我给《三体》当科学顾问

本文来自微信公众号：GQ报道 （ID：GQREPORT），作者：刘倩，题图来自：《三体》

最近电视剧《三体》热播，刘慈欣的“硬核”科幻再次掀起讨论热潮。为了将小说中的物理学设定尽量真实地展现出来，《三体》剧组邀请了天体物理、粒子物理、纳米等诸多领域的科学顾问，将小说中的天马行空，落地成一个个扎实可信的电视画面。

本文作者刘倩是《三体》电视剧的科学顾问之一，他是中国科学院大学物理科学学院副教授，博士生导师，研究方向是粒子物理实验。在《三体》的科学顾问团中，刘倩负责的粒子物理部分，主要体现在最初几集年轻的女物理学家杨冬的故事线上。

而在真实的科研世界中，刘倩从事的粒子物理研究领域，也面临着和《三体》中一样的机遇与挑战，“研究中的试错过程自然让人沮丧，但最终得到结果时的喜悦，会让人感觉之前的付出完全值得。”

“不要回答，不要回答，不要回答”

“三体正在拍电视剧，需要在科学方面提供一些指导，你感兴趣么？”2020年4月19号，同为本科生班主任的鲍麟教授给我打电话问道。

“三体？是刘慈欣的《三体》小说吗？“我的头脑里立刻闪现出三体星人使用智子封锁地球科技的情节。

“是的，就是那个《三体》！“

拿着手机的我停下了手上的工作，脑袋里只有三句话：不要回答、不要回答、不要回答！

但我说出口的却是：“当然了，我很感兴趣！”

我最早接触刘慈欣的科幻小说，是被大家称为“三体前传”的《球状闪电》。“球状闪电”这一自然现象是我小时候在《十万个为什么》里读到的，我至今记得书里的描述，“那是一团直径约10～20厘米的带电气体球，它很轻，能随风飘移……有一年球形闪电紧跟在飞快奔跑的野兔后边进入草丛。事后发现那里有一团被烧焦的草丛和一只死兔。”

因此，小时候每逢雷雨天，我都会趴在窗户上盯着外面的天空，仔细搜索着球状闪电的踪迹，结果自然是一无所获。读博士期间，我在书店看到了刘慈欣的《球状闪电》，一口气从头读到尾。书中吸引我的，除了故事情节环环相扣，还有对于“球形闪电是宏电子”这一假设的验证过程。

验证的整体思路和我们在真实世界中进行科学研究的过程非常相似：观测到一种特殊的实验现象（球形闪电），进而用现有的物理理论对其进行描述，经过多次迭代后发现现有物理理论不能描述这一实验现象（用电磁学无法描述球形闪电，而且无法在实验上重复制造出球形闪电），提出新的假设后发展新的理论并进行预言（科学家丁仪提出宏电子假设），最后在实验上确实按照新的理论观测到了所预言的现象（设计电网实验成功制造出多个球形闪电）。大刘的想象力令人惊叹，当然，现实中“宏电子”肯定是不存在的。

在《三体》中，同样有许多球形闪电一样的科学概念和设定，那么该如何去展现这些设定呢？郄国伟导演打电话对我说，“我们希望拍的是硬科幻，因此希望您能够将相关科学设定设计得越真实越好！”这也成为了后续我们在进行物理设定中的一个准则。

我很快联系了本校高能物理所、理论物理所、技术物理所和国家天文台的多位老师，我们和三体剧组的合作就这样建立起来了。

棘手的难题之一

三体书中提出了许多物理学的设定，但很多内容在书中是一笔带过，而且出场人物更多像“工具人”，有一种站在上帝视角（三体星人的视角）俯瞰人类的感觉。因此要将其拍出来，就需要补充大量信息。郄导将拍摄所需的科学内容提炼了出来，其中有7个问题与我负责的粒子物理相关，没想到，第一个问题就直接难住了我们。

电视剧是从女科学家杨冬自杀的故事拍起的，但在书中，关于杨冬的直接描述其实很少，更多是通过汪淼、丁仪（是的，就是《球状闪电》中的丁仪）及杨冬母亲叶文洁的对话侧面展现的。为了丰富她的形象，《三体》剧中为杨冬安排了一条活动线：良湘加速器基地发现了奇怪的实验现象，邀请弦论物理学家杨冬来帮忙计算；杨冬在加速器基地进行了三次实验，实验结果均不同；杨冬同时也进入加速器装置内部进行检查，但没有找到原因，最后得出“物理学不存在了”这一结论。

《三体》中2008年的良湘加速器上的对撞机

现实中的对撞机：作者参与的BESIII子系统安装建造过程，拍摄于2005年

所以，第一个问题就是：“杨冬在加速器基地上一直在忙碌计算，她在计算什么？”

关于这个问题，我和几位老师讨论了好几次，一晃一个月过去了，一直没有答案。为什么这个问题这么难回答呢？（下面的解释我尽量通俗，但不可避免还是有些艰涩，先说声抱歉了）。

自然界一共有四种相互作用力： 强相互作用力、弱相互作用力、电磁相互作用力及万有引力。标准模型（Standard Model）是粒子物理学中一套描述前三种基本作用力及组成所有物质的基本粒子的理论，而且几乎所有以上三种力的实验结果都符合这套理论的预测（但中微子振荡说明标准模型理论仍不完备）。为了将引力也加入到大统一的模型里，弦论就是理论物理学家使用的武器。

但是要验证弦论是否正确，需要将粒子加速到一个非常高的动能（即普朗克能标，是我们目前所有物理理论能描述的最高的能标，其数值为1.2×10¹⁹GeV）。但是在现实世界，即使是欧洲核子中心，也仅仅能将质子加速到10³GeV量级，远远达不到验证弦论所需要的能量。

“可不可以修改某些物理学参数，使得我们可以在低能下来验证弦论呢？”我望向孙雅文，她是一位年轻有为的弦论理论物理学家。

“那就有好多超出标准模型的物理理论，但目前都是假设，选哪个合适呢？”大家都想借此机会向大众科普正确的物理知识，而不是一个假设的理论，因此讨论再一次在沉默中结束。

如果设定杨冬的实验是验证弦论，那么即使以目前加速能力最强的“激光等离子体尾场加速”方案，也只能到GeV/cm量级。抛开现实中工程实现和能源上的种种限制，仍然需要10¹³km的轨道，而地球绕太阳的轨道距离才只有10⁸km。因此如果杨冬在良湘加速器上已经可以开展弦论实验研究，那人类的科学技术水平一定是超级先进了，甚至制造出三体人的智子也不是不可能的。

“如果人类真的可以在地球上制造出可以验证弦论的对撞机，那么三体星人根本不足为惧。”当晚，我在和郄导通电话的时候说。

“我明白了，那我们能不能换一个思路？”

和郄导沟通后，我才意识到，我们陷入了将科幻设定当作科学课题的牛角尖里了。正如刘慈欣在某次访谈时说的，“在科幻小说里来找技术漏洞，那您真是来对地方了！”科幻再“硬核”，内容总归是要为故事情节服务的。

于是，我们转换了思路，不是先讨论杨冬计算的具体物理内容，而是先确定她是在哪里做实验的。毕竟故事的三要素是：时间，地点，人物。

我国目前正在运行的大型加速器装置有两台：一台是位于中国科学院高能物理研究所的北京正负电子对撞机（BEPCΙΙ），另一台是中国科学院近代物理研究所的兰州重离子研究装置（HIRFL）。

杨冬设定为弦论理论物理学家，更贴近BEPCΙΙ上北京谱仪BESΙΙΙ正在开展的粒子物理方面的研究。于是，我们决定将实验地点确定为北京正负电子对撞机。正好电视剧里良湘（乡）加速器的设定也是在北京。

《三体》剧照

果然，当沿着一个方向走到死胡同时，抬起头来换个思路就豁然开朗了，这一点和搞科研也挺像的。

棘手的难题之二

确定了实验地点后，杨冬所计算的题目范围就大大缩小了。

“《生活大爆炸》（The Big Bang Theory）里有一个很有意思的场景：谢尔顿有道题算不出来输掉了竞赛，还记得么？”吴佳俊是一位极富朝气的强子理论物理学家，也是《生活大爆炸》的影迷。

“是电子e和缪子μ的散射么？”

“那我们这里可以用巴巴Bhabha散射过程啊，这么一个经典过程，在量子场论课上都会要求计算的！”大家你一言我一语的讨论起来。

《生活大爆炸》的第一季第十三集中，谢尔顿卡在了物理碗（physics bowl）知识竞赛中的最后一题，而一旁的“扫地僧”门卫大叔只瞄了一眼，就轻松地把正确答案回答了出来。这一题其实就是要计算电子e和缪子μ的散射振幅。电子和缪子是两种轻子，都带负电荷。它们通过交换一个光子来发生电磁相互作用。

Bhabha巴巴散射是正电子e+和负电子e-的散射过程。其计算过程和电子缪子散射相似。从名字就可以看出来，Bhabha散射是北京正负电子对撞机BEPC上最容易观测到的物理过程。

确定了杨冬的计算内容后，我们又卡在了第二道题上。杨冬在一天内进行了三次实验，三次结果都不一样，而且曼费教授在实验结束前就收到了结果。这些事情导致杨冬认为物理学不存在了，从而留下了遗书。那么，这三次到底是做的什么实验？三次不一样的结果是什么样的？如何通过电视剧展现出来？

“曼费教授很明显就是费曼倒过来的呀。”看到编剧发过来的剧本，我立马说道。

“是的。这里就是特意这样设定的。”

“但是物理学家如果发现三次实验不一样，肯定会去检查是不是分析有错误啊。而且实验数据量那么大，不可能一天就分析完，更何况还要做系统误差分析呢。”

话一说完，我就意识到自己又开始钻牛角尖了。

“想要在一天之内完成三次实验，要收集到足够的事例数，并且能完成实验数据分析，那一定要选一个粒子，它的产生率很高，本底干净，同时去观察这个粒子在物理上很难发生的一个衰变过程。”回到办公室，我和同事吕晓睿开始讨论。

“要不选J/ψ到电子e和缪子μ的轻子味破坏的过程？”吕晓睿是一位优秀的实验物理学家，此时他正带领着学生在做这个物理道的数据分析。

“太好了！这样我们也可以快速产生一些蒙卡数据的实验结果提供给剧组。”

难懂的理论又来了，请读者姑且忍耐一下，也可以直接略过。J/ψ粒子是由一对正反粲夸克组成的介子，由物理学家丁肇中、Burton Richter于1974年发现，并获得了1976年的诺贝尔物理学奖。BEPCΙΙ/BESΙΙΙ设计工作在陶/粲能区，截止2019年2月11日，已经获取了100亿的J/ψ粒子样本，这也是世界上最大的J/ψ粒子样本。“100亿 J/ψ事例的采集成功将使BESⅢ实验能以前所未有的精度寻找和研究奇特强子态、精确检验强相互作用。”

在标准模型中，轻子的味道（即轻子的种类）是守恒的。电子伴随的一定是电子型的中微子，缪子伴随的一定是缪子型的中微子，而且电子不会变成缪子。用俗话说就是“龙生龙子，凤生凤子”。但是实验中人们已经观测到了中微子振荡。例如大亚湾中微子实验，就是通过测量电子型中微子变成其他类型中微子的比例得到了中微子θ13的振荡参数。“龙子在飞行一段距离后变成了凤子”。很自然的，科学家们开始寻找带电轻子味破坏（LPV）的过程，也就是在寻找“龙变成凤”的过程。目前这一过程被认为是最有机会发现新物理的黄金观测道，吸引了国际上许多实验正在开展测量。

有意思的是，BESIII上这一个物理分析的工作也在2023年2月份正式刊物发表，正好是《三体》热播期间。

《三体》中的良湘加速器

现实中的BEPC-II加速器中的直线加速器

杨冬终于拿到了数据

按照最初剧本的设计，杨冬于2007年8月20日总共进行了三次实验，每次实验30分钟。

“30分钟太少了，正常BES取数一个run最短也有约1个小时，长的时候有10个小时。”

“可以延长，但是整个实验最好在半天内完成。”

与剧组沟通完，我立即联系了侯颖锐博士。“可是2007年BESII已经停止运行了呀。”侯颖锐博士跟我说道。她也和我一样钻进了牛角尖。

“可以是平行世界的嘛。”我打趣地说道，然后突然发现用平行世界这一概念，可以很容易让我们跳出原本的思维定式。

于是我们开始讨论杨冬的实验数据细节。

其实，2020年正在运行的是北京谱仪升级后的第三期BESIII。因此我们决定就直接借用BESIII的束流运行数据，采用BESIII的软件模拟框架，产生了一批J/ψ到电子e和缪子μ的蒙特卡洛模拟数据。

分别带有正负电荷的电子e与缪子μ的径迹偏转方向不同，因此，从数据结果图中，有经验的粒子物理学家一眼就可以识别出这是带不同电荷的电子e和缪子μ，如果出现了不同寻常的实验结果，科学家也可以马上看出来。这也贴合了三体剧本里的设定，杨冬在拿到数据结果后，很快就发现了异样。

电视剧播出后，我们发现剧组将杨冬的实验时间改为了2007年8月2号，但并没有改对应的星期，于是出现了一个小穿帮。“没事，也许在另一个平行宇宙里，2007年8月2号就是星期天呢。”果然，平行宇宙的概念一下子就让我们释怀了。

从三体回到现实

通过大家的努力，我们终于完成了粒子物理部分的设定，并发给了三体剧组。郄导几次邀请我去参观拍摄现场，甚至还来到高能物理所取景，但造化弄人，均未能谋面。今年三体剧热播，大家对剧中细节的刻画称赞不已。我们能够为国产科幻电视剧贡献绵薄之力，深感荣幸。

和《三体》中展现的一样，现实中的科学研究也不是一帆风顺的，这也是我喜欢《球状闪电》一书的原因。在现有理论都无法完美解释某一物理现象的情况下，恰恰说明需要有新的理论出现。

1900年，英国著名物理学家威廉·汤姆生在英国皇家学会发表了题为“在热和光动力理论上空的十九世纪的乌云”的演讲。在此之前，物理学被认为“是一门高度发展的、几乎是臻善臻美的科学”，而汤姆生提出“两朵乌云”，说明物理学仍需继续发展、突破，甚至重建。

19世纪末，物理学的“两朵乌云”变成了量子论和相对论，将当时构建的物理大厦彻底重筑。现如今，“暗物质”和“暗能量”则是现有物理学领域两朵新的乌云。因此，和《三体》中不同，当发现实验现象超出预期时，科学家们更多的是会欢欣鼓舞，同时对实验结果进行细致分析。研究中的试错过程自然让人沮丧，但最终得到结果时的喜悦，会让人感觉之前的付出完全值得。

《三体》中用了非常多的篇幅介绍科学家对粒子物理和天体物理的研究，恰恰是因为，这两个学科是人类在突破极限上的两个重要研究方向。“我们是什么，我们从哪里来，我们到哪里去”，人类天然怀有对这三个问题的好奇心。向内看，去探索物质的内部结构和相互作用，同时向外看，看天体的运动和宇宙的演化。

《三体》中写道：“我们（三体人）需要一个决定性的行动，彻底窒息地球的科学，使其锁死在现有水平。在这里，我们需要抓住重点：科学技术的全面发展取决于基础科学的发展，而基础科学的基础又在于对物质深层结构的探索……每个智子可以控制多达一万台次高能加速器，使地球上的物理学家们永远无法窥见物质深处的秘密，地球文明的科学技术也不会有本质的突破，它们将永远处于原始时代。”

《三体》剧照

而三体人之所以要通过“智子”来阻碍杨冬的对撞机实验，也是因为粒子物理是最终给人类带来突破性变革的源动力，在现实世界中也确实如此。粒子物理作为一门基础学科，是科学的最前沿，也是技术的最前沿，有1/3的诺贝尔奖与之有关。粒子物理的研究，就像科技创新的发动机，带动了整个科技的产业链。

在上个世纪，我国缺席了粒子物理的大部分重要发现，但经过科学家们的努力，已经将我国的粒子物理发展至前所未有的水平。时至今日，我国不仅在加速器物理方面取得了丰硕成果，在非加速器物理方面，如大亚湾中微子实验，锦屏地下实验室的PANDAX与CDEX项目，“慧眼”硬X射线调制望远镜卫星，“悟空”号暗物质粒子探测卫星，高海拔宇宙线观测站等，同样也取得了令人瞩目的成就。

随着国力的发展，我国下一代的大科学装置正在设计建设或预先研究中。作为一个粒子物理领域的研究者，我能够参与其中，是一件非常幸福的事。  

本文来自微信公众号：GQ报道 （ID：GQREPORT），作者：刘倩