编者按：科幻小说《三体》中，能够锁住人类科技进步的智子到底是什么？智子能否干扰对撞机实验，又是如何在人的视网膜上展现倒计时？本期“科到了”栏目，跟中国科学院大学2020级凝聚态物理专业博士研究生李存东（培养单位：中科院物理所）一起，探寻智子强大功能背后的物理学原理。

　　众所周知，我，是国科大（培养单位：中科院物理所）的，一个，博士研究生，但是，我，最近，实验，总是得不到，我想要的，结果，我怀疑，智子已经，在我们身边了，三体人或许，已经，在路上了。

　　智子是刘慈欣科幻小说《三体》中出现的一种幻想出来的……暂时称之为武器吧。这玩意强到离谱，三体人仅凭两个智子就锁死了地球科技。智子的原型就是现实中的质子，它由三体人将其蜷缩在微观尺度的高维度展开至二维，并在上面刻蚀电路，之后再恢复至质子的状态。智子发送至地球后，可以进入对撞机代替真正的质子接受撞击，干扰实验结果。同时，智子还能和三体人远程实时通信，不仅可以监测地球的科技发展，也可以与ETO保持联系。

　　小说中智子是从高维度经过展开得到的，这里的展开实在是超出我们的理解，我想了十天十夜，也没想出来这是个什么操作。不过，我可能想到了大刘是怎么想到这个创意的。容我非常不负责任地揣测一下。

　　这一点就比较明确了，在地球现有的物理学框架下，原著中智子的通讯能力可以说是不可能做到的。原著中三体人位于距我们4.2光年外的比邻星，不难看出，要想实现与地球的即时通讯，智子一定有一种可以超光速信息传输的手段，很不幸，这是被相对论禁止的。

　　常常有人认为量子纠缠可以实现超光速信息传输，但实际上是不可能的。事实上，利用量子纠缠进行信息传输是依赖于经典信道的，这就杜绝了我们利用纠缠作用传递信息，因为在信息传递中，传递的速度并不取决于纠缠本身，而是取决于经典信道中的传递速度。

　　关于经典信道的必要性，我们举一个最简单的例子。如果三体人与ETO拥有一对处于纠缠态的粒子，粒子处于自旋向上或向下的叠加态，无论哪一方探测时两个粒子坍缩到一个确定的但彼此相反量子态。三体人与ETO约定，当ETO对粒子进行探测时，如果粒子自旋向上，就全力刺杀罗辑，如果自旋向下，就另做打算。

　　当ETO探测时，发现自旋向上，但实际上，他们无法得知，这个结果是因为自己的探测，还是因为三体人的探测，换句话说，他们无法得知，在自己探测之前，三体人有没有探测粒子导致粒子坍缩，如果没有，那实际上他们的探测才是导致粒子坍缩的原因，这样的探测毫无意义。因为此时粒子的状态是随机的，在这次探测中实际上没有任何信息传递。想要真正传递信息，必须由三体人告诉ETO，他们有没有进行过探测，这个过程就是经典信道的信息传递，真正的传递速度正是依赖这个信息的传递速度。

　　实际上的量子通信并不止一对处于纠缠态的粒子，经典信道传递的信息是测量操作，接收方根据发送方传递的操作方式进行幺正变换得到信息。另一方面，相对论告诉我们，宇宙中信息传递速度不可能超过光速，而相对论如今已在实验上被认证是正确的理论，从这个角度看，我们应该相信智子这个手段也是不可能实现的。

　　《三体》中，三体人是将质子从11维展开至2维，获得了一个面积超大的面，并在上面刻蚀电路，那这个11维空间是个啥？考虑原著的创作时间，不难想到，大刘的创意来自超弦理论。这个理论认为这个世界的本质是一根弦，一根处于11维时空中的开弦或闭弦，不同粒子只是弦的不同振动模式。我们无意在这里为大家解释这个理论，毕竟其内容实在是深奥，因此在这里简单介绍其发展。

　　超弦理论可以称得上是我们对大统一理论的一次尝试。当然，不出意外的话，这个理论最初并不是为了统一四大相互作用的。

　　弦理论在上世纪六十年代被提出，最开始是为了解释强子之间的散射振幅的，这是由强相互作用决定的，但很不幸，不久之后，量子色动力学被提出，完美解释了强相互作用，并在之后不断完善，统一了除引力外的其他相互作用，弦理论陷入沉寂。彼时的弦理论有明显缺点：第一，只适用玻色子；第二，弦理论需要一个26维时空；第三，存在速度超越光速的粒子，我们称之为快子；第四，存在除光子外的不静止零质量粒子。

　　但是，有些人还是坚持研究弦理论，随后就是弦理论第一次。在这期间内，成果主要有通过超对称理论将费米子包括进了弦理论，并否定了快子，时空维度也降低到了10维。上文中提到的零质量粒子则被认为是引力子——引力的传播子。于是，在这一次后，弦理论转变为超弦理论，并致力于统一四大相互作用力。

　　但新的弦理论中找到了五种自洽的理论，这五种理论谁才是正确的呢？答案可能是，都正确，因为对偶。

　　所谓对偶，就是两个或多个表面上完全不同的理论却能得出完全相同的物理结果，即它们是等价的。借助对偶，M理论被提出，M理论引入11维的超引力，并给出了各种紧致化下不同超弦理论的对偶，最终证明不同的弦理论只是M理论在不同极限下的表现。这就是超弦理论的第二次。

　　但是，多出来的空间都在哪呢？超弦理论/M理论认为多余维度的空间都蜷缩在普朗克尺度下的卡拉比-丘流形中，因此我们感知到的只是4维时空。这里是不是就跟大刘的设定有些相似了。

　　不过由于普朗克尺度实在太小，因此在现有的技术下，我们远远达不到触及这一尺度的条件。而这，也正是超弦理论最大的争议所在，尽管它在数学上如此完美，可它完全不具备实验验证的条件，我们无法从任何角度证明它的正确与否，因此多数物理学家是不相信这个理论的，甚至有人认为这个理论更适合神学院。

　　当然，数学院其实很乐意接受这个理论。不过，如果三体人真的能制造智子的话，说不定这个理论已经被他们证明是正确了吧。

　　智子被派到地球，主要任务还是锁死人类科技，方法是潜入对撞机，自己承受碰撞，用错误的数据淹没正确的数据，篡改实验结果，干扰人们对微观粒子的实验，使人类无法认知到这个世界更本质的组成。这个，靠谱吗？

　　很遗憾，如果智子真的只有大刘笔下这点能耐，那恐怕是完全做不到这一点的。潜入强子对撞机很简单，毕竟它只是个质子，想要淹没正确结果，不太可能，原因也很简单，对撞机中发生的对撞太多了，就这么俩智子，实在是不够看呀。

　　说起对撞，大家的印象可能就像台球一样，两个小球相向而行，然后，砰，撞一个满天星，我们再像发现美食的饿狼一样扑上去，查看到底撞出了个啥。这样的想法当然谈不上错，但以质子的尺度，十个八个质子对撞可以说，肯定撞不着，燕双鹰也没有这个准头呀。因此，对撞机中的粒子数目可能远超各位的想象。

　　我们以欧洲核子中心的大型强子对撞机（LHC）为例介绍一下对撞这个过程。LHC是目前世界上最大的，也是加速粒子能量最高的对撞机，在这其中的质子，最终可以被加速到最高8 TeV的能量尺度，速度超过0.9 c。

　　在LHC中，质子是以束团的形式存在的，束团中束缚了大量的质子用于碰撞，在2015年LHC的最终运行状态下，两束质子束流进入对撞机，每束束流包括2808个束团，平均每个束团有10⊃1;⊃1;个质子，质子束团分布在对撞机27公里长的圆周隧道中，彼此相距约7米，时间间隔是25纳秒。因此，束团交叉的最小间隔是25纳秒。

　　在这样的运行状态下，LHC的质子-质子对撞的瞬时亮度峰值可以达到10⊃3;⁴/(cm⊃2;·s)。这里的亮度是对撞机的一个关键指标。它正比于束团的数量和每个束团中的粒子个数，反比于束团绕圆环运动一圈所需要的时间，高亮度意味着单位时间内可能发生的质子-质子对撞次数会更多。

　　在对撞机中，一共有四个对撞点，每个对撞点最高每秒有4千万次束团交叉，每次束团交叉会发生大约100次质子对撞事件，况且，三体人只有两个质子，最多只能同时污染两个对撞点的数据，因为对撞机中的质子速度也接近光速。而智子被撞碎之后，需要百万分之一秒，也就是1微秒的时间修复，而相邻的束团交叉时间间隔远小于这个时间，因此，智子实际上并不能污染足够的数据。而少量数据的污染并不足以影响我们对这个世界的认知。更进一步，如果智子真的进入对撞机内，很可能自身难保，因为这个世界上还有反质子，如果智子遇到反质子，可能就再也没有修复的可能，直接湮灭了。

　　《三体》中智子可以直接作用在视网膜上，在视网膜上打字，原著中汪淼就是因为研究纳米材料看到了倒计时，差点疯，可以说是实惨了。

　　不过这一点貌似真的存在这种可能性。首先还是要明确，人感光是靠视网膜上的视细胞，主要有视杆细胞和视锥细胞，这两种视细胞都是将光信号转化为电信号，传导至视觉中枢，因此，智子应该是没有办法直接作用在视网膜上的。

　　但质子毕竟带正电，带正电的粒子在做加速运动时可以向外辐射电磁波，如果从这个角度来看，假设质子可以精确地控制自己的速度与加速度，可以利用辐射出的电磁波刺激人眼视网膜，做到这一点也未尝没有可能。不过该说不说，这个功能确实有些逆天了，后续剧情也很少提及了。

　　写到这里，我不禁长出一口气，看来三体什么的终究只是科幻，哪可能有什么智子这种逆天的东西嘛。不过话又说回来，如果没有智子，那我实验做不出来，岂不是单纯是因为我太菜了？！

　　算了算了，科研嘛，这都是正常的事，隔壁研究生教育公众号天天发文章劝导我们，让我们放平心态，不要气馁。

　　[1]厉光烈,刘明.走向统一的自然力 超弦理论:四种自然力走向统一的一种尝试[J].现代物理知识,2015,27(04):25-31.

　　[2]厉光烈,刘明.走向统一的自然力 超弦理论:四种自然力走向统一的一种尝试(Ⅱ)[J].现代物理知识,2016,28(01):28-34.

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