《三體》中的物理學(xué)：二向箔和空間災(zāi)變

當(dāng)宇宙的溫度“逐漸”降低時(shí).希格斯場(chǎng)也會(huì)像開水中的氣泡一樣發(fā)生變化。這些氣泡會(huì)逐漸變大，最后吞并所有宇宙空閫。來，紙片又以原狀懸浮在原位，或者說以200千米/秒的速度與太空艇一起飛向太陽(yáng)系。

表面上看，這是一張無害的小紙條，只是它貌似不與我們太陽(yáng)系中的任何物質(zhì)發(fā)生反應(yīng)或相互作用。但不久，這張二向箔的力場(chǎng)被撤除，它周圍的三維空間開始向它跌落，它的邊界以光速向外擴(kuò)張，不論遇到的什么，都無一例外地向它跌落，開始是太空艇，后來是星球，地球、火星、木星、土星……我們看看二維化開始的樣子;

在2000千米外的二維平面上，二維化的太空艇和監(jiān)視員的人體發(fā)出的光已經(jīng)熄滅，與從四維向三維跌落相比，三維跌落到二維釋放的能量要小許多。兩個(gè)二維體的結(jié)構(gòu)在星光下清晰地顯現(xiàn)出來;在二維化的太空艇上，可以看到二維展開后的三維構(gòu)造，可以分辨出座艙和聚變發(fā)動(dòng)機(jī)等部分，還有座艙中那個(gè)蜷曲的人體。在另一個(gè)二維化的人體上，可以清楚地分辨出骨髂和脈絡(luò)，也可以認(rèn)出身體的各個(gè)部位。在二維化的過程中，三維物體上的每個(gè)點(diǎn)都按照精確的幾何規(guī)則投射到二維平面上，以至于這個(gè)二維體成為原三維太空艇和三維人體的兩張最完整、最精確的圖紙，其所有的內(nèi)部結(jié)構(gòu)都在平面上排列出=來，沒有任何隱藏，但其映射規(guī)程與工程制圖完全不同，從視覺上很難憑想象復(fù)原原來的三維形狀。與工程圖紙最大的不同是，二維展開是在各個(gè)尺度層面上進(jìn)行的，曾經(jīng)隱藏在三維構(gòu)型中的所有結(jié)構(gòu)和細(xì)節(jié)都在二維平面排列出來，于是也呈現(xiàn)了從四維空間看三維世界時(shí)的無限細(xì)節(jié)。

作為普通人，或作為物理學(xué)家，我們會(huì)問，劉慈欣描寫的神奇又可怕的事情是可能的嗎？我的回答是——可能，但細(xì)節(jié)不敢肯定。如何吞并空間

空間二維化，是將本來的三維空間逐步吃掉，原來三維空間的多數(shù)部分不存在了，變成了二維的。其實(shí)這是一個(gè)無限縮小的過程。一個(gè)點(diǎn)和一根線段比起來，長(zhǎng)度為零。一根線段與一個(gè)平面比起來，面積為零。同樣，一個(gè)二向箔與任何一個(gè)有限的三維體比起來，體積為零。

空間被縮小或者被蠶食的例子我們是常見的。

例如燒水。當(dāng)水的溫度達(dá)到100℃時(shí)，水開了。水開了是什么意思？有兩個(gè)典型的特征，第一水面有很多水汽上升，第二是很多氣泡沸騰。第二個(gè)特征才是水開了的真正特征。水體中不斷產(chǎn)生氣泡，氣泡由于內(nèi)含水汽，比重比液態(tài)水輕，不斷上升。如果我們讓水不斷開下去，最后水會(huì)全部蒸發(fā)。也就是說，如果我們將液態(tài)水看成某種“空間”，最后這個(gè)空間沒了，變成了飛走的水汽，但水汽不是我們定義的“空間”。

在物理學(xué)上，上面的過程叫一級(jí)相變。一般情況下，水有三種相——固態(tài)、液態(tài)、氣態(tài)，對(duì)應(yīng)冰、水、水汽。在普通的大氣壓下，100℃是液態(tài)水變成氣態(tài)水的最低溫度。當(dāng)我們慢慢將溫度升高，水體中開始產(chǎn)生很小的氣泡，氣泡慢慢變大。在地球的重力場(chǎng)中，由于氣泡密度比水小，就會(huì)迅速升到水面，產(chǎn)生我們通常看到的沸騰現(xiàn)象。

如果水不處于重力場(chǎng)中，例如，我們可以想象在空間站上燒水，當(dāng)然為了重復(fù)前面的相變，我們讓水處于1個(gè)標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下。當(dāng)水溫升到100℃時(shí)，水中開始產(chǎn)生氣泡，這些氣泡會(huì)膨脹，越來越大。但由于沒有重力場(chǎng)，它們不會(huì)升起來，只會(huì)在水中膨脹，最后，水沒有了，只剩下水汽。

你看，水做的“空間”就是這么通過氣泡凝結(jié)、膨脹而逐漸消失的。物理學(xué)中，有一套簡(jiǎn)單的數(shù)學(xué)語(yǔ)言來描述上面的過程。

例如，我們用密度定義一個(gè)場(chǎng)。這個(gè)場(chǎng)在水相時(shí)取水的密度，在氣相時(shí)取水汽的密度。當(dāng)溫度達(dá)到或超過IOOoC時(shí)，水汽處于能量比較低的點(diǎn)。換句話說，這個(gè)場(chǎng)取值小時(shí)，能量比較低。

圖中的那個(gè)圓點(diǎn)代表場(chǎng)，即密度。很明顯，現(xiàn)在圓點(diǎn)所處的位置能量比最低點(diǎn)要高。最低點(diǎn)就是水汽所在的地方。當(dāng)氣泡形成時(shí)，我們可以想象氣泡內(nèi)這個(gè)場(chǎng)處于最低點(diǎn)，而氣泡外水中的這個(gè)場(chǎng)處于那個(gè)圓點(diǎn)所在的地方。隔離水與水泡有一個(gè)氣泡壁，在這個(gè)壁中，場(chǎng)是連續(xù)變化的，從水汽密度到水的密度。因?yàn)樽兓枰芰?，所以壁含有能量，這也是氣泡的張力來源。但是，由于氣泡內(nèi)能量更低，氣泡傾向于膨脹，它的膨脹速度由水汽與水的能量差所決定，也由壁的張力決定。

這是一個(gè)生活中常見的例子。另一個(gè)例子我們并不熟悉，但與萬物息息相關(guān)，就是希格斯粒子和希格斯場(chǎng)。

在我們所處的空間中，希格斯場(chǎng)也取能量的最低值，有點(diǎn)像水汽。在下面這張希格斯場(chǎng)的能量示意圖中，右邊是目前我們這個(gè)宇宙中希格斯場(chǎng)的能量圖，小球代表希格斯場(chǎng)在每一個(gè)空間點(diǎn)的值，當(dāng)所有空間點(diǎn)上希格斯場(chǎng)都取這個(gè)值的時(shí)候，能量最低。這就是現(xiàn)在宇宙的狀態(tài)。

那大爆炸剛開始的時(shí)候，希格斯場(chǎng)是什么樣的呢7那時(shí)溫度很高，隨著時(shí)間的推移，溫度才降下來。在非常早期的時(shí)候，比如最初的萬分之一秒時(shí)，宇宙的溫度高到足以改變希格斯場(chǎng)的能量圖。此時(shí)，它的能量位置如上圖中左邊的樣子。也就是說，那個(gè)時(shí)候希格斯場(chǎng)取值為零，能量最低。在那個(gè)狀態(tài)下，宇宙中所有的基本粒子都沒有質(zhì)量，都以光速運(yùn)動(dòng)。

當(dāng)宇宙的溫度“逐漸”降低時(shí)（這個(gè)過程其實(shí)非常短暫），圖中右邊的樣子才變成現(xiàn)實(shí)。此時(shí)，希格斯場(chǎng)也會(huì)像沸水中的氣泡一樣，先有一些點(diǎn)上的希格斯場(chǎng)跳到我們現(xiàn)在宇宙中的值，而周圍還處于零值。這些氣泡會(huì)逐漸變大，最后吞并所有宇宙空間。請(qǐng)注意，這些氣泡與沸水中的氣泡還有區(qū)別：它們沒有明顯的壁。如果有壁，壁與壁之間會(huì)碰撞，產(chǎn)生一些非常不規(guī)則的結(jié)構(gòu)，而今天的宇宙學(xué)家通過望遠(yuǎn)鏡沒有看到這些結(jié)構(gòu)。所以，希格斯場(chǎng)中的氣泡雖然也像沸水中的氣泡那樣膨脹，但沒有明顯的壁。

在高能物理學(xué)中，最先研究真空泡膨脹的是美國(guó)理論物理學(xué)家西德尼·科爾曼。1977年，科爾曼發(fā)現(xiàn)，希格斯真空泡的膨脹速度接近光速，當(dāng)真空泡變得越來越大時(shí)，泡的膨脹速度越來越接近光速。二向箔：向能量更低處跳過來吧

那么這些又和二向箔有什么關(guān)系呢？我們可以這樣想象二向箔：在二向箔中也有一種場(chǎng)，它的能量比較低，當(dāng)我們像《三體》中想象的那樣，用什么東西將二向箔包起來時(shí)，它不會(huì)危害我們的三維空間;可是，一旦二向箔與三維空間赤裸裸地接觸，它就會(huì)像水中的氣泡那樣膨脹起來。但由于它是二維的，因此它只會(huì)增大面積。

愛思考的人會(huì)問，沸水中的那個(gè)場(chǎng)處于能量高點(diǎn)，而我們的三維空間在沒有二向箔的時(shí)候處于能量低點(diǎn)，所以不應(yīng)該是穩(wěn)定的嗎？要回答這個(gè)問題，我們需要展開想象。

我們可以這樣想：三維空間與二向箔有關(guān)的那個(gè)場(chǎng)本來確實(shí)處于能量的低點(diǎn)，但并不是最低點(diǎn)，雖然也不穩(wěn)定，但我們所在的真空壽命足夠長(zhǎng)，比這個(gè)宇宙的壽命還長(zhǎng)。也許再過久一點(diǎn)，我們的真空也會(huì)衰變，會(huì)產(chǎn)生氣泡。

現(xiàn)在，二向箔未了，就像未了一個(gè)二維能量低點(diǎn)氣泡。它觸發(fā)我們?nèi)S空間的那個(gè)場(chǎng)向能量更低的地方跳。在這個(gè)場(chǎng)跳的同時(shí)，二向箔就越長(zhǎng)越大。

你也許會(huì)讓我打住，說我的描述有問題如果我們的場(chǎng)向能量更低的地方跳，就像宇宙早期的希格斯場(chǎng)那樣跳，那也只是改變了真空，三維空間怎么變沒有了呢？

好吧，現(xiàn)在我要引入一個(gè)弦論的故事，好讓你相信，確實(shí)有這種可能：當(dāng)某個(gè)場(chǎng)向能量最低的地方跳過去，空間就沒有了。

在弦論中，曾經(jīng)有一個(gè)分支理論，叫玻色弦論。在這個(gè)理論中，空間有25維。不幸的是，在這個(gè)理論中，真空是不穩(wěn)定的，也就是說，真空中存在一個(gè)場(chǎng)，它的能量圖像希格斯場(chǎng)，但還有些不同。

在25維空間的弦論中，這個(gè)場(chǎng)處于能量最高點(diǎn)，所以是不穩(wěn)定的。也因此，弦論家將這個(gè)場(chǎng)稱為“快子場(chǎng)”，它的速度超過光速。但不要擔(dān)心，這種粒子不會(huì)破壞相對(duì)論，因?yàn)樗怀霈F(xiàn)，就會(huì)出現(xiàn)真空氣泡，這個(gè)氣泡將以光速膨脹，迅速讓25維空間的真空衰變。真空衰變后的產(chǎn)物是什么？目前弦論家的意見不同。很多人認(rèn)為，氣泡中什么也沒有，連空間也沒有。也就是說，一個(gè)內(nèi)含“無”的氣泡以光速膨脹，迅速吞并整個(gè)25維空間。

1982年，美國(guó)物理學(xué)家、數(shù)學(xué)家愛德華·威滕在一個(gè)五維空間的理論中，已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了這種可怕的現(xiàn)象。他發(fā)現(xiàn)，在這個(gè)4+1=5的五維理論中，當(dāng)那個(gè)四維空間的其中一維是一個(gè)圓時(shí)，它剩下的3個(gè)維度空間是不穩(wěn)定的，就會(huì)產(chǎn)生一種“無的氣泡”，氣泡會(huì)膨脹，直到最后什么都不剩。

現(xiàn)在我們可以理解二向箔的情況了。當(dāng)二向箔出現(xiàn)時(shí)，誘導(dǎo)了本來就不穩(wěn)定的三維空間的某種快子場(chǎng)。當(dāng)這些快子場(chǎng)在空間的一點(diǎn)滾到能量更低的地方時(shí)，氣泡出現(xiàn)了。這是“無的氣泡”，里面什么也沒有，但二向箔本身還是存在的，所有物體可以在二向箔里存在，但不能在它附近的空間中存在。

至于三維空間中原本存在的那些東西會(huì)去哪里，一般認(rèn)為，由于能量守恒，也許它們會(huì)跌向二向箔。但根據(jù)我對(duì)弦論的經(jīng)驗(yàn)，更有可能發(fā)生的是，原來三維空間的東西會(huì)變成碎片飛向更外層的空間，不會(huì)全部跌向二向箔。但你也可以假想某種理論，讓其允許物體全部跌向二向箔，就像《三體》中描述的那樣。

那么，25維空間中的弦論到底會(huì)發(fā)生什么？前面我假定空間中出現(xiàn)“無的氣泡”，有的物理學(xué)家認(rèn)為，也許會(huì)出現(xiàn)含有9維空間的氣泡，這就很像二向箔了：25維空間在氣泡中跌向9維空間。而這9維空間不是別的，正是超弦理論的空間。

本文內(nèi)容摘編自《<三體>中的物理學(xué)》一書，李淼著，湖南科學(xué)技術(shù)出版社，2019年