看三體，要多想（三）太空對撞機在科學上成立嗎？ | 袁嵐峰

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導讀：這在科學上其實并不成立！因為太空中的高能粒子不夠多，做不了對撞實驗。實際上，這并不是原著中的情節，而是動畫片的創作，原著的邏輯要縝密得多。
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大家好，我是科技袁人袁嵐峰。正如章北海父親的格言“要多想”，今天我們來討論《三體》動畫片引出的第三個“多想”。前兩集中一個很重要的情節，是人類在太空放了五臺對撞機做實驗，希望突破智子的封鎖。丁儀博士的團隊拼盡全力，但還是慘遭失敗。那么問題來了：為什么要到太空去對撞？


回答有點令人吃驚：這在科學上其實并不成立！因為太空中的高能粒子不夠多，做不了對撞實驗。
實際上，這并不是原著中的情節，而是動畫片的創作，原著的邏輯要縝密得多。原著中，建新的加速器在丁儀看來是愚蠢的主意，無論在太空還是地面。他確實去太空做實驗了，但做的是另一類實驗。
相關的原文見原著第二部上部《面壁者》，丁儀和面壁者弗雷德里克·泰勒的對話：
“建新加速器不是我的提議，我一直認為用多建加速器的方法與智子賽跑愚不可及，所以我去了太空。”
……
“我們這次在空間站開展的項目，就是對宇宙射線中的高能粒子進行研究，換句話說，用宇宙代替高能加速器。這種事情以前一直在做，但由于宇宙中高能粒子分布的不確定性，特別是物理學前沿所需要的超高能粒子很難捕捉到，因而不能代替加速器研究。對宇宙高能粒子的檢測方式與在加速器終端的很相似，但每個檢測點的成本很低，可以在太空中建立大量的檢測點。這次投入了原計劃用于建造地面加速器的資金，設置了上百個檢測點，我們這次實驗進行了一年，本來也沒希望得到什么有價值的東西，只是想查明是否還有更多的智子到達太陽系。”
“結果呢？”泰勒緊張地問。
“檢測到的所有高能撞擊事件，包括在上世紀就有確定結果的那些撞擊類型，結果都呈現出完全的混亂。也就是說，智子現在已經能夠同時干擾上百臺加速器。也許我們再建立上萬個檢測點，它們也都能干擾，所以，現在太陽系中的智子數量遠不止兩個了。”
下面我們來解釋丁儀的方案和他的實驗結果。最基本的，丁儀是要用宇宙線（cosmic ray）中的高能粒子進行研究。如果你知道宇宙線這個詞，你的知識水平就超過了90%的人。
宇宙線是什么呢？就是從地球外面來的高能粒子。人們早就發現，大氣有一定程度的導電性，這是因為大氣分子被電離。為什么被電離？人們最初以為，是因為地球中的放射性元素。
但1912年，奧地利科學家維克托·赫斯（Victor Francis Hess，1883 - 1964）乘熱氣球升到5300米的高空，發現越高的地方電離越強，而不是越弱。這說明輻射是從地球大氣層上面來的，而不是下面。這就是宇宙線，他因此獲得了1936年的諾貝爾物理學獎。

維克托·赫斯

宇宙線有個特點，就是它的能量可以非常高，驚人的高。目前地面加速器能夠達到的最高能量是13.6 TeV即13.6 × 1012電子伏特，這是2022年7月剛剛在大型強子對撞機上實現的。然而宇宙線中發現的最高能量的粒子比它高出兩千萬倍，高達50焦耳。這個能量堪比一個宏觀物體，例如飛行的棒球，然而它只是一個微觀粒子！一個粒子達到一個棒球的能量，這是多么不可思議的事！所以這個粒子在1991年發現時，就被命名為Oh My God particle（“哦我的上帝”粒子）（https://futurism.com/what-is-the-oh-my-god-particle）。是的，科學界真的是這么稱呼它的！

你可能想問，我們為什么沒有被宇宙線打成篩子？回答是宇宙線在進入大氣層時，會不斷地和空氣分子碰撞產生次級粒子，次級粒子又產生次級粒子。這樣打出一場次級粒子的雷陣雨，又好像一把掃帚，稱為大氣簇射（air shower）。經過多次分岔和減速，最后的次級粒子到達地面時，能量就不是很高了，這樣才使得我們不會被宇宙線打爆。

然而，地面上有時也確實會受到宇宙線的影響。2013年，有人在玩超級馬里奧的時候遇到了一個“不可能發生”的瞬移，最后結論是宇宙線粒子改寫了定義馬里奧高度的一個比特。2008年，一架從新加坡飛往澳大利亞的飛機在11300米的高度飛行時突然俯沖，造成12名乘客嚴重受傷，可能也是由于宇宙線導致了數據出錯。在超級計算機和量子計算機的發展中，宇宙線正在成為一個越來越嚴重的問題。
目前在地面上探測宇宙線的最先進的裝置是中國的“拉索”（LHAASO，即Large High Altitude Air Shower Observatory，高海拔宇宙線觀測站），是中國科學院高能物理研究所主持的，位于四川省稻城縣海子山。2021年我和兩位專家楊睿智博士、陳松戰博士做過直播，介紹了拉索的重大成果。如果你了解這些，你的知識水平就超過了99%的人。

因此，到太空做實驗是有好處的，因為那里的粒子能量更高，可能得到地面上無法得到的結果。這就是原著中丁儀做的事，也是動畫片中太空對撞實驗的一個理由。然而，動畫片中說的是收集太陽風暴產生的高能粒子來對撞，這就不對了。

為什么不對呢？因為太陽風暴粒子的能量只有幾十GeV，即10的10次方電子伏特的量級，還不如地面加速器實現的高呢！實際上，最初很多人以為宇宙線是太陽發出來的，但后來發現太陽發的只是極小部分，絕大部分宇宙線是從銀河系發過來的。最神奇的是，直到現在我們也不確定宇宙線真正的起源是什么。
也許你會說，太陽發的粒子能量不夠高，那用其他來源的更高能的宇宙線粒子來對撞總是可以的吧？答案是還是不行。
原因在于，高能宇宙線粒子的數量很少，用術語來說就是亮度不夠。而地面加速器產生的粒子雖然能量沒那么高，但亮度高得多。對撞實驗需要充分的亮度，才能產生足夠多的碰撞事件，因此宇宙線在這方面并不能代替地面加速器。兩者是相輔相成的關系，不能一個代替另一個。這就是為什么原著中丁儀說：“由于宇宙中高能粒子分布的不確定性，特別是物理學前沿所需要的超高能粒子很難捕捉到，因而不能代替加速器研究。”劉慈欣在這里還是很嚴謹的！
你也許會問，這也不行，那也不行，那么宇宙線到底能干什么？回答是，我們不需要它來對撞，僅僅測量各個種類的宇宙線粒子在各個能量的分布就好了，這叫做能譜。這樣的實驗也是很重要的，有可能探測到暗物質，或者至少是發現新物理。《三體》原著中丁儀做的，應該就屬于這類，只是由于智子的干擾失敗了。如他所說，“我們這次實驗進行了一年，本來也沒希望得到什么有價值的東西，只是想查明是否還有更多的智子到達太陽系”，結果卻是完全的混亂，結論是“現在太陽系中的智子數量遠不止兩個了”。
在現實中，宇宙線能譜實驗的代表包括諾貝爾獎獲得者丁肇中主持的國際合作項目阿爾法磁譜儀（Alpha Magnetic Spectrometer，簡稱AMS），以及中國科學院紫金山天文臺、中國科學技術大學、中國科學院近代物理研究所和中國科學院高能物理研究所等合作研發的“悟空”號暗物質粒子探測衛星（Dark Matter Particle Explorer，簡稱DAMPE）。它們都發現了很多新物理的跡象。


a現在，你對宇宙線的了解已經超過了99.9%的人。雖然我指出了動畫片的不夠科學之處，不過我覺得它也改編得不錯。動畫片把斗智像《流浪地球》一樣在相當程度上演成了斗勇，把一個難以表現的故事用圖像呈現出來了，讓觀眾對基礎科學的重要性、科學家的偉大精神留下了深刻印象。

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未來，無論在地面還是太空，我們都應該抓緊機會做實驗，探索自然規律，——在智子封鎖我們之前。科技是人類進步的正道，我們要走正道。歡迎大家關注科技袁人，我們下期再見！
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作者簡介：袁嵐峰，中國科學技術大學化學博士，中國科學技術大學合肥微尺度物質科學國家研究中心副研究員，中國科學技術大學科技傳播系副主任，中國科學院科學傳播研究中心副主任，科技與戰略風云學會會長，“科技袁人”節目主講人，安徽省科學技術協會常務委員，中國青少年新媒體協會常務理事，中國科普作家協會理事，入選“典贊·2018科普中國”十大科學傳播人物）。

來源: 風云際會（合肥）文化傳播有限公司

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