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

《卫报》2014年度最佳自然科普图书之一

《物理世界》2014年度十佳图书之一

【内容简介】

从瞬间移形到太空电梯，从外星接触到星际旅行，科幻和奇幻作家笔下的世界总是充满奇思妙想。但是这些奇妙的设定到底是否可信呢？比如哈利波特系列中，威斯礼先生的飞行车能在现实中存在吗？哪些设定有可能成真？哪些根本就不可能实现？本书探讨了科幻与奇幻世界中最富创意的那些细节：比如时空扭曲、变形魔法、火箭推进器、飘浮蜡烛的照明效果等等，还向读者展示了其背后隐藏的物理学和数学原理。

本书作者查尔斯•阿德勒运用浅显易懂的数学模型，和仅仅高中难度的代数学知识，覆盖了大量有趣的科幻和奇幻主题。其中既有厄休拉•勒古恩的经典着作，又有《星球大战》和《阿凡达》等科幻大片，帮助读者得以认清可能性的限界。阿德勒先生阐述了《哈利波特》和《德雷斯顿档案》等奇幻作品难以严格符合科学原理的深层次原因，以及魔法在麻瓜世界的科学之处。他详细讲述了星际旅行，让我们理解为什么它没有变得像科幻作品预言的那样经济又普及。阿德勒还从科学角度讲述了关于系外行星的知识，以及在现实中我们怎样寻找外星人，为什么工作的重点从无线通讯转向了太空望远镜。在全书的末尾，他探讨了人类与其他智能生物的终极命运。全书旁征博引，谈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，还在附录里奉上了一份关于牛顿运动定律的速成简介。

《巫师，外星人和星际战舰》适用于任何科幻和奇幻读者，不管你是喜欢踏踏实实的技术，还是天马行空的想象，它都会帮助你更好地理解有关科幻与奇幻的一切。

【读者定位】

1.从《星际迷航》的狂热粉丝到天体物理学家的所有读者。

2.科幻作家写作的案头利器。

3.科技宅人/geek的思考圣经。

4.创意意爱好者的学习指南

5.初高中热爱科幻的同学。

【推荐语】

作为一本科幻奇幻文学的拓展之书、类型文学作家的参考之书、创意爱好者的学习指南、科技宅人／geek的思考圣经，《巫师、外星人和星舰：科幻与奇幻中的物理数学》在中国的引进和出版是科幻奇幻领域的一个有价值的大事。希望这个作品能带动更多国人的同类创作。——北京师范大学文学院教授世界华人科幻协会会长吴岩

恰好，过去两年我在中山大学逸仙学院上过《人与宇宙的物理学》这门课，这门课的精神与《巫师》这本书很接近。我打算将来在中山大学再开一门课，这门课的教材就是《巫师、外星人和星舰》，这门课的课名也许就是《科幻和奇幻中的物理学与数学》。

——中山大学天文与空间科学研究院院长着名理论物理学家李淼

“阿德勒完美地向我们展现出，即便是最基础的数学和物理学也具有强大的力量。如果你个崭露头角的年轻科学工作者，还对代数学有点兴趣，你会喜欢这本书的。”

——罗伯特•马修斯，《BBC聚焦》

“我也说不清我对这本书的感觉是爱还是恨。爱它是因为它分析了奇幻、科幻作品中众多魔法和太空探索背后的物理学知识，令我为之着迷。恨它是因为它揭示了我永远都无法实现一个梦想的原因。一直以来，我都憧憬着能大喊一声：‘传送我吧，斯科蒂！’，然后完成瞬移。不过，查尔斯•阿德勒又将我拉回了现实……这本书中的物理学知识解释得非常到位，阿德勒举的例子也十分有趣。”

——诺艾尔•安•布拉德肖，《泰晤士高等教育》

“《巫师、外星人与星舰》这本书本身就非常棒，此外，它还可作为学习太空探索所需的物理学知识以及经典科幻作品的入门读物。”

——罗伯特•谢弗，纽约书评网

“对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来说，《巫师、外星人与星舰》无疑是绝佳选择。此外，它还可作为物理学和天文学课程上引人入胜的补充性读物。”

——西德尼•佩尔科维茨，“科学家的书柜”网站

“这本书内容充实，不仅适合科幻作者阅读，还适合任何想见识运用于实际的真正的科学的读者，它会解答你的很多问题。认真阅读它，保证你会赞不绝口。”

——G•F•威尔梅茨，“科幻了望台”网站

“无论是将其作为课程教材，还是自学读物，你都会发现这本书集趣味性与教育性于一体，且能引人深思。”

——马克•胡尼亚切克，《美国数学协会评论》

“如果你想了解科幻和奇幻作品中的科学知识哪些是正确的，哪些是错误的，这本书一定适合你。”

——《月球与行星信息通讯》

“这本书写得很好，也很有趣，阿德勒为此下了不少功夫。对任何希望创作真正符合科学原则的科幻小说作者来说，它非常具有参考价值。”

——《大众科学》

“这本书里的很多内容都会引起天文学和航天学爱好者的兴趣，我认为它也很有可能会吸引物理学专业的学生。”

——约翰•哈尼，《马格尼亚》杂志

“马里兰州圣玛丽学院物理系教授查尔斯•L•阿德勒和我们一样，是一名资深科幻迷，他这个领域有深入的了解。无论是对阅读《类似》杂志的科幻迷还是有志于创作硬科幻的作者来说，《巫师、外星人与星舰》都称得上是一本好书。我想说，这本书中涉及的公式都是绝对经得起验证的。此外，阿德勒创作这本书是为了向波尔•安德森致敬……《巫师、外星人与星舰》是写给科幻的一封情书。”

——唐萨科尔斯，《类似》杂志

“该书兼具趣味性与科学性。”

——保罗•吉尔斯特，《半人马座梦境》作者

“这书太有趣了！”

——基斯•库珀，《当今天文学》杂志

“《巫师、外星人与星舰》在分析书中相关对象时，将科幻的文学性与科学的严谨性完美地贯穿起来。不论是变形术的质量守恒问题，在霍格沃茨点蜡烛，还是建造一颗行星，阿德勒笔下的科学知识向来通俗易懂，并深受宅男宅女们的喜爱。”

——格伦•达拉斯，《旧金山书评》

“《巫师、外星人与星舰》同时满足了我对科学与科幻二者的喜爱……我的确很喜欢这本书，并想将它推荐给任何一家收藏科普、科幻图书的学术图书馆。若是大型公共图书馆和很多中学图书馆能收藏此书，也会让借阅者们受益良多。它还可以作为一份很棒的礼物，送给具备一定科学背景的年轻（甚至不再年轻的）科幻迷。”

——约翰•迪普伊，《一名科学图书馆管理员的自白》

“这本书是一项了不起的成就……它肯定是你在任何地方能找到的所有的教科书里最酷的那本……任何渴望了解何为现实、何为想象的科幻迷或奇幻迷几乎一定会喜欢它，你们可以期待从这本书中了解到，不论是在伟大的文学作品中，还是在真实的宇宙中，到底什么是可能实现的。”

——乔纳森•T•马莱，《探索》杂志

“这本书可读性高、妙趣横生、文笔出色，书中幽默之处众多。显然，阿德勒热爱所有类型的科幻作品——图书、短篇小说、电影和剧集，他乐于从科学的角度思考这些作品……总之，这本书不但全面介绍了众多科幻作品，还可以作为物理学和天文学的入门手册。”

——《选择》杂志

“这是一本令人兴奋的书……如果有人对物理学和科幻作品之间的关系感兴趣，我会毫不犹豫地将这本书推荐给他，尤其是讲授物理学入门课程的老师们，这本书可以作为枯燥的物理学课本有价值的补充材料，它甚至可能会提高学生对课程的评价，我肯定会在我的课堂上使用这本书。”

——科斯塔斯•埃夫蒂米乌，《物理世界》杂志

“《巫师、外星人和星舰：科幻与奇幻中的物理数学》是一本很棒的书。我刚开始阅读它，就立刻被作者查尔斯•阿德勒从字里行间流露出的热情与兴奋所吸引。这是一本让人手不释卷的好书。” ——爱德华•贝尔布鲁诺，《今日物理》杂志

“《巫师、外星人和星舰》这一书名根本不足以概括这本书——它将科学与科幻以轻松有趣的方式联系起来。从烛光到瞬移，再到古老浩瀚的宇宙，这本书可以作为很好的教学材料。它从科学的角度解读了我们身处的世界，无论是真实存在的，还是想象中的。它必将成为经典。”

——迦勒•沙尔夫，《重力引擎》和《哥白尼情结》的作者

“这本书非常棒，它利用严谨可靠的物理学定律分析了科幻作品中天马行空的意象。从《星际迷航》爱好者，到天体物理学家，都会认为它很有趣。”

——保罗•纳辛，《逻辑学家与工程师》作者

“《巫师、外星人和星舰》严格地运用物理学定律来解释科幻、奇幻书籍、电影及剧集中的概念、情节设计和其他元素。如果你认真阅读阿德勒详细的分析过程，你会对常见科幻作品中的修辞有更多的了解，学到大量物理学知识，并了解科学家认识世界的方式。这是一本非同寻常的书。”

——A•鲍登•万•里佩尔，《流行文化中的科学》作者

【作者简介】

[美]查尔斯.L.阿德勒

Charles L. Adler

查尔斯.L.阿德勒（1965— ），物理学教授及资深科幻爱好者。1992年在布朗大学获得博士学位，目前任教于马里兰州圣玛丽学院，教授的课程有物理学基础、科学与科幻等。他在本书中运用浅显易懂的数学模型对科幻/奇幻中大量有趣的主题进行了严格的分析，而且书中用到的大部分数学内容都不超过中学代数的知识。除了对科幻/神秘现象和历史感兴趣之外，他还是一位狂热的厨师和面包师，经常为家人烘烤面包。

【译者简介】

雒城

资深译者，科幻爱好者，曾在社科院研究生院攻读数理逻辑。已出版多部科幻译着。

第一章游戏开始

1.1 创作本书的目的

1.2 我的若干假设前提

1.3 全书结构

1.4 你需要掌握的数学和物理学基础知识

1.5 能量与功率

第一部分波特物理学

第2章哈利·波特与守恒律

2.1 奇幻小说的分类

2.2 变形魔法与质量守恒

2.3 幻影移形和动量守恒

2.4 修复咒和热力学第二定律

第3章霍格沃茨为何这么黑

3.1 魔法与科技

3.2 照明问题

第4章魔兽及其证伪

4.1 神龙现身

4.2 如何构造一个巨人

4.3 克莱伯定律之一：美人鱼

4.4 克莱伯定律之二：猫头鹰、龙、鹰头飞马和其他飞天神兽

第二部分星际旅行

第5章技术革新：汽车为何跟不上计算机

5.1 未来世界的交通

5.2 星际旅行的真相

5.3 计算过程的能量需求

5.4 普通汽车与飞行车的能耗分析

5.5 低空轨道飞行

第6章太空度假

6.1 科幻小说中的未来：太空假期便捷又便宜

6.2 轨道飞行器

6.3 任何太空行程的***步：太空行的能量代价

6.4 太空旅程的资金来源

第7章太空殖民地

7.1 太空居民

7.2 奥尼尔式殖民地

7.3 重力问题

7.4 太空站中的人工“重力”

7.5 拉格朗日点

7.6 地外生态和能源问题

7.7 项目估价

第8章太空电梯

8.1 乘梯上太空

8.2 地球同步轨道的物理学原理

8.3 何谓太空电梯，它有什么用？

8.4 建筑如何挺立，因何倒塌？

8.5 拉力与耐力：碳纳米管

8.6 能量、“轿厢”、激光和推进系统

8.7 成功可能性有多大

8.8 太空电梯的精准数据

第9章载人星际航行

9.1 这不是坐飞机，***不同于航海

9.2 开普勒三大定律

9.3 霍曼转移轨道

9.4 Δv及其他

9.5 返程问题

9.6 引力弹弓效应和混沌轨道

9.7 成本问题

***0章 ***推进系统

10.1 加速行进

10.2 为什么化学推进系统无法胜任

10.3 ******的物理学公式

10.4 ***推进系统设想

10.5 “炸弹飞船”：“猎户座”推进器

10.6 星际旅行前景展望

***1章空想中的推进系统

11.1 ***具空想色彩的推进系统

11.2 物质反物质推进系统的质量比

11.3 辐射问题

***2章星际旅行与相对论

12.1 时间足够你做任何事

12.2 爱因斯坦有没有搞错？

12.3 若干疑难之处

12.4 相对论背景下的匀加速运动

***3章超光速旅行和时间旅行

13.1 现实主义的答案

13.2 非现实主义的回答

13.3 为什么超光速就意味着时间旅行

13.4 广义相对论

13.5 引力时间延缓与黑洞

13.6 虫洞和“奇异”物质

13.7 祖父悖论和其他奇闻

第三部分外星人与外星世界

***4章寻找宜居行星

14.1 阿德勒准则

14.2 恒星的类型

14.3 行星与其恒星之间的距离

14.4 温室效应

14.5 轨道偏心率

14.6 行星大小与大气层保有能力

14.7 安娜·卡列尼娜法则和宜居星球

14.8 未解之谜

***5章寻找史波克的科学方法

15.1 系外行星和外星植物

15.2 多普勒方法

15.3 凌日现象与开普勒计划

15.4 生命的特殊印记

15.5 外星光合作用

***6章与外星人对话的数学原理

16.1 对外星生命的三种观点

16.2 与外星人接触的动力

16.3 德雷克方程模型与外星接触的数学评估

第四部分古戈年

***7章人类的短期生存前景

17.1 我们的世界将这样落幕

17.2 短期风险，人为制造的灾难

***8章建造一颗星球

18.1 地球化改造

18.2 火星的基本特征

18.3 温度与火星大气

18.4 大气中的氧

18.5 经济收益

***9章戴森球和环形世界

19.1 戴森球

19.2 戴森网

19.3 尼文的环形世界

19.4 环形世界、全球卫星定位和爱伦菲斯特悖论

19.5 环形世界不稳定！

19.6 让空想成为现实——以及有没有必要？

第20章 ***文明和卡尔达谢夫等级

20.1 卡尔达谢夫等级

20.2 我们现在的0.7 型文明

20.3 第Ⅰ类文明

20.4 继续升级

20.5 第Ⅱ类文明

20.6 第Ⅲ类文明

第21章古戈年

21.1 明天的明天

21.2 “短期”展望：5亿年以内的时光

21.3 “中期”前景：1013年以内

21.4 “长期”前景：直到时间尽头（古戈年）

21.5 以黑洞为动力的文明

21.6 质子会衰变——确定吗？

21.7 古戈年——直到所有黑洞都蒸发

21.8 我们***后的致意

致谢

附录牛顿三大运动定律

A.1 牛顿运动定律

A.2 常见的作用力

参考文献

译后记让科幻回归科学

文/吴岩讨论科幻奇幻作品中科学这一主题的书，这两年着实出了一批。我见到过最早的一本，应该算韩国郑载承的《与物理学家一起看电影》(2003)。这本书围绕一批科幻电影，一部一部分析其中的科学表达跟物理学基本原理和观测数据之间的差异。多数章节最终的结论是，科幻作品中的东西是错的！或者，沿着电影的科学思路，你不达到一个荒唐境界不可能返回现实！

当前我们面对载人航天问题的处境，就像查尔斯•巴比奇在19世纪60年代面对机器计算问题的处境一样。他发现了现代计算机的基本原理，然后就试图用那个时代的技术来实现他的设想。但当时整个社会的技术水准就是太低了一点点，以至于他的分析机就是无法建造成功。我们当前的处境也像当时的他一样：使用化学燃料的火箭，喷气速度仅有数千米每秒，堪堪能够把无人采测器送往太阳系其他行星，但在载人项目方面，则毫无用处。

在几乎所有关于美人鱼的描述中，她们都长有水平方向的尾鳍，而所有真正的鱼类的尾鳍都是竖直方向的。这一区别意味着他们游泳方式大有不同。以鲨鱼为例，它们游泳是依靠前后扭动身体的方式，任何人类都无法轻易地像它们那样游泳。而鲸游泳，靠的是上下摆动尾鳍，这是任何人类都很容易模仿的游泳动作。其背后的原因，正是因为鲸属于海洋哺乳动物。数百万年前，鲸的祖先离开陆地，返回海洋世界。它们的两条后肢逐渐黏合到了一起，形成现在的尾鳍，但体内的骨骼结构仍然大致保持原样，也就是它的关节仍旧更适合上下摆动。有趣的是，哈利波特系列中的美人鱼，反而更像是某种鱼类。在《哈利波特与火焰杯》一册钟，她们被写成有鳃的动物。电影版本虽然不太容易看得清，但经我仔细观察，她们的尾鳍真的被做成了竖直方向，游泳时沿左右方向，而不是上下方向摆动。