三体短片 waterdrop 如何评价《三体》同人短片《Waterdrop》？-爱华网

今天上课的时候刘忠范院士很神秘地说他最近在看一本书，我估计就是三体，果然是的。他说他也非常喜欢这本书，趁着在飞机上看完了两本，正准备看第三本，他也钦佩大刘的想象力，以及丰富的相关前沿知识。
五年前，当我第一次看三体的时候，记得晚上睡前没看完第三本，心心念念着第二天凌晨四点多自然醒来然后接着看，从来没有那本书能如此吸引我，而到如今已经看过大概四五遍了。
如今三体越来越流行，我依然是欣慰的，这几年我也安利过无数人。但我希望真正喜欢三体的人，都能好好说话，好好讨论问题。至于跟风狗什么的，走好不送。（2015.10.22）

前两周有次上刘志荣老师的课的时候，他给我们讲计算中的维度降低方法的时候也开始给我们讲三体。。看来三体已经逐渐打入p大化院老师内部了。。(2015.12.30)

【更新完毕】
首答，献给三体，献给大刘。

【写在最前】
我看完这部短片以后，热泪盈眶。

这的确就是我心目中的三体电影。虽然电影这样拍可能赚不了钱，但是如果真的拍出来的话在历史上绝对是浓墨重彩的一笔。

关于意蕴结构内涵什么的之前的各位大神都已经分析地很透彻了。

的确，这样的电影拍出来，死而无憾。

水滴，蔑视着人类的自以为是，毁灭你，与你何干。

弱小和无知并不是阻碍文明发展的因素，傲慢才是。

但是，我仍然想从不同的方面来谈一下这一部短片，比如说一些细枝末节上被忽略的东西。

【Abstract】
在本回答中，我本着一种尽量追求“自洽”的原则，对短片中从原子级别到宏观尺度的一系列镜头图像进行一些技术上的分析与讨论，进而稍微起到一点科普的作用，并希望引起各位科学/科幻爱好者的积极有意义的讨论。但着重需要注意的仍然是如何辩证地看待科幻与真实科学之间的关系，正确处理两者的边界与矛盾。

【Introduction】
就我个人而言，科幻是一种比较特别的体裁，而且明显是具有历史时期性的，不同历史时期的科幻注重的方面可能大相近庭。处于先进发展阶段的我们完全没有必要在科学性上去嘲笑前人做出的不切实际的，甚至是完全错误的幻想。

我认为科幻的关键并不是要准确预言未来的科技，甚至于与现有科技有部分冲突都是完全可以接受的，只要不跑到类似于奇幻之类的领域去就行。虽然所描述的不是现实世界，但是正因如此，做到作品本身的自洽才是最最关键的因素。

在本文中，一个比较重要的目的就是从不同的角度讨论这样一部优秀的短片中一些似乎是不太自洽或者是仅仅能够引发大家讨论的细节。而不是所谓的“空穴来风”，“庸人自扰”，“点错技能”甚至是评论区里有人所说“焚琴煮鹤”。这样的一点文字，哪怕只是引起了少数人的一点点积极的思考，也是令我心满意足的。

1.关于原子层次以及“看”到原子的若干讨论
1.1片中的“原子图像”到底可能是什么？

首先，一开始的点阵，如果我没理解错的话，按照作者的意思，应该是处于原子这个级别，单个的点应该就是是单个的原子。但是作者用的图片，我感觉像是透射电镜中Electron Diffraction（电子衍射）得到的图片。由电子源产生的电子，入射到晶体中，由于晶格的的特性，比如对称性，点群类型什么的而衍射的特定的pattern（图案），科学家可以依此可以得到相应的信息，是一种比较普遍的科学研究表征手段。

举个例子，最近给了准晶（quasicrystal）的Nobel Prize，相信大家都有所耳闻，如果使用电子衍射得到的pattern如下图所示：
从这张图里面就可以看得到所谓的从这张图里面就可以看得到所谓的“五重对称性”。

又比如：
和和
而短片开头的应该对应的最普遍的一种四重对称性，如果将其理解为原子，应该是不恰当的。
当然，我的专业并不是搞这个的，所以我也不准备花时间查阅文献来将其讲得更加透彻。

1.2现有的实验技术如何看到原子？

如果真的是要“看”到原子的话，最简单也是现在最常见的的方法应该属于SPM技术（Scanning Probe Microscopy）,但我之所以要在“看”字上面加上引号，那是因为狭义上的看应该就是说通过光学成像所得到的图像，但是由于原子的尺寸基本上在几百pm左右（1pm=10^-12m），而可见光的波长在400~700nm之间（1nm=10^-9m）所以妄想用可见光看到原子可以说是不可能的。

（当然如果你非要说用波长极短的X-ray来看的话那我也没有办法，你可以算一算波长在原子级别的X-ray的能量有多少...或者伽马射线....）

我们来介绍一下Scanning Probe Microscopy中最早的技术手手段。即1981年Gerd Binnig和Heinrich Rohrer发明的Scanning tunnelling Micoscopy，他们也由此与另外一位物理学家分享了1986年的诺贝尔物理学奖，成果与诺奖只差五年，足见该仪器在学科中的重要性。这种电镜是通过原子尺寸针尖与待测表面在真空中发生的电子隧穿效应（结果直接由量子力学所得到），进而探测表面原子的电子态。技术细节就不作过多讨论了，仪器图示如下：
而这样的仪器，直接“看到”到的原子也应该是它们的电子态，简单说就是表面电子的分布情况，比如说，STM最早研究的Si(111)表面的7×7reconstruction重构，在STM的“镜头下”是这样的：而这样的仪器，直接“看到”到的原子也应该是它们的电子态，简单说就是表面电子的分布情况，比如说，STM最早研究的Si(111)表面的7×7reconstruction重构，在STM的“镜头下”是这样的：
其中的点，并不是指一个一个的原子，而是相当于一个电子密度的“等值图”，这才是现今人类“看到”原子的手段。另外，随后发展的基于原子间作用的的Scanning Force Microscopy（SFM）也能够得到类似的，甚至更好的一些结果，SFM另一个优势是可以在semi-conduct（半导体）上运用，前者由于需要一个导电的待测表面而只能在conductor（导体）上取得好的效果。当然说的有点远了，我们毕竟不是来讨论仪器的，那关于SPM的更多话题我们在此便不再赘述。其中的点，并不是指一个一个的原子，而是相当于一个电子密度的“等值图”，这才是现今人类“看到”原子的手段。另外，随后发展的基于原子间作用的的Scanning Force Microscopy（SFM）也能够得到类似的，甚至更好的一些结果，SFM另一个优势是可以在semi-conduct（半导体）上运用，前者由于需要一个导电的待测表面而只能在conductor（导体）上取得好的效果。当然说的有点远了，我们毕竟不是来讨论仪器的，那关于SPM的更多话题我们在此便不再赘述。

1.3关于影片中原子视角的讨论与分析

下面回到影片上来，正如前面各位所说影片一开始的“原子”起到的一个重要的作用便是与后来人类的舰队形成的矩阵实现微观与宏观的对比。但如果真的用是在的STM电镜图片来演示的，并不能在视觉上起到什么特别的效果。所以我认为影片中使用电子衍射图案是完全正确的，但是由于长镜头需要一镜到底，所以看上去就像是直接缩放的一样。

但是！即便是使用了正确的原子图像，这里仍然有个最致命的矛盾，那就是影片中水滴的镜面反射是完全光学的，怎么可能达到原子级别呢？我看其他的答案里面有过分析，讨论过极限成像，我就不多说了。

也许有人会说这是科幻上的东西，但科幻并不能代表不严谨，既然水滴粒子是强相互作用力结合的，那就必然要满足一些基本的物理定律。但这样的一个表面现在是没有人研究过的，就是说没有现在的科学依据，因为人类如今根本无法合成。但既然小说设定里面是镜面，那就默认是光学反射，概念上基本的一个要求就是“自洽”。甚至你说水滴倘若能自行收集周围光子将其投射在自己表面，我也接受，但只要是光学上的，就看不到原子。

作者这样处理可能会带来一定的误解。但我也没有更好的方法，只希望大家能够对其真实的物理背景有所理解，不至于混淆。但如果让我选择的话，我仍然会选择作者的方法，前后微观宏观的对比实在是相当震撼，而且也能够体现出大刘的思想，大部分人也不会去纠结原子的实际模型与处理方法，何乐而不为呢？我只能说：

这个影片传递的是思想，不是细节。

2.进入纳米尺度后的镜头
2.1“密集”的管子可能是什么？

看尺寸，根据经验，这明显是纳米管的SEM（扫描电镜）图片，由于没有标尺注释什么，我也不知道作者从哪里找的，具体的组成是什么。但是！我想说的是，在这样的场景中，根本不需要也不应该出现纳米管的踪影。作为近些年来流行的1D nanomaterial，纳米管相关的文献简直不能更多，尤其是最早的碳纳米管。现在的科学家能够在实验室里面弄出各种各样的纳米管来，产业前景能写出一大堆，但是实际应用基本上没有。未来肯定会有的，比如做器件，各种微纳半导体器件什么的啊，也是属于精细的纳米结构，而在短片中，如果我没理解错的话，应该是出现在了螺钉表面的涂料之中，根据我的理解，这是完全不需要纳米管出现的地方，根本没有体现出纳米管这个结构的优势所在。当然这并没有违反“自洽”的原则，我只是希望能有一个更加好的描述方式，我也很理解作者这样做是为了增加视觉效果，我同时也觉着这样处理起来很好，但是如果能够更好地把握各个微观层次，放上更加匹配的照片，无疑是会锦上添花的。

说句题外话，如果作者没拍完的话，只要随便找几个设备齐全实验室，联系他们得到一点科学上的指导和清晰高质量的各种尺寸的电镜图片是完全可以的。现在的一些纳米器件在实验室已经取得了一些不错的成果，或者干脆可以参考如今在纳米尺度的电脑芯片。

再往上，尺度增加并没有再出现什么特别的结构，感觉就是一些普通的SEM的照片，也没什么大问题，这样的结构也是非常普遍的，一些多晶，单晶，孪晶什么的，按照微观，介观，宏观的顺序过度。

还是但是！扫描电镜也是通过电子与组织的作用，相当于用电子波来“看”到物质的微观结构，并不是光学上的，和之前“看”到原子是同样的问题，在此也不再做过多讨论了。

还是那句话，这个影片传递的是思想，不是细节。

还有另外一个，那就是镜头是从红色涂料开始的，而最开始的原子，纳米管都不应该是涂料应有的结构，不过可能是我要求太高了吧，也许是从基底再到表面的一个转移，是可以理解的。

另外还有个有趣的细节不知道是不是作者有意为之，那就是直到缩小到一定倍率之后，图像才开始出现颜色，是不是正好对应进入了可见光的波长呢？我们不得而知，也许只是常见电镜照片都是灰色处理的的而作者正好使用了相应的素材，也说不定。

不过这只是细节，只要不吹毛求疵，是完全不影响观影的。

3.宏观的讨论

进入宏观尺度后，我觉得就没什么讨论下去的必要了，一个是各位已经解答地相当清楚，另一个是我的确也没什么研究。所以就留待各位自由地讨论了。

4.无限细节的保留与否

抛开这部短片，我们来讨论一下关于所谓的“无限细节”的问题，我之前也经常想过，在怎样的尺度观测能够得到无限的细节，是不是在普朗克长度达到终结？毕竟原子核一下普朗克以上还有将近二十个数量级。考虑到以小见大的原则，人类，甚至于说宇宙的认知是否有极限？如果真的存在的话，无限的细节将以怎样的速度衰变？超过极限分辨之外的信息究竟如何获得？无限细节的概念甚至会不会与“神”联系起来？何况这只是三维，说不定哪一天人类进入高维空间，发现之前的某些概念是如此的可笑。但这一切今日也只能是幻想而已。

我们现在先只说光波，或者说电磁波。事实上，电磁波是一个现阶段足够好的信息载体但不是完美的，因为光波很可能会在传播的过程中因为各种原因耗散掉，甚至在观测过程中被捕获。一个事件发生，因此发射出的携带有此事件信息的光子应该是有限的，即便我们现在没有完全弄明白光子的全部奥秘，但我还是对通过光子保留信息或者说远距离得到详实可信信息的技术细节持悲观态度。何况以人类现有的科技水平来看，光子这种基本粒子是没有任何微观的细节的，希望未来可以打脸。

短片中“水滴”表面如果能展现这么多的技术细节，也就是存储了极其大量的信息，通过电磁波体现出来（即影片中的“看到”），是不可思议的。当然，用“上帝视角”解释的话也无可厚非，但是我觉得科幻还有一个重要的目的是促使人们发出思考，一味地往“上帝”上靠并不是万全之策。

真善美，一般情况下默认“真”是第一位的，追求“美”并没有错，但是为了“美”抛弃了“真”，就是本末倒置了。举个也许不那么恰当的例子，《水知道答案》的作者我们假设他是为了向我们传递所谓的“美”，然而他选择了一个极其错误，极其虚假的的方法，难道我们可以把《水知道答案》当成是科幻小说呢？
即便是《水知道答案》写于一千年前，略加修饰，改掉胡说八道的实验部分，恐怕它仍然不能被称作科幻吧？

不过说实话，我觉得我们讨论的影片，在“真”和“美”之间找到了一个极佳的平衡点。这样的有意无意牺牲了一点“真”这个要素，并没有影响一个伟大的思想的表达。

当然，我之前的前提都是现有的人类水平，或许若干年后的人再来看这段话就是可笑至极了。所以这也算是一个小小的没有那么“自洽”的地方了，之前是从分辨率来讨论，这里主要说的是信息量的问题。

我们可以来做一个假设，倘若有一个完美的球体，内部是利用“水滴”技术制成的镜面，如果里面有光子的话会如何呢？假如里面有人造物体，它又会以怎样的形式显现呢？也会产生无限信息么？“水滴”超过了所有地球人的理解，也包括我。

我认为：镜面可以是无限光滑的，甚至是突破了普朗克长度的光滑，但信息能不能在“有限的水滴”表面上是无限丰富的呢？

我们知道三体文明并没有宏观物体超过光速的具体行为，那么水滴表面接受信息肯定不是超距作用，速度被限定在光速，那样的话要显示出舰队所有的细节，而设定又是“强相互作用力”，自然我感觉有种心有余而力不足的感觉，这方面的内容我一个学化学的再讨论下去难免会贻笑大方了，这也算是我提出来的一个问题，希望有人能为我解答。

再往上走就是引力波了，这也是当下的一个热门的话题，无论是在科学研究领域还是科幻界均是如此。甚至有人认为空间本身即带有记录的能力，蜷缩在不可知世界里的其他高纬度预示着空间那不可估量的令人感兴趣的其他性质，这都是现阶段不可知的东西。

也许三体人利用我们完全理解不了的方法做到了。但还是那句话，通过电磁波（光波）实现的可能性微乎其微，所以影片中这样的表达是有问题的；但思来想去，要体现微观宏观之间的这种对比，也只有这样的表达，才能够带给即便是对自然科学了解不深的人最直观的理解，完美传达出影片作者乃至于原著作者大刘的思想，给我们以震撼。就此而言，这就完全足够了。

【Conclusion and Outlook】
简单的讨论就到这里，在本文中，我们主要讨论了究竟怎样地表示影片中微观到介观的世界是更为恰当的。然而由于各种各样的，比如艺术性，可观看性的限制，以及原作者已经做得足够完美，我们并没有得到一个比较好的，可以得到比影片更好的效果的方案，但这至少起到了提醒观众应该注意一些明显与现有科技有所违背的地方。当然，现有科技并不一定绝对正确，仅仅起到一个参考作用。

同时，希望这样的优秀作品越来越多！便可令我辈此生无憾！同时也希望越来越多的人加入到相关讨论中来。以一个更加广阔的视角来对待《三体》以及其他所有值得认真对待的事物。

【Acknowledgement】
感谢所有能够静下心认真讨论的朋友。
世界很大，我们还会再见的。
致敬导演！致敬大刘！顺便致敬库布里克！

我们终究只是原始蒙昧与星际新人类（超人）之间的桥梁，但我们做的任何的哪怕是最简单的思考都不会是徒劳，都只会让我们更加接近超人。
（此时，响起了查拉图斯特拉如是说的背景音乐）

欢迎大家阅读我另一篇正在写的关于二氧化碳利用的科普性回答：

【参考文献】
[1] Hofer W A, Foster A S, Shluger A L. Theories of scanning probe microscopes at the atomic scale[J]. Reviews of Modern Physics, 2003, 75(4): 1287.
[2] Surface analysis: the principal techniques[M]. Chichester: Wiley, 2009.
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