## 特别放送 | 科幻小说中的物理学

> 万维钢各位好！不久前咱们日课的转述师怀沙在他的“科幻之夜”直播中，向我提了几个“科幻小说的物理学问题”，这几个问题非常高级，今天我就来统一回答一下。

问题一：在小说《三体》里，人类在22世纪掌握了可控核聚变。请问万老师，在2018年，挡在人类和可控核聚变之间的最大障碍是什么？是真的有无法突破的理论难题，还是设备工艺无法达到？还是说，其实没有科学障碍，人类只是缺少利益驱动去完成它？

> 万维钢

我以前研究的专业就是磁约束核聚变的等离子体物理学。我们现在基本可以说，可控核聚变一定可行，不只是科幻。

实现核聚变，你只要把氢原子的两个同位素 —— 氘和氚 —— 加热到一个特别高的温度，比太阳温度还高，并且保持一定的密度就行。现在加热没问题，问题就在于在这么高的温度之下，氘和氚的原子核会到处乱跑，不能总聚在一起去反应，所以我们要想办法把它们约束在一个地方。

现在可控核聚变最主流的基本原理，是用一个叫做“托卡马克”的装置，就好像是一个面包圈一样的笼子，里面加上强磁场，用磁场去约束它们。高温之下的氘和氚都变成了带电的“离子” —— 而离子，又会沿着磁力线运动。这样我们只要把磁力线变成一个圈，氘和氚就会在装置内部的空中绕圈，就等于约束住了。

但是物理学不会这么轻易地把好东西给你，离子绕圈旋转的时候会有很多“不稳定性”，你必须想办法消除这些不稳定性。我以前的研究工作，就是理解这些不稳定性。

但是大自然也给了我们惊喜，就是在一定的条件下，某些不稳定性会消失，系统能够稳定运行。所以现在物理学家做的事儿就是摆弄磁场的形状、或者往里面加点什么东西，让约束能够长期平稳地运行。

这里面涉及到很多工程技术难题，但主要还是“科学” —— 也就是说各国都不保密、约束方法也没什么专利，大家做出来什么知识都共享。

研究中好消息不断，但问题在于物理学是个实验科学，我们必须做很多实验才行。目前尚在运行的实验装置都比较小，需要做个大的。有个各国合作的大装置，叫 ITER，总投入比大型强子对撞击还大，但是造了好多年还没造成。中国政府正打算造自己的大装置，用中国速度推进。

所以说白了就会只要肯花钱，就一定能做出来。问题就在于现在的能源需求是否迫切到了愿意花这么多钱搞核聚变的程度。而这就不是物理学的问题了。

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问题二：在罗伯特·索耶的科幻小说《计算中的上帝》里。他描写了两种和人很相似的外星人造访地球的故事。这两种外星人告诉人类，整个宇宙的生物身体结构都是非常相似的，大家都是由 DNA 和氨基酸构成。遍寻宇宙里的生物，也不会有其他形式的生命存在。

在真实的世界里，有的科学家赞同这个观点。诺贝尔奖获得者生物学家乔治·沃尔德就对他的学生说：“在地球上把生物和化学学好，是值得的，因为将来你也可以通过在银河系之外举行的生物化学考试。”

为什么说 DNA 双螺旋可能是宇宙唯一的生命架构方式？

> 万维钢

我完全赞同这个观点，这绝对是一本严肃的科幻小说。宇宙浩瀚，星球多种多样，但有几个一般的结论，你得承认。

首先是物理定律到处都一样。这就意味着这个宇宙里只有元素周期表上那些元素，而这些元素发生化学反应的方式到处都一样。

其次是宇宙各个地方没有本质的差别。这不是一种“信念”，而是一个事实 —— 是因为宇宙起源于大爆炸，而大爆炸炸得相当均匀！宇宙各个方向上没有什么大的不同，100亿光年以外的地方，跟我们这里应该差不多。

还有，要想组成生命体，你就必须要有特别大的大分子，要有非常复杂的结构才行。并不是所有元素都适合组成大分子，你考察整个元素周期表，也就是碳和硅可以在这个大分子之中充当连接者的角色。咱们地球上硅比碳多，但地球温度环境下硅的化学性质不活泼，难以组成大分子。如果有硅基生命的话，必定是极高的温度条件下。但考虑到整个宇宙中碳比硅多十倍，一个环境适合还有很多硅的星球恐怕难以找到。生命最可能是基于碳的。

再者，化学反应需要一定的温度，还需要一定的溶剂。而你遍观整个化学，最好的溶剂就是水，最好的温度就是地球温度。让大分子能够复制，理论上最合适的方法就是 DNA。也许还有一些小分子的生命，但那一定是特别简单的、什么单细胞的形式。

所以这并不是地球人的偏见，也不是科学家没有想象力。这就好像1+1必须等于2一样，是科学规律决定了，生命只能如此。

再进一步，既然生命都是碳水化合物，我们甚至可以推测，有智慧的外星人的身高，也跟我们差不了多少。

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问题三：在很多科幻小说里，都描写了“机器人觉醒”的情节。在《精英日课》的第一季里，万老师介绍了丹尼尔·丹内特的思想：人的意识和机器意识没有本质区别。

但目前比较火的量子生物学家Jim Al-khalili 认为有本质区别，因为生物的意识，甚至生物本身必须建立在量子态的基础上。如果Jim Al-khalili的理论正确的话，那人类就不可能造出真正的人工智能。任何更高级的生命形式，都必须以碳基生命体为最基础的砖石。万老师你怎么看这个问题？你有自己的倾向性吗？

> 万维钢

我理解这还只是一个假说。是，生物体的一些机制跟量子力学有关，比如说植物光合作用，现在已经被证明其中有量子力学的效应。但是人的意识是不是也一定要用到量子力学效应才能产生，这个现在没有证据。

可能关键在于人脑到底是不是等价于一台“图灵机”。如果从数学上讲，人脑是图灵机，那不管多复杂，它就是一台普通的计算机，完全可以模拟。

有量子力学的效应也不见得就不能人造。比如现在我们已经有量子计算机了，而我们可以从数学上证明，所谓量子计算机，虽然有量子效应，也是可以用图灵机模拟的，无非就是再加上一个随机数产生器而已。

那到底是什么样的人脑，是不等效于图灵机+随机数产生器呢？图灵机的本质是执行规则的机器，需要要求规则是有限的。而彭罗斯这一派人认为，人脑有一个“跳出规则”的能力，大约相当于我永远可以主观地决定执行还是不执行这些规则，我永远有自由意志。但哲学家完全可以说，你那个自由意志其实也是规则决定的，你只不过意识不到而已。

在我看来，量子力学效应好像不能解决这个问题。因为量子力学效应是完全随机的！就算我能时而跳出来，行使自由意志，但是我的决定完全随机，我还是不能控制它，那不等于我还是没有自由意志吗？

除非将来人们对量子力学的这个随机有别的理解。所以，我的观点是，如果真的是量子力学效应对大脑意识至关重要，那么当我们进一步理解意识的时候，我们也要重新理解量子力学。而事实上，正如我们专栏第一季讲过的一篇温伯格的文章，这正是量子力学争论的焦点。

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问题四：在特德·姜的科幻小说《你一生的故事》里，他描写了光的“折射现象”。如果不涉及量子理论，光的折射可以用费马定理解释：光总是走最快到达的路。

除了光的折射，世界上也有其它事物，似乎遵循着“一切从简”的规律，比如火山岩浆板结之后形成的“柱状节理”，几乎都呈现六边形，因为这样凝结耗费的能量最少。

那从这个角度看，我们是不是可以说，“宇宙”是个有性格的家伙？他最讨厌浪费时间，他办事非常简练，绝不拖泥带水，绝不做无用功。

那这些所谓的“性格”真的存在吗？这些“性格”可以算是宇宙的“意识”吗？

> 万维钢

这是一个非常有意思的问题！物理学家把这个现象称之为“最小作用量”原理。像光的折射，一方面你可以说它要符合入射和反射的物理定律，但另一方面你也可以找到一个“作用量”，说光线是选择了让这个作用量最小化的路线。

从数学角度这个现象是可以理解的。每个物理定律都可以写成微分方程，那么从数学上你就可以把它变成积分方程，然后你可以从中推导出来一个作用量，并且声称物理定律就是要让这个作用量取最小值（也可能是最大值）。

但是从物理学甚至是哲学的角度，有没有可能，作用量比微分方程更基本呢？是不是大自然总是在试图“优化”这些作用量呢？

我要说的是优化作用量仅仅是物理定律的一个数学形式。但是另一方面，所谓性格和意识，难道不也是数学形式吗？我们专栏解读过的泰格马克《生命3.0》这本书里，就提出一个看这个问题的角度——

你完全可以把它*当做*，这个宇宙就是有意识有性格，它就想优化作用量。

事实上，当一个人做一件事的时候，你也无法区分到底是他本人有这个目的去做这件事，还是他本人是受到物理定律的支配去做这件事。有目的有性格和受支配，从物理学角度来说根本就是无法区分的。

你可以说这是微分方程，也可以说这是作用量。你可以说这是物理定律，也可以说这是宇宙的性格。宇宙的性格就是宇宙的物理定律。

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最后，怀沙还推荐了一张“日课课表”，列出了对他解读科幻小说有启发的日课，我也把链接贴到下面，如果你也对科幻、物理感兴趣，方便你回顾查询。

第一季：《推理的力量》《一个神人的世界观》《一个让人寝食难安的世界观》《薛定谔的猫》《量子纠缠》《幸运是这个宇宙的通行证》《暗能量的惆怅》第二季：《生命3.0》系列解读《给忙碌者的天体物理学》系列解读《意识上传者的最后问题》《身体里的分形》《不特殊论者》《穿越平行宇宙》系列解读《宇宙是平的……这很让人费解》

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