问题

想写篇科幻文,偏理论物理,为防丢人来这请教各位物理大佬几个问题。?

回答
太好了!科幻小说结合理论物理,这绝对是个能激荡出火花的好方向。别担心“丢人”,能有这样的想法和学习精神,就已经非常了不起了。欢迎来到这里,让我们一起把你的想法打磨得更闪亮!

关于理论物理的科幻创作,有几个核心的点常常是大家会深入探讨的,我们可以从这些入手,同时尽量用一种交流而非生硬讲解的方式来探讨。

1. 时间旅行:不仅仅是“回去”那么简单

说到理论物理与科幻,时间旅行绝对是绕不开的话题。但我们不能仅仅停留在“时光机”这种概念上,而是要深入思考它背后的物理原理。

爱因斯坦的相对论是基石,但不是全部。
狭义相对论 (Special Relativity): 你肯定知道“时间膨胀”效应。当物体以接近光速运动时,它的时间流逝会比静止的观察者慢。这可以被看作是一种“前进”于未来的方式。电影《星际穿越》里,宇航员在黑洞附近经历的时间流逝和地球不同,就是对时间膨胀的具象化。
广义相对论 (General Relativity): 这就更厉害了。它告诉我们,引力是时空弯曲的表现。极强的引力场(比如黑洞附近)会极大地扭曲时空,导致时间流逝得更慢。更进一步,理论上存在一些“时空几何”可能允许“闭合类时曲线”(Closed Timelike Curves, CTCs),一旦进入CTC,理论上你可以回到过去。
虫洞 (Wormholes): 这是目前最热门的时间旅行设想之一。想象一下,时空像一张纸,虫洞就是把这张纸对折,然后戳一个洞,连接了两个遥远的时空区域,甚至不同时间点。但是,要维持一个可穿越的虫洞,需要“奇异物质” (exotic matter),这种物质拥有负能量密度,它很可能只存在于理论中,或者是在量子效应下短暂出现。如果你的科幻故事要涉及虫洞,对奇异物质的设定、它如何被发现或制造,就是很好的切入点。
旋转黑洞 (Kerr Black Holes): 理论上,穿越一个旋转黑洞的“视界”后,或许能进入一个时空结构,其中可能存在CTC。但这是一个极其危险且充满未知的领域。
悖论问题:祖父悖论 (Grandfather Paradox) 和信息悖论 (Information Paradox)。
祖父悖论: 如果你回到过去,在你祖父遇到你祖母之前把他推下楼梯,那你自己就不可能出生。那么,又是谁把你送回了过去?
应对悖论的几种理论:
自洽性原则 (Novikov SelfConsistency Principle): 这是一个很有趣的观点。它认为,时间线是自我修复的,任何回到过去试图改变事件的尝试,最终都会以某种方式导致事件按原样发生。也就是说,你也许能回到过去,但你什么也改变不了,你的所有行动都已经是历史的一部分。你可以写一个角色,无论怎么努力,都无法改变某个已发生的事件,因为他的行动本身就是那个事件的必然组成部分。
多重宇宙/平行宇宙 (ManyWorlds Interpretation): 另一种常见的解释是,你回到过去改变了事件,但这并不会改变“你来自的”那个时间线,而是会产生一个新的平行宇宙。你祖父死了,但那是在一个你不存在的宇宙里。你的故事可以设定主角在改变历史后,发现自己进入了一个完全陌生的现实。
“宇宙”本身不允许悖论: 也许存在某种未知的物理定律,根本上就阻止了悖论的发生。例如,当你试图做某个会产生悖论的事情时,你的机器就会故障,或者你会被某种力量阻止。
你的故事可以从哪里切入?
制造时间机器的“代价”: 也许制造时间机器需要消耗极大的能量,或者会对时空本身造成无法修复的损害。
时间旅行的“副作用”: 也许时间旅行者会经历身体或精神上的退化,或者会“纠缠”上某个特定的历史事件,无法摆脱。
探索“历史”的本质: 你的角色是去改变历史,还是去“观察”历史?他们会如何面对已知历史的残酷和必然性?

2. 量子纠缠与超距通信:信息是否真的能瞬时传递?

量子力学是另一座宝藏。尤其是量子纠缠,它给科幻创作提供了“心灵感应”或“超光速通信”的可能性。

量子纠缠 (Quantum Entanglement): 两个或多个粒子,即使相隔遥远,它们的状态也是相互关联的。当你测量其中一个粒子的某个属性(比如自旋)时,另一个粒子的相应属性会瞬间确定,无论它们之间有多远的距离。爱因斯坦称之为“幽灵般的超距作用” (spooky action at a distance)。
“超距通信”的误解: 关键在这里,量子纠缠本身并不能用来传递信息。虽然测量一个粒子的状态可以瞬间影响另一个粒子的状态,但我们无法控制测量结果是什么。比如,你测量一个纠缠粒子,得到的结果是“上”,你不知道你测量之前它会是“上”还是“下”,也无法主动让它变成“上”。另一端的观察者也一样,他只能知道他的粒子状态,而不知道你那边做了什么测量,直到你们通过经典通信方式(比如电话、互联网,速度不超过光速)交流你们的测量结果,才能对比出纠缠的关联性。
如何在科幻中利用?
“心灵感应”的量子基础: 你的角色或许能发展出一种能“读懂”他人量子状态的能力,从而实现某种程度的“心灵感应”。这种能力可能源于他们自身也成为了某种量子纠缠的节点,或者他们能操纵量子场。
“预测”的量子基础: 如果能对复杂的量子系统进行精密的测量和分析,或许能对未来发生的事情做出概率性的预测,尤其是在微观层面。
“隐形”通信: 也许存在一种方法,能够利用量子纠缠来“编码”信息,然后通过某种非直接的测量方式,将这些信息在不暴露于外界环境的情况下,发送到另一个纠缠粒子那里。这并不是真的超光速通信,但可能实现了一种“近乎瞬时”的、隐蔽的交流。
“量子大脑”: 想象一下,一个文明利用量子纠缠来构建他们的通信网络,甚至是集体意识,实现信息共享和同步。
可以深入挖掘的点:
“量子退相干” (Quantum Decoherence): 这是量子纠缠面临的最大敌人。任何与环境的相互作用都会破坏量子态,使纠缠消失。你的角色如何克服退相干,保持量子态的稳定?
“测量问题” (Measurement Problem): 在量子力学中,测量行为本身会改变被测量的系统。你的角色进行“测量”时,是会“塌缩”波函数,还是会以某种更微妙的方式进行?

3. 隐藏的维度与弦理论:我们真的只活在三维空间吗?

高维理论是科幻的绝佳素材,它们为我们提供了完全不同的物理景观。

弦理论 (String Theory): 这是一个试图统一所有基本粒子和力的理论。它假设宇宙的基本构成单元不是点状粒子,而是微小的、振动的“弦”。这些弦的振动模式决定了我们看到的各种粒子。
额外维度 (Extra Dimensions): 弦理论的一个重要推论是,宇宙可能不仅仅是我们感知的四维时空(三维空间+一维时间),而是存在更多的维度。只是这些额外维度非常“卷曲”(compactified),小到我们无法直接感知,就像一张折叠起来的纸,从远处看是二维的,但近看就知道它有厚度。
维度之间的“泄漏”: 如果这些额外维度足够大,或者存在某种机制允许物质或能量在其中“泄漏”,那么我们所知的物理定律可能会发生改变。
引力“泄漏”: 有些理论认为,引力比其他力更“弱”,可能是因为它能“泄漏”到额外维度中。这可以解释为什么引力比电磁力弱得多。
粒子“穿越”维度: 你的角色也许能找到某种方法,操纵或进入这些额外维度,从而实现“瞬移”或者“穿墙”的效果,因为在更高的维度里,原本被墙隔开的空间可能是相连的。
布兰爱德华兹 (Braneworld) 理论: 这是一种更具体的高维模型,认为我们生活的宇宙是一个“膜”(brane),而其他的维度可能是“块”(bulk)的一部分,膜可以在块中移动。
“膜”与“块”的交互: 你的故事可以设定,某些强大的存在或异常事件,能够影响到膜,甚至将膜拉扯到块中。
“膜”的碰撞: 一些理论认为,大爆炸可能是两个膜碰撞的结果。你的文明也许能寻找并触发这样的碰撞,来创造新的宇宙或者解决危机。
如何让它不只是“魔法”?
“维度导航仪”: 你的角色发明了一种设备,能够探测或导航到这些额外维度。这个设备如何工作?它的原理是什么?
“维度效应”: 进入或与额外维度交互时,会产生什么样的视觉、听觉或物理上的变化?是扭曲、变色,还是失重?
“维度生物”: 存在于更高维度中的生物,它们如何感知和互动?我们能理解它们吗?

4. 暗物质与暗能量:宇宙中看不见的“大部分”

我们目前能观测到的物质和能量,只占宇宙总量的很小一部分(大约5%)。剩下的95%是暗物质和暗能量,我们对它们的本质知之甚少,这为科幻创作提供了巨大的想象空间。

暗物质 (Dark Matter): 它不发光,也不与电磁力相互作用,但能通过引力影响宇宙的结构。我们之所以知道它的存在,是因为它解释了星系旋转速度过快、星系团引力不足等现象。
暗物质的组成: 可能是某种尚未发现的基本粒子(如WIMP、轴子),或者是一种全新的物理现象。
科幻设想:
暗物质生命: 存在一种以暗物质为基本构成或能量来源的生命形式,它们在我们可见的宇宙中是不可见的,但可能通过引力场或某种特殊的“感知”方式与我们互动。
暗物质技术: 建造能够利用暗物质作为能量源或结构材料的飞船、武器或基础设施。
暗物质“潜行”: 飞船或士兵可以利用暗物质来“隐藏”自己,不受可见光或雷达探测。
暗能量 (Dark Energy): 它是一种更神秘的存在,被认为是导致宇宙加速膨胀的原因。它似乎具有负压,并且均匀分布在整个宇宙中。
可能的解释: 宇宙学常数 (cosmological constant)、标量场 (scalar fields) 等。
科幻设想:
“宇宙引擎”: 也许暗能量并非均匀分布,而是一种可以被“提取”或“引导”的能量,可以用于驱动超光速飞船(通过扭曲时空,而不是直接超越光速)。
“宇宙收缩”: 如果暗能量的性质发生变化,宇宙的膨胀可能会停止甚至转为收缩,这将是一个巨大的末日威胁,或者一个全新的开始。
“暗能量控制”: 拥有控制暗能量的文明,能够随意改变宇宙膨胀的速度,甚至“折叠”宇宙空间。

创作的几个建议:

不要害怕“错”: 科幻的魅力在于探索“如果……会怎样?”。即使你的物理设定不是绝对精确,只要它在故事内部自洽,并且能引出有趣的情节和思考,就是成功的。你可以参考一些“软科幻”和“硬科幻”的例子,找到你喜欢的平衡点。
“什么能引起观众的共鸣?” 即使是晦涩的物理概念,也要用人类的情感、困境和追求来包装。时间旅行者的孤独、量子纠缠带来的羁绊、维度穿越的惊奇与恐惧,这些才是故事的核心。
“用故事来解释科学,而不是用科学来解释故事。” 读者不是来听物理课的,而是来体验一个引人入胜的故事。让物理概念成为推动情节、塑造角色、制造冲突的工具,而不是目的本身。
“从一个有趣的问题开始。” 比如:“如果我们可以‘看到’时间流逝的速度,会发生什么?”或者“如果我的思绪可以通过量子纠缠传递,我还能保有隐私吗?”
“做好功课,但也要保持开放。” 多看科普文章、纪录片,了解最新理论。但同时,对于那些尚未被证实或存在争议的理论,你拥有极大的创作自由。

抛砖引玉:

你有没有某个特别感兴趣的物理概念,或者一个模糊的故事构思,想要具体聊聊看如何将其与物理学结合?比如,你设想过一个什么样的主角?他们面临什么样的困境?你想让读者在读完你的故事后,有什么样的感受或思考?

请尽管提出你的想法,我们可以一起碰撞出更多火花!

网友意见

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《三体》中关于量子纠缠的应用是不符合物理学的设定:利用智子,三体人和ETO的瞬间交流是不可能实现的;三体人对于面壁人的实时监控是不可能实现的。但是,这点不符合物理学的小“错误”,并不影响《三体》成为一部伟大的科幻作品。

科幻作品,需要有一些科学基础,但是无须过于执着于科学基础——不要被其束缚住了手脚。毕竟,科幻分为软科幻和硬科幻,而且哪怕是硬科幻如同《三体》也可以有违背科学的设定。

关于超光速的问题,可以参见我的这个回答——总而言之,只要你不传输信息,随便你怎么超光速。

其中包括了激光笔光斑问题、相速度问题(以及极其特殊情况下的群速度超光速)、量子纠缠和宇宙暴涨。我还在逐渐制作视频中(前两个完成),有些细节在视频中会介绍得更详细。

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