我給《三體》當(dāng)科學(xué)顧問

劉倩

“不要回答，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)，你感興趣嗎？”2020年4月19號(hào)，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(gè)《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(shí)候在《十萬個(gè)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(shí)候每逢雷雨天，我都會(huì)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(duì)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?cè)谡鎸?shí)世界中進(jìn)行科學(xué)研究的過程非常相似：觀測(cè)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(duì)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(cè)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(gè)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(duì)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?cè)谶M(jìn)行物理設(shè)定中的一個(gè)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(tái)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(chǎng)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(gè)問題與我負(fù)責(zé)的粒子物理相關(guān)，沒想到，第一個(gè)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(duì)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(dòng)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(qǐng)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(shí)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。

所以，第一個(gè)問題就是：“楊冬在加速器基地一直在忙碌計(jì)算，她在計(jì)算什么？”

關(guān)于這個(gè)問題，我和幾位老師討論了好幾次，一晃一個(gè)月過去了，一直沒有答案。為什么這個(gè)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(cè)（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(gè)非常高的動(dòng)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(jí)，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，她是一位年青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(gè)合適呢？”大家都想借此機(jī)會(huì)向大眾科普正確的物理知識(shí)，而不是一個(gè)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(chǎng)加速”方案，也只能到GeV/cm量級(jí)。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(jí)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(duì)撞機(jī)，那么三體星人根本不足為懼。”當(dāng)晚，我在和郄導(dǎo)通電話的時(shí)候說。

“ 我明白了，那我們能不能換一個(gè)思路？”

和郄導(dǎo)溝通后，我才意識(shí)到，我們陷入將科幻設(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(shí)說的，“在科幻小說里來找技術(shù)漏洞，那您真是來對(duì)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(shí)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(tái)：一臺(tái)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(duì)撞機(jī)（BEPCⅡ），另一臺(tái)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BEPCⅡ上北京譜儀BESⅢ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(duì)撞機(jī)。正好電視劇里良湘加速器的設(shè)定也是在北京。

果然，當(dāng)沿著一個(gè)方向走到死胡同時(shí)，抬起頭來換個(gè)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(gè)很有意思的場(chǎng)景：謝爾頓有道題算不出來輸?shù)袅烁?jìng)賽，還記得嗎？”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(gè)經(jīng)典過程，在量子場(chǎng)論課上都會(huì)要求計(jì)算的！”大家你一言我一語地討論起來。

Big bang的第一季第十三集中，謝爾頓卡在了物理碗（Physics bowl ）知識(shí)競(jìng)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(gè)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(duì)撞機(jī)BEPC上最容易觀測(cè)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(huì)去檢查是不是分析有錯(cuò)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。”

話一說完，我就意識(shí)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(gè)粒子，它的產(chǎn)生率很高，本底干凈，同時(shí)去觀察這個(gè)粒子在物理上很難發(fā)生的一個(gè)衰變過程?！被氐睫k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(shí)他正帶領(lǐng)著學(xué)生做這個(gè)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(qǐng)讀者姑且忍耐一下，也可以直接略過。J/ψ粒子是由一對(duì)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(jiǎng)。BEPCⅡ/BESⅢ設(shè)計(jì)工作在陶/粲能區(qū)，截至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?！?/p>

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(huì)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(cè)到了中微子振蕩。例如大亞灣中微子實(shí)驗(yàn)，就是通過測(cè)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(huì)發(fā)現(xiàn)新物理的黃金觀測(cè)道，吸引了國際上許多實(shí)驗(yàn)正在開展測(cè)量。

有意思的是，BESⅢ上這一個(gè)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。

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(gè)run最短也有約1個(gè)小時(shí)，長(zhǎng)的時(shí)候有10個(gè)小時(shí)?！?/p>

“可以延長(zhǎng)，但是整個(gè)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(jí)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(shí)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(shí)間改為了2007年8月2號(hào)，但并沒有改對(duì)應(yīng)的星期，于是出現(xiàn)了一個(gè)小穿幫。“沒事，也許在另一個(gè)平行宇宙里，2007年8月2號(hào)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(qǐng)我去參觀拍攝現(xiàn)場(chǎng)，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(duì)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(huì)發(fā)表了題為“在熱和光動(dòng)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(duì)論，將當(dāng)時(shí)構(gòu)建的物理大廈徹底重筑。現(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(shí)，科學(xué)家們更多的是會(huì)歡欣鼓舞，同時(shí)對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行細(xì)致分析。研究中的試錯(cuò)過程自然讓人沮喪，但最終得到結(jié)果時(shí)的喜悅，會(huì)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(duì)粒子物理和天體物理的研究，恰恰是因?yàn)?，這兩個(gè)學(xué)科是人類在突破極限上的兩個(gè)重要研究方向?！拔覀兪鞘裁矗覀儚哪睦飦?，我們到哪里去”，人類天然懷有對(duì)這三個(gè)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(shí)向外看，看天體的運(yùn)動(dòng)和宇宙的演化。

《三體》中寫道：“我們（三體人）需要一個(gè)決定性的行動(dòng)，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(duì)物質(zhì)深層結(jié)構(gòu)的探索……每個(gè)智子可以控制多達(dá)一萬臺(tái)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(huì)有本質(zhì)的突破，它們將永遠(yuǎn)處于原始時(shí)代。”

而三體人之所以要通過“智子”來阻礙楊冬的對(duì)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(dòng)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(jiǎng)與之有關(guān)。粒子物理的研究，就像科技創(chuàng)新的發(fā)動(dòng)機(jī)，帶動(dòng)了整個(gè)科技的產(chǎn)業(yè)鏈。

在20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(shí)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(hào)暗物質(zhì)粒子探測(cè)衛(wèi)星，高海拔宇宙線觀測(cè)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(gè)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。