皇冠注册平台:《三体》中的物理学:水滴态可能存在吗?

admin 3周前 (09-04) 社会 14 0

克日,流媒体平台网飞(Netflix)宣布将拍摄《三体》英文版剧集,原著作者刘慈欣与英文译者刘宇昆(《三体Ⅰ》和《三体Ⅲ——死神永生》)将配合担任制作照料。从内容自己到制作班底,这部剧集在许多方面都值得期待。例如,《三体》有许多神奇的设定,从智子到水滴,从四维空间到漆黑森林,影视作品将若何泛起这些脑洞?

只管《三体》中的物理设定有硬伤,但这并不故障它成为一部伟大的科幻小说,也是一部与现代科学稀奇是物理学接轨的小说。理论物理学家、中国科学院理论物理研究所研究员李淼在著作《<三体>中的物理学》(湖南科技出书社,2019年)中以《三体》为起点先容了令人耳目一新的现代物理学和现代宇宙学知识,认真探讨了这些神奇的设定是否可能。

刘慈欣在该书序言中写道:“我一直以为,科幻文学无力负担科学流传的重任,由于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像和变形,这一点信赖人人看过《<三体>中的物理学》后都市认可;但科幻却能够显示宇宙和大自然的神奇,引发人们对科学探索的兴趣,进而提升人们对科学的关注水平。《三体》系列中的科幻想象与真正的科学有很大距离,但它的出书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流传著作,作为科幻作者,这无疑是我最大的抚慰。”

刘慈欣

《三体》有许多神奇的设定,若是智子排在第一位,那么水滴可能排在第二位。只管后面另有高维空间碎块,以及能将太阳系二维化的二向箔,但我以为水滴照样足够神奇,由于它的质料虽然不重,却无坚不摧。

凭据刘慈欣的说法,水滴是用强相互作用力起主要作用的质料制作的,我们在这一章中先回首一下物质的基本结构,以及质料科学中的种种“神奇”的质料,然后再讨论水滴是否是可能的。

在最先之前,让我们浏览一下刘慈欣对水滴的形貌。

首先,人类在三体危急泛起之后发射了第二代哈勃望远镜,这个望远镜规模伟大,仅口径就有21米,而第一代哈勃望远镜的口径只有2.4米。这台空间望远镜先发现了1000条星际灰尘中的航迹,这是三体第一舰队留下的。三体舰队在穿越第二片星际灰尘时,发射了比三体星舰速率更高的探测器,也被哈勃二号发现了,这些探测器就是水滴。经由两个世纪的航行,这些探测器率先到达了太阳系,而人类也有了重大的太空舰队,人类舰队的星舰速率甚至高于三体舰队。

探测器的巨细与预想的差不多,长三点五米,丁仪看到它时,发生了与其他人一样的印象:一滴水银。探测器呈完善的水滴形状,头部浑圆,尾部很尖,外面是极其滑腻的全反射镜面,银河系在它的外面映成一片流通的光纹,使得这滴水银看上去贞洁而唯美。它的液滴形状是那么栩栩如生,以至于考察者有时真以为它就是液态的,基本不能能有内部机械结构。

…… 

“它的质量是若干?”丁仪问。

“现在还没有准确值,只有通过高精度引力仪取得的一个粗值,约莫在十吨以下吧。”

“那它至少不是用中子星物质制造的了。”

…… 

“只能猜了。”丁仪仰面说,“这器械的分子,像仪仗队那样整齐地排列着,同时相互固结,知道这种固结有多牢靠吗?分子像被钉子钉死一样平常,自身振动都消逝了。”

“这就是它处于绝对零度的缘故原由!”西子说,她和另外两名军官都明白丁仪的话意味着什么:在通俗密度的物质中,原子核的间距是很大的,把它们相互牢固死,不比用一套连杆把太阳和八大行星牢固成一套静止的桁架容易若干。

“什么力才气做到这一点?”

“只有一种:强互作用力。”透过面罩可以看到,丁仪的额头上已满是冷汗。

在这段对话发生之后不久,水滴就最先了对人类团结舰队的扑灭行动,这个震撼行动让人类陷入空前的恐慌。

一种不是中子星状态的物质,重量并不十分大,质料被放大1000万倍之后依然是滑腻的,分子排列有序且没有任何振动,这种质料真的可能存在吗?

我们正好借剖析这个质料之机,好好温习一下人类在熟悉物质结构方面取得的成就。

《三体》

物质的基本结构和形态

原子学说的最古老的版本是属于希腊人的。留基伯被以为是第一个提出原子论的希腊人,他的学生德谟克利特继续了这个学说。他们以为,世界上除了不能分的原子和虚空外,什么也没有。原子是守恒的,不能能被创生也不能能被祛除,一切物理历程都可以约化为原子之间的碰撞。德谟克利特甚至提出了天体形成的原子理论,以为大原子形成天体的焦点,而小原子浮在地球的外面。就我们领会的天体来说,除了细节上的修改,德谟克利特基本上是对的。

德谟克利特与苏格拉底同时代,他的生涯年月距今约莫2500年。

德谟克利特的原子论更像现代的基本粒子理论。基本粒子之间可以相互碰撞,相互转化,但无法继续分成更小的部门。与希腊人的原子学说不一样的是,基本粒子可以被天生,也可以被祛除,守恒的不是粒子,而是能量和动量。

现代原子论是在化学家手中成形的。在拉瓦锡的化学反应质量守恒和普鲁斯特的定比规则的影响下,英国化学家道尔顿在19世纪初提出了元素的原子论。道尔顿指出,每一种元素都对应一种牢固的原子,这些原子在化学反应中是不能再分的,性子相同。差别元素的原子质量差别,这些原子在化学反应中凭据整数倍形成复合化学物质,当复合物质剖析后,种种原子与组成复合物的原子一样。这是异常简朴的原子还原论,在注释化学反应中异常乐成。道尔顿将氢原子的重量界说为1,从而推出其他元素的原子重量,不外他的效果并不准确。

阿伏伽德罗是对原子论做出杰出贡献的第二小我私家。他提出,在相同温度和相同压强下,同样体积的差别种类的气体含有同样多的分子,也就是说,气体的体积与分子的重量无关。阿伏伽德罗通过这个定律推出水分子含有两个氢原子和一个氧原子,由于两个体积的氢气和一个体积的氧气结合成水蒸气。阿伏伽德罗由此加倍准确地丈量出了氧原子的重量。厥后,单元质量中的气体含有原子的个数被界说成阿伏伽德罗常数,例如,1克氢含有的氢原子个数可以被看成是阿伏伽德罗常数。厥后,12克碳12中含有的碳12原子的个数被约定为阿伏伽德罗常数。

只管化学局限的原子论在注释化学反应时很乐成,但许多人仍不能接受原子论,由于他们无法直接“看到”原子。在原子论提出不久,英国植物学家布朗发现了布朗运动:花粉颗粒在水中做不规则运动。直到20世纪初,爱因斯坦等人才通过原子论乐成地注释了布朗运动,原来,花粉颗粒在水中受到大量水分子的碰撞,每次受到的碰撞合成的力不能能完全一样,由此发生了看似无规则的运动。爱因斯坦通过盘算注释了布朗运动的纪律,即花粉走的直线距离与时间的平方根成正比,正比系数与阿伏伽德罗常数有关。在物理学家用布朗运动实验测定阿伏伽德罗常数之后,现代原子论才获得认可。

以上谈的是地球上常见物质的原子和分子注释。若是我们将这些物质称为通俗物质,那么,是否存在不能简朴地用原子和分子注释的非通俗物质呢?

若是原子像古希腊哲学家想象的那样绝对不能分,那么,应该不能能存在非通俗物质。

这个结论错了,简直存在非通俗物质,例如等离子体、白矮星物质、中子星物质,甚至夸克星物质,以及已经在实验中发现的夸克-胶子等离子体。这些异常物态的存在,与原子再分后的加倍“基本”的粒子的存在有关。例如,等离子体和白矮星物质的存在与电子、离子以及原子核有关,中子星物质与中子有关,夸克星物质以及夸克-胶子等离子体与夸克以及胶子的存在有关。

在讨论这些非通俗物质之前,我们照样将通俗物质分一下类。在地球上,自然的物质状态有四类。

首先是气体,这也是化学家在研究元素性子的历程中利用得最多的物质状态。一个气体可以由一种原子组成,如氦气、氖气,也可以是一种分子组成,如氢气、水蒸气、二氧化碳气体,也可以是夹杂的,如地球上的大气。

气体的主要特征是原子或分子之间的间距很大,因此它们之间险些没有什么相互作用,每个原子或分子在气体中相对自由地运动,也由于云云,气体容易流动、变形,同时也不容易被考察。气体的分子或原子之间存在碰撞,这些分子或原子碰撞两次的地址之间的距离叫作自由程。自由程很大的气体我们叫作理想气体,这是最早被研究的气体,宏观上很容易形貌,例如我们用温度、压强就能够形貌一个理想气体了,而一个理想气体所占的体积可以由温度和压强推算出来。推算的公式叫作状态方程,最早发现这个方程的是波义耳。

有趣的是,我们通常所见的氧气和氢气并不是由原子组成的,而是由双原子形成的分子组成的,真正的单原子气体是惰性气体,如前面提到的氦气和氖气。

当气体的温度降低,或者压强增大时,气体的分子、原子之间的碰撞频率增大,自由程变小,这时的气体已经不是理想气体了,气体的状态方程变庞大了。到了一定水平,气体就会发生相变,酿成液体。例如,水蒸气在一个大气压下当温度降到100℃以下时成为液体水,氧气的温度降到90K时才成为液体,氢气必须将温度降到33K时才气成为液体,而氦气则需要降到5K才成为液体。在地球上,我们经常用的低温液体是液态氮,最高温度是77K,跨越这个温度,氦就会蒸发为气体。

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物质处于液体状态时流动性照样很好,但分子或原子之间的间距大大变小,密度也更大。液体虽然另有流动性,但在压力之下体积转变率比气体小得多。我们知道,水是很难被压缩的。当液体的温度继续降低时,就会相酿成第三种常见的状态——固体或固态。

固体也是地球外面上最常见的状态,土壤和岩石是固体,金属也是固体。固体中的粒子之间的力很大,因此固体很难变形。然则,固态中的粒子排列千变万化,有的异常规则,有很高的对称性,这种状态叫晶体,典型的例子是钻石。多数固体中的粒子排列不规则,叫非晶态固体。有一种稀奇的固体,被发现时间很短,只有三十年,它的结构介于晶体和非晶体之间,叫准晶体。准晶体不像晶体那样有平移对称性(即在差别的地方看起来是一样的),却有一种巧妙的对称性子,如在空间转动五分之一周的对称性,这是晶体完全不能允许的。

当气体的温度升高到一定水平时,就会泛起物质的第四种状态——等离子态。温度足够高的气体会让分子或原子电离:其中的一些电子被引发进游离状态,这样,气体就含有自由电子和一些离子(失去电子的原子或分子)。等离子体的应用很普遍,从研究恒星的组成到人工受控热核聚变。

超重的矮子

在宇宙中,存在形形色色难以想象的天体。就质量密度来说,中子星和白矮星险些是冠军和亚军。

也许你会问,为什么说“险些”而不直接说这些天体就是冠军和亚军?这个问题我们留到最后再谈。

先说亚军白矮星。白矮星是一类恒星演化到最后的产物,这类恒星的质量和太阳类似,叫作主星序恒星。“矮星”这个名词用处挺广,例如我们的太阳是一颗黄矮星,它也在主星序中,寿命约莫是100亿年。天狼星是蓝矮星,温度比黄矮星高。比黄矮星外面温度低、质量也小一些的是红矮星,红矮星由于质量太小,不足以将氦元素聚合,从而不会在燃烧的最后阶段膨胀为红巨星。红矮星的寿命异常长,可达数百亿年。但红矮星还不是最小的恒星,最小的恒星是小到不能发生核反应的恒星,它们叫棕矮星,质量比太阳要小得多。棕矮星又叫褐矮星,外面温度也许会低到数百度。有人试图在科幻电影中用褐矮星掠过地球让地球急冻,我就建议将那颗褐矮星的温度设定为远远低于零度。这也许是可能的,只要这颗褐矮星的质量足够大。

现在,我们必须谈谈这一节的主角——白矮星。实在白矮星不属于主星序,与红矮星、黄矮星以及蓝矮星完全差别。一颗白矮星的质量与太阳质量相差不多,但它的半径却与地球相去不远,可见其密度之高。想想太阳的质量是地球质量的百万倍,这样,我们就很容易推想白矮星的质量密度是地球密度的百万倍,也就是说,白矮星上每立方厘米的物质高达数吨重。

这样高的密度是怎么来的?原来,当一颗恒星燃烧完后酿成红巨星时,它的内核将氦合成为碳和氧,这些元素的原子序数分别是6和8。若是内核的温度低于10亿度,核聚变就到此为止了。若是温度更高,碳会聚酿成更重的元素氖和镁,核聚变最后也会终止。在核聚变终止后,由于没有能量可以抗拒万有引力,内核会继续坍缩,直到电子气的压强取代聚变发生的压强来抵制住万有引力的作用。这样形成的矮星叫作白矮星。

那么,电子气的压强是什么?当物质被压缩到极大密度后,原子中的电子和原子核不再约束在一起,由于原子之间的距离已经小于原子的巨细,此时物质是原子核和电子形成的等离子体。若是电子气的密度过大,这样的等离子体不是简朴的以热能为特征的气体。我们知道,通俗有温度的气体中的自由粒子的动能与温度成正比,当气体被压缩到一定水平后,每个粒子的动能已经与温度无关,由于此时粒子必须知足量子力学中的不确定性原理了。

知足不确定性原理的粒子气体会怎么样呢?凭据不确定性原理,这样的粒子的动量与粒子所占的空间尺度成反比,动量是尺度倒数的整数倍。如果所有粒子是所谓的玻色子(自旋角动量是普朗克常数的整数倍),这些粒子会进入最低的能量态——玻色-爱因斯坦凝聚状态也是很有趣的态,但不是我们这里讨论的工具。由于电子不是玻色子,而是所谓的费米子,由于电子的自旋是普朗克常数的半整数倍,严格地说是二分之一倍,电子不能能都进入最低能量态。泡利在1925年就提出,电子知足不相容原理,任何一个量子状态中最多只允许有一个电子实现,例如,只有一个电子具备一个特定的速率和自旋偏向。我们能够想象,当电子气体被压缩到一定水平,量子态的数目有限,因此电子只能进入能量由低到高的每一个状态中,这样的电子气体的动能最低,这就是简并气体。

在简并气体中,大多数电子处于高于最低能量的状态中,以是多数电子都有动能,这就发生了压强。简并电子压强与单个电子所占的尺度成正比(由于动量与尺度成反比)。可以想象,当物质密度极高时,电子所占的平均空间尺度足够小,从而发生足够大的压强,足以抵制万有引力,于是白矮星就形成了。简朴的盘算告诉我们,质量越大的白矮星,其半径越小,由于它的引力越大,从而需要更高的密度来发生更大的电子压强。有人会问,为什么只思量电子压强而不思量原子核压强?这是由于在碳和氧为主的白矮星中,这些原子核都是玻色子,不能形成简并气体。

若是白矮星过重,密度可能大到使得多数电子处于靠近光速运动的状态,此时,压强到达极限,这个极限就叫钱德拉塞卡极限。当质量跨越这个极限时会发生什么?理论上,质量比这个极限更大时,万有引力跨越了简并压强,白矮星继续坍缩,一直坍缩到所有电子都和原子核中的质子合并成中子,这些中子与原子核中原来的中子形成新的简并气体,这个气体的压强比简并电子气体的压壮大得多,可以抵制更强的万有引力,当平衡到达后,就形成中子星,这是下一节将要讨论的内容。

许多情况下,白矮星会从它的伴星吞食物质,于是白矮星的质量会越变越大,在质量跨越钱德拉塞卡极限那一刻,并不会发生中子星,而是发作成超新星。这种超新星只是所有超新星中的一种,在宇宙学研究中占有很主要的职位,由于它们的亮度对照一致,是所谓的尺度烛光,可以用来估算超新星距离我们有多远。这些超新星就是著名的Ia型超新星。

在宇宙中,多数白矮星的质量在0.6个太阳质量左右,最轻的白矮星只有太阳质量的五分之一不到,而白矮星的质量极限原则上就是钱德拉塞卡极限,约莫是1.4个太阳质量。

多数白矮星内部的温度是1000万摄氏度,而外壳的温度最低可达10 000摄氏度,以是它们发出的光的频率都很靠近,即白光,这是白矮星得名的缘故原由。随着白矮星慢慢地辐射热量,温度会降低,原则上,白矮星可以将所有热量都辐射完,成为“黑矮星”,但辐射完所有热量需要的时间比宇宙现在的岁数还要长得多,以是并不存在“黑矮星”。

物理学家和天文学家对白矮星的物质结构领会得并不周全,有人推测,白矮星物质中的大部门可能是晶体而不是等离子体。

更重的矮子

当恒星的坍缩质量跨越钱德拉塞卡极限,即1.4个太阳质量时,白矮星中的电子简并压强不足以抵制引力,就可能会形成中子星。在这里,我们用“可能”二字的缘故原由是,白矮星也许会在完全坍缩之前抛出一部门特质,从而不会形成中子星。

若是母恒星的质量远大于太阳质量,却小于10个或20个太阳质量,在恒星生命的最后阶段,由于核合成(轻原子核合并为较重的原子核)削减导致辐射压不足以蒙受引力,恒星先是坍缩,在坍缩历程中发生极高的温度从而引发超新星发作,超新星发作的亮度可以跨越一个星系的亮度。在超新星发作之后的遗迹中,可能泛起中子星。若是恒星中的金属元素许多,那么质量很大的恒星在超新星发作之后,遗迹也可能是中子星,而不是质量更重的黑洞。

通常,中子星的质量在1.4-3.2个太阳质量之间,若是恒星核在发作之后要重于这个局限的上限,黑洞的形成就不能避免了。在中子星中,寻常的理论以为物质态处于中子的简并气体状态。由于中子更重,其简并气体中的两个中子之间的距离要远远小于简并电子气体中的两个电子之间的距离,以是中子星物质态更重。

我们可以简朴地估量一下中子物质态的密度。中子的巨细约莫是10-13厘米,质量约莫是10-27千克,若是中子星物质态的相邻中子之间相距约莫就是中子的巨细,那么中子物质态的密度就是每立方厘米1012千克。确实,更准确的盘算告诉我们,中子星的平均密度在3.7×1011~5.9×1011千克每立方厘米之间。也就是说,一立方厘米的中子物质重量到达惊人的数千亿吨,一勺中子物质就到达数万亿吨。

我们再通过中子态密度来估量中子星的巨细。这很简朴,中子星的质量与太阳质量在一个量级,即2×1030千克,若是中子星的半径约莫是10千米,那么它的体积约莫是1018立方厘米,这样,这颗中子星的密度正好就是中子物质的密度。因此,中子星的半径约莫是10千米。

这么重的中子态当然会发生壮大的引力。在中子星外面,万有引力是地球外面万有引力的1000亿倍。

虽然天文学家早就发现了中子星,但对中子星的结构观测到的数据并不多。至今,中子星结构理论另有许多的预测。好比,有的物理学家以为,当中子星的质量跨越两个太阳质量时,物质态就不再是简并中子气体,而是夸克气体。也就是说,中子的结构也被破坏了,中子和中子之间不再存在显著的界线,它们内部的夸克酿成气体中的“自由粒子”。这种星叫夸克星。

现在的盛行理论以为,至少在中子星的内核,约莫半径为3千米以内,物质态是夸克-胶子等离子体,也就是说,这种“气体”是由比中子和质子加倍基本的夸克和胶子组成的。已往数年,物理学家通过实验和理论发现,夸克-胶子等离子体不完全是气体,而是一种黏滞性极小的液体。这些新发现将会对中子星的研究有所辅助。在半径3~9千米之间,中子星的物态是中子和质子形成的一种费米液体。在费米液体中,粒子之间存在很强的作用,但液体性子很像简并气体。在半径9~10千米或9~11千米之间,是电子、中子和原子核的夹杂物。在这一层之外,即中子星的最外层,物态就是原子核和电子简并气体了。

中子星除了奇高的物质密度和壮大的万有引力,另有其他极端性子,如自转速率到达每秒几周,甚至每秒几百周。由于中子星的超高速自转,它还会发生很强的磁极,磁极的存在导致带电粒子在磁场中辐射X射线和射电,天文学家正是通过发现“脉冲星”才发现中子星的,“脉冲星”就是辐射射电的中子星。

到此为止,我们知道中子星和白矮星是天体中密度最高的两种,分别是冠军和亚军,然则,若是夸克星存在,它们就只能屈居亚军和季军了。

跨越10个或20个太阳质量的恒星在燃烧的最后阶段可能坍缩成黑洞,我们在第四章中已经讨论过黑洞了。虽然黑洞在更小的区域具有更大的质量,但我们很难说它们有更大的密度,由于纵然在黑洞内部,其空间也大部门是真空,而质量却一直向某个奇点坍缩。

水滴态可能存在吗?

这个问题的谜底在我看来是简朴的“不存在”。

首先,《三体》中直接说了,水滴的质量不大,在10吨以下,刘慈欣也直接说了不是中子物质造的。

其次,它的分子结构异常严密,应该是一种晶体,纵然在放大1000万倍后,地球人照样看不到它的不滑腻之处,分子排列有序且没有任何振动。放大1000万倍,我们原则上可以瞥见一纳米了,也就是说,险些能瞥见原子或分子了。

刘慈欣假设这种物质结构是由强相互作用力控制的。这个假设不能能准确。很简朴,若是物质的基本组成照样分子和原子,那么强相互作用力是核子(即质子和中子)之间的力。这种力的力程由介子的质量决议,也就是约莫10-12厘米,这个距离比氢原子的巨细还要小四个量级,以是,强相互作用力在原子组成的质料中不会起到任何作用。

另一个可能是,质料不是由原子和分子组成的,而是由加倍基本的粒子夸克和胶子组成的,但若是假设夸克是“自由粒子”(夸克之间的距离要比中子的半径还要小),这种物质的密度就太大了,水滴的物质就像夸克星中的物质了。因此,这也不能能。结论是,水滴质料的控制力不能能是强相互作用力。

若是硬要水滴的设定建立,我们必须假设一种新型固体。这种固体也许存在,只是尚待人们去发现。我以为,石墨烯就是类似水滴需要的质料,不外是二维的,不是三维的。石墨烯是由碳原子组成的二维的网状结构,只有一个碳原子厚,若是放大,就会发现它的基本结构是蜂巢状的。虽然只有一个碳原子厚,但一平方米巨细的石墨烯可以蒙受一只猫的重量,也就是说,石墨烯异常结实。

石墨烯的发现让它的发现者获得了2010年度诺贝尔物理学奖。

也许,水滴的质料是一种三维的石墨烯,但还没有任何物理学家敢于想象组成它的是什么原子。

《<三体>中的物理学》,李淼著,湖南科学技术出书社2019年5月

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