煎蛋科学第2期：三体里的降维打击厉害吗？

第二期，2018年8月28日，三体里降维打击很厉害么？

最近刚看了动画片我的三体。这部国产动画片虽然是用MineCraft制作的，人物和建筑细节都不能算是专业渲染级别，但是用来描绘宏大的科幻场面其实非常到位。因为人物都是用长方体堆出来的，所以不存在演员演技被喷的情况，豆瓣评分9.5算是我见过的最高分之一了。三体里面经常出现的一种来自歌者文明的攻击方式叫做降维打击。歌者文明使用的二向箔，可以将附近的空间从三维降成二维，使得原本三维空间里的文明毁灭。我们不禁要问，把物质从三维降到二维，文明真的会毁灭么？

首先我们来回顾一下三维的物质都有什么特点，物质最主要的特点是有固定的相态。什么是相态？其实很简单，就是我们平时熟知的气液固三态。其实除了气液固三态，还有很多其他的相态，比如液晶和等离子体。其实相态是两个词，一般情况下可以混用。相，英文叫做phase，跟药物临床试验的期，还有细胞分裂周期里面的期，都是一个词，不过我实在想不出来相态和后两个有什么关联。态，英文叫做state，跟美国的洲也是一个词，比如佛罗里达州，因为美国是联邦制的，所以一个州相当于一个国，所以用了state这个词，在其他国家就不一样了，俄罗斯的莫斯科国立大学也是这个词，moscow state university。什么时候相态不能混用呢？其实很多物质在一个态里面，可以很多相，因为不常见而被大家忽略了。比如冰，有十多种相，我们最常见的是六边冰晶，雪花就是最好的例子，很多时候我们看到的雪花放大后都有六边对称的结构。当然雪花还有一个有趣的现象叫分型（fractal），以后再提。

在不同环境下，原子的排列结构可能会发生变化，相就会发生变化，这种变化叫做相变。比如从液相到固相，原子排列就有明显变化，液相原子排列无规律，而通常通过就降温就能得到固相则有晶体的规则排列。从一个固相到另一个固相，又需要其他的特殊处理，不同固相的原子排列也不一样，六边形，四边形，菱形都存在。所以相的不同主要是指原子排列的不同。因为固体原子的排列是有序的，所以就不断的有人研究固体的序（order）。三维世界的固体都有长程序，英文叫long range order。讲了这么久，终于讲到了激动人心的二维世界。二维世界的固体，并没有长程序（https://doi.org/10.1103/RevModPhys.60.161）。这非常特别，于是有很多人开始研究二维固体是如何变成液体的（因为固液都没有长程序）。于是上世纪70年代，就涌现出了一大波优秀的物理学家，其中就包括2016年的诺贝尔物理学奖得主，Kosterlitz和Thouless。二人通过基于拓扑缺陷的理论描述了二维状态下的固液相变，后来又经过一系列人的补充形成了一套KTHNY理论（并不是服装店）。这个理论对二维固液相变的描述是这样的，二维状态下，液体首先变成一个叫做六角相（hexatic），然后六角相再变成液相，这两个过程都是连续的。

这个理论非常的震撼，因为这和三维的情况差别太大了。三维空间中，比如我从冰箱里拿出一块冰放室温，0度左右的时候，一刹那，变成了水，神不神奇，这个过程称为融化。有人会觉得奇怪，雪都是渐渐融化的，为什么是一刹那？这里的一刹那指的是这个过程随时间确实有变化，但是温度并不变，如果把温度当成变量，密度当成函数来观察这个现象，那么相变过程是在恒定温度下发生的，就是一刹那。非常有趣的是，在科学领域，温度是T，时间是t。在一个图表里看来，如果纵轴是密度，横轴是温度，融化过程就像一个阶梯函数。密度当然是从冰的0.9变成了水的1。但是这个过程在二维空间中，就不一样了。二维空间中，这个过程是连续的，也就是说，并不是一刹那。二维空间中，冰慢慢变成六角相，然后再慢慢变成水。这个过程温度一直在变，也就是说在某个温度范围，固液的相态很模糊。试想一下，到了二维空间，你的血突然不知道自己是液体还是固体了，流着流着不流了，慌不慌？

这个理论其实有很多争议，有不少科学家表示，其实在我们生活的原子系统中，KTHNY理论描述的情况并不存在，也就是说二维空间里的相态和相变依然和三维一样。这种猜测也得到了一些实验的证实（DOI: 10.1038/s41467-017-02634-6，PMID: 28098323），不过这些实验中的原子其实也还是三维，只是被限制在二维空间活动，即使是这样，原子间的作用力也是会受影响的，进而影响物质的相态，你依然不知道你的血到底会以什么相态存在。在这里我们主要讨论的是原子的运动被限制在二维空间的情况，因为这在物理上可以实现。如果真的把原子结构压缩到二维，因为二维和三维空间的边界是无法定义的，所以二向箔只能将整个宇宙变成二维，歌者文明也不例外。无论这个降维打击是把所有基础粒子限制在二维活动，还是把基础粒子都降到二维，后果都会导致物质混乱，文明毁灭。