太空对撞机在科学上成立吗？

2022-12-22 16:12

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■ 导言

这在科学上其实并不成立！因为太空中的高能粒子不够多，做不了对撞实验。实际上，这并不是原著中的情节，而是动画片的创作，原著的逻辑要缜密得多。

大家好，我是科技袁人袁岚峰。正如章北海父亲的格言“要多想”，今天我们来讨论《三体》动画片引出的第三个“多想”。前两集中一个很重要的情节，是人类在太空放了五台对撞机做实验，希望突破智子的封锁。丁仪博士的团队拼尽全力，但还是惨遭失败。那么问题来了：为什么要到太空去对撞？

五台对撞机的结果

回答有点令人吃惊：这在科学上其实并不成立！因为太空中的高能粒子不够多，做不了对撞实验。

实际上，这并不是原著中的情节，而是动画片的创作，原著的逻辑要缜密得多。原著中，建新的加速器在丁仪看来是愚蠢的主意，无论在太空还是地面。他确实去太空做实验了，但做的是另一类实验。

相关的原文见原著第二部上部《面壁者》，丁仪和面壁者弗雷德里克·泰勒的对话：

“建新加速器不是我的提议，我一直认为用多建加速器的方法与智子赛跑愚不可及，所以我去了太空。”

……

“我们这次在空间站开展的项目，就是对宇宙射线中的高能粒子进行研究，换句话说，用宇宙代替高能加速器。这种事情以前一直在做，但由于宇宙中高能粒子分布的不确定性，特别是物理学前沿所需要的超高能粒子很难捕捉到，因而不能代替加速器研究。对宇宙高能粒子的检测方式与在加速器终端的很相似，但每个检测点的成本很低，可以在太空中建立大量的检测点。这次投入了原计划用于建造地面加速器的资金，设置了上百个检测点，我们这次实验进行了一年，本来也没希望得到什么有价值的东西，只是想查明是否还有更多的智子到达太阳系。”

“结果呢？”泰勒紧张地问。

“检测到的所有高能撞击事件，包括在上世纪就有确定结果的那些撞击类型，结果都呈现出完全的混乱。也就是说，智子现在已经能够同时干扰上百台加速器。也许我们再建立上万个检测点，它们也都能干扰，所以，现在太阳系中的智子数量远不止两个了。”

下面我们来解释丁仪的方案和他的实验结果。最基本的，丁仪是要用宇宙线（cosmic ray）中的高能粒子进行研究。如果你知道宇宙线这个词，你的知识水平就超过了90%的人。

宇宙线是什么呢？就是从地球外面来的高能粒子。人们早就发现，大气有一定程度的导电性，这是因为大气分子被电离。为什么被电离？人们最初以为，是因为地球中的放射性元素。

但1912年，奥地利科学家维克托·赫斯（Victor Francis Hess，1883 - 1964）乘热气球升到5300米的高空，发现越高的地方电离越强，而不是越弱。这说明辐射是从地球大气层上面来的，而不是下面。这就是宇宙线，他因此获得了1936年的诺贝尔物理学奖。

维克托·赫斯（https://www.nobelprize.org/prizes/physics/1936/hess/facts/）

宇宙线有个特点，就是它的能量可以非常高，惊人的高。目前地面加速器能够达到的最高能量是13.6 TeV即13.6 × 10¹²电子伏特，这是2022年7月刚刚在大型强子对撞机上实现的。然而宇宙线中发现的最高能量的粒子比它高出两千万倍，高达50焦耳。这个能量堪比一个宏观物体，例如飞行的棒球，然而它只是一个微观粒子！一个粒子达到一个棒球的能量，这是多么不可思议的事！所以这个粒子在1991年发现时，就被命名为Oh My God particle（“哦我的上帝”粒子）（https://futurism.com/what-is-the-oh-my-god-particle）。是的，科学界真的是这么称呼它的！

Oh My God粒子

你可能想问，我们为什么没有被宇宙线打成筛子？回答是宇宙线在进入大气层时，会不断地和空气分子碰撞产生次级粒子，次级粒子又产生次级粒子。这样打出一场次级粒子的雷阵雨，又好像一把扫帚，称为大气簇射（air shower）。经过多次分岔和减速，最后的次级粒子到达地面时，能量就不是很高了，这样才使得我们不会被宇宙线打爆（中国科学家收到“天外来信”，有可能是外星人吗？| 科技袁人）。

大气簇射

然而，地面上有时也确实会受到宇宙线的影响。2013年，有人在玩超级马里奥的时候遇到了一个“不可能发生”的瞬移，最后结论是宇宙线粒子改写了定义马里奥高度的一个比特（超级计算机面临的太空挑战 | 王乔）。2008年，一架从新加坡飞往澳大利亚的飞机在11300米的高度飞行时突然俯冲，造成12名乘客严重受伤，可能也是由于宇宙线导致了数据出错。在超级计算机和量子计算机的发展中，宇宙线正在成为一个越来越严重的问题。

目前在地面上探测宇宙线的最先进的装置是中国的“拉索”（LHAASO，即Large High Altitude Air Shower Observatory，高海拔宇宙线观测站），是中国科学院高能物理研究所主持的，位于四川省稻城县海子山。2021年我和两位专家杨睿智博士、陈松战博士做过直播，介绍了拉索的重大成果。如果你了解这些，你的知识水平就超过了99%的人。

拉索打开超高能伽马天文新窗口

因此，到太空做实验是有好处的，因为那里的粒子能量更高，可能得到地面上无法得到的结果。这就是原著中丁仪做的事，也是动画片中太空对撞实验的一个理由。然而，动画片中说的是收集太阳风暴产生的高能粒子来对撞，这就不对了。

太阳风暴

为什么不对呢？因为太阳风暴粒子的能量只有几十GeV，即10的10次方电子伏特的量级，还不如地面加速器实现的高呢！实际上，最初很多人以为宇宙线是太阳发出来的，但后来发现太阳发的只是极小部分，绝大部分宇宙线是从银河系发过来的。最神奇的是，直到现在我们也不确定宇宙线真正的起源是什么。

也许你会说，太阳发的粒子能量不够高，那用其他来源的更高能的宇宙线粒子来对撞总是可以的吧？答案是还是不行。

原因在于，高能宇宙线粒子的数量很少，用术语来说就是亮度不够。而地面加速器产生的粒子虽然能量没那么高，但亮度高得多。对撞实验需要充分的亮度，才能产生足够多的碰撞事件，因此宇宙线在这方面并不能代替地面加速器。两者是相辅相成的关系，不能一个代替另一个。这就是为什么原著中丁仪说：“由于宇宙中高能粒子分布的不确定性，特别是物理学前沿所需要的超高能粒子很难捕捉到，因而不能代替加速器研究。”刘慈欣在这里还是很严谨的！

你也许会问，这也不行，那也不行，那么宇宙线到底能干什么？回答是，我们不需要它来对撞，仅仅测量各个种类的宇宙线粒子在各个能量的分布就好了，这叫做能谱。这样的实验也是很重要的，有可能探测到暗物质，或者至少是发现新物理。《三体》原著中丁仪做的，应该就属于这类，只是由于智子的干扰失败了。如他所说，“我们这次实验进行了一年，本来也没希望得到什么有价值的东西，只是想查明是否还有更多的智子到达太阳系”，结果却是完全的混乱，结论是“现在太阳系中的智子数量远不止两个了”。

在现实中，宇宙线能谱实验的代表包括诺贝尔奖获得者丁肇中主持的国际合作项目阿尔法磁谱仪（Alpha Magnetic Spectrometer，简称AMS），以及中国科学院紫金山天文台、中国科学技术大学、中国科学院近代物理研究所和中国科学院高能物理研究所等合作研发的“悟空”号暗物质粒子探测卫星（Dark Matter Particle Explorer，简称DAMPE）。它们都发现了很多新物理的迹象。