巫师、外星人和星舰：科幻与奇幻中的物理数学

第1章游戏开始001

1.1创作本书的目的001

1.2我的若干假设前提003

1.3全书结构004

1.4你需要掌握的数学和物理学基础知识005

1.5能量与功率006

第一部分波特物理学

第2章哈利·波特与守恒律011

2.1奇幻小说的分类011

2.2变形魔法与质量守恒012

2.3幻影移形和动量守恒014

2.4修复咒和热力学第二定律018

第3章霍格沃茨为何这么黑023

3.1魔法与科技023

3.2照明问题024第4章魔兽及其证伪031

4.1神龙现身031

4.2如何构造一个巨人032

4.3克莱伯定律之一: 美人鱼037

4.4克莱伯定律之二: 猫头鹰、龙、鹰头飞马和其他飞天神兽040

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049

5.1未来世界的交通049

5.2星际旅行的真相051

5.3计算过程的能量需求052

5.4普通汽车与飞行车的能耗分析053

5.5低空轨道飞行056

第6章太空度假059

6.1科幻小说中的未来: 太空假期便捷又便宜059

6.2轨道飞行器062

6.3任何太空行程的第一步: 太空行的能量代价062

6.4太空旅程的资金来源069

第7章太空殖民地072

7.1太空居民072

7.2奥尼尔式殖民地073

7.3重力问题074

7.4太空站中的人工“重力”077

7.5拉格朗日点086

7.6地外生态和能源问题088

7.7项目估价092

第8章太空电梯095

8.1乘梯上太空095

8.2地球同步轨道的物理学原理096

8.3何谓太空电梯，它有什么用？098

8.4建筑如何挺立，因何倒塌？099

8.5拉力与耐力: 碳纳米管101

8.6能量、“轿厢”、激光和推进系统102

8.7成功可能性有多大103

8.8太空电梯的精准数据105

第9章载人星际航行107

9.1这不是坐飞机，更不同于航海107

9.2开普勒三大定律108

9.3霍曼转移轨道110

9.4Δ?瘙經及其他112

9.5返程问题113

9.6引力弹弓效应和混沌轨道114

9.7成本问题117

第10章高级推进系统120

10.1加速行进120

10.2为什么化学推进系统无法胜任120

10.3史上最著名的物理学公式122

10.4高级推进系统设想123

10.5“炸弹飞船”: “猎户座”推进器126

10.6星际旅行前景展望128

第11章空想中的推进系统129

11.1更具空想色彩的推进系统129

11.2物质反物质推进系统的质量比138

11.3辐射问题141

第12章星际旅行与相对论144

12.1时间足够你做任何事144

12.2爱因斯坦有没有搞错？146

12.3若干疑难之处149

12.4相对论背景下的匀加速运动150

第13章超光速旅行和时间旅行154

13.1现实主义的答案154

13.2非现实主义的回答154

13.3为什么超光速就意味着时间旅行156

13.4广义相对论158

13.5引力时间延缓与黑洞160

13.6虫洞和“奇异”物质162

13.7祖父悖论和其他奇闻168

第三部分外星人与外星世界

第14章寻找宜居行星177

14.1阿德勒准则178

14.2恒星的类型180

14.3行星与其恒星之间的距离184

14.4温室效应186

14.5轨道偏心率189

14.6行星大小与大气层保有能力190

14.7安娜·卡列尼娜法则和宜居星球193

14.8未解之谜194

第15章寻找史波克的科学方法197

15.1系外行星和外星植物197

15.2多普勒方法200

15.3凌日现象与开普勒计划202

15.4生命的特殊印记203

15.5外星光合作用204

第16章与外星人对话的数学原理207

16.1对外星生命的三种观点207

16.2与外星人接触的动力210

16.3德雷克方程模型与外星接触的数学评估217

第四部分古戈年

第17章人类的短期生存前景225

17.1我们的世界将这样落幕225

17.2短期风险，人为制造的灾难225

第18章建造一颗星球239

18.1地球化改造239

18.2火星的基本特征241

18.3温度与火星大气242

18.4大气中的氧244

18.5经济收益246

第19章戴森球和环形世界248

19.1戴森球248

19.2戴森网250

19.3尼文的环形世界254

19.4环形世界、全球卫星定位和爱伦菲斯特悖论260

19.5环形世界不稳定！261

19.6让空想成为现实——以及有没有必要？265

第20章高级文明和卡尔达谢夫等级267

20.1卡尔达谢夫等级267

20.2我们现在的0.7型文明268

20.3第Ⅰ类文明269

20.4继续升级271

20.5第Ⅱ类文明272

20.6第Ⅲ类文明273第21章古戈年275

21.1明天的明天275

21.2“短期”展望: 5亿年以内的时光275

21.3“中期”前景: 1013年以内276

21.4“长期”前景: 直到时间尽头(古戈年)278

21.5以黑洞为动力的文明281

21.6质子会衰变——确定吗？282

21.7古戈年——直到所有黑洞都蒸发283

21.8我们最后的致意285

致谢286

附录牛顿三大运动定律288

A.1牛顿运动定律289

A.2常见的作用力290参考文献292译后记让科幻回归科学305