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出版者:厦门大学出版社

作者:张翠娟，张献奇

出品人:

页数:225

译者:

出版时间:2009-8

价格:25.00元

装帧:

isbn号码:9787561532188

丛书系列:

图书标签:

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《星际旅行的终极指南》 内容简介： 在这本详尽的《星际旅行的终极指南》中，我们将带领读者踏上一场前所未有的宇宙探索之旅。本书并非对遥远星系的空泛描绘，而是聚焦于那些切实可行、触手可及的星际旅行技术、理论及实践，为有志于超越地球引力束缚的人类提供一份最权威、最全面的行动手册。我们承诺，每一页都充满严谨的科学论证、前沿的工程构想以及对未来宇宙生活的美好憧憬，绝无虚浮之词。 第一部分：穿越时空的理论基石 1. 相对论在星际航行中的应用： 爱因斯坦的狭义相对论和广义相对论是星际旅行的理论基石。本书将深入浅出地解析“时间膨胀”和“长度收缩”效应，解释为何高速航行能够缩短实际旅行时间，即使在观察者看来，旅途可能漫长无比。我们将探讨如何精确计算和利用这些效应，使长时间的星际旅行在可接受的时间范围内完成。例如，假设我们以接近光速的速度前往距离地球4.37光年的半人马座阿尔法星。对于静止在地球上的观察者而言，这次旅行需要4.37年。然而，对于以0.99c（光速的99%）的速度飞行的宇航员而言，由于时间膨胀效应，他们可能只经历了几个月甚至几周的航行。我们将提供具体的计算公式和案例分析，帮助读者理解这一核心概念。 时间膨胀公式： $Delta t' = Delta t / sqrt{1 - v^2/c^2}$ $Delta t'$: 移动参照系中的时间间隔（宇航员感受到的时间） $Delta t$: 静止参照系中的时间间隔（地球观察者感受到的时间） $v$: 物体的速度 $c$: 光速 长度收缩公式： $L' = L sqrt{1 - v^2/c^2}$ $L'$: 物体在运动方向上的长度（宇航员看来，星际距离缩短） $L$: 物体在静止参照系中的长度（地球上测量的星际距离） 我们将详细阐述这些公式如何转化为实际的航行设计，例如如何选择最经济（以时间为代价）和最快捷（以能量消耗为代价）的速度。 2. 曲速引擎的理论探索与可行性分析： “曲速引擎”并非科幻小说中的凭空想象，而是基于对时空本身特性的深刻理解。本书将详细介绍诸如“阿尔库贝利引擎”（Alcubierre drive）等理论模型，探讨其工作原理：通过在飞船前方压缩时空，而在飞船后方扩张时空，从而产生一个“曲速泡”，使飞船能够以超光速“滑行”于时空褶皱之中，而自身并不违反局部光速限制。我们将分析驱动曲速引擎所需的负能量密度（或称“奇异物质”）的理论要求，并探讨当前物理学界在寻找和操纵这种物质方面的最新进展，包括量子真空涨落、卡西米尔效应等可能与之相关的研究方向。尽管目前尚无实际制造的先例，但本书将基于最新的理论物理学研究，提供对未来可能性的审慎评估。 3. 虫洞的形成、稳定与导航： 虫洞，或称爱因斯坦-罗森桥，是连接宇宙中两个遥远点或甚至不同宇宙的理论“捷径”。本书将深入研究虫洞的形成机制，从黑洞的奇点联系到宇宙大爆炸的早期量子涨落。我们将重点探讨稳定虫洞的关键技术挑战，例如如何利用“奇异物质”来支撑虫洞的喉部，防止其因引力坍缩而关闭。同时，本书也将提供关于如何探测、导航和穿越虫洞的理论框架，包括对虫洞口特征的识别、穿越过程中可能遇到的引力潮汐力以及量子效应的应对策略。我们不会回避虫洞穿越可能带来的因果律悖论，并会从多角度审视这些问题，例如平行宇宙理论、多世界诠释等。 4. 量子纠缠与即时通讯： 量子纠缠现象——两个或多个粒子无论相距多远，都能瞬间感知对方的状态——为星际通讯提供了革命性的可能性。本书将详细解释量子纠缠的原理，并探讨如何利用这一现象构建超越光速限制的即时通讯网络。我们将深入研究量子态的制备、保持和测量技术，以及如何将量子信息编码并传输至遥远的目的地，实现真正的“星际互联网”。这包括对量子中继器、量子纠错码以及信息传输协议的详细设计。 第二部分：工程实践与飞船设计 1. 推进系统：从化学火箭到反物质引擎： 化学火箭的极限： 回顾传统化学火箭的局限性，解释其比冲（特定冲量）的物理上限，以及为何它们仅适用于近地轨道和行星际的初步探索。 离子推进与核动力推进： 详细介绍目前已实现的、更高效的推进技术，如离子推进器（利用电场加速离子产生推力）和核热/核电推进（利用核反应产生能量驱动推进剂）。我们将分析它们的优劣势，以及在不同任务场景下的适用性。 聚变推进： 探讨利用核聚变反应产生的巨大能量作为推进力的可行性。我们将详细介绍不同类型的聚变反应堆设计（如托卡马克、仿星器）以及如何将其小型化并集成到飞船中。本书将提供关于聚变燃料（如氘、氚、氦-3）的获取与储存的实用建议。 反物质推进： 这是目前理论上能量效率最高的推进方式。本书将深入分析反物质（如反质子、正电子）的产生、储存和湮灭过程。我们将详细计算其能量转化效率，并探讨目前反物质制造技术面临的瓶颈（如生产成本高、储存难度大），以及未来可能的突破方向，如利用大型强子对撞机等设施的副产品，或开发更高效的反物质制造方法。我们将详细阐述其理论上的巨大优势，以及实现它所需要的尖端科技。 2. 飞船结构与材料科学： 超强度、轻质合金： 介绍用于星际飞船船体的新型合金，如碳纤维增强聚合物、金属基复合材料、以及具有自修复能力的智能材料。我们将分析这些材料在极端太空环境下的性能，如抗辐射、耐高温/低温、抗微陨石撞击等。 结构优化与仿生设计： 探讨如何利用计算机辅助设计（CAD）和有限元分析（FEA）技术，优化飞船的内部结构，以在保证强度的同时最大程度地减轻重量。我们将引入仿生学原理，学习自然界生物的结构设计，例如蜂巢结构的力学效率。 防护系统： 详细阐述飞船在宇宙中可能面临的各种威胁，包括高能粒子辐射（如宇宙射线、太阳耀斑）、微陨石和太空碎片。我们将探讨有效的防护策略，如多层屏蔽技术（利用不同材料的组合来吸收不同能量的粒子）、主动防御系统（如定向能武器、电磁护盾）以及飞船姿态控制以规避主要撞击威胁。 3. 生命维持系统与人工生态圈： 闭环生命维持： 详细设计一套能够实现水、空气和食物循环利用的先进生命维持系统。我们将分析如何通过生物再生技术（如藻类培养、水培蔬菜、微生物分解废物）和物理化学方法（如过滤、电解、化学合成），最大限度地减少对外部补给的依赖。 人工重力： 探讨在长期失重环境下维持宇航员健康的人工重力解决方案，包括旋转式空间站、离心机以及其他创新的重力模拟技术。我们将详细分析不同人工重力方案的生理影响和技术实现难度。 心理健康与社会学： 关注长期太空旅行对宇航员心理健康的影响，提供关于团队协作、情绪管理、娱乐活动以及模拟地球环境的详细建议，以确保船员在长时间旅程中的心理稳定和社会和谐。 第三部分：导航、通讯与星际社会 1. 先进导航系统： 惯性导航与星敏感器： 介绍传统的导航技术，并解释其在星际尺度的局限性。 脉冲星导航： 深入探讨利用脉冲星周期性发出的X射线脉冲作为宇宙信标进行精确定位的方法，这被誉为“宇宙GPS”。我们将分析脉冲星的特性、探测器设计以及导航算法。 量子导航： 展望利用量子叠加态和量子纠缠原理实现的高度精确的导航系统，可能实现无需外部参照物的绝对定位。 2. 星际通讯网络： 激光通讯： 探讨利用高功率激光束进行高带宽、定向通讯的技术。我们将分析其优势（高带宽、低功耗）和劣势（对指向精度要求高、易受星际尘埃影响）。 引力波通讯（前沿展望）： 简要介绍利用引力波进行通讯的可能性。尽管目前尚处于理论探索阶段，但其潜在的穿透性和非凡的携带信息能力使其成为未来的一个激动人心的研究方向。 3. 星际移民与殖民： 宜居行星的搜寻与评估： 详细介绍系外行星探测技术（如凌星法、径向速度法、直接成像法），以及用于评估行星宜居性的“宜居带”概念和各种参数（如行星大气成分、磁场、水资源）。 地球化改造技术： 探讨将非宜居行星改造为适合人类居住的星球（Terraforming）的理论与实践，包括大气改造、水资源引入、生态系统建立等。 世代飞船与休眠技术： 对于无法实现超光速旅行的情况，详细介绍世代飞船的设计理念（将漫长的旅程视为船上文明的延续）以及低温休眠（Cryosleep）技术，以使船员在漫长的星际航行中节省资源并保持生命。 4. 星际法与外星文明接触： 星际法理框架： 探讨在没有统一政府的星际环境中，如何建立一套普适性的法律和道德规范，处理星际资源分配、冲突解决、以及主权归属等问题。 SETI（搜寻地外文明计划）与第一类接触： 审慎分析主动或被动地接触外星文明的潜在风险与收益。我们将探讨SETI的最新进展，并基于历史经验和逻辑推演，为可能的接触 scenario 提供指导原则，包括沟通协议、礼仪以及风险评估。 《星际旅行的终极指南》是一份献给所有仰望星空、心怀宇宙的人们的诚挚邀请。它汇集了人类在物理学、工程学、生物学、社会学等各个领域最前沿的知识与最大胆的设想，旨在为即将到来的星际时代奠定坚实的基础。本书将以严谨的态度、清晰的逻辑和详实的论据，带领读者从地球出发，一步步走向那片浩瀚无垠的未知星辰大海。

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