李淼：三维人进入四维会发生什么？|嘉宾新著先睹 ①

【栏口词】热点问题的学术解读平台——讲堂至今已举办了134期，汇聚了270余名各界精英和学界各科领军人物。2019年的“嘉宾新著新睹”，摘编学者、嘉宾从2018年7月至2019年年底出版的新著、序、主编说，展示学者们在各自领域的最新研究成果，彰显新时代的文化自信和中国力量。栏目将从7月13日起至12月，每周2-3期。

首期刊发理论物理学家、畅销科普作家李淼（讲堂第108期嘉宾）的《<三体>中的物理学》，该书从科幻小说《三体》切入，生动展现了宇宙的生死、世界的实在性和不确定性，乃至人的自由意志等，以独立的批判姿态，验证了《三体》的神奇与伟大。

《<三体>中的物理学》，李淼著，责编叶淑君，湖南科学技术出版社2019年5月出版，定价48元

【刘慈欣·推荐序摘选】

科幻中的科学：只是在文学中的一种映象

《〈三体〉中的物理学》给人印象最深的地方在于，作者没有局限于知识的叙述，而是在《三体》的背景上提出了许多富有创意的想法和推论。比如在超光速航行的状态下，在不同时间多个自我的出现；在四维空间中，电磁波能量的衰减与距离的立方成反比，以及黑域中低光速对精细结构常数产生的影响，都可能导致分子和原子解体，使从三维世界进入其中的一切都灰飞烟灭；还有关于水滴和降维攻击的可能性，创造小宇宙的可能性等，都十分震撼和新奇，让我们有读科幻小说的快感，但这些推论又都是建立在严谨的科学理论基础上，建立在作者对物理学和宇宙学深刻的理解上的，有科学幻想的神奇，却比其高一个层次。

对于科学与文学的关系，人们一直有一个很大的误解，认为科学对文学是一种束缚。这种误解在把奇幻与科幻两种幻想文学体裁进行对比时表现得最明显。人们倾向于认为，与科幻相比，奇幻在想象力上要自由得多，因为不受科学规律的束缚。但现代科学所展现出来的大自然和宇宙的可能性，已经远远超出了人们的经验和直觉，这种可能性给文学带来的恰恰是更大的自由度。以奇幻和科幻中的超能力为例：奇幻固然可以自由地赋予人物各种超能力，不受自然规律的限制，但迄今为止在奇幻文学中我们能想到的最强的超能力，就是造物主的能力：上帝在七天内创造了世界。那么科学的创世图景是什么样子呢？按照宇宙学中的暴胀理论，宇宙曾经由一个比原子还小的奇点瞬间膨胀到我们现在的宇宙尺度，可见半径有一百多亿光年，这个过程只需一个普朗克时间，也就是10~43秒。如此巨大的力量对我们常人来说完全不可想象，上帝的七天创世根本无法与之相比。但更为震撼的是，这个创世图景不是虚假的幻想，而是基于现有的对宇宙的观测数据所做的严格的科学推论。由此看到，科学其实是对文学的解放，而不是束缚。

中国科幻作家、雨果奖得主、《三体》作者刘慈欣

科学的故事资源可分为两类：一类基于古典科学，另一类基于现代科学，这两者在物理学上大体以相对论为分界。从广义上看，科学与文学的结合有着更为深远的意义。现代科学前沿离大众越来越远，比如量子力学的思想清末民初时已经在欧洲出现，但直到今天，它的世界观对大众而言仍然十分陌生和遥远。把现代科学的最新发现和理论向社会传播，对文明的发展是至关重要的。

我一直认为，科幻文学无力承担科学传播的重任，因为科幻中的科学不是真正的科学，而是科学在文学中的一种映象和变形，这一点相信大家看过《〈三体〉中的物理学》后都会认可；但科幻却能够表现宇宙和大自然的神奇，激发人们对科学探索的兴趣，进而提升人们对科学的关注程度。《三体》系列中的科幻想象与真正的科学有很大距离，但它的出版能够引发读者对前沿物理学和宇宙学的兴趣，进而引出了《〈三体〉中的物理学》这样一本比科幻小说更神奇的科学传播著作，作为科幻作者，这无疑是我最大的安慰。

【再版序摘选】

量子力学或将成为中国科幻电影最重要的题材

好科普的标准是什么呢？首先，它必须有趣，有趣才能打动人心；其次，它必须通俗以及深入浅出，这个标准无需解释；最后，它必须尽量做到严谨。其实，最近我读到一本书很有共鸣，作者说，科学和科普其实和好莱坞讲故事没有区别：好看，过程跌宕起伏，用这样的方式将你要表达的观点也好，价值观也好传达出去，效果必然是好的。我的这本书没有做到这一点，还请读者谅解。

这次再版，我没有增加新的内容，只更新了一些内容的最新进展。例如，我在书中预言人类极有可能在2015年探测到引力波，探测仪器是位于美国的两台引力波激光干涉仪：LIGO。果然，2015年LIGO探测到了引力波，并在2016年春节期间宣布了这项震动世界的发现。之后，LIGO又探测到了好几例因两个黑洞合并发出的引力波，还有一例两个中子星合并发出的引力波。LIGO最近又进行了升级，有望发现海量的黑洞合并。我自己比较骄傲的是，其实我的书在2013年就已经完成了，我提前两年预言了这项伟大的发现。可惜的是，我没有尝试预言今年第一张黑洞的照片。

人类捕获的第一张黑洞照片

说到预言，有人开玩笑地说我是预言帝。比如说，2017年，我在CCTV6 的《今日影评》上预言，或许2019年才是中国科幻电影元年，而且，电影很可能改变自刘慈欣的短篇科幻小说，而不是长篇。现在大家知道了，这已经成为事实，也就是今年的《流浪地球》。

在《〈三体〉中的物理学》中，我还侧重谈了量子力学，与量子力学有关的智子以及人类是否拥有自由意志。借本书再版的机会，我再做一个预言，今后两年，太空题材也许不是中国科幻电影最重要的题材，量子力学才是。另外，我已经计划余生侧重研究人类是否拥有自由意志这个已经存在了2000年的大问题。

我们进入21世纪已经将近20年了，或者说，21世纪已经过去了近五分之一。科技方面，我们对21世纪将有什么期待呢？有人说，人工智能将引领第四次工业革命；还有人说，5G以及物联网将引领第四次工业革命。我自己更加激进一点，我认为量子计算机才会开启真正的第四次工业革命。不论将来事实如何，我们都将面临激动人心的新科技、新生活。   ——李淼（2019年4月14日于北京家中）

【精彩章节选编】

三维人不可能通过翘曲点进入四维空间

《三体》系列的第三部《死神永生》中有一段关于“万有引力号”追击“蓝色空间号”，反被“蓝色空间号”上的人进入第四维彻底占领的故事。这一段写得惊心动魄，同时也展示了从高维空间中看三维世界的非同寻常的美丽和复杂：

“我们进去吧。”褚岩说，然后像跳水似的钻进了那个空间。莫沃维奇和关一帆惊恐地看着他的身体从头到脚消失在空气中，在空间泡无形的球面上，他身体的断面飞快地变换着形状，那晶亮的镜面甚至在周围的舱壁上反射出水纹一样跳动的光影。褚岩很快完全消失了，正当莫沃维奇和关一帆面面相觑之际，突然从那个空间伸出两只手，那两只手和前臂就悬在空中，分别伸向两人，莫沃维奇和关一帆各抓住一只手，立刻都被拉进了四维空间。

…………

“蓝色空间号”飞船

人们总是喜欢用这样一个类比：想象生活在三维空间中的一张二维平面画中的扁片人，不管这幅画多么丰富多彩，其中的二维人只能看到周围世界的侧面，在他们眼中，周围的人和事物都是一些长短不一的线段而已。只有当一个二维扁片人从画中飘出来，进入三维空间，再回头看那幅画，才能看到画的全貌。

假如真的存在高维，例如第四维，那我们这些“可怜”的三维生物到底能不能进入？

答案：根据物理学，即便不是不可能，也是异常困难的。

现在回到“蓝色空间号”飞船上。我们问，当这艘被追击的星舰进入四维“气泡”时，它会怎么样？答案很清楚，立刻灰飞烟灭。这是因为我们人类的身体是由分子、原子构成的，而分子、原子之所以成为分子、原子是因为原子核与电子之间的电磁力。分子、原子进入四维空间就不存在了，人当然也会随之解体。当然，三维人更不可能通过翘曲点进入四维空间。

更高维的空间呢？只要高于三维空间，库仑力导致的束缚态都是不稳定的。也就是说，在四维和四维以上的空间中，不存在原子，也不存在稳定的太阳系和美丽银河系。所以，三维空间的存在不是无缘无故的。你问我为什么，我不知道，也许上帝希望有一个稳定的太阳系，有一个美丽的银河系，并且，还有智慧的人类。

我可以通过超光速旅行造访昨天的我吗？

我们的蓝色星球地球，已经 45亿岁了。太阳也有 50亿岁了。作为能量充足的恒星，太阳大约处于中年。假如人类有足够智慧，也许会度过各种危机（多数是人为引起的），在太阳成为红巨星吞噬地球之前，人类需要移民到另一个和地球一样美丽的地方。这样的地方是存在的，但最近的离我们也可能不小于 20光年之遥。如果我们用冲出太阳系的第三宇宙速度 16.7千米每秒航行，到达 20光年之外的另一个蓝色星球的时间是 36万年。如果我们用接近光速的速度旅行呢？至少要 20年。也许旅客不需要冬眠，比如说，用 99%的光速旅行，旅客体验到的时间是两年零十个月，这还可以接受。但是，这仍然不是最理想的旅行速度。至少从拍摄《星际迷航》的角度来看，在一集中旅行一把，就花去了二三十年，还怎么设计情节？

所以，如果想在普通人接受的范围内飞到银河系中心，《星际迷航》中的“企业号”的曲速必须是超光速的，而且要远远超过光速。这可能吗？爱因斯坦不是在狭义相对论中禁止超光速出现吗？

《星际迷航》中的“企业号”

其实爱因斯坦并没有禁止超光速。但是，一旦超光速出现，回到过去就成为可能了。“穿越”与超光速的关系，现在已经成为常识。当然，如果一个人能够回到过去，会不可避免地引起各种“祖父悖论”：比如说，你回到 70年前，那时你祖父还是个孩子，你不小心杀死了祖父，后果是他不可能成为你的祖父。那么，你是从何处来的？因为破坏了因果律，许许多多怪现象都会出现。当然这些怪现象也不是完全不可以禁止，这就需要在物理学中引入一些苛刻的条件。

看来，狭义相对论不太倾向接受超光速的存在，那么“企业号”的曲速是不是一个大乌龙？直到 1994年，曲速在科幻作品中存在了接近 30年后，物理学家才发现，这也许不完全是乌龙。也许，爱因斯坦的另一个理论——广义相对论，可以容纳超光速旅行。

在弯曲时空中，超光速是可能的吗？直到 1994年，在《星际迷航》中的曲率驱动幻想出现很多年后，墨西哥籍物理学家阿尔库贝利出人意料地发现，超光速原则上是可行的。他用的办法很简单，直接写下一个四维时空，在这个弯曲时空中，远离飞船的地方，时间和空间与没有任何能量存在时是一样的，也就是说是平坦的。在接近飞船的地方，时空形成一个“气泡”，这个气泡可以用任何速度向前飞行，而飞船藏在气泡中。即使在气泡中，时空的曲率也可以不大，这样不会导致飞船受到很大影响。

阿尔库贝利的超光速时空气泡初看上去并没有什么特别，除了气泡以超光速飞行。计算的结果告诉我们，时空在气泡的后面膨胀了，在气泡的前面缩小了，这也许是气泡可以以任何速度运动的原因（如图所示）。唯一令人遗憾的是，根据爱因斯坦方程，维持这个气泡需要负能量！

阿尔库贝利气泡的横截面上的空间伸缩率示意图（气泡向右侧移动）。右侧为负值，表示气泡前面的空间收缩；左侧为正值，表示气泡后面的空间膨胀

目前，除了在极端情况下，我们还没有观测到负能量的存在。这并不妨碍科学家们的探索。比如，一位科学家在研究后说，满足了量子条件，驱动一个原子超光速飞行的负能量的绝对值可以降低到三个太阳质量。另一位科学家甚至说，可以将驱动一个原子的负能量的绝对值降低到几毫克。也许，在未来，曲率驱动可以超越光速。拉什尼科夫甚至想到一个类似《三体》中程心想到的办法，在气泡的路上安排一些质量使得超光速气泡成为可能。（当然，安排这些质量的过程本身只能用亚光速速度。）

——袁琭璐选编自第14章《三维人进入四维会发生什么？》及第15章《曲率驱动星际旅行》

【目录】

【作者简介】

李淼，理论物理学家，畅销科普作家，文津图书奖得主。1982年毕业于北京大学天体物理专业，1984年获中国科学技术大学理学硕士学位。1989年赴丹麦哥本哈根大学玻尔研究所学习，1990年获哲学博士学位。1990年起先后在美国加州大学圣塔芭芭拉分校、布朗大学任研究助理教授，1996年在芝加哥大学费米研究所任高级研究助理。1999年回国，任中国科学院理论物理研究所研究员、博士生导师。

身为物理学家的李淼也活跃于科普领域，他从刘慈欣的科幻史诗作品《三体》延伸出的《〈三体〉中的物理学》出版后获得世界华人科普金奖等多项大奖，少儿科普《给孩子讲量子力学》获得文津图书奖，《给孩子讲宇宙》《给孩子讲相对论》《给孩子讲时间简史》也深受读者欢迎，屡获大奖。

2017年，李淼做客第108期讲堂《“墨子号”的成功与中国式的科技创新》

【编辑感言】

《〈三体〉中的物理学》无疑是一部奇特而富于妙趣的科普书。本书虽然没有那么通俗易读，但严谨性与正确性永远是科普书首先需要考虑的。无论你是否读过《三体》，只要对世界充满好奇，这本书都会帮助你进入一个奇异的新世界。

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编辑：袁琭璐

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