，如果出現(xiàn)了不同尋常的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，科學(xué)家也可以馬上看出來。這也貼合了三體劇本里的設(shè)定，楊冬在拿到數(shù)據(jù)結(jié)果后，很快就發(fā)現(xiàn)了異樣。

電視劇播出后，我們發(fā)現(xiàn)劇組將楊冬的實(shí)驗(yàn)時間改為了2007年8月2號，但并沒有改對應(yīng)的星期，于是出現(xiàn)了一個小穿幫?！皼]事，也許在另一個平行宇宙里，2007年8月2號就是星期天呢?！惫?，平行宇宙的概念一下子就讓我們釋懷了。

從三體回到現(xiàn)實(shí)

通過大家的努力，我們終于完成了粒子物理部分的設(shè)定，并發(fā)給了三體劇組。郄導(dǎo)幾次邀請我去參觀拍攝現(xiàn)場，甚至還來到高能物理所取景，但造化弄人，均未能謀面。今年三體劇熱播，大家對劇中細(xì)節(jié)的刻畫稱贊不已。我們能夠?yàn)閲a(chǎn)科幻電視劇貢獻(xiàn)綿薄之力，深感榮幸。

和《三體》中展現(xiàn)的一樣，現(xiàn)實(shí)中的科學(xué)研究也不是一帆風(fēng)順的，這也是我喜歡《球狀閃電》一書的原因。在現(xiàn)有理論都無法完美解釋某一物理現(xiàn)象的情況下，恰恰說明需要有新的理論出現(xiàn)。

1900年，英國著名物理學(xué)家威廉·湯姆生在英國皇家學(xué)會發(fā)表了題為“在熱和光動力理論上空的十九世紀(jì)的烏云”的演講。在此之前，物理學(xué)被認(rèn)為“是一門高度發(fā)展的、幾乎是臻善臻美的科學(xué)”，而湯姆生提出“兩朵烏云”，說明物理學(xué)仍需繼續(xù)發(fā)展、突破，甚至重建。

19世紀(jì)末，物理學(xué)的“兩朵烏云”變成了量子論和相對論，將當(dāng)時構(gòu)建的物理大廈徹底重筑?，F(xiàn)如今，“暗物質(zhì)”和“暗能量”則是現(xiàn)有物理學(xué)領(lǐng)域兩朵新的烏云。因此，和《三體》中不同，當(dāng)發(fā)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象超出預(yù)期時，科學(xué)家們更多的是會歡欣鼓舞，同時對實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行細(xì)致分析。研究中的試錯過程自然讓人沮喪，但最終得到結(jié)果時的喜悅，會讓人感覺之前的付出完全值得。

《三體》中用了非常多的篇幅介紹科學(xué)家對粒子物理和天體物理的研究，恰恰是因?yàn)?，這兩個學(xué)科是人類在突破極限上的兩個重要研究方向。“我們是什么，我們從哪里來，我們到哪里去”，人類天然懷有對這三個問題的好奇心。向內(nèi)看，去探索物質(zhì)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和相互作用，同時向外看，看天體的運(yùn)動和宇宙的演化。

《三體》中寫道：“我們（三體人）需要一個決定性的行動，徹底窒息地球的科學(xué)，使其鎖死在現(xiàn)有水平。在這里，我們需要抓住重點(diǎn)：科學(xué)技術(shù)的全面發(fā)展取決于基礎(chǔ)科學(xué)的發(fā)展，而基礎(chǔ)科學(xué)的基礎(chǔ)又在于對物質(zhì)深層結(jié)構(gòu)的探索……每個智子可以控制多達(dá)一萬臺次高能加速器，使地球上的物理學(xué)家們永遠(yuǎn)無法窺見物質(zhì)深處的秘密，地球文明的科學(xué)技術(shù)也不會有本質(zhì)的突破，它們將永遠(yuǎn)處于原始時代?！?/p>《三體》劇照

而三體人之所以要通過“智子”來阻礙楊冬的對撞機(jī)實(shí)驗(yàn)，也是因?yàn)榱Ｗ游锢硎亲罱K給人類帶來突破性變革的源動力，在現(xiàn)實(shí)世界中也確實(shí)如此。粒子物理作為一門基礎(chǔ)學(xué)科，是科學(xué)的最前沿，也是技術(shù)的最前沿，有1/3的諾貝爾獎與之有關(guān)。粒子物理的研究，就像科技創(chuàng)新的發(fā)動機(jī)，帶動了整個科技的產(chǎn)業(yè)鏈。

在上個世紀(jì)，我國缺席了粒子物理的大部分重要發(fā)現(xiàn)，但經(jīng)過科學(xué)家們的努力，已經(jīng)將我國的粒子物理發(fā)展至前所未有的水平。時至今日，我國不僅在加速器物理方面取得了豐碩成果，在非加速器物理方面，如大亞灣中微子實(shí)驗(yàn)，錦屏地下實(shí)驗(yàn)室的PANDAX與CDEX項(xiàng)目，“慧眼”硬X射線調(diào)制望遠(yuǎn)鏡衛(wèi)星，“悟空”號暗物質(zhì)粒子探測衛(wèi)星，高海拔宇宙線觀測站等，同樣也取得了令人矚目的成就。隨著國力的發(fā)展，我國下一代的大科學(xué)裝置正在設(shè)計(jì)建設(shè)或預(yù)先研究中。作為一個粒子物理領(lǐng)域的研究者，我能夠參與其中，是一件非常幸福的事。

撰文：劉倩

圖源：豆瓣電影

原標(biāo)題：《我給《三體》當(dāng)科學(xué)顧問》

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