三體中的空間物理學：閃光的宇宙

最近一段時間，拜讀了全網無論真假科幻迷一律熱捧的《三體》三部曲。我當年曾經在《新發現》雜誌上，看過李淼老師的專欄：《<三體>中的物理學》。這一專欄後來擴編整理，也正式出版。

李淼老師是中科院理論物理研究所的研究員，他在閱讀三體的過程中，產生的科學思考，也主要集中在理論物理學，以及科學哲學的方向，視角宏大，極具啟發性。用劉慈欣為《<三體>中的物理學》作的序中的話來說：“……以三體中的科幻內容作為引子和起點，描繪了一幅現代物理學和宇宙學的宏偉圖景。”

筆者作為一名剛剛邁入科研大門的菜鳥，要與李淼老師這樣的大牛比肩，著實不自量力。但我也在閱讀《三體》的過程中，看到了屬於我們學科的一些知識和故事，也希望能在這裡和各位分享。

2020.6.5

不同於理論物理學，空間物理學研究的物件和過程，通常都在經典物理的框架下討論。在這種框架下，我們通常不考慮相對論和量子效應，我們認為電子和離子等，都是粒子，忽略其波粒二象性呈現出的波的性質。在這樣的一個前提下，今天我們來帶大家看一看《三體》中第一個著名的現象——閃光的宇宙微波背景輻射。

一、 閃光的宇宙

《三體》第一部中，有一位材料科學家，名叫汪淼。他研究的奈米材料極為堅固，可以被用來製作太空電梯，幫助人類向宇宙邁進，因此也成為了三體人入侵地球的絆腳石。三體人和ETO（地球三體組織）對他無不欲除之而後快。也是因此，ETO在“智子”的配合下，對他進行了深入靈魂深處的恐嚇。

具體來說，三體組織向汪淼展現了超出人類理解的力量，其中就包括——

“……在凌晨一點鐘至五點鐘，整個宇宙將為你閃爍。”

於是，在約定的時間，汪淼透過多種手段觀測宇宙微波背景輻射，發現宇宙微波背景輻射在用摩爾斯電碼傳遞著非常規律的資訊，翻譯出來，就是一個倒計時。

微波背景輻射中，顯示出一個倒計時。原圖是由WMAP衛星於2010年測量的宇宙微波背景輻射。

這個倒記時，在此之前的很多天裡，都會出現在汪淼的視野中。如果他不停下奈米材料的研究，倒計時就會繼續。他認為這是三體組織恐嚇他的某種“小魔術”，直到出現這種他無法用科學理解的現象，完全擊垮了他。

具體的劇情比較複雜，感興趣的讀者最好是去閱讀一下原文。我們在這裡，則要分析一下，這樣的宇宙閃爍是什麼，能用什麼來製造。

二、 讓宇宙對衛星閃光

宇宙微波背景輻射（Cosmic Microwave Background，CMB），是宇宙誕生之初的殘響。這種輻射的峰值波長1到1。9毫米左右（與峰值的定義有關），而不是《三體》中說的7釐米——我們這裡還是以李淼老師和維基百科的說法為準。7釐米的資料可能來源於，最早發現CMB的彭齊亞斯和威爾遜，是在7。35釐米波段檢測到的。

首先要注意到，三體的第二部，第三部對於更多宇宙中的文明的描寫，讓我們知道，三體文明雖然相對地球文明來說，極為先進，但是比起宇宙中更強大的文明——比如歌者文明和歸零者文明——還是要差了太多。如果真的直接操縱CMB，如此大尺度的對宇宙的修改，必然會引來黑暗森林中的殺身之禍。三體文明早就知道黑暗森林法則，隱藏自己唯恐不及，當然不會真的大張旗鼓去修改CMB。

所以汪淼猜的沒錯，這是個“小魔術”；大史（史強）也說，“邪乎到家必有鬼”。三體並沒有操縱CMB，而是透過別的方法，矇蔽了地球上當時的所有觀測者。這麼看來，並不是“宇宙在閃光”，而是，“所有的觀測者看到閃光”。

COBE、WMAP、Planck衛星，以及它們測量的微波背景輻射的解析度的示意圖。值得一提的是，李淼老師指出，COBE在1993年後就不再運作，WMAP工作到2010年，Planck衛星2009年8月13日才剛剛開始工作。所以文中提到的，同時檢查三顆衛星的資料是不可能的，就算是同時檢視後兩顆衛星，也只有很短的幾個月，故事將不得不發生在這段時間。不過，這不重要。

我們現在已經知道，都是智子搞的鬼，智子神出鬼沒，瞬息萬里，可以篡改人類各種科學儀器的資料。智子本身也擁有無窮無盡的能量，想要在CMB的波段上發出一些強勁的訊號，實在也是舉手之勞。所以實際上，讓COBE、WMAP和Planck衛星，以及文中提到的“3K眼鏡”這些電子產品“偽裝”出在微波背景輻射波段的“閃光”，對智子來說，反而是相對容易的——只要去修改這些電子裝置快取的資料就好了。

智子可以輕易地，幾乎同時地，出現在全世界所有的粒子加速器中，修改粒子加速器的實驗結果，也可以潛伏在網際網路中，獲取人類的各種情報和知識，儼然一個隨時上天入地，還精通所有軟硬體的駭客。智子只需要在資訊快取或者傳輸的通路上做一些手腳，全球的所有衛星，各個跟蹤站和射電天文臺，當然能夠呈現出智子想讓人類看到的東西。

三、 讓宇宙在人眼中閃光

真正的難點在我看來，實際上在於如何讓人的眼睛中，出現一個倒計時。這讓人想到了空間物理學中的一個“熱點地區”——南大西洋異常區。

三體中描述，太空中的一些宇航員，會發現眼中有明亮的閃光，哪怕閉上眼，也依然能夠看到。這是因為在太空中，沒有大氣層的保護，高能粒子直接打進人的眼球中，在視網膜或玻璃體內，與其他分子碰撞，激發出閃光。近地太空中並不是每個地方都很容易發生這樣的現象，實際上，通常只有兩個區域，輻射強度特別高，那就是內輻射帶和外輻射帶。

內輻射帶和外輻射帶

內外輻射帶主要是被地球磁場約束住的等離子體形成的，飛船經過輻射帶，就相當於通過了一片由帶有較高能量的離子、電子組成的“雲霧”，輻射強度自然大大增加。這種時候，就容易在宇航員，尤其是艙外工作的宇航員的眼睛裡激發出閃光。探測器攜帶的各種電子裝置，在輻射帶內也很容易出現故障，精密儀器有時甚至會選擇在這一區域做關機保護。

南大西洋異常區，則是地球磁場的一個異常位置。這裡的磁場總強度，相較於其四周，突然變弱，而且目前看來，每年有持續變弱的趨勢。部分地球科學家猜想，這是地球磁場倒轉的前兆。這樣的現象反映到天上，就表現為，地球近地太空相應區域的磁場也變弱了。磁場變弱，對於等離子體的約束能力就變差，等離子體就會向下（地表方向）下沉。一般來說，距離地球越近，地球磁場就會越強。直到磁場強度變得足夠強，托住等離子體，下沉的趨勢才會停止。

南大西洋異常區

南大西洋異常區上空，輻射帶的高度是最低的。三體中所說的，宇航員眼睛中的閃光，往往也發生在這樣的區域。國際空間站的宇航員就曾經報告過這樣的事件。

那麼現在，我們已經知道如何在人的眼睛內部，“點一盞燈”——也就是用輻射去激發熒光。須知現代人類的顯示屏，就是從燈泡一步步發展而來的。現在比較新潮的AMOLED螢幕，說白了就是無數LED燈的陣列。有了燈泡，實際上在製作顯示屏的問題上已經沒有了理論上的困難。智子要在汪淼的眼中，顯示一個8位的數字，也就不是什麼難事了。

用來顯示數字的數碼管，在數字手錶中非常常見，每一個數字其實就是由7-8個LED等組成的，已經可以完成很豐富的顯示任務了。圖源：微雪電子。

可惜，汪淼先生不是一位計算機硬體工程師，也不是一位高能物理學家或空間物理學家，而是一位材料科學家。他的日常科研生活中，既沒有接觸過OLED螢幕（本質上就是LED點陣）的開發，也沒有接觸過高輻射環境。如果他有相應的經驗的話，也許就不會那麼慌亂了——當然，可能也無緣推動人類奈米材料技術的進展了。

四、 讓宇宙在整個天空閃爍

我們如今知道，智子完全可以鑽人類科技的空子，不需要真的讓宇宙微波背景輻射在它的指揮下閃爍。不過，我們還是可以假設一下，如果智子是個老實人，為了矇騙汪淼這一回，真的讓整個天空閃爍一番呢？這又該怎麼操作呢？

天空的閃爍，其實我們日常生活中非常常見，幾乎每天都在發生。大概來說，主要有兩個大類——極光和氣輝。

國際空間站拍攝的極光。在右側沒有極光的地方，淡淡的一層輝光實際上就是氣輝。

極光自不用說，高能的等離子體，在地球磁場的約束下，在南北兩個磁極的周圍射入地球大氣層，與大氣層中的原子和分子碰撞，產生髮光現象。劉慈欣在《超新星紀元》中描寫了一次超新星爆發，強烈的高能粒子射流，激發了遍佈整個地球天空的極光。

氣輝，又稱“夜輝”，是高層大氣的微弱發光現象。源自大氣某些成分受太陽光照射後，在光化學過程中所放射的微弱光輝。這種現象其實不分白天黑夜，只不過在夜間沒有太陽，能更清晰地看到。

要讓地球的天空閃爍，而且在CMB的波段上閃爍，那就相當於產生1mm波長的“氣輝”或者“極光”。但這並不容易，波長越長，能量越低，1mm波長對應的能量太低了。常見的原子光譜大多集中在幾百奈米，或者幾微米，很少能到毫米這個級別。

但也不是做不到，例如位於遠紅外波段的，氫原子的芬德系光譜（高能級向第5能級跌落時候的發射光譜）就包含了大致1mm附近的波段。這要求智子能夠首先創造非常高能級的原子，向同樣很高的其他能級跌落，只釋放非常少的能量。同時，還要抹除高能級向低能級跌落的時候釋放的那些頻率太高，波長太短的成份，以免露出馬腳——實在有些事倍功半的感覺。

極光看來是無法使用，但智子本身擁有取之不盡的能源，實際上，也可以自身充當一個無線電發報機，專門在CMB的波段上發報。並且利用它瞬息萬里的特性，在地球的各個角落均勻傳送，營造CMB那種幾乎各向同性的特點——也就是說天線不管指向哪裡，都能檢測到差不多的強度。

這種方式雖然繁瑣，但是我認為可能是更為萬無一失的方案——因為確實產生了一個跟CMB波段重疊的訊號。只是這個方案，智子也是不得不多受累了。

《三體》三部曲，本質上是科幻小說，實際上，並不需要非常確切的實踐細節。然鵝，透過科幻小說這種生動而有趣的形式，引導大家思考科學技術，筆者認為還是很有價值的。

智子，作為《三體》中最吸引人，最神奇，也最核心的設定之一，它的第一次亮相，就讓科學家汪淼的世界觀轟然崩塌。拋開幻想的成份，這樣的世界觀的重塑，在科學史上，總是代表了科技的重大進步。不管是相對論、量子論的提出，還是固定翼飛機、電子計算機的發明，事實上，都是古人無法想象的，也都在不同的層面上，重塑了我們的世界觀。

但是科學，以及科學的求證方法，本來就提倡打破自己，不斷用新的發現打破舊的觀念，不斷用新的真理取代舊的真理。在小說中，人們恐懼智子，憎恨智子，是因為智子鎖死了人類的科技，斷絕了人類的真理迭代的可能性。但在現實中，我們應該懷揣著無限的求知慾，去探索和討論更多、更神奇的可能性。

因為那裡是人類的黎明。

美編：車玥逸

校對：李玉鈐