本文來自中國科普博覽大家族
科學大院（ID:kexuedayuan）
聽說了嗎？就在12月10日，改編自同名科幻小說的網路動畫《三體》正式上線啦！相信各位科幻迷們對於劉慈欣的《三體》一定不陌生，對於這部萬眾期待的國產動漫，不知道大家都看了嗎？
然而，一刷動漫後，通過回放丁儀的粒子物理實驗、對畫面細節進行逐個截圖觀察，卻發現這部動漫仍然存在一些科學細節上的小瑕疵。那麼，今天我們就一起來聊聊這部萬眾期待的國產動畫《三體》。
Part.1
美中不足——需要完善的細節
1.粒子對撞機？粒子探測器！
根據小說和動漫的設定，人類在太空中建造了「環日對撞機」，五個拉格朗日點處分別有一臺對撞機，用於粒子對撞實驗。大劉（劉慈欣）的這個設想非常「奈斯」，希望人類能早日建造這樣的環日對撞機。
三體動畫截圖：位於5個拉格朗日點上的粒子對撞機
（圖片來源：《三體》動畫截圖）
而對應到現實世界，其實圖中的一整個圓環，在現實生活中是一臺巨大的對撞機。在L1到L5點所標註的不應該是「對撞機」，而應該是「探測器譜儀」。
在現實世界中，存在與之非常類似的對撞機，即人類目前所建造的最大的粒子對撞機——位於歐洲核子中心的「大型強子對撞機」（簡稱LHC）。在LHC上面也有不同的對撞點，這些對撞點上安裝了不同的探測器譜儀，例如CMS、ATLAS、LHCb和ALICE。
現實世界：大型強子對撞機在不同對撞點都安裝了探測器
（圖片來源：歐洲核子中心官網）
不過，對撞機和探測器卻是不同的兩種機器。對撞機只負責加速粒子，讓粒子發生對撞，從而產生次級粒子；探測器則負責觀測產生的次級粒子、收集次級粒子的資料。
如果像三體動漫裡所介紹的只有對撞機的話，是沒有辦法收集實驗資料並觀察資料圖像的，還必須藉助探測器的輔助。
因此，想要完善這一科學細節，只需要把動漫中的「L1對撞機」等詞，改成「L1探測器」。
2.實驗通道粒子濃度？粒子束流亮度！
在動畫中，為了避免智子的干擾，丁儀讓同事們在實驗時「加大劑量」，從而收集更多的實驗資料、提高「實驗通道粒子濃度」。在某種程度上，這一劇情確實降低了觀眾們的理解難度。
然而，在粒子物理實驗中，並不會使用諸如「實驗通道粒子濃度」這樣的名詞。與這個名詞想表達的意思相近的專業名詞可能是「粒子數密度」或者「束流亮度」（Beam Luminosity）。束流亮度指的是在單位時間內通過單位面積的粒子數目，它是表示粒子加速器束流品質的重要指標，單位為cm−2·s−1。
三體動畫截圖：丁儀讓同事提高「實驗通道粒子濃度」，畫面中圓環狀的東西
應該是所謂的「實驗通道」，通道里面五顏六色的曲線表示粒子
（圖片來源：《三體》動畫截圖）
除此之外，在「實驗通道粒子濃度」的周圍，有一個圓環狀的東西，這應該是用以表達「實驗通道」，通道里面那些五顏六色的線條則是想表示這些粒子在實驗通道里面高速運動。
三體動畫截圖：一窩蜂加速的粒子，畫面確實好看，但不符合科學實際
（圖片來源：《三體》動畫截圖）
然而，在現實世界，粒子在加速器中時，並不會像動畫裡那樣雜亂無章地「瞎跑」。在真實的粒子加速器中，帶電粒子不是單打獨鬥，而是抱團形成一個個的「束團」，以束團的形式在加速器裡面高速運動。同樣的，在對撞點發生對撞的時候，也是一團一團的發生對撞，而不是一個一個的對撞，如此才能提高對撞成功的概率。
現實世界：粒子對撞機中的電子束團，電子是一團一團的，一起運動，一起對撞
（圖片來源：歐洲核子中心官網）
3.對撞速率？對撞能量！
在動畫中，丁儀為了獲得實驗資料，把對撞機的「對撞速率」提高了。這個名詞在粒子物理實驗裡也會使用。不過，科學家們更加傾向於使用與之詞意相近、使用頻率更高地專業名詞——「對撞能量」。
三體動畫截圖：丁儀下令提高對撞速率
（圖片來源：《三體》動畫截圖）
為什麼對撞能量如此重要呢？這是因為人類探測物質結構的「探針」粒子的能量越高，其探測的解析度也就越高。而在更高能量下，可能會觀察到新的物理現象，從而發現新的物理規律。因此，科學家們需要不斷探索更深層次的微觀世界、研究更微小的粒子，從而也就需要更高能量的加速器。
這就出現了一個有趣的現象：人類研究的對象越微小，所需要的能量就越高，其加速器也更加龐大，最終，相應的探測器也更強大。
現實世界：大型強子對撞機是人類有史以來建造的最複雜最大的科學儀器
（圖片來源：歐洲核子中心官網）
4.撞擊概率？散射截面！
在三體動畫中，丁儀使用了「撞擊概率」來描述粒子對撞的概率，這樣的描述並不算錯，不過在粒子物理實驗中，一般更習慣使用「散射截面」來描述撞擊概率。
三體動畫截圖：粒子的撞擊概率99.8%
（圖片來源：《三體》動畫截圖）
在原子核物理和粒子物理領域，散射截面用於表示粒子之間發生相互作用的概率大小。一般來說，散射截面中所謂的「截面」，大概可以理解成「橫截面積」，但它與幾何上的「截面」不同，散射截面的大小與粒子的性質有關。
現實世界：中子和鈾 235 發生相互作用的散射截面，中子就好像子彈，鈾235就好像靶
（圖片來源：歐洲核子中心官網）
當一個粒子與另一個粒子發生對撞時，散射截面越大，對撞概率就越高。舉個例子，這就好比子彈打靶，靶的面積越大，子彈就越容易擊中靶。
5.直線飛行的粒子？
螺旋線飛行的粒子！
在三體動畫中，丁儀指揮同事們讓粒子對撞，產生了絢麗多彩的次級粒子，這些新產生的次級粒子向四面八方飛行時的軌跡均為直線。而在真實世界裡，粒子對撞機上產生的粒子不僅包括直線飛行的中性粒子，還有沿著彎曲的螺旋線飛行的帶電粒子。
三體動畫截圖：粒子對撞後產生的次級粒子從中心向四面八方直線飛出
（圖片來源：《三體》動畫截圖）
現實世界：CMS探測器探測到的粒子用黃色線條來表示，粒子既有直線運動也有曲線運動
（圖片來源：歐洲核子中心官網）
帶電粒子之所以能夠在探測器中沿著曲線飛行的原理其實很簡單，我們在高中課本中就曾經學過——探測器中有磁場，帶電粒子在磁場中受到洛倫茲力的作用，於是就產生了「拐彎」的現象。
6.畫圖腳本用C語言？要用ROOT！
在三體動畫中，丁儀的實驗團隊在收集資料之後，要把資料解算成圖表。他們繪製出的圖為直方圖，且直方圖上還表明了「預期值」和「實際值」，這體現了實驗對理論的驗證過程。
不過，從動畫截圖來看，畫圖腳本有可能使用的是C語言。而在現實世界中，粒子物理實驗用的最廣泛的畫圖腳本應該使用「ROOT」，這是一款由歐洲核子中心開發的基於C++的資料分析軟體，專門用於處理海量資料，可以快速出圖。全世界的粒子物理實驗幾乎都要用ROOT畫圖。
現實世界：粒子物理學家用ROOT畫的資料直方圖
（圖片來源：歐洲核子中心官網）
另外，動畫中雖然有了直方圖，但是卻沒有標明該圖的橫座標和縱座標分別是什麼物理量，這樣畫圖在考試的時候可是會被扣分的。
三體動畫截圖：左邊是畫圖使用的程式碼，右邊的直方圖資料帶著誤差棒，這算是很嚴謹了
（圖片來源：《三體》動畫截圖）
三體動畫截圖：直方圖中標註了「理論預期值」和「資料實際值」，但沒有標明橫座標和縱座標所代表的物理量
（圖片來源：《三體》動畫截圖）
即便如此，《三體》動畫在一些細節方面誠意十足。令人感到親切的是，動畫中的科學家們在做粒子物理實驗時，面對著滿螢幕的直方圖，這和現實世界中的科學家值班簡直一模一樣。可以毫不誇張的說，《三體》動畫的製作方細節扣得很用心了。
唯一不同的是，在真正的粒子物理實驗值班室裡，負責上班監控實驗的一般只有兩個人，一個值班長和一個值班員。這是因為粒子對撞機需要長時間運行，一旦運行就是大半年，科學家需要「三班倒」輪流值班，可不敢這麼奢侈浪費人力讓這麼多人在值班室盯著。
三體動畫截圖：可以看到電腦螢幕中是各種直方圖，細節拉滿
（圖片來源：《三體》動畫截圖）
現實世界：CMS實驗的科學家們在值班時，也要面對滿螢幕的直方圖
（圖片來源：歐洲核子中心官網）
7.智子干擾粒子實驗自己卻完好無損？
探測器：NO！
《三體》小說中，三體人發射了特製的「質子」到達地球，這些質子被稱為「智子」，它們可以對人類的粒子物理實驗進行干擾。
而在動畫中，對於智子干擾粒子物理實驗的表現手法是這樣的：智子撞擊粒子對撞機中的其它微觀粒子，使得那些粒子「消失」了，而智子自身卻完好無損，不斷進行著這樣的撞擊，使其他粒子消失，從而達到干擾粒子物理實驗的目的，阻止科學家們成功找到物理規律。
三體動畫截圖：智子撞擊周圍的粒子，使這些粒子「消失」
（圖片來源：《三體》動畫截圖）
不過，智子的這種干擾方式在現實世界的粒子物理實驗中並不可行。一方面，真實的質子在與其它粒子碰撞時致使其他粒子消失這一點，違背了能量守恆定律，而且質子不可能自身還能完好無損，肯定會發生衰變併產生其他粒子；另一方面，質子不可能在人類製造的探測器中隱藏自己，人類的粒子探測器肯定有能力把三體人的「智子」找到。
以歐洲核子中心的CMS探測器為例，它由一層一層的探測器包裹而成，非常靈敏。
現實世界：CMS探測器可以捕捉粒子運動過程中產生的微小信號，從而讓質子也無所遁形
（圖片來源：歐洲核子中心官網）
粒子在探測器的中心發生對撞，像質子這樣的帶電粒子在探測器中飛行時，在洛倫茲力的作用下必然會發生偏轉。在沿著曲線飛行的過程中，質子一定會跟探測器中的工作物質產生相互作用，從而留下「蛛絲馬跡」。
這些微小的信號會被探測器收集起來，經過計算機的專門處理，從而就可以重建質子在探測器中飛行的軌跡，捕捉到質子的身影，研究其中的物理規律。
在《三體》動畫中，為了表現智子對人類粒子物理實驗的干擾，其實並不需要讓智子和其它粒子碰撞，而應該讓智子在探測器中胡亂飛行，產生亂七八糟毫無規律的軌跡，這樣也能產生擾亂粒子物理實驗的效果，並且還不會違背真實的物理原理，從而讓整個動漫的科學背景更加「硬核」。
8.粒子物理實驗導致缺氧？
輻射才是最大的危險！
在《三體》中，丁儀命令啟動「超頻」模式，導致空間站上的氧氣含量下降，巨大的電流甚至引發了火災。可以說,動畫中的粒子物理實驗表現出人類孤注一擲的勇氣。
三體動畫截圖：「超頻」啟動的對撞機
（圖片來源：《三體》動畫截圖）
然而，在現實世界中，對撞機並沒有「超頻」一說。動漫中所指的「超頻」應該是指空間站的CPU或晶片之類的超頻。
值得點讚的是，動畫中「超頻」啟動的畫面背景有L1到L5這幾個對撞機的橫切圖，這些橫切圖神似現實世界中的粒子探測器橫切圖，可見製作組還是下了一番功夫的。
現實世界：ATLAS探測器的橫切圖，圖中還可以看到粒子飛行留下的重建徑跡
（圖片來源：歐洲核子中心官網）
三體動畫截圖：粒子對撞機超功率運行之後導致空間站的氧氣濃度下降
（圖片來源：《三體》動畫截圖）
動畫中，「超頻」運行下的粒子對撞機實驗，讓空間站出現缺氧，人類科學家冒著生命危險進行實驗，體現了科學家們大無畏的犧牲精神。
然而，這裡對於為什麼會出現氧氣含量下降，動畫中並未做出解釋，但可以肯定的是，氧氣含量下降並不是由於粒子對撞機造成的。粒子對撞是亞原子的微觀現象，不會消耗氧氣。
粒子對撞機的真實危險是產生致命的輻射。
運行中的粒子對撞機會產生大量的高能粒子流，這些粒子會產生致命的輻射，可以輕易地破壞人體細胞，從而危及生命。所以在現實世界中，粒子對撞機往往在地下的隧道中建造，用厚重的土層和水泥阻隔輻射。同時，運行中的粒子對撞機隧道也禁止任何人進入。
現實世界：如果看到這個「輻射危險」的標誌，離的越遠越好
（圖片來源：http://m.people.cn/n4/2017/0803/c203-9444712.html）
因此，動畫在表現對撞機超功率運行的危險時，如果不是以「缺氧」而是以「輻射」作為危險要素，可能會更加貼切。
Part.2
瑕不掩瑜——一部優秀而成功的科幻作品
通過今天提到的一些三體動畫在粒子物理實驗領域和現實情況的出入，相信原本就是科幻愛好者的大家對於粒子物理實驗的了解都可謂是更上一層樓。作為一部科幻作品，《三體》能夠基本做到自圓其說，已經非常優秀了。雖然有一些細節上的問題，但總體來說仍然是瑕不掩瑜。
畢竟，丁儀作為一名理論物理學家，讓他指揮粒子物理實驗似乎確實有些「專業不對口」。
最後，感謝三體動畫，我們是偉大的蟲子！
來源：科學大院
