原創 劉倩 GQ報道

最近電視劇《三體》熱播，劉慈欣的“硬核”科幻再次掀起討論熱潮。為了將小說中的物理學設定盡量真實地展現出來，《三體》劇組邀請了天體物理、粒子物理、納米等諸多領域的科學顧問，將小說中的天馬行空，落地成一個個扎實可信的電視畫面。

本文作者劉倩是《三體》電視劇的科學顧問之一，他是中國科學院大學物理科學學院副教授，博士生導師，研究方向是粒子物理實驗。在《三體》的科學顧問團中，劉倩負責的粒子物理部分，主要體現在最初幾集年輕的女物理學家楊冬的故事線上。

而在真實的科研世界中，劉倩從事的粒子物理研究領域，也面臨著和《三體》中一樣的機遇與挑戰，“研究中的試錯過程自然讓人沮喪，但最終得到結果時的喜悅，會讓人感覺之前的付出完全值得?！?/p>

我們陸續請了各個行業的資深人士寫作專欄。我們希望以這種方式，拓展新聞熱點之外的內容邊界，展示智識，思考與美?！安灰卮?，不要回答，不要回答”

“三體正在拍電視劇，需要在科學方面提供一些指導，你感興趣么？”2020年4月19號，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出三體星人使用智子封鎖地球科技的情節。

“是的，就是那個《三體》！“

拿著手機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》。“球狀閃電”這一自然現象是我小時候在《十萬個為什么》里讀到的，我至今記得書里的描述，“那是一團直徑約10～20厘米的帶電氣體球，它很輕，能隨風飄移……有一年球形閃電緊跟在飛快奔跑的野兔后邊進入草叢。事后發現那里有一團被燒焦的草叢和一只死兔?！?/p>

因此，小時候每逢雷雨天，我都會趴在窗戶上盯著外面的天空，仔細搜索著球狀閃電的蹤跡，結果自然是一無所獲。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，除了故事情節環環相扣，還有對于“球形閃電是宏電子”這一假設的驗證過程。

驗證的整體思路和我們在真實世界中進行科學研究的過程非常相似：觀測到一種特殊的實驗現象（球形閃電），進而用現有的物理理論對其進行描述，經過多次迭代后發現現有物理理論不能描述這一實驗現象（用電磁學無法描述球形閃電，而且無法在實驗上重復制造出球形閃電），提出新的假設后發展新的理論并進行預言（科學家丁儀提出宏電子假設），最后在實驗上確實按照新的理論觀測到了所預言的現象（設計電網實驗成功制造出多個球形閃電）。大劉的想象力令人驚嘆，當然，現實中“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概念和設定，那么該如何去展現這些設定呢？郄國偉導演打電話對我說，“我們希望拍的是硬科幻，因此希望您能夠將相關科學設定設計得越真實越好！”這也成為了后續我們在進行物理設定中的一個準則。

我很快聯系了本校高能物理所、理論物理所、技術物理所和國家天文臺的多位老師，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的設定，但很多內容在書中是一筆帶過，而且出場人物更多像“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，就需要補充大量信息。郄導將拍攝所需的科學內容提煉了出來，其中有7個問題與我負責的粒子物理相關，沒想到，第一個問題就直接難住了我們。

電視劇是從女科學家楊冬自殺的故事拍起的，但在書中，關于楊冬的直接描述其實很少，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話側面展現的。為了豐富她的形象，《三體》劇中為楊冬安排了一條活動線：良湘加速器基地發現了奇怪的實驗現象，邀請弦論物理學家楊冬來幫忙計算；楊冬在加速器基地進行了三次實驗，實驗結果均不同；楊冬同時也進入加速器裝置內部進行檢查，但沒有找到原因，最后得出“物理學不存在了”這一結論。

三體中2008年的良湘加速器上的對撞機

現實中的對撞機：作者參與的BESIII子系統安裝建造過程，拍攝于2005年

所以，第一個問題就是：“楊冬在加速器基地上一直在忙碌計算，她在計算什么？”

關于這個問題，我和幾位老師討論了好幾次，一晃一個月過去了，一直沒有答案。為什么這個問題這么難回答呢？（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： 強相互作用力、弱相互作用力、電磁相互作用力及萬有引力。標準模型(Standard Model)是粒子物理學中一套描述前三種基本作用力及組成所有物質的基本粒子的理論，而且幾乎所有以上三種力的實驗結果都符合這套理論的預測（但中微子振蕩說明標準模型理論仍不完備）。為了將引力也加入到大統一的模型里，弦論就是理論物理學家使用的武器。

但是要驗證弦論是否正確，需要將粒子加速到一個非常高的動能（即普朗克能標，是我們目前所有物理理論能描述的最高的能標，其數值為1.2×1019GeV）。但是在現實世界，即使是歐洲核子中心，也僅僅能將質子加速到103GeV量級，遠遠達不到驗證弦論所需要的能量。

“可不可以修改某些物理學參數，使得我們可以在低能下來驗證弦論呢？”我望向孫雅文，她是一位年輕有為的弦論理論物理學家。

“那就有好多超出標準模型的物理理論，但目前都是假設，選哪個合適呢？”大家都想借此機會向大眾科普正確的物理知識，而不是一個假設的理論，因此討論再一次在沉默中結束。

如果設定楊冬的實驗是驗證弦論，那么即使以目前加速能力最強的 “激光等離子體尾場加速”方案，也只能到GeV/cm量級。拋開現實中工程實現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可以開展弦論實驗研究，那人類的科學技術水平一定是超級先進了，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證弦論的對撞機，那么三體星人根本不足為懼。”當晚，我在和郄導通電話的時候說。

“我明白了，那我們能不能換一個思路？”

和郄導溝通后，我才意識到，我們陷入了將科幻設定當作科學課題的牛角尖里了。正如劉慈欣在某次訪談時說的，“在科幻小說里來找技術漏洞，那您真是來對地方了！”科幻再“硬核”，內容總歸是要為故事情節服務的。

于是，我們轉換了思路，不是先討論楊冬計算的具體物理內容，而是先確定她是在哪里做實驗的。畢竟故事的三要素是：時間，地點，人物。

我國目前正在運行的大型加速器裝置有兩臺：一臺是位于中國科學院高能物理研究所的北京正負電子對撞機(BEPCΙΙ)，另一臺是中國科學院近代物理研究所的蘭州重離子研究裝置(HIRFL)。

楊冬設定為弦論理論物理學家，更貼近BEPCΙΙ上北京譜儀BESΙΙΙ正在開展的粒子物理方面的研究。于是，我們決定將實驗地點確定為北京正負電子對撞機。正好電視劇里良湘（鄉）加速器的設定也是在北京。

《三體》劇照

果然，當沿著一個方向走到死胡同時，抬起頭來換個思路就豁然開朗了，這一點和搞科研也挺像的。

棘手的難題之二

確定了實驗地點后，楊冬所計算的題目范圍就大大縮小了。

“《生活大爆炸》（The Big Bang Theory）里有一個很有意思的場景：謝爾頓有道題算不出來輸掉了競賽，還記得么？”吳佳俊是一位極富朝氣的強子理論物理學家，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，這么一個經典過程，在量子場論課上都會要求計算的！”大家你一言我一語的討論起來。

Big bang的第一季第十三集中，謝爾頓卡在了物理碗(physics bowl)知識競賽中的最后一題，而一旁的“掃地僧”門衛大叔只瞄了一眼，就輕松地把正確答案回答了出來。這一題其實就是要計算電子e和繆子μ的散射振幅。電子和繆子是兩種輕子，都帶負電荷。它們通過交換一個光子來發生電磁相互作用。

Bhabha巴巴散射是正電子e+和負電子e-的散射過程。其計算過程和電子繆子散射相似。從名字就可以看出來，Bhabha散射是北京正負電子對撞機BEPC上最容易觀測到的物理過程。

確定了楊冬的計算內容后，我們又卡在了第二道題上。楊冬在一天內進行了三次實驗，三次結果都不一樣，而且曼費教授在實驗結束前就收到了結果。這些事情導致楊冬認為物理學不存在了，從而留下了遺書。那么，這三次到底是做的什么實驗？三次不一樣的結果是什么樣的？如何通過電視劇展現出來？

“曼費教授很明顯就是費曼倒過來的呀?！笨吹骄巹“l過來的劇本，我立馬說道。

“是的。這里就是特意這樣設定的?！?/p>

“但是物理學家如果發現三次實驗不一樣，肯定會去檢查是不是分析有錯誤啊。而且實驗數據量那么大，不可能一天就分析完，更何況還要做系統誤差分析呢?！?/p>

話一說完，我就意識到自己又開始鉆牛角尖了。

“想要在一天之內完成三次實驗，要收集到足夠的事例數，并且能完成實驗數據分析，那一定要選一個粒子，它的產生率很高，本底干凈，同時去觀察這個粒子在物理上很難發生的一個衰變過程。”回到辦公室，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？”呂曉睿是一位優秀的實驗物理學家，此時他正帶領著學生在做這個物理道的數據分析。

“太好了！這樣我們也可以快速產生一些蒙卡數據的實驗結果提供給劇組。”

難懂的理論又來了，請讀者姑且忍耐一下，也可以直接略過。J/ψ粒子是由一對正反粲夸克組成的介子，由物理學家丁肇中、Burton Richter于1974年發現，并獲得了1976年的諾貝爾物理學獎。BEPCΙΙ/BESΙΙΙ設計工作在陶/粲能區，截止2019年2月11日，已經獲取了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實驗能以前所未有的精度尋找和研究奇特強子態、精確檢驗強相互作用。”

在標準模型中，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，而且電子不會變成繆子。用俗話說就是“龍生龍子，鳳生鳳子”。但是實驗中人們已經觀測到了中微子振蕩。例如大亞灣中微子實驗，就是通過測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?！褒堊釉陲w行一段距離后變成了鳳子”。很自然的，科學家們開始尋找帶電輕子味破壞(LPV)的過程，也就是在尋找“龍變成鳳”的過程。目前這一過程被認為是最有機會發現新物理的黃金觀測道，吸引了國際上許多實驗正在開展測量。

有意思的是，BESIII上這一個物理分析的工作也在2023年2月份正式刊物發表，正好是《三體》熱播期間。

三體中的良湘加速器

現實中的BEPC-II加速器中的直線加速器

楊冬終于拿到了數據

按照最初劇本的設計，楊冬于2007年8月20日總共進行了三次實驗，每次實驗30分鐘。

“30分鐘太少了，正常BES取數一個run最短也有約1個小時，長的時候有10個小時?！?/p>

“可以延長，但是整個實驗最好在半天內完成。”

與劇組溝通完，我立即聯系了侯穎銳博士?！翱墒?007年BESII已經停止運行了呀?！焙罘f銳博士跟我說道。她也和我一樣鉆進了牛角尖。

“可以是平行世界的嘛。”我打趣地說道，然后突然發現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驗數據細節。

其實，2020年正在運行的是北京譜儀升級后的第三期BESIII。因此我們決定就直接借用BESIII的束流運行數據，采用BESIII的軟件模擬框架，產生了一批J/ψ到電子e和繆子μ的蒙特卡洛模擬數據。

分別帶有正負電荷的電子e與繆子μ的徑跡偏轉方向不同，因此，從數據結果圖中，有經驗的粒子物理學家一眼就可以識別出這是帶不同電荷的電子e和繆子μ，如果出現了不同尋常的實驗結果，科學家也可以馬上看出來。這也貼合了三體劇本里的設定，楊冬在拿到數據結果后，很快就發現了異樣。

電視劇播出后，我們發現劇組將楊冬的實驗時間改為了2007年8月2號，但并沒有改對應的星期，于是出現了一個小穿幫?！皼]事，也許在另一個平行宇宙里，2007年8月2號就是星期天呢?！惫?，平行宇宙的概念一下子就讓我們釋懷了。

從三體回到現實

通過大家的努力，我們終于完成了粒子物理部分的設定，并發給了三體劇組。郄導幾次邀請我去參觀拍攝現場，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，大家對劇中細節的刻畫稱贊不已。我們能夠為國產科幻電視劇貢獻綿薄之力，深感榮幸。

和《三體》中展現的一樣，現實中的科學研究也不是一帆風順的，這也是我喜歡《球狀閃電》一書的原因。在現有理論都無法完美解釋某一物理現象的情況下，恰恰說明需要有新的理論出現。

1900年，英國著名物理學家威廉·湯姆生在英國皇家學會發表了題為“在熱和光動力理論上空的十九世紀的烏云”的演講。在此之前，物理學被認為“是一門高度發展的、幾乎是臻善臻美的科學”，而湯姆生提出“兩朵烏云”，說明物理學仍需繼續發展、突破，甚至重建。

19世紀末，物理學的“兩朵烏云”變成了量子論和相對論，將當時構建的物理大廈徹底重筑?，F如今，“暗物質”和“暗能量”則是現有物理學領域兩朵新的烏云。因此，和《三體》中不同，當發現實驗現象超出預期時，科學家們更多的是會歡欣鼓舞，同時對實驗結果進行細致分析。研究中的試錯過程自然讓人沮喪，但最終得到結果時的喜悅，會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家對粒子物理和天體物理的研究，恰恰是因為，這兩個學科是人類在突破極限上的兩個重要研究方向?！拔覀兪鞘裁?，我們從哪里來，我們到哪里去”，人類天然懷有對這三個問題的好奇心。向內看，去探索物質的內部結構和相互作用，同時向外看，看天體的運動和宇宙的演化。

《三體》中寫道：“我們（三體人）需要一個決定性的行動，徹底窒息地球的科學，使其鎖死在現有水平。在這里，我們需要抓住重點：科學技術的全面發展取決于基礎科學的發展，而基礎科學的基礎又在于對物質深層結構的探索……每個智子可以控制多達一萬臺次高能加速器，使地球上的物理學家們永遠無法窺見物質深處的秘密，地球文明的科學技術也不會有本質的突破，它們將永遠處于原始時代。”

《三體》劇照

而三體人之所以要通過“智子”來阻礙楊冬的對撞機實驗，也是因為粒子物理是最終給人類帶來突破性變革的源動力，在現實世界中也確實如此。粒子物理作為一門基礎學科，是科學的最前沿，也是技術的最前沿，有1/3的諾貝爾獎與之有關。粒子物理的研究，就像科技創新的發動機，帶動了整個科技的產業鏈。

在上個世紀，我國缺席了粒子物理的大部分重要發現，但經過科學家們的努力，已經將我國的粒子物理發展至前所未有的水平。時至今日，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，如大亞灣中微子實驗，錦屏地下實驗室的PANDAX與CDEX項目，“慧眼”硬X射線調制望遠鏡衛星，“悟空”號暗物質粒子探測衛星，高海拔宇宙線觀測站等，同樣也取得了令人矚目的成就。隨著國力的發展，我國下一代的大科學裝置正在設計建設或預先研究中。作為一個粒子物理領域的研究者，我能夠參與其中，是一件非常幸福的事。

撰文：劉倩

圖源：豆瓣電影

原標題：《我給《三體》當科學顧問》

閱讀原文