11 当代科技的基石

宇宙很大，生活更大！喜马拉雅的朋友，您好，我是北京天文馆的齐锐，欢迎收听《齐说三体》。

上一集我们聊到，一百年前量子力学出现，由于它对宇宙的解释，与经典物理学有本质的不同，所以始终受到学术界的各种质疑。到了上个世纪60年代，在挑战量子力学的队伍中，出现了一位小将，他就是英国物理学家贝尔，他发现，可以根据自己提出来的贝尔不等式，来进行物理实验，对量子力学给予致命的打击，彻底巩固爱因斯坦为首的经典物理学的地位。尽管他提出这个想法的时候，爱因斯坦已经去世了。

这之后很多实验物理学家跃跃欲试，但由于实验条件要求太高，直到20年以后，80年代法国的物理学家阿斯派克特终于把这个实验完成了。

结果怎么样了呢？老天跟贝尔开了一个大大的玩笑，实验结果表明，贝尔不等式根本不成立，也就是说爱因斯坦的经典物理学无法正确解释量子力学，宇宙中的确可以存在量子纠缠和瞬时状态传输。在随后的十多年里，科学家们又利用非线性激光等各种手段，反复地试验，还有前面我们已经介绍过，中国2016年发射的墨子号量子通信试验卫星，已经在几千公里的距离上，进行了量子瞬时状态传输的实验。贝尔不等式在量子力学体系下不成立，已成为共识。贝尔本想利用不等式，证明量子力学的谬误，结果却进一步使得量子力学的完备性得到彰显。

说到这里，您可能在想量子力学确实好玩。只不过它只适用于那些很小很小的微观世界，我们根本看不到，它跟我们的日常生活并没有多大关系啊。如果是这样，您可就大错特错了。

量子力学自从出现以来，一百年间，取得了惊人的成功，它不但解释了微观的量子世界那些奇特的现象，而且它所作出的理论预言，至今被证明没有一项是错误的。毫不夸张地说，时至今日，量子力学已经成为从化学、生命科学直到宇宙学，从研究微观世界一直到宏观宇宙，每一门自然科学的基础。如果把当代科技，比作一座高大华美的大厦的话，那么量子力学就是这座大厦的基石，而且还是埋在地下，不为大多数人所知的那种。

我们需要量子力学的理论，来解释为什么会有阳光普照，为什么草是绿色的，电视机是如何产生图像的，以及宇宙是怎么从大爆炸演化来的。

就拿跟我们的生存和生活密切相关的事物来说吧。例如，我们平时最常见的植物的光合作用，植物靠光合作用固化空气中的碳，同时释放氧气，人类的生存完全离不开光合作用。但是它到底是怎么回事呢？经典物理学一直无法做出合理的解释，而它真正的原因，在于量子相干性的机制。

还有，我们是怎么闻到气味的？最初，人们以为是气体分子渗入体内的缘故，后来发现是气味分子与人体内的受体结合，通过分子的振动，释放电子，产生神经电讯号，最终传递到大脑，才产生的嗅觉。不同的气味分子，产生振动的频率不同，因此才让人产生不同的气味感。这种振动也是量子力学的效应之一。

除此之外，鸟类是怎么靠导航实现远距离飞行的？含有人类遗传基因的双螺旋结构DNA，是怎么会发生变异的？等等，这些都是量子生物学研究的内容。人们都说二十一世纪是生物学革命的时代，我想这一定离不开量子力学的助力。

中学我们都学过元素周期表，150年前门捷列夫发现组成物质的各种元素，性质有相似，排列也有周期现象，但是人们却一直不清楚为什么会有这种周期。直到量子力学出现，人们认识到原子外层的电子决定了原子的化学特性，泡利根据电子的量子自旋原理，提出了著名的泡利不相容原理，这才弄清了元素周期背后的道理。可以说，当代化学就是建立在量子力学基础上的。

另一方面，现代应用技术也离不开量子力学，当今每年占全球经济总量三分之一的产品，都依赖于以量子力学为基础的理论。量子力学早已经渗透到我们工作生活的方方面面。我随便举几个例子吧。

我们对激光都不陌生。它的应用很广。从激光笔、激光照明和娱乐，到激光手术、激光测距、激光焊接和切割。我们平时使用的网络，主要是靠光纤来进行连接和通信，而光纤中传导的主要就是激光，这是由于激光有高方向性、高相干性、高单色性等优点。爱因斯坦获得诺贝尔奖，就是因为他提出了光电效应的原理，而这正是量子力学的奠基性贡献之一。在这一量子力学理论的基础上人们发明了激光技术。可以说激光促成了当代的信息革命，从根本上改变了人类的生活。

再说说你每天握在手里的智能手机，也是量子力学应用的产物。因为量子力学是固体物理学的基础。而固体物理是半导体物理的基础。半导体物理又是集成电路的基础，而有了集成电路呢，才有了计算机和手机。如果没有集成电路的发明和研发，人类是不可能造出功能如此强大，体积又如此小的智能手机的。所以说啊，虽然量子力学研究的电子等等这些东西，你无法直观的看见，但你每一天你都把量子力学的应用装在口袋里、捧在手中，甚至连睡觉，也会把它放在枕边。对不对？

到此为止，你可能已经感受到了量子力学对当代人类社会的重要性吧。一句话，量子力学不但神奇，而且特别有用。而《三体》作为当代硬科幻小说的巅峰之作，大刘怎么可能不在里面埋下量子力学的梗呢？

总结一下，这两集中，我们从三体人的智子这个话题出发，聊了它的运作原理，还谈到了第二部里面的面壁者泰勒的量子幽灵战队计划。这些话题里面的脑洞，都有神奇的量子力学作为支撑。

好了，关于量子力学的科学话题，我们就先说到这。下面我们再回到智子这个角色。小说里面交待，三体人把智子发射到地球来，目的是遏制人类科技的发展，尤其是针对人类的科学实验设施——粒子对撞机。

书中借三体军事执政官之口，问到一个关键的技术问题，他说，既然智子干扰人类的粒子对撞机，靠的是在实验中适时地替代被撞击的粒子，并且故意显示错误的实验结果，那么智子本身就会被撞碎啊。要知道三体人哪怕制造一个智子，最快也需要几年的时间。这么宝贵的智子，只能用一次，太浪费了。三体科技官回答到，不必担心这个问题。智子带有自修复软件，碎片能够很快重新组合成一个和撞击前一模一样的智子。就像我们在《终结者》电影里见到的，那个从未来回来的液态金属机器人一样。简直就是一个撕不烂、打不死的机器小强啊。在小说里，大刘甚至还给出了智子自修复所需要的时间，百万分之一秒，的确很快啊。

不过，在这里，请允许我对这个细节稍微吐一下槽。就我了解到的情况，当今世界上最大、能量最高的粒子加速器是欧洲核子中心的大型强子对撞机LHC。2012年科学家利用它发现了“上帝粒子”希格斯玻色子。在理论上预言了这种粒子的英国科学家希格斯教授，获得了2013年的诺贝尔物理学奖。

在LHC的两个对撞加速管中，各有多束质子（这个质子指的是原子核里面的那个质子），被加速到很高的速度，具有很高的能量，然后相撞。在普通情况下，每一束质子产生的碰撞大约在几十次，而每两次碰撞之间的时间间隔仅为25纳秒。也就是说前一次相撞后撞碎的粒子还来不及离开探测器，后一次碰撞就发生了。

我大致算了一下，按照这样的碰撞频率，智子修复所需的时间是碰撞时间间隔的40倍。这就意味着在每次试验的几十批次的碰撞中，智子最多只能影响其中一个批次里面的一对粒子的碰撞结果。这几乎肯定会被科学家当做正常的实验误差而忽略掉的。因此从技术上来看，智子根本无法影响人类哪怕一台粒子对撞机的实验，更不必说未来人类还会造更多的对撞机了。换句话说，从科学上看，智子计划根本达不到实际的效果。

上面这些纯属我个人的一点点愚见。在科幻作品里挑科学细节的问题，就像在鸡蛋里挑骨头一样，本身就很过分。我相信这丝毫不影响《三体》这部伟大作品所散发的光芒。关于智子的话题，我们下一期还会接着聊。

我是北京天文馆的齐锐，这里是齐说三体。咱们下集再见。