《三体》中的物理学：二向箔和空间灾变

当宇宙的温度“逐渐”降低时.希格斯场也会像开水中的气泡一样发生变化。这些气泡会逐渐变大，最后吞并所有宇宙空阃。来，纸片又以原状悬浮在原位，或者说以200千米/秒的速度与太空艇一起飞向太阳系。

表面上看，这是一张无害的小纸条，只是它貌似不与我们太阳系中的任何物质发生反应或相互作用。但不久，这张二向箔的力场被撤除，它周围的三维空间开始向它跌落，它的边界以光速向外扩张，不论遇到的什么，都无一例外地向它跌落，开始是太空艇，后来是星球，地球、火星、木星、土星……我们看看二维化开始的样子;

在2000千米外的二维平面上，二维化的太空艇和监视员的人体发出的光已经熄灭，与从四维向三维跌落相比，三维跌落到二维释放的能量要小许多。两个二维体的结构在星光下清晰地显现出来;在二维化的太空艇上，可以看到二维展开后的三维构造，可以分辨出座舱和聚变发动机等部分，还有座舱中那个蜷曲的人体。在另一个二维化的人体上，可以清楚地分辨出骨髂和脉络，也可以认出身体的各个部位。在二维化的过程中，三维物体上的每个点都按照精确的几何规则投射到二维平面上，以至于这个二维体成为原三维太空艇和三维人体的两张最完整、最精确的图纸，其所有的内部结构都在平面上排列出=来，没有任何隐藏，但其映射规程与工程制图完全不同，从视觉上很难凭想象复原原来的三维形状。与工程图纸最大的不同是，二维展开是在各个尺度层面上进行的，曾经隐藏在三维构型中的所有结构和细节都在二维平面排列出来，于是也呈现了从四维空间看三维世界时的无限细节。

作为普通人，或作为物理学家，我们会问，刘慈欣描写的神奇又可怕的事情是可能的吗？我的回答是——可能，但细节不敢肯定。如何吞并空间

空间二维化，是将本来的三维空间逐步吃掉，原来三维空间的多数部分不存在了，变成了二维的。其实这是一个无限缩小的過程。一个点和一根线段比起来，长度为零。一根线段与一个平面比起来，面积为零。同样，一个二向箔与任何一个有限的三维体比起来，体积为零。

空间被缩小或者被蚕食的例子我们是常见的。

例如烧水。当水的温度达到100℃时，水开了。水开了是什么意思？有两个典型的特征，第一水面有很多水汽上升，第二是很多气泡沸腾。第二个特征才是水开了的真正特征。水体中不断产生气泡，气泡由于内含水汽，比重比液态水轻，不断上升。如果我们让水不断开下去，最后水会全部蒸发。也就是说，如果我们将液态水看成某种“空间”，最后这个空间没了，变成了飞走的水汽，但水汽不是我们定义的“空间”。

在物理学上，上面的过程叫一级相变。一般情况下，水有三种相——固态、液态、气态，对应冰、水、水汽。在普通的大气压下，100℃是液态水变成气态水的最低温度。当我们慢慢将温度升高，水体中开始产生很小的气泡，气泡慢慢变大。在地球的重力场中，由于气泡密度比水小，就会迅速升到水面，产生我们通常看到的沸腾现象。

如果水不处于重力场中，例如，我们可以想象在空间站上烧水，当然为了重复前面的相变，我们让水处于1个标准大气压下。当水温升到100℃时，水中开始产生气泡，这些气泡会膨胀，越来越大。但由于没有重力场，它们不会升起来，只会在水中膨胀，最后，水没有了，只剩下水汽。

你看，水做的“空间”就是这么通过气泡凝结、膨胀而逐渐消失的。物理学中，有一套简单的数学语言来描述上面的过程。

例如，我们用密度定义一个场。这个场在水相时取水的密度，在气相时取水汽的密度。当温度达到或超过IOOoC时，水汽处于能量比较低的点。换句话说，这个场取值小时，能量比较低。

图中的那个圆点代表场，即密度。很明显，现在圆点所处的位置能量比最低点要高。最低点就是水汽所在的地方。当气泡形成时，我们可以想象气泡内这个场处于最低点，而气泡外水中的这个场处于那个圆点所在的地方。隔离水与水泡有一个气泡壁，在这个壁中，场是连续变化的，从水汽密度到水的密度。因为变化需要能量，所以壁含有能量，这也是气泡的张力来源。但是，由于气泡内能量更低，气泡倾向于膨胀，它的膨胀速度由水汽与水的能量差所决定，也由壁的张力决定。

这是一个生活中常见的例子。另一个例子我们并不熟悉，但与万物息息相关，就是希格斯粒子和希格斯场。

在我们所处的空间中，希格斯场也取能量的最低值，有点像水汽。在下面这张希格斯场的能量示意图中，右边是目前我们这个宇宙中希格斯场的能量图，小球代表希格斯场在每一个空间点的值，当所有空间点上希格斯场都取这个值的时候，能量最低。这就是现在宇宙的状态。

那大爆炸刚开始的时候，希格斯场是什么样的呢7那时温度很高，随着时间的推移，温度才降下来。在非常早期的时候，比如最初的万分之一秒时，宇宙的温度高到足以改变希格斯场的能量图。此时，它的能量位置如上图中左边的样子。也就是说，那个时候希格斯场取值为零，能量最低。在那个状态下，宇宙中所有的基本粒子都没有质量，都以光速运动。

当宇宙的温度“逐渐”降低时（这个过程其实非常短暂），图中右边的样子才变成现实。此时，希格斯场也会像沸水中的气泡一样，先有一些点上的希格斯场跳到我们现在宇宙中的值，而周围还处于零值。这些气泡会逐渐变大，最后吞并所有宇宙空间。请注意，这些气泡与沸水中的气泡还有区别：它们没有明显的壁。如果有壁，壁与壁之间会碰撞，产生一些非常不规则的结构，而今天的宇宙学家通过望远镜没有看到这些结构。所以，希格斯场中的气泡虽然也像沸水中的气泡那样膨胀，但没有明显的壁。

在高能物理学中，最先研究真空泡膨胀的是美国理论物理学家西德尼·科尔曼。1977年，科尔曼发现，希格斯真空泡的膨胀速度接近光速，当真空泡变得越来越大时，泡的膨胀速度越来越接近光速。二向箔：向能量更低处跳过来吧

那么这些又和二向箔有什么关系呢？我们可以这样想象二向箔：在二向箔中也有一种场，它的能量比较低，当我们像《三体》中想象的那样，用什么东西将二向箔包起来时，它不会危害我们的三维空间;可是，一旦二向箔与三维空间赤裸裸地接触，它就会像水中的气泡那样膨胀起来。但由于它是二维的，因此它只会增大面积。

爱思考的人会问，沸水中的那个场处于能量高点，而我们的三维空间在没有二向箔的时候处于能量低点，所以不应该是稳定的吗？要回答这个问题，我们需要展开想象。

我们可以这样想：三维空间与二向箔有关的那个场本来确实处于能量的低点，但并不是最低点，虽然也不稳定，但我们所在的真空寿命足够长，比这个宇宙的寿命还长。也许再过久一点，我们的真空也会衰变，会产生气泡。

现在，二向箔未了，就像未了一个二维能量低点气泡。它触发我们三维空间的那个场向能量更低的地方跳。在这个场跳的同时，二向箔就越长越大。

你也许会让我打住，说我的描述有问题如果我们的场向能量更低的地方跳，就像宇宙早期的希格斯场那样跳，那也只是改变了真空，三维空间怎么变没有了呢？

好吧，现在我要引入一个弦论的故事，好让你相信，确实有这种可能：当某个场向能量最低的地方跳过去，空間就没有了。

在弦论中，曾经有一个分支理论，叫玻色弦论。在这个理论中，空间有25维。不幸的是，在这个理论中，真空是不稳定的，也就是说，真空中存在一个场，它的能量图像希格斯场，但还有些不同。

在25维空间的弦论中，这个场处于能量最高点，所以是不稳定的。也因此，弦论家将这个场称为“快子场”，它的速度超过光速。但不要担心，这种粒子不会破坏相对论，因为它一出现，就会出现真空气泡，这个气泡将以光速膨胀，迅速让25维空间的真空衰变。真空衰变后的产物是什么？目前弦论家的意见不同。很多人认为，气泡中什么也没有，连空间也没有。也就是说，一个内含“无”的气泡以光速膨胀，迅速吞并整个25维空间。

1982年，美国物理学家、数学家爱德华·威滕在一个五维空间的理论中，已经发现了这种可怕的现象。他发现，在这个4+1=5的五维理论中，当那个四维空间的其中一维是一个圆时，它剩下的3个维度空间是不稳定的，就会产生一种“无的气泡”，气泡会膨胀，直到最后什么都不剩。

现在我们可以理解二向箔的情况了。当二向箔出现时，诱导了本来就不稳定的三维空间的某种快子场。当这些快子场在空间的一点滚到能量更低的地方时，气泡出现了。这是“无的气泡”，里面什么也没有，但二向箔本身还是存在的，所有物体可以在二向箔里存在，但不能在它附近的空间中存在。

至于三维空间中原本存在的那些东西会去哪里，一般认为，由于能量守恒，也许它们会跌向二向箔。但根据我对弦论的经验，更有可能发生的是，原来三维空间的东西会变成碎片飞向更外层的空间，不会全部跌向二向箔。但你也可以假想某种理论，让其允许物体全部跌向二向箔，就像《三体》中描述的那样。

那么，25维空间中的弦论到底会发生什么？前面我假定空间中出现“无的气泡”，有的物理学家认为，也许会出现含有9维空间的气泡，这就很像二向箔了：25维空间在气泡中跌向9维空间。而这9维空间不是别的，正是超弦理论的空间。

本文内容摘编自《<三体>中的物理学》一书，李淼著，湖南科学技术出版社，2019年