巫師、外星人和星艦科幻與奇幻中的物理數學

簡體傳統

原作名: Wizards, Aliens, and Starships: Physics and Math in Fantasy and Science Fiction

《衛報》2014年度最佳自然科普圖書之一

《物理世界》2014年度十佳圖書之一

【內容簡介】

從瞬間移形到太空電梯，從外星接觸到星際旅行，科幻和奇幻作家筆下的世界總是充滿奇思妙想。但是這些奇妙的設定到底是否可信呢？比如哈利波特系列中，威斯禮先生的飛行車能在現實中存在嗎？哪些設定有可能成真？哪些根本就不可能實現？本書探討了科幻與奇幻世界中最富創意的那些細節：比如時空扭曲、變形魔法、火箭推進器、飄浮蠟燭的照明效果等等，還向讀者展示了其背后隱藏的物理學和數學原理。

本書作者查爾斯•阿德勒運用淺顯易懂的數學模型，和僅僅高中難度的代數學知識，覆蓋了大量有趣的科幻和奇幻主題。其中既有厄休拉•勒古恩的經典著作，又有《星球大戰》和《阿凡達》等科幻大片，幫助讀者得以認清可能性的限界。阿德勒先生闡述了《哈利波特》和《德雷斯頓檔案》等奇幻作品難以嚴格符合科學原理的深層次原因，以及魔法在麻瓜世界的科學之處。他詳細講述了星際旅行，讓我們理解為什么它沒有變得像科幻作品預言的那樣經濟又普及。阿德勒還從科學角度講述了關于系外行星的知識，以及在現實中我們怎樣尋找外星人，為什么工作的重點從無線通訊轉向了太空望遠鏡。在全書的末尾，他探討了人類與其他智能生物的終極命運。全書旁征博引，談及巨量的科幻作家及其作品。不止在正文中包含若干故事梗概，還在附錄里奉上了一份關于牛頓運動定律的速成簡介。

《巫師，外星人和星際戰艦》適用于任何科幻和奇幻讀者，不管你是喜歡踏踏實實的技術，還是天馬行空的想象，它都會幫助你更好地理解有關科幻與奇幻的一切。

【讀者定位】

1.從《星際迷航》的狂熱粉絲到天體物理學家的所有讀者。

2.科幻作家寫作的案頭利器。

3.科技宅人/geek的思考圣經。

4.創意意愛好者的學習指南

5.初高中熱愛科幻的同學。

【推薦語】

作為一本科幻奇幻文學的拓展之書、類型文學作家的參考之書、創意愛好者的學習指南、科技宅人／geek的思考圣經，《巫師、外星人和星艦：科幻與奇幻中的物理數學》在中國的引進和出版是科幻奇幻領域的一個有價值的大事。希望這個作品能帶動更多國人的同類創作。——北京師范大學文學院教授世界華人科幻協會會長吳巖

恰好，過去兩年我在中山大學逸仙學院上過《人與宇宙的物理學》這門課，這門課的精神與《巫師》這本書很接近。我打算將來在中山大學再開一門課，這門課的教材就是《巫師、外星人和星艦》，這門課的課名也許就是《科幻和奇幻中的物理學與數學》。

——中山大學天文與空間科學研究院院長著名理論物理學家李淼

“阿德勒完美地向我們展現出，即便是最基礎的數學和物理學也具有強大的力量。如果你個嶄露頭角的年輕科學工作者，還對代數學有點興趣，你會喜歡這本書的。”

——羅伯特•馬修斯，《BBC聚焦》

“我也說不清我對這本書的感覺是愛還是恨。愛它是因為它分析了奇幻、科幻作品中眾多魔法和太空探索背后的物理學知識，令我為之著迷。恨它是因為它揭示了我永遠都無法實現一個夢想的原因。一直以來，我都憧憬著能大喊一聲：‘傳送我吧，斯科蒂！’，然后完成瞬移。不過，查爾斯•阿德勒又將我拉回了現實……這本書中的物理學知識解釋得非常到位，阿德勒舉的例子也十分有趣。”

——諾艾爾•安•布拉德肖，《泰晤士高等教育》

“《巫師、外星人與星艦》這本書本身就非常棒，此外，它還可作為學習太空探索所需的物理學知識以及經典科幻作品的入門讀物。”

——羅伯特•謝弗，紐約書評網

“對那些真正想了解太空旅行的真相或外星生命存在可能性的人來說，《巫師、外星人與星艦》無疑是絕佳選擇。此外，它還可作為物理學和天文學課程上引人入勝的補充性讀物。”

——西德尼•佩爾科維茨，“科學家的書柜”網站

“這本書內容充實，不僅適合科幻作者閱讀，還適合任何想見識運用于實際的真正的科學的讀者，它會解答你的很多問題。認真閱讀它，保證你會贊不絕口。”

——G•F•威爾梅茨，“科幻瞭望臺”網站

“無論是將其作為課程教材，還是自學讀物，你都會發現這本書集趣味性與教育性于一體，且能引人深思。”

——馬克•胡尼亞切克，《美國數學協會評論》

“如果你想了解科幻和奇幻作品中的科學知識哪些是正確的，哪些是錯誤的，這本書一定適合你。”

——《月球與行星信息通訊》

“這本書寫得很好，也很有趣，阿德勒為此下了不少功夫。對任何希望創作真正符合科學原則的科幻小說作者來說，它非常具有參考價值。”

——《大眾科學》

“這本書里的很多內容都會引起天文學和航天學愛好者的興趣，我認為它也很有可能會吸引物理學專業的學生。”

——約翰•哈尼，《馬格尼亞》雜志

“馬里蘭州圣瑪麗學院物理系教授查爾斯•L•阿德勒和我們一樣，是一名資深科幻迷，他這個領域有深入的了解。無論是對閱讀《類似》雜志的科幻迷還是有志于創作硬科幻的作者來說，《巫師、外星人與星艦》都稱得上是一本好書。我想說，這本書中涉及的公式都是絕對經得起驗證的。此外，阿德勒創作這本書是為了向波爾•安德森致敬……《巫師、外星人與星艦》是寫給科幻的一封情書。”

——唐薩科爾斯，《類似》雜志

“該書兼具趣味性與科學性。”

——保羅•吉爾斯特，《半人馬座夢境》作者

“這書太有趣了！”

——基斯•庫珀，《當今天文學》雜志

“《巫師、外星人與星艦》在分析書中相關對象時，將科幻的文學性與科學的嚴謹性完美地貫穿起來。不論是變形術的質量守恒問題，在霍格沃茨點蠟燭，還是建造一顆行星，阿德勒筆下的科學知識向來通俗易懂，并深受宅男宅女們的喜愛。”

——格倫•達拉斯，《舊金山書評》

“《巫師、外星人與星艦》同時滿足了我對科學與科幻二者的喜愛……我的確很喜歡這本書，并想將它推薦給任何一家收藏科普、科幻圖書的學術圖書館。若是大型公共圖書館和很多中學圖書館能收藏此書，也會讓借閱者們受益良多。它還可以作為一份很棒的禮物，送給具備一定科學背景的年輕（甚至不再年輕的）科幻迷。”

——約翰•迪普伊，《一名科學圖書館管理員的自白》

“這本書是一項了不起的成就……它肯定是你在任何地方能找到的所有的教科書里最酷的那本……任何渴望了解何為現實、何為想象的科幻迷或奇幻迷幾乎一定會喜歡它，你們可以期待從這本書中了解到，不論是在偉大的文學作品中，還是在真實的宇宙中，到底什么是可能實現的。”

——喬納森•T•馬萊，《探索》雜志

“這本書可讀性高、妙趣橫生、文筆出色，書中幽默之處眾多。顯然，阿德勒熱愛所有類型的科幻作品——圖書、短篇小說、電影和劇集，他樂于從科學的角度思考這些作品……總之，這本書不但全面介紹了眾多科幻作品，還可以作為物理學和天文學的入門手冊。”

——《選擇》雜志

“這是一本令人興奮的書……如果有人對物理學和科幻作品之間的關系感興趣，我會毫不猶豫地將這本書推薦給他，尤其是講授物理學入門課程的老師們，這本書可以作為枯燥的物理學課本有價值的補充材料，它甚至可能會提高學生對課程的評價，我肯定會在我的課堂上使用這本書。”

——科斯塔斯•埃夫蒂米烏，《物理世界》雜志

“《巫師、外星人和星艦：科幻與奇幻中的物理數學》是一本很棒的書。我剛開始閱讀它，就立刻被作者查爾斯•阿德勒從字里行間流露出的熱情與興奮所吸引。這是一本讓人手不釋卷的好書。” ——愛德華•貝爾布魯諾，《今日物理》雜志

“《巫師、外星人和星艦》這一書名根本不足以概括這本書——它將科學與科幻以輕松有趣的方式聯系起來。從燭光到瞬移，再到古老浩瀚的宇宙，這本書可以作為很好的教學材料。它從科學的角度解讀了我們身處的世界，無論是真實存在的，還是想象中的。它必將成為經典。”

——迦勒•沙爾夫，《重力引擎》和《哥白尼情結》的作者

“這本書非常棒，它利用嚴謹可靠的物理學定律分析了科幻作品中天馬行空的意象。從《星際迷航》愛好者，到天體物理學家，都會認為它很有趣。”

——保羅•納辛，《邏輯學家與工程師》作者

“《巫師、外星人和星艦》嚴格地運用物理學定律來解釋科幻、奇幻書籍、電影及劇集中的概念、情節設計和其他元素。如果你認真閱讀阿德勒詳細的分析過程，你會對常見科幻作品中的修辭有更多的了解，學到大量物理學知識，并了解科學家認識世界的方式。這是一本非同尋常的書。”

——A•鮑登•萬•里佩爾，《流行文化中的科學》作者

【作者簡介】

[美]查爾斯.L.阿德勒

Charles L. Adler

查爾斯.L.阿德勒（1965— ），物理學教授及資深科幻愛好者。1992年在布朗大學獲得博士學位，目前任教于馬里蘭州圣瑪麗學院，教授的課程有物理學基礎、科學與科幻等。他在本書中運用淺顯易懂的數學模型對科幻/奇幻中大量有趣的主題進行了嚴格的分析，而且書中用到的大部分數學內容都不超過中學代數的知識。除了對科幻/神秘現象和歷史感興趣之外，他還是一位狂熱的廚師和面包師，經常為家人烘烤面包。

【譯者簡介】

雒城

資深譯者，科幻愛好者，曾在社科院研究生院攻讀數理邏輯。已出版多部科幻譯著。

第一章游戲開始

1.1 創作本書的目的

1.2 我的若干假設前提

1.3 全書結構

1.4 你需要掌握的數學和物理學基礎知識

1.5 能量與功率

第一部分波特物理學

第2章哈利·波特與守恒律

2.1 奇幻小說的分類

2.2 變形魔法與質量守恒

2.3 幻影移形和動量守恒

2.4 修復咒和熱力學第二定律

第3章霍格沃茨為何這么黑

3.1 魔法與科技

3.2 照明問題

第4章魔獸及其證偽

4.1 神龍現身

4.2 如何構造一個巨人

4.3 克萊伯定律之一：美人魚

4.4 克萊伯定律之二：貓頭鷹、龍、鷹頭飛馬和其他飛天神獸

第二部分星際旅行

第5章技術革新：汽車為何跟不上計算機

5.1 未來世界的交通

5.2 星際旅行的真相

5.3 計算過程的能量需求

5.4 普通汽車與飛行車的能耗分析

5.5 低空軌道飛行

第6章太空度假

6.1 科幻小說中的未來：太空假期便捷又便宜

6.2 軌道飛行器

6.3 任何太空行程的***步：太空行的能量代價

6.4 太空旅程的資金來源

第7章太空殖民地

7.1 太空居民

7.2 奧尼爾式殖民地

7.3 重力問題

7.4 太空站中的人工“重力”

7.5 拉格朗日點

7.6 地外生態和能源問題

7.7 項目估價

第8章太空電梯

8.1 乘梯上太空

8.2 地球同步軌道的物理學原理

8.3 何謂太空電梯，它有什么用？

8.4 建筑如何挺立，因何倒塌？

8.5 拉力與耐力：碳納米管

8.6 能量、“轎廂”、激光和推進系統

8.7 成功可能性有多大

8.8 太空電梯的精準數據

第9章載人星際航行

9.1 這不是坐飛機，***不同于航海

9.2 開普勒三大定律

9.3 霍曼轉移軌道

9.4 Δv及其他

9.5 返程問題

9.6 引力彈弓效應和混沌軌道

9.7 成本問題

***0章 ***推進系統

10.1 加速行進

10.2 為什么化學推進系統無法勝任

10.3 ******的物理學公式

10.4 ***推進系統設想

10.5 “炸彈飛船”：“獵戶座”推進器

10.6 星際旅行前景展望

***1章空想中的推進系統

11.1 ***具空想色彩的推進系統

11.2 物質反物質推進系統的質量比

11.3 輻射問題

***2章星際旅行與相對論

12.1 時間足夠你做任何事

12.2 愛因斯坦有沒有搞錯？

12.3 若干疑難之處

12.4 相對論背景下的勻加速運動

***3章超光速旅行和時間旅行

13.1 現實主義的答案

13.2 非現實主義的回答

13.3 為什么超光速就意味著時間旅行

13.4 廣義相對論

13.5 引力時間延緩與黑洞

13.6 蟲洞和“奇異”物質

13.7 祖父悖論和其他奇聞

第三部分外星人與外星世界

***4章尋找宜居行星

14.1 阿德勒準則

14.2 恒星的類型

14.3 行星與其恒星之間的距離

14.4 溫室效應

14.5 軌道偏心率

14.6 行星大小與大氣層保有能力

14.7 安娜·卡列尼娜法則和宜居星球

14.8 未解之謎

***5章尋找史波克的科學方法

15.1 系外行星和外星植物

15.2 多普勒方法

15.3 凌日現象與開普勒計劃

15.4 生命的特殊印記

15.5 外星光合作用

***6章與外星人對話的數學原理

16.1 對外星生命的三種觀點

16.2 與外星人接觸的動力

16.3 德雷克方程模型與外星接觸的數學評估

第四部分古戈年

***7章人類的短期生存前景

17.1 我們的世界將這樣落幕

17.2 短期風險，人為制造的災難

***8章建造一顆星球

18.1 地球化改造

18.2 火星的基本特征

18.3 溫度與火星大氣

18.4 大氣中的氧

18.5 經濟收益

***9章戴森球和環形世界

19.1 戴森球

19.2 戴森網

19.3 尼文的環形世界

19.4 環形世界、全球衛星定位和愛倫菲斯特悖論

19.5 環形世界不穩定！

19.6 讓空想成為現實——以及有沒有必要？

第20章 ***文明和卡爾達謝夫等級

20.1 卡爾達謝夫等級

20.2 我們現在的0.7 型文明

20.3 第Ⅰ類文明

20.4 繼續升級

20.5 第Ⅱ類文明

20.6 第Ⅲ類文明

第21章古戈年

21.1 明天的明天

21.2 “短期”展望：5億年以內的時光

21.3 “中期”前景：1013年以內

21.4 “長期”前景：直到時間盡頭（古戈年）

21.5 以黑洞為動力的文明

21.6 質子會衰變——確定嗎？

21.7 古戈年——直到所有黑洞都蒸發

21.8 我們***后的致意

致謝

附錄牛頓三大運動定律

A.1 牛頓運動定律

A.2 常見的作用力

參考文獻

譯后記讓科幻回歸科學

文/吳巖討論科幻奇幻作品中科學這一主題的書，這兩年著實出了一批。我見到過最早的一本，應該算韓國鄭載承的《與物理學家一起看電影》(2003)。這本書圍繞一批科幻電影，一部一部分析其中的科學表達跟物理學基本原理和觀測數據之間的差異。多數章節最終的結論是，科幻作品中的東西是錯的！或者，沿著電影的科學思路，你不達到一個荒唐境界不可能返回現實！

當前我們面對載人航天問題的處境，就像查爾斯•巴比奇在19世紀60年代面對機器計算問題的處境一樣。他發現了現代計算機的基本原理，然后就試圖用那個時代的技術來實現他的設想。但當時整個社會的技術水準就是太低了一點點，以至于他的分析機就是無法建造成功。我們當前的處境也像當時的他一樣：使用化學燃料的火箭，噴氣速度僅有數千米每秒，堪堪能夠把無人採測器送往太陽系其他行星，但在載人項目方面，則毫無用處。

在幾乎所有關于美人魚的描述中，她們都長有水平方向的尾鰭，而所有真正的魚類的尾鰭都是豎直方向的。這一區別意味著他們游泳方式大有不同。以鯊魚為例，它們游泳是依靠前后扭動身體的方式，任何人類都無法輕易地像它們那樣游泳。而鯨游泳，靠的是上下擺動尾鰭，這是任何人類都很容易模仿的游泳動作。其背后的原因，正是因為鯨屬于海洋哺乳動物。數百萬年前，鯨的祖先離開陸地，返回海洋世界。它們的兩條后肢逐漸黏合到了一起，形成現在的尾鰭，但體內的骨骼結構仍然大致保持原樣，也就是它的關節仍舊更適合上下擺動。有趣的是，哈利波特系列中的美人魚，反而更像是某種魚類。在《哈利波特與火焰杯》一冊鐘，她們被寫成有鰓的動物。電影版本雖然不太容易看得清，但經我仔細觀察，她們的尾鰭真的被做成了豎直方向，游泳時沿左右方向，而不是上下方向擺動。