物理老师看《三体》动画是什么体验？
2022/12/15 17:04:44 中国科普博览
本文来自中国科普博览大家族科学大院(ID:kexuedayuan)
听说了吗？就在12月10日，改编自同名科幻小说的网络动画《三体》正式上线啦!相信各位科幻迷们对于刘慈欣的《三体》一定不陌生，对于这部万众期待的国产动漫，不知道大家都看了吗？然而，一刷动漫后，通过回放丁仪的粒子物理实验、对画面细节进行逐个截图观察，却发现这部动漫仍然存在一些科学细节上的小瑕疵。那么，今天我们就一起来聊聊这部万众期待的国产动画《三体》。
Part.1
美中不足——需要完善的细节
1.粒子对撞机？粒子探测器!根据小说和动漫的设定，人类在太空中建造了“环日对撞机”，五个拉格朗日点处分别有一台对撞机，用于粒子对撞实验。大刘(刘慈欣)的这个设想非常“奈斯”，希望人类能早日建造这样的环日对撞机。
三体动画截图：位于5个拉格朗日点上的粒子对撞机
(图片来源：《三体》动画截图)而对应到现实世界，其实图中的一整个圆环，在现实生活中是一台巨大的对撞机。在L1到L5点所标注的不应该是“对撞机”，而应该是“探测器谱仪”。在现实世界中，存在与之非常类似的对撞机，即人类目前所建造的最大的粒子对撞机——位于欧洲核子中心的“大型强子对撞机”(简称LHC)。在LHC上面也有不同的对撞点，这些对撞点上安装了不同的探测器谱仪，例如CMS、ATLAS、LHCb和ALICE。
现实世界：大型强子对撞机在不同对撞点都安装了探测器
(图片来源：欧洲核子中心官网)不过，对撞机和探测器却是不同的两种机器。对撞机只负责加速粒子，让粒子发生对撞，从而产生次级粒子；探测器则负责观测产生的次级粒子、收集次级粒子的数据。如果像三体动漫里所介绍的只有对撞机的话，是没有办法收集实验数据并观察数据图像的，还必须借助探测器的辅助。因此，想要完善这一科学细节，只需要把动漫中的“L1对撞机”等词，改成“L1探测器”。
2.实验通道粒子浓度？粒子束流亮度!在动画中，为了避免智子的干扰，丁仪让同事们在实验时“加大剂量”，从而收集更多的实验数据、提高“实验通道粒子浓度”。在某种程度上，这一剧情确实降低了观众们的理解难度。然而，在粒子物理实验中，并不会使用诸如“实验通道粒子浓度”这样的名词。与这个名词想表达的意思相近的专业名词可能是“粒子数密度”或者“束流亮度”(Beam Luminosity)。束流亮度指的是在单位时间内通过单位面积的粒子数目，它是表示粒子加速器束流品质的重要指标，单位为cm?2·s?1。
三体动画截图：丁仪让同事提高“实验通道粒子浓度”，画面中圆环状的东西
应该是所谓的“实验通道”，通道里面五颜六色的曲线表示粒子
(图片来源：《三体》动画截图)除此之外，在“实验通道粒子浓度”的周围，有一个圆环状的东西，这应该是用以表达“实验通道”，通道里面那些五颜六色的线条则是想表示这些粒子在实验通道里面高速运动。
三体动画截图：一窝蜂加速的粒子，画面确实好看，但不符合科学实际
(图片来源：《三体》动画截图)然而，在现实世界，粒子在加速器中时，并不会像动画里那样杂乱无章地“瞎跑”。在真实的粒子加速器中，带电粒子不是单打独斗，而是抱团形成一个个的“束团”，以束团的形式在加速器里面高速运动。同样的，在对撞点发生对撞的时候，也是一团一团的发生对撞，而不是一个一个的对撞，如此才能提高对撞成功的概率。
现实世界：粒子对撞机中的电子束团，电子是一团一团的，一起运动，一起对撞
(图片来源：欧洲核子中心官网)
3.对撞速率？对撞能量!在动画中，丁仪为了获得实验数据，把对撞机的“对撞速率”提高了。这个名词在粒子物理实验里也会使用。不过，科学家们更加倾向于使用与之词意相近、使用频率更高地专业名词——“对撞能量”。
三体动画截图：丁仪下令提高对撞速率
(图片来源：《三体》动画截图)
为什么对撞能量如此重要呢？这是因为人类探测物质结构的“探针”粒子的能量越高，其探测的分辨率也就越高。而在更高能量下，可能会观察到新的物理现象，从而发现新的物理规律。因此，科学家们需要不断探索更深层次的微观世界、研究更微小的粒子，从而也就需要更高能量的加速器。
这就出现了一个有趣的现象：人类研究的对象越微小，所需要的能量就越高，其加速器也更加庞大，最终，相应的探测器也更强大。
现实世界：大型强子对撞机是人类有史以来建造的最复杂最大的科学仪器
(图片来源：欧洲核子中心官网)
4.撞击概率？散射截面!在三体动画中，丁仪使用了“撞击概率”来描述粒子对撞的概率，这样的描述并不算错，不过在粒子物理实验中，一般更习惯使用“散射截面”来描述撞击概率。
三体动画截图：粒子的撞击概率99.8%(图片来源：《三体》动画截图)在原子核物理和粒子物理领域，散射截面用于表示粒子之间发生相互作用的概率大小。一般来说，散射截面中所谓的“截面”，大概可以理解成“横截面积”，但它与几何上的“截面”不同，散射截面的大小与粒子的性质有关。
现实世界：中子和铀 235 发生相互作用的散射截面，中子就好像子弹，铀235就好像靶
(图片来源：欧洲核子中心官网)
当一个粒子与另一个粒子发生对撞时，散射截面越大，对撞概率就越高。举个例子，这就好比子弹打靶，靶的面积越大，子弹就越容易击中靶。
5.直线飞行的粒子？螺旋线飞行的粒子!在三体动画中，丁仪指挥同事们让粒子对撞，产生了绚丽多彩的次级粒子，这些新产生的次级粒子向四面八方飞行时的轨迹均为直线。而在真实世界里，粒子对撞机上产生的粒子不仅包括直线飞行的中性粒子，还有沿着弯曲的螺旋线飞行的带电粒子。
三体动画截图：粒子对撞后产生的次级粒子从中心向四面八方直线飞出
(图片来源：《三体》动画截图)
现实世界：CMS探测器探测到的粒子用黄色线条来表示，粒子既有直线运动也有曲线运动
(图片来源：欧洲核子中心官网)
带电粒子之所以能够在探测器中沿着曲线飞行的原理其实很简单，我们在高中课本中就曾经学过——探测器中有磁场，带电粒子在磁场中受到洛伦兹力的作用，于是就产生了“拐弯”的现象。
6.画图脚本用C语言？要用ROOT!在三体动画中，丁仪的实验团队在收集数据之后，要把数据解算成图表。他们绘制出的图为直方图，且直方图上还表明了“预期值”和“实际值”，这体现了实验对理论的验证过程。不过，从动画截图来看，画图脚本有可能使用的是C语言。而在现实世界中，粒子物理实验用的最广泛的画图脚本应该使用“ROOT”，这是一款由欧洲核子中心开发的基于C++的数据分析软件，专门用于处理海量数据，可以快速出图。全世界的粒子物理实验几乎都要用ROOT画图。
现实世界：粒子物理学家用ROOT画的数据直方图
(图片来源：欧洲核子中心官网)
另外，动画中虽然有了直方图，但是却没有标明该图的横坐标和纵坐标分别是什么物理量，这样画图在考试的时候可是会被扣分的。
三体动画截图：左边是画图使用的代码，右边的直方图数据带着误差棒，这算是很严谨了
(图片来源：《三体》动画截图)
三体动画截图：直方图中标注了“理论预期值”和“数据实际值”，但没有标明横坐标和纵坐标所代表的物理量
(图片来源：《三体》动画截图)
即便如此，《三体》动画在一些细节方面诚意十足。令人感到亲切的是，动画中的科学家们在做粒子物理实验时，面对着满屏幕的直方图，这和现实世界中的科学家值班简直一模一样。可以毫不夸张的说，《三体》动画的制作方细节扣得很用心了。唯一不同的是，在真正的粒子物理实验值班室里，负责上班监控实验的一般只有两个人，一个值班长和一个值班员。这是因为粒子对撞机需要长时间运行，一旦运行就是大半年，科学家需要“三班倒”轮流值班，可不敢这么奢侈浪费人力让这么多人在值班室盯着。
三体动画截图：可以看到电脑屏幕中是各种直方图，细节拉满
(图片来源：《三体》动画截图)
现实世界：CMS实验的科学家们在值班时，也要面对满屏幕的直方图(图片来源：欧洲核子中心官网)
7.智子干扰粒子实验自己却完好无损？
探测器：NO!《三体》小说中，三体人发射了特制的“质子”到达地球，这些质子被称为“智子”，它们可以对人类的粒子物理实验进行干扰。而在动画中，对于智子干扰粒子物理实验的表现手法是这样的：智子撞击粒子对撞机中的其它微观粒子，使得那些粒子“消失”了，而智子自身却完好无损，不断进行着这样的撞击，使其他粒子消失，从而达到干扰粒子物理实验的目的，阻止科学家们成功找到物理规律。
三体动画截图：智子撞击周围的粒子，使这些粒子“消失”
(图片来源：《三体》动画截图)
不过，智子的这种干扰方式在现实世界的粒子物理实验中并不可行。一方面，真实的质子在与其它粒子碰撞时致使其他粒子消失这一点，违背了能量守恒定律，而且质子不可能自身还能完好无损，肯定会发生衰变并产生其他粒子；另一方面，质子不可能在人类制造的探测器中隐藏自己，人类的粒子探测器肯定有能力把三体人的“智子”找到。以欧洲核子中心的CMS探测器为例，它由一层一层的探测器包裹而成，非常灵敏。
现实世界：CMS探测器可以捕捉粒子运动过程中产生的微小信号，从而让质子也无所遁形
(图片来源：欧洲核子中心官网)粒子在探测器的中心发生对撞，像质子这样的带电粒子在探测器中飞行时，在洛伦兹力的作用下必然会发生偏转。在沿着曲线飞行的过程中，质子一定会跟探测器中的工作物质产生相互作用，从而留下“蛛丝马迹”。这些微小的信号会被探测器收集起来，经过计算机的专门处理，从而就可以重建质子在探测器中飞行的轨迹，捕捉到质子的身影，研究其中的物理规律。在《三体》动画中，为了表现智子对人类粒子物理实验的干扰，其实并不需要让智子和其它粒子碰撞，而应该让智子在探测器中胡乱飞行，产生乱七八糟毫无规律的轨迹，这样也能产生扰乱粒子物理实验的效果，并且还不会违背真实的物理原理，从而让整个动漫的科学背景更加“硬核”。
8.粒子物理实验导致缺氧？
辐射才是最大的危险!在《三体》中，丁仪命令启动“超频”模式，导致空间站上的氧气含量下降，巨大的电流甚至引发了火灾。可以说,动画中的粒子物理实验表现出人类孤注一掷的勇气。
三体动画截图：“超频”启动的对撞机
(图片来源：《三体》动画截图)然而，在现实世界中，对撞机并没有“超频”一说。动漫中所指的“超频”应该是指空间站的CPU或芯片之类的超频。值得点赞的是，动画中“超频”启动的画面背景有L1到L5这几个对撞机的横切图，这些横切图神似现实世界中的粒子探测器横切图，可见制作组还是下了一番功夫的。
现实世界：ATLAS探测器的横切图，图中还可以看到粒子飞行留下的重建径迹
(图片来源：欧洲核子中心官网)
三体动画截图：粒子对撞机超功率运行之后导致空间站的氧气浓度下降
(图片来源：《三体》动画截图)
动画中，“超频”运行下的粒子对撞机实验，让空间站出现缺氧，人类科学家冒着生命危险进行实验，体现了科学家们大无畏的牺牲精神。然而，这里对于为什么会出现氧气含量下降，动画中并未做出解释，但可以肯定的是，氧气含量下降并不是由于粒子对撞机造成的。粒子对撞是亚原子的微观现象，不会消耗氧气。粒子对撞机的真实危险是产生致命的辐射。运行中的粒子对撞机会产生大量的高能粒子流，这些粒子会产生致命的辐射，可以轻易地破坏人体细胞，从而危及生命。所以在现实世界中，粒子对撞机往往在地下的隧道中建造，用厚重的土层和水泥阻隔辐射。同时，运行中的粒子对撞机隧道也禁止任何人进入。
现实世界：如果看到这个“辐射危险”的标志，离的越远越好(图片来源：http://m.people.cn/n4/2017/0803/c203-9444712.html)因此，动画在表现对撞机超功率运行的危险时，如果不是以“缺氧”而是以“辐射”作为危险要素，可能会更加贴切。
Part.2
瑕不掩瑜——一部优秀而成功的科幻作品通过今天提到的一些三体动画在粒子物理实验领域和现实情况的出入，相信原本就是科幻爱好者的大家对于粒子物理实验的了解都可谓是更上一层楼。作为一部科幻作品，《三体》能够基本做到自圆其说，已经非常优秀了。虽然有一些细节上的问题，但总体来说仍然是瑕不掩瑜。毕竟，丁仪作为一名理论物理学家，让他指挥粒子物理实验似乎确实有些“专业不对口”。最后，感谢三体动画，我们是伟大的虫子!来源：科学大院本文已获转载授权，如需转载请联系原作者文章仅代表作者观点，不代表中国科普博览立场
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