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。
江湖夜语1
扯淡的理论
文忠裔人 回复 @江湖夜语1:
可以忽略不听
阿明解说
我的世界我的世界我的世界我的世界我的世界我的世界我的世界我的世界我的世界我的世界我的世界我的世界我的世界我的世界我的世界我的世界我的世界我的世界我的世界我的世界我的世界我的世界我的世界我的世界我的世界我的世界我的世界我的世界我的世界我的世界我的世界我的世界我的世界我的世界我的世界我的世界我的世界我的世界我的世界我的世界我的世界我的世界我的世界我的世界我的世界我的世界我的世界我的世界我的世界我的世界我的世界我的世界我的世界我的世界我的世界我的世界我的世界我的世界我的世界我的世界我的世界我的世界我的世界我的世界我的世界我的世界我的世界我的世界我的世界我的世界我的世界我的世界我的世界我的世界我的世界
离开了4 回复 @阿明解说:
迷你世界迷你世界迷你世界迷你世界迷你世界迷你世界迷你世界迷你世界迷你世界迷你世界迷你世界迷你世界迷你世界迷你世界迷你世界迷你世界迷你世界迷你世界迷你世界迷你世界迷你世界迷你世界迷你世界迷你世界迷你世界迷你世界迷你世界迷你世界迷你世界迷你世界迷你世界迷你世界迷你世界迷你世界迷你世界迷你世界迷你世界迷你世界迷你世界迷你世界迷你世界迷你世界迷你世界迷你世界迷你世界迷你世界迷你世界迷你世界迷你世界迷你世界迷你世界迷你世界迷你世界迷你世界迷你世界迷你世界迷你世界迷你世界迷你世界迷你世界迷你世界迷你世界迷你世界迷你世界迷你世界迷你世界迷你世界迷你世界迷你世界迷你世界迷你世界迷你世界迷你世界迷你世界迷你世界
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Question_z3
二维是一种数学抽象概念,并不实际存在。