圖書介紹
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後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，讓我們理解為什麼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於系外行星的知識，以及在現實中我們怎樣尋找外星人，為什麼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慧型生物的終極命運。全書旁徵博引，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於牛頓運動定律的速成簡介。
《巫師，外星人和星際戰艦》適用於任何科幻和奇幻讀者，不管你是喜歡踏踏實實的技術，還是天馬行空的想像，它都會幫助你更好地理解有關科幻與奇幻的一切。
前言
從哈利?波特到全球變暖以及戴森球
——巫師、外星人和星艦：科幻與奇幻中的物理數學
魔法符合物理學定律嗎？霍格沃茨魔法學校校長鄧布利多真的能夠在揮舞魔杖之間將亂七八糟的房間收拾好嗎？他的魔杖真的能將撕碎的書籍復原嗎？顯然，稍稍學過物理的人會告訴你，這違背了熱力學第二定律。同樣，一個人能變成白天鵝或者黑天鵝嗎？當然不能，因為這違反了質量守恆定律。
如果魔法遵守物理學定律，那還叫什麼魔法？你會對這樣的物理極客產生反感，可是物理極客不管這一套，他們就喜歡尋根究底。因此，變形魔法包括孫悟空七十二變大有問題，甚至霍格沃茨大廳被成千上萬根蠟燭照得光明燦爛也成問題，因為一根蠟燭的亮度差不多是一個燈泡的百分之一。
一個巨人能夠在地球上跑動嗎？這是一個物理學問題。同樣，《阿凡達》里身高三米的納威人真的能在重力只有地球的百分之八十的潘多拉星上健步如飛嗎？要知道答案，我們必須懂一點簡單的物理學，而物理學告訴我們，《阿凡達》的設定是有一點點問題的。
除了奇幻小說中的物理學問題，我們更關心科幻小說里各種設定是否與物理學、數學乃至化學相容。比方說，科幻黃金時代預言的大航天為什麼遲遲沒有到來？是什麼樣的基本物理學定律限制了航天事業的發展？其實答案並不那么深奧:能量，能量！能量來源限制了航天發展，能量消耗的極大降低卻激發了網路時代的大發展，這一點除了克拉克預知了一些，其他科幻作家做夢也沒有想到。
還有，可供長期移民的空間站是可行的嗎？我們是否可以在未來的二十年之內造出高達數萬千米的太空梯？富豪們真的會在不遠的將來去火星度假嗎？(窮人就別妄想了，你出不起那個錢)。物質反物質湮滅推進器是否可行？如果這個太難，那核聚變推進器呢？如果這些在21世紀都不行，我們放開來暢想，假如技術原則上可以無限發展，人在壽命所限之下能飛出銀河系，甚至旅行到宇宙盡頭嗎？嗯，這倒不違反相對論。
接下來就是，超光速旅行可行嗎？時間旅行可行嗎？你會說《星際穿越》貌似是這么設定的，可是你知道這需要改變物理學中的什麼常識嗎？
這些問題的答案都可以在這本奇書中找到。這本書就是《巫師、外星人和星艦》，作者用最基本的物理學和數學知識就推出了這些答案。我相信你和我一樣，每讀一頁這本書，就會學到關於科幻小說的知識，同時學到了物理學知識。
再有，外星人存在嗎？最近我對這個問題特別感興趣，並且還有自己的理論，我認為外星人並不存在。本來，我以為我是極少數派，讀了這本書之後我才得知原來從20世紀80年代起，人類是宇宙之中唯一的智慧生物的觀點已經變得比較流行，當然這局限在西方科幻作家中。中國科幻迷乃至一般公眾還認為外星人當然存在。眼下，科幻作家甚至科學家還是分為三派:第一派認為智慧生命在宇宙中十分普遍；第二派認為智慧生命罕見但並不唯一；第三派就是人類中心主義了，我們是宇宙中唯一的文明。嗯，我就是一名人類中心主義者。
撇開這些爭議不論，我們到底該如何尋找地外生命和地外文明？這也是本書試圖分析的問題之一。粒子物理學家戴森曾經在《科學》雜誌上發表過一篇論文，研究是否可以圍繞一顆恆星(例如太陽)造一個巨大的球，以收集太陽發出來的全部能量。這可不得了，因為我們知道太陽照射到地球上的能量是太陽輻射的總能量的極小一部分，這個大球球做出來人類就一勞永逸地解決了能源問題。這個宏大的裝置叫戴森球，當然戴森並不想發明一個專利為人類謀取福利。你想，要造出這樣的巨無霸我們需要的材料將來自整個木星，這實在不太現實，戴森也很難以此成為太陽系首富。他真正的目的是尋找外星人，如果外星人造出了這樣的裝置，我們就有可能通過這個巨大裝置的紅外輻射找到他們。
回到地球本身。我們的能源什麼時候耗盡，比如石油？地球變暖是真的嗎？美俄的核儲備真的可以毀滅地球？數億年後，我們能夠逃離太陽系嗎？生物的終極形態是什麼？你還是能夠從這本書中找到一些答案。
在中國，科學幻想小說愛好者是一個比較小眾的圈子，儘管劉慈欣《三體》的影響已經開始溢出科幻圈，影響IT界，繼而影響其他人。《三體》為何能夠在IT圈產生這么大的影響？答案看上去顯而易見，因為該圈的人士現在張嘴閉嘴就是“降維攻擊”，可見《三體》里的二向箔才是亮點。另外，劉慈欣的“黑暗森林”的說法影響也不小，也許僅次於“降維攻擊”。
多媒體時代，閱讀的人越來越少，讀小說的人本來就是小眾，更不用說科幻小說了。當然，如果我們將小說的範圍擴大到奇幻，圈子就大大地放大了。我知道，中國作家富豪榜排名第一的是唐家三少，他的小說《斗羅大陸》點擊量近億次。另一個有人氣的奇幻作家是江南，小說《龍族》每一卷都比任何亞馬遜排名第一的書還要暢銷。
中國的電影市場還是好萊塢大片主導，好萊塢大片中不少是科幻電影，因此科幻電影在中國客群中影響遠遠大於科幻小說。說起小說《造星主》大概沒有幾個人知道，但誰不知道《阿凡達》、《黑客帝國》？誰不知道《星際穿越》？
遺憾的是，《巫師、外星人和星艦》這本書以科幻小說為主，偶爾談及科幻電影。幸運的是，這本書還包括了一些著名的奇幻小說，例如我們開始提到的《哈利?波特》，因此，這本書的讀者對象應該涵蓋了比科幻小說讀者多得多的人。
對我本人來說，這本書的出版實在太及時了。正好我的《三體中的物理學》4月份剛剛出版，我的那本書與這本書有相似之處也有重要的不同點，我們的出發點都是科幻，但這本書更適合對公式感興趣的人。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》，這門課的課名也許就是“科幻和奇幻中的物理學與數學”。
最後，我表達一下對本書作者的敬意。查爾斯?L.阿德勒是一位職業物理學家，專業是光學，在馬里蘭的聖瑪麗學院任教。1992年我去布朗大學做研究助理教授的時候，他剛從那裡畢業。寫這本書並不容易，有人說我的《三體中的物理學》寫起來也很難，這不錯，可是我的書一年半載是可以寫完的，而《巫師》中的內容大概需要好幾年的積累。
李淼
2015年5月
李淼，中山大學天文與空間科學研究院院長，最酷的理論物理學家，科普作家，詩人，著有《三體中的物理學》、《越弱越暗越美麗》。
目錄
第1章遊戲開始001
1.1創作本書的目的001
1.2我的若干假設前提003
1.3全書結構004
1.4你需要掌握的數學和物理學基礎知識005
1.5能量與功率006
第一部分波特物理學
第2章哈利·波特與守恆律011
2.1奇幻小說的分類011
2.2變形魔法與質量守恆012
2.3幻影移形和動量守恆014
2.4修復咒和熱力學第二定律018
第3章霍格沃茨為何這么黑023
3.1魔法與科技023
3.2照明問題024第4章魔獸及其證偽031
4.1神龍現身031
4.2如何構造一個巨人032
4.3克萊伯定律之一:美人魚037
4.4克萊伯定律之二:貓頭鷹、龍、鷹頭飛馬和其他飛天神獸040
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049
5.1未來世界的交通049
5.2星際旅行的真相051
5.3計算過程的能量需求052
5.4普通汽車與飛行車的能耗分析053
5.5低空軌道飛行056
第6章太空度假059
6.1科幻小說中的未來:太空假期便捷又便宜059
6.2軌道飛行器062
6.3任何太空行程的第一步:太空行的能量代價062
6.4太空旅程的資金來源069
第7章太空殖民地072
7.1太空居民072
7.2奧尼爾式殖民地073
7.3重力問題074
7.4太空站中的人工“重力”077
7.5拉格朗日點086
7.6地外生態和能源問題088
7.7項目估價092
第8章太空電梯095
8.1乘梯上太空095
8.2地球同步軌道的物理學原理096
8.3何謂太空電梯，它有什麼用？098
8.4建築如何挺立，因何倒塌？099
8.5拉力與耐力:碳納米管101
8.6能量、“轎廂”、雷射和推進系統102
8.7成功可能性有多大103
8.8太空電梯的精準數據105
第9章載人星際航行107
9.1這不是坐飛機，更不同於航海107
9.2克卜勒三大定律108
9.3霍曼轉移軌道110
9.4Δ瘙經及其他112
9.5返程問題113
9.6引力彈弓效應和混沌軌道114
9.7成本問題117
第10章高級推進系統120
10.1加速行進120
10.2為什麼化學推進系統無法勝任120
10.3史上最著名的物理學公式122
10.4高級推進系統構想123
10.5“炸彈飛船”:“獵戶座”推進器126
10.6星際旅行前景展望128
第11章空想中的推進系統129
11.1更具空想色彩的推進系統129
11.2物質反物質推進系統的質量比138
11.3輻射問題141
第12章星際旅行與相對論144
12.1時間足夠你做任何事144
12.2愛因斯坦有沒有搞錯？146
12.3若干疑難之處149
12.4相對論背景下的勻加速運動150
第13章超光速旅行和時間旅行154
13.1現實主義的答案154
13.2非現實主義的回答154
13.3為什麼超光速就意味著時間旅行156
13.4廣義相對論158
13.5引力時間延緩與黑洞160
13.6蟲洞和“奇異”物質162
13.7祖父悖論和其他奇聞168
第三部分外星人與外星世界
第14章尋找宜居行星177
14.1阿德勒準則178
14.2恆星的類型180
14.3行星與其恆星之間的距離184
14.4溫室效應186
14.5軌道偏心率189
14.6行星大小與大氣層保有能力190
14.7安娜·卡列尼娜法則和宜居星球193
14.8未解之謎194
第15章尋找史波克的科學方法197
15.1系外行星和外星植物197
15.2都卜勒方法200
15.3凌日現象與克卜勒計畫202
15.4生命的特殊印記203
15.5外星光合作用204
第16章與外星人對話的數學原理207
16.1對外星生命的三種觀點207
16.2與外星人接觸的動力210
16.3德雷克方程模型與外星接觸的數學評估217
第四部分古戈年
第17章人類的短期生存前景225
17.1我們的世界將這樣落幕225
17.2短期風險，人為製造的災難225
第18章建造一顆星球239
18.1地球化改造239
18.2火星的基本特徵241
18.3溫度與火星大氣242
18.4大氣中的氧244
18.5經濟收益246
第19章戴森球和環形世界248
19.1戴森球248
19.2戴森網250
19.3尼文的環形世界254
19.4環形世界、全球衛星定位和愛倫菲斯特悖論260
19.5環形世界不穩定！261
19.6讓空想成為現實——以及有沒有必要？265
第20章高級文明和卡爾達謝夫等級267
20.1卡爾達謝夫等級267
20.2我們現在的0.7型文明268
20.3第Ⅰ類文明269
20.4繼續升級271
20.5第Ⅱ類文明272
20.6第Ⅲ類文明273第21章古戈年275
21.1明天的明天275
21.2“短期”展望:5億年以內的時光275
21.3“中期”前景:1013年以內276
21.4“長期”前景:直到時間盡頭(古戈年)278
21.5以黑洞為動力的文明281
21.6質子會衰變——確定嗎？282
21.7古戈年——直到所有黑洞都蒸發283
21.8我們最後的致意285
致謝286
附錄牛頓三大運動定律288
A.1牛頓運動定律289
A.2常見的作用力290參考文獻292譯後記讓科幻回歸科學305
