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2007年，地球基础科学出现了异常的扰动，科学界人心惶惶。离奇自杀的科学家，近乎神迹的倒计时，行事隐秘的科学边界，神秘莫测的《三体》游戏……纳米科学家汪淼被警官史强带到联合作战中心，并潜入“科学边界”组织协助调查，在调查过程中，汪淼和史强接触到一个名为ETO的组织，并发现《三体》游戏的秘密，竟是两个文明为了生存空间，孤注一掷的生死相逐，在众人的共同努力下，汪淼、史强等人坚定信念、重燃希望，带领大家准备一起面对即将来临的人类危机。
红岸基地的监听室内接受到了一份神秘信息：“不要回答！不要回答！不要回答！”。而翻译出这份信息的工作人员叶文洁却暗自将发射器对准了太阳。三十八年后。绵延数公里的良湘加速器基地宏伟壮观。加速器基地建成，是人类向微观物理进军的一次重大技术进步。加速器建成后的第一项实验便是验证理论物理学家杨冬的超弦模型。汪淼作为此次高能加速器项目纳米构件部分的负责人，也来到了加速器基地。一个年轻女性正在加速器旁专注验算，她似乎算出了什么，露出简单的笑，正在拍照的汪淼意外地用相机记录下了这一刻，这个女人正是杨冬。
对于汪淼的突然造访，丁仪并不意外，他喝着酒看起来十分消沉，他们谈到杨冬和她的自杀，丁仪忽然拉着汪淼打起了台球，以打台球来比喻加速器的对撞，他告诉汪淼从前人们概念中不可能发生的事情现在却真实发生了，这也解释了杨冬遗书中，物理学不存在的意思。汪淼明白，科学界出大问题了，这让他惶恐不安。丁仪回忆起，在杨冬实验失败的当晚，他们来到曼费教授的住所时，发现教授已经身亡。而在死亡现场，杨冬发现了那份早于自己实验时间的数据，惊恐万分。
惊慌不已的汪淼冲洗、拍照、再冲洗再拍照，试图找到这不可能事件的原理，底片上怎么可能会有不同数字！汪淼冲出房间借邻居相机，甚至让妻子李瑶和女儿豆豆一起拍摄验证，最终他发现这竟是一组倒计时数字，并且只有他拍摄的时候才会出现，这发现让汪淼惊恐万分。汪淼拿起相机想要去维修，开着车狂奔出小区，史强的车紧跟而上，原来他一直在监控着汪淼的行动。途中，汪淼的眼前竟突然出现了闪动的数字倒计时，他猛然踩下了刹车。
一名新媒体记者慕星故意撞上了史强的车借机攀谈，她查到了科学家自杀案，想从史强这里找线索。史强识破了慕星的把戏，直接关掉了慕星的录音笔，没有向她透露任何信息。汪淼来到了射电天文观测基站，沙瑞山接待了汪淼，但他认为汪淼所说的宇宙背景上的整体波动是不可能出现的，然而到了凌晨一点，与申玉菲约定的时间，监控仪器上开始出现了波动，沙瑞山脸上的笑容凝固了，甚至变成了惊骇。他反复确认不是仪器故障，最终所有仪器都证实——宇宙确实在闪烁！
史强将汪淼拍摄的倒计时照片给常伟思看，他发现常伟思竟然对倒计时并不陌生，但常伟思表示对于倒计时他也一无所知，目前汪淼是最接近真相的突破口。因为在全球，眼前出现倒计时的，汪淼是第一个。汪淼接受了“卧底”科学边界的任务，而史强为了表示自己已经和汪淼绑定，特意定做了一个倒计时背心，上面的时间与汪淼的倒计时一致。史强告诉汪淼，现在申玉菲接触过、并且还没死的科学家除了汪淼还有叶文洁，但叶文洁一切正常。史强向常伟思要人来协助自己调查，结果常伟思只给他安排了一个助手徐冰冰，从刑侦大队调来的信息安全方面的专家。史强对徐冰冰的能力颇为质疑，于是刻意给徐冰冰安排了一堆调查任务，包括叶文洁和慕星都在调查名单内，并限时完成。徐冰冰人如其名，属于人狠话不多的类型，她不仅在规定时间内完成了任务，反而还嘲讽史强有些调查并没有价值。史强又安排徐冰冰去调查沙瑞山。汪淼被迫适应着眼前的倒计时，甚至利用倒计时来计算时间，这让妻子李瑶十分惊讶，认为他太紧张了，汪淼并未做解释，他带着杨冬的照片再次造访叶文洁，并咨询她宇宙闪烁是否可能发生，叶文洁的回答却让汪淼若有所思，她说只是我们认为的物理学可能不存在了。
汪淼进入三体游戏，取 ID 名字“海人”，游戏的场景是一片荒漠。在这里，汪淼遇到了周文王和他的追随者，他们背着沉重的沙漏要前往一个叫“朝歌”的地方。汪淼与二人同行，他很快了解到，三体游戏中目前处在所谓的“乱纪元”中，太阳的出生、降落、运行规律完全混乱，无法预测，极度炎热与极端寒冷随时降临，因此人们无法进行有序生产，甚至无法生存。为了应对这样的环境，游戏中的人可以随时脱水，待到稳定的“恒纪元”到来的时候再“浸泡”复活。没有发现三体世界的生存规则便无法继续，即使史强这样野外生存技能很强的人也在进入游戏后很快脱水，被迫离开游戏。于是汪淼猜测这个游戏的目标，就是运用玩家的智力和悟性，分析研究各种现象，掌握太阳运行的规律，使文明延续生存下去。
常伟思审讯胡晓希，对方不以为然的态度并未激怒常伟思，反倒是几番试探下来，让常伟思更加相信自己的判断：胡晓希的刻意挑衅，不过是希望展示自己的强大，用心理战术恐吓住作战中心。实际上这个人不过只是个替死鬼，他对于背后强大力量的了解还远不及史强和汪淼等人。常伟思告诉史强，如果有人泄密，只可能是自己，因为这一保护计划只有一个人知道全部的真相，那就是常伟思自己。亦或是，对方能进入他的大脑，或者是在暗中有一双可怕的眼睛，能穿越铜墙铁壁看到一切。暗中操控一切的潘寒与申玉菲展开了激烈的争吵，对于潘寒的这些做法，申玉菲无法认同，如同潘寒无法认可申玉菲的做法一样。在潘寒看来，汪淼还活着，并且继续了纳米的研究，就是申玉菲的失败。但申玉菲则认为，他们背后的主更希望的是汪淼可以加入他们。他们虽然拥有同一个主，但是截然不同的态度在这一事件中暴露无疑。慕星没有想到，潘寒触及到了如此高的保密级别，于是再次向潘寒询问。潘寒对于慕星关于科学边界的询问避而不答，反而又一次拿出大量全球级别的资料诱惑慕星，希望她继续深入报道。
叶文洁在大兴安岭的这段时光，按时劳作学习，虽忙碌孤独却自如自在。然而某天下午，一切都被打破了。叶文洁遭到师政治部调查。原来《寂静的春天》被定性为反动书籍，而那封由她手抄的信笺因为受到了此书的影响更是被定性为思想反动。更令叶文洁震惊的，白沐霖竟然推说这封信是她写的。叶文洁含泪咬牙，据实说出真相，有关书籍来源，且自己只不过是帮忙抄写。躲在房内的白沐霖却气急败坏地站了出来，出于恐惧，他坚持把一切罪责推到了叶文洁身上。叶文洁被这种背叛彻底击溃了，心如死灰的她被带回了师部等待处理。寒冷的小屋里，一位名叫程丽华的军官会军代表借着叶文洁被调查的机会主动向她走进，其实是为了让叶文洁供述其父亲，甚至更多无辜的人的所谓罪证。叶文洁有着其父亲叶哲泰一样的坚守和原则，即使是她的亲生妹妹叶文雪已经放弃原则，在供述的材料上签了字，她也依旧“顽固不化”，坚决拒绝这样的栽赃。汪淼被年轻的叶文洁遭遇的背叛震撼，虽然那是一个疯狂的年代，但他仍然无法想象，眼前的这位慈祥长者曾经经历过这一切。叶文洁宽容表示一切对和错只是站在不同视角观看，所有以为走到了绝境的时刻，也许离转机就不远了。
对叶文洁了解得越多，史强越觉得叶文洁复杂，让人难以捉摸，查杨冬、申玉菲、与三体游戏相关的天体物理等等方向都与叶文洁有着千丝万缕的联系。这是警察的直觉，却只是一种感觉，他现在能做的，就是调动一切资源，以汪淼为核心，继续推进三体游戏的进程。沙瑞山也主动请缨，让徐冰冰调来装具进入游戏，但他发现自己那些传统游戏的游戏经验在三体游戏中根本行不通，他和他的队友们很快就被脱水。他冷静下来，渐渐寻找游戏的主旨。但这也让徐冰冰领悟到，或许游戏是一种过滤机制。与此同时，汪淼也再次进入游戏。再次进入三体游戏，环境、植被、第一次登陆游戏时所见的金字塔都有了变化，这些都是文明变迁的标志。但是预测游戏中太阳变化的规律依旧是目标。在金字塔的塔顶，汪淼见到了墨子，他制造了巨大的宇宙模型，模拟太阳运行的规律，以此进行未来的预测。这个模型的原理基于墨子的理论：宇宙是一个悬浮于火海中的大空心球。球上有许多小洞和一个大洞，火海的光芒从这些洞中透进来，小洞是星星，大洞是太阳。三体游戏中看到的斗转星移、日升日落，都是这个大球在转动。
叶文洁在进行设备检修的时候发现了潜在的故障隐患，因而被红岸工程的总负责人雷志成政委注意到。雷志成希望把叶文洁调到红岸核心部门，替代工作人员老刘的工作，遭到杨卫宁强烈反对。因为杨卫宁知道，一旦进入核心，叶文洁就很难再离开红岸基地了，这与他当初将叶文洁带到红岸的初衷相背离。因为老刘的原因，红岸发射出现1731号设备故障，导致发射失败，管件烧毁。老刘与杨卫宁爆发激烈的争吵，叶文洁担心老刘被开除，替老刘说话，杨卫宁却说出了真相，老刘为了离开难以出科技成果的红岸基地故意装傻偷懒，甚至制造工作失误。雷志成再次提出重用叶文洁，杨卫宁以叶文洁的历史问题为借口拒绝，也让叶文洁误以为杨卫宁对自己的身份非常介怀，对自己不信任。直到此时，叶文洁仍然不了解红岸的核心为何。最终，出于大局考虑，叶文洁接替老刘的工作，进入红岸基地发射主控室。同时杨卫宁警告叶文洁不要做多余的事。进入发射主控室后的叶文洁积极工作，申请进入资料室，再次被雷志成注意到。叶文洁发现红岸发射设备的核心是无线电发射机，雷志成以“微波炉”原理对此进行解释，同时欺骗叶文洁红岸的核心是未来可以侦查和打击敌国的通信卫星。
陷入困局的汪淼跟豆豆玩游戏，却在游戏中被豆豆启发，看似复杂的题目，重要的信息就隐藏在其中，此前他只是被先入为主的想法干扰了。结合叶文洁对于飞星的阐释，汪淼改ID名为“哥白尼”，再次进入游戏。游戏中，欧洲中世纪的环境下，格里高利教皇是最高统治者，亚里士多德、伽利略等纷纷阐释自己的思想方法。而汪淼却果断提出了全新的可能性，三体世界有三颗太阳它们在相互引力的作用下，做着无法预测的三体运动，行星围绕着其中的一颗太阳做稳定运行时，就是恒纪元。当另外一颗或两颗太阳运行到一定距离内，其引力会将行星从它围绕的太阳边夺走，使其在三颗太阳的引力范围内游移不定时，就是乱纪元。汪淼的理论无法被这个世界的人所接受，即将被烧死。但也就在此时，可怕的“三日凌空”出现了。三体世界的183号文明在“三日凌空”中毁灭了。同时，游戏系统提醒汪淼，在这次文明中，哥白尼（汪淼）成功地揭示了宇宙的基本结构，三体文明将产生第一次飞跃，游戏进入第二级。汪淼由此进入了游戏的下一阶段。慕星再次大胆地接触科学边界的申玉菲，并且了解了主在申玉菲和潘寒口中的不同。慕星陷入了沉思，对于整个事件的逐渐了解让她知道，她是时候做选择了。
史强与徐冰冰上门询问申玉菲，在调查申玉菲的过程中他们发现了一个之前没有注意到的细节。申玉菲的丈夫就是一个数学家，而且常年在进行某项计算，甚至申玉菲的公司都在配合这项计算研究，而申玉菲对其丈夫的态度无比冷淡，却对其计算事业狂热憧憬。三体游戏中，计算机运行了一年零四个月后，世界出现了三日连珠的现象。三颗太阳的引力以相同的方向叠加过来，让游戏世界开始失重，随着太阳的升起，山崩地裂，海水升空，三体世界地表的一切都被吸向了太阳。第184号文明在“三日连珠”的引力叠加中毁灭了，该文明进化至科学革命和工业革命。慕星回家发现潘寒不请自来，话题直指外星文明，潘寒毫不避讳地揭露更多真相，希望争取这个几乎被自己洗脑的记者，成为自己的枪可以攻击更多人。慕星依据最近一系列的事件，选择相信史强与作战中心，于是在暗中偷取了潘寒电脑中的资料，收纳证据。
史强和汪淼赶上了那趟前往海拉尔的火车，却在此遇到刑警办案，得知这趟火车竟发生了命案，二人分析，有另一股势力盯上了申玉菲，其力量同样不可小觑，而两股势力已然开始了较量。汪淼给叶文洁打电话，叶文洁并未掩饰，说自己在齐家屯等汪淼。关闭了第三红岸基地，没有再在齐家屯久留的必要。为了申玉菲的安全，叶文洁希望申玉菲尽快离开，去安全地躲避，自己则留在齐家屯等待汪淼。申玉菲表示，暗杀事件说明自己在敌人面前已完全暴露，此刻她更应该陪在叶文洁身边。叶文洁则告诉申玉菲，当务之急是全力完成模型的计算，不要有无谓的牺牲。申玉菲听言离开。史强汪淼来到齐家屯，见到了安然无恙的叶文洁。叶文洁带汪淼参观早已废弃的红岸基地，她继续讲述了自己在红岸基地的往事。
叶文洁被调到涉及机密的监听部门后，政委雷志成表现出的器重和信任让叶文洁十分感激。相反，总工程师杨卫宁却对雷志成的安排屡屡反对，在工作中对叶文洁也是各种挑剔。直到叶文洁在杨卫宁的帮助下了解到红岸的真实情况，才看清了雷志成虚伪的欺骗。原来在红岸工作越深入，便越难离开，而了解红岸真相，意味着将永远无法离开红岸。叶文洁感动杨卫宁的苦心和好意，但依旧表示自己愿意知晓真相，留在红岸。原来红岸的真正工作，是寻找地外文明。红岸基地早在那个年代，就向外太空发射过信件，只是一直没有得到回应。一封发给全宇宙的信件随着叶文洁的声音，带两人回到了那个时代，叶文洁回忆红岸往事，平淡却又充满希望。红岸工程最高决策者超前的思维，让汪淼和叶文洁都十分感慨。同时汪淼也遗憾，如此伟大而有意义的事业却因为迟迟没有任何发现而没能继续下去，红岸的关闭是巨大的损失。叶文洁送别汪淼，表示自己在这里还要等一个老朋友。叶文洁站在往日最爱的高台下，默默看着夕阳，似乎在等待着什么。
汪淼与史强会合，交流两人获取的信息，史强依旧不信这一系列只是巧合。二人启程回京，同时让徐冰冰继续调查申玉菲的行踪。红岸基地中，叶文洁和她的朋友见面。来者是一个外国人，他就是ETO和降临派实际的领袖，伊文斯。叶文洁和伊文斯开诚布公地谈话，叶文洁作为统帅是三体组织的精神领袖，而伊文斯则是直接与三体对话的实质领导者，二人早就有了理念的分歧，叶文洁认为伊文斯并不是在传达主的意志，而是利用主来满足自己的欲望。但伊文斯却告诉叶文洁，自己很快就能证明主到底支持谁。二人约定，召开一次组织内部的大会，失去主支持的那个人，将彻底移交组织内部领导权。与伊文斯分别后，经过漫长岁月和命运洗礼的叶文洁，心中只有平静。另一边，汪淼和史强回京后，向作战中心汇报了此番的收获，整个事件也许与地外文明有关。而此时，有人报案称自己的生命遭到威胁，报案的人正是申玉菲的丈夫魏成。从数学家魏成的口述中，得知他是个厌世的天才，所以去到寺庙想找到内心的“空”。在和尚的指点下，魏成开始研究三体问题，并沉迷于解开这份难解的谜题。
在一次偶然间，前来寺庙拜佛的申玉菲看到了魏成计算三体运动的草稿，自此两人相识。魏成沉迷于三体运算，而申玉菲可以给魏成提供最好的运算硬件和生活支持，魏成接受了申玉菲的提议，他离开寺庙并与申玉菲结为了夫妻。此后他一心计算三体问题，直到潘寒威胁他停止计算，但申玉菲竟然也威胁魏成，强迫他继续研究三体问题。魏成感到生命受到威胁，只好报案向警局求援。在看守所里，魏成完成了三体模型最后的验算，并将装有三体模型的U盘交给汪淼，希望他进入游戏进行验证，三体文明和地球文明的生存和毁灭似乎都在这个关键的U盘中。汪淼带着魏成和申玉菲多年的研究成果，再次进入三体游戏世界。
面对警察的问询，潘寒淡定自若毫不慌张。很快，根据监控显示、弹道分析和血溅形态分析得出，申玉菲属实为自杀而不是他杀，潘寒无杀人罪。申玉菲是绝望自杀的，汪淼告诉史强。当所有人的焦点都集中在潘寒身上时，汪淼收到三体游戏线下聚会的通知。汪淼决定参加聚会，史强与作战中心得知聚会地点，做好万全准备。汪淼参加线下聚会，潘寒亲口告诉前来参加聚会的所有人：地球之外尚有文明，三体世界真实存在。潘寒询问道，如果三体文明要寻找新的家园，众人持何看法？汪淼谨慎地表示支持后潘寒向他伸出手，欢迎汪淼的加入。汪淼告诉史强，三体真实存在，它有着十分先进的文明，这个文明在一次次毁灭中延续了下来，并在地球上发展出了三体组织，叫做ETO。敌人竟是外星文明，常伟思收到领导的指示，做战斗准备。常伟思将情况同步给了全球各大战区，并希望大家真正的团结一致，绝对信任、共享信息。
叶文洁通过陈雪知道了这个消息，她知道，降临派出手了，如同申玉菲的死潘寒也有着不可推卸的责任，叶文洁来到寺院祭奠申玉菲。汪淼和史强从申玉菲和潘寒对待三体问题的不同态度上推测在ETO内部也有着分歧，汪淼决定继续玩游戏，而此时作战中心从U盘解密的资料中查到了游戏服务器的所在，另一边，潘寒眼见着三体服务器遭遇侵袭，他不慌不忙地关闭三体游戏服务器。正在继续游戏的汪淼收到了提醒，得知“情况紧急，《三体》服务器即将关闭，剩余时间自由登录，《三体》将直接转换至最后场景”。游戏中，汪淼得知三体世界即将起航，以十分之一光速的速度，在四百年后到达距离三体星系最近的一个星系——四光年外的另一个星系，那里是天堂一般的恒纪元。此时，作战中心气氛活跃，他们根据U盘里的信息，打击了欧洲ETO分部，并逼停了三体游戏，取得首次胜利。对此，常伟思隐隐不安，这胜利得来得太轻易了，就像被人设计好了一样。汪淼与史强同样心情凝重，三体人出发了，四百年就能到达地球，然而他们并不知道三体人是何时出发的。
此时汪淼收到了地球三体组织聚会的邮件，常伟思下令，先不要抓捕陈雪。通过种种线索汇聚，确认陈雪是ETO成员，杀害了K1303次火车上的男子与慕星，而她的身份是叶文洁妹妹的女儿，当年她被母亲抛弃，是叶文洁资助她去国外读书。所有的线索都指向了叶文洁，汪淼心情复杂。但他来不及思索，整顿好情绪，准备参加ETO大会，作战中心准备在这次大会抓捕ETO成员，常伟思命令史强负责现场指挥。叶文洁的家中，在陈雪的再次问询下，她示意发出了批准在大会中启用核弹的文件，她想在这次大会上清洗降临派。而她也在陈雪的提示下，意识到自己电脑中那些被删除的文件被人恢复过，恢复日期正是杨冬婚前回家取桦木凳的那天。叶文洁震惊不已，她意识到杨冬看过电脑里的所有资料，知晓了她隐秘的ETO身份。大会前，叶文洁来到杨冬的墓园，在这里她见到了一位同样来扫墓的人。ETO大会在一个废旧的化工厂召开，职工食堂内，聚集了众多ETO成员，大厅的中央，众人质疑潘寒为何要谋杀申玉菲，潘寒斥责申玉菲是降临派的叛徒。汪淼终于明白了ETO内部分裂的真相，潘寒身后的降临派主张让主降临地球，净化人类。
在红岸进行研究的叶文洁深知对宇宙的探索举步维艰，她提出了一个大胆的方案，利用太阳当做放大器，向宇宙中发射信号，这种恒星级别的能量比地球能够使用的所有发射功率还要强上近亿倍，这个想法遭到了雷政委的极力反对。可叶文洁的内心却并未退却，趁着一次检修故障，她飞快地实施了这个实验，却并未马上得到论证。后来的日子里，她和杨卫宁组成了家庭，而雷政委肆无忌惮地窃取着他们的研究和发现成果，外部的世界战争激烈，核武器威胁着地球。叶文洁认为人类的疯狂已达到了文明史的顶峰。直到1979年的10月21日，那一天，叶文洁接收到了来自宇宙中另一个世界的信息，它是三条重复的警告：不要回答！不要回答！！不要回答！！！
