《从一到无穷大》——解读《三体》中的水滴 | 科技袁人

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本视频于2023年1月5日发布于抖音视频，点赞量4.1w

大家好，我是袁岚峰。我来向大家推荐一本经典的科普著作《从一到无穷大——科学中的事实与臆测》，作者是物理学家乔治·伽莫夫（George Gamow，1904 - 1968）。此书一个显著的作用，就是让你对所有的科幻作品，几乎都能立刻看明白其中的科学原理。例如最近《三体》动漫上映，我们就来讲如何理解其中一个脍炙人口的设定：水滴。

《三体》原著中是这么描述水滴的：它的表面完全光滑。光滑到什么程度呢？用显微镜来看，放大一百倍，仍然完全光滑。放大一千倍，这时航天服看似光滑的面罩已经变得粗糙了，但水滴仍然完全光滑。放大一万倍，这时人类技术所能加工的最光滑的表面已经变得粗糙了，但水滴仍然完全光滑。放大十万倍、一百万倍以至一千万倍，这时已经可以看到大分子了，但水滴仍然完全光滑！科学家丁仪拿一把锤子使劲砸了水滴一下，再去放大一千万倍看，仍然完全光滑！

什么样的力能达到这样的效果？刘慈欣说了，只有一种力，即强相互作用。

实际上，对强相互作用最形象的描述，正是《从一到无穷大》里写的。伽莫夫最先提出了一种液滴理论，即认为原子核内物质的结构方式与普通液体类似，原子核也像液体一样有表面张力。液体内部的粒子被相邻的粒子向四面八方拉扯，而表面的粒子只被内部的粒子向内部拉扯，所以表面有收缩的趋势。这使液滴倾向于球形，因为在体积给定的情况下，球的表面积最小。

按照伽莫夫的液滴理论，不同元素的原子核可以看作由同一种“核液体”组成的大小不同的液滴。然而这种核液体的密度比水大2.4乘以10的14次方倍即240万亿倍，它的表面张力比水大10的18次方倍即100亿亿倍。

为了理解这些巨大的数字，可以用下面的例子说明。用金属丝弯成一个倒U字形框架，大小约5厘米，下面横搭一根直丝。给框内充入一层肥皂膜，这层膜的表面张力就会把横丝往上拉。在丝下悬一个重物，可以跟表面张力保持平衡。如果这层膜是普通的肥皂水，那么它在厚度为0.01毫米时自重为1/4克，能悬挂3/4克的重物，是自己的三倍。

但假如这层膜是核液体，这层膜的质量就会高达5千万吨！更惊人的是，它能悬挂的重量高达1万亿吨！是自己的两万倍！这相当于火星卫星“火卫二”的质量！一层这么小的薄膜，就能吊起一颗星球！相比之下，“古筝行动”中的纳米丝号称一根头发丝粗能吊起一辆大卡车，就完全是小巫见大巫了。一颗星球都拉不动它，敲一锤怎么可能对它有影响呢？

现在，你明白水滴为什么这么光滑了吗？也许，刘慈欣的灵感，正是来自《从一到无穷大》。

最后，我们来解释一下这本书为什么叫做《从一到无穷大》。此书的第一部分讲了关于计数法和无穷大的数学，所以你会觉得它是数学科普。第二部分从四维空间的数学引出相对论，你又发现它是相对论的科普。看第三部分，你又发现它是微观世界与量子力学的科普，甚至变成分子生物学的科普。最后看第四部分，你又发现它是宇宙学的科普。然而这么多包罗万象的内容，又是按照自然的逻辑连接起来的。这样一种“上穷碧落下黄泉”的编排，让人感觉到，科学确实是“从一到无穷大”！