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如何科学打造三体中的“水滴”外壳

admin2022-12-19 05:40 477人已围观

简介如何科学打造三体中的“水滴”外壳

现实世界中（甭管是人类还是外星人），像“水滴”外壳这种超强材料，有被打造出来的可能吗？

要说《三体》里哪个武器最让人印象深刻，那恐怕非“水滴”莫属了。我知道有些人肯定会选“二向箔”，毕竟直接把世界二维化的“真・降维打击”明显比水滴厉害多了。不过相较于水滴这种还算讲点道理的东西来说，二向箔已经太过逆天，以至于这个设定显得过于的“幻”，而不那么“科”了。所以更贴近现实的水滴反而更容易给人留下深刻印象。

如何科学打造三体中的“水滴”外壳

三体中的“水滴”探测器（艺术图）

原著中大刘花了不少篇幅来描写水滴涉及的物理。比如水滴的外壳，它就是一种由强相互作用材料打造的绝对坚硬的物质。按书里的说法，这种材料中的原子已经被强相互作用一个挨一个地牢牢钉死，带来的效果就四个字 —— 无坚不摧！哪怕号称太阳系中最硬的物质金刚石和它相比，简直就像块豆腐。

这种材料究竟能不能打造出来，我们得先知道大刘口中的“强相互作用”到底是个什么东西。

如何科学打造三体中的“水滴”外壳

三体中被强相互作用钉死的原子（示意图）

我们知道，原子核通常由质子和中子构成。中子不带电就不说了，对于带正电的质子来说，它们之间应该存在很大的斥力。但是这些挨得很近的质子并没有分崩离析，相反它们被牢牢地束缚在一起，构成了非常稳定的原子核（放射性元素除外），这其中的功劳就非“强相互作用”莫属了。

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四大基本相互作用

强相互作用也叫强力，它是四大基本力中最强的力，其强度是电磁力的 137 倍，是弱力的一百万倍（10^6），更是引力的一千万亿亿亿亿倍（10^39）。不过强力虽强，它的作用距离却非常短，大概只有 10^-15 米，也就是原子核大小，平时生活中我们几乎接触不到，它被归为短程力。

由于原子和原子核之间个头差了有 5 个数量级，如果把一个足球场看做是一个原子的话，原子核只相当于草地上的一只蚂蚁。

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原子和原子核的大致比例

既然强力的作用距离只在原子核级别，那么像水滴那样把那么大的原子一个个给钉死，显然是没戏的。除非有什么方法能让强力由短程力变成像电磁力那样的长程力。

之前量子系列里我们说过，其实强力它本身就是长程力。因为传递强力的胶子和传递电磁力的光子一样，它们都没有质量，理论上都以光速传播。而且和电磁力的强度随距离增加而减小不同，强力是唯一一种强度不随距离增加而减小的作用力。那是什么限制了它的作用范围呢？没错，就是夸克禁闭。

当两个夸克距离足够远时，束缚它的胶子的能量会强到形成新的夸克，所以强力无法表现出长程力的效果，它只在质子、中子这类强子的内部起作用。

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夸克禁闭（示意图）

你可能会有疑问：那不对啊，刚才不是说带正电的质子之所以被束缚在一起，不就是因为强相互作用吗？

确实，在这个过程中其实会有一些多余的强力残留下来，“溢出”到强子外部。这些残余的强力就成为了束缚质子的那股力，人们称其为“核力”。也就是说，强子之间原本并没有直接由胶子带来的强相互作用，那些质子和中子其实是被这些残余的核力束缚起来的。而这个核力是会随距离增加而迅速减小的，因此强力的作用范围最终只停留在了原子核尺度。

原著中大刘设想的方式是：通过某种“力场发生器”使得电磁力相互抵消，从而导致强相互作用力溢出。虽然不清楚具体原理，但是这个听起来和刚才的“强力溢出成核力”似乎有点类似。只是这个所谓的“力场发生器”着实有点过于虚幻，现实中有什么其它更具可行性的方法吗？

在遵循现有物理法则的情况下，如果要让强力突破距离限制，那就相当于是要打破夸克禁闭，因此最直接有效的方法就是 —— 提高温度（虽然这不符合原著中“水滴表面接近绝对零度”的这个设定）。

具体提高到多少呢？这个是可以算出来的，大约需要至少一万亿度的高温。没错，这正是大爆炸之初“夸克-胶子时期”的宇宙环境温度。

除了提高温度，增加密度也是一个方法。就是让夸克们不再三三两两配对儿，而是一个挨一个挤在一起。

无论是哪种方法，此时我们得到的是一种被称为“夸克汤（quark soup）”的夸克-胶子等离子体（quark-gluon plasma, QGP）。

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