转载自百度三体吧@ZZ071612。

宇宙的熵在增加，有序度在降低；三体吧的水在增加，内容质量在降低。
看了星际迷航吧的那个帖子，感慨万千。纵然那个吧主一直在找各种机会逗比似得黑三体简直无下限掉节操，但不可否认我们的贴吧的确存在一些问题。从水贴泛滥到一些近乎弱智的帖子再到最近的政治风波，我们究竟在干什么？消除小学生的最好方法就是赋予他们中学甚至很高的科学知识。为此我决定写此贴，算是尽量扭转一下当前状态，也算是向大刘致敬，顺便练练手。同时也是在告诉其他某些吧：我们不只有小学生和熊孩子。
也许帝吧最终会死去，也许海吧最终会死去，但我相信物理吧，化学吧，一切自然科学相关的贴吧将会永生，那就让三体吧向那个方向发展吧！
一切内容均出自《地球往事》三部曲。由于本人今年刚刚高一毕业，如有错误疏漏请指出，轻喷。
太空电梯
【原文】
“是的，那种超高强度的材料一旦能够大规模生产，建设从地表直达地球同步轨道的太空电梯就有了技术基础。对主而言，这只是一项很小的发明，但对地球人类却意义重大。地球人类可以凭借这项技术轻易地进入近地空间。在太空建立起大规模的防御体系便成为可能。” ——《三体》
“太空电梯其实就是一条运河，像巴拿马运河连接了两个大洋一样，太空电梯将地球和太空连接起来……”——《三体》
“目前，所有的太空电梯都只铺设了一条初级导轨，与设计中的四条导轨相比，运载能力小许多，但与化学火箭时代已不可同日而语，如果不考虑天梯的建造费用，现在进入太空的成本已经大大低于民航飞机了。”——《黑暗森林》
“天梯三号是唯一一部基点在海上的太空电梯，它的基点是在太平洋赤道上的一座人工浮岛，浮岛可以借助自身的核动力在海上航行，因此可以报据需要沿着赤道改变太空电梯的位置。浮岛是凡尔纳笔下机器岛的现实版，所以被命名为“凡尔纳岛”。从现在的电视画面上根本看不到海，只有一座被钢铁城市围绕着的金字塔形基座，基座的顶端就是即将升空的圆柱形运载舱。从这个距离是看不到向太空延伸的导轨的，它只有六十厘米宽，但有时可以看到夕阳在导轨上反射的弧光。”——《黑暗森林》
这个概念最早是齐奥尔科夫斯基，那个伟大的航天先驱提出来的。有了它人们可以方便地来往于地面与同步轨道之间，不需要用运载火箭那种庞大而又耗资的工具了。不仅如此，如果人们在地球同步轨道附近建立了太空基地，人们便真正意义上地走向了太阳系。在那里，地球的引力充当向心力使物体处于平衡状态，由于与地心距离较远，在角速度一定的情况下拥有较大的线速度，也就意味着飞行器仅需稍稍（相对于地面）加速便可以达到冲破地球引力的第二宇宙速度，而相对于地面少克服的引力势能的一部分能量则可以用来为飞船继续加速以更快的速度航行。为了进行大规模的行星际航行，就必须在同步轨道上大规模地建设基地与太空工业等配套设施，而这一切的建设是离不开，或者说，尽可能地降低成本，是离不开太空电梯的。据估计，如今火箭发射或航天飞机运送每公斤有效载荷约需2万美元，而太空天梯运送每公斤物品仅需10美元。所以说危机纪元初的人类在航天技术开发上是明智的，把太空电梯与核聚变放在了首要的位置。

然而这个在理论上简单得不能再简单而又如此便利的工具为何至今还未建成？主要是技术和社会经济因素两个方面。在技术方面主要一下几点：
1，现实中的“飞刃” 材料——碳纳米管尚不成熟，而建设太空电梯需要3万多千米长的材料。
2，这种“太空电梯”一旦因严重事故崩塌，空中和地面的损失也将十分惊人。
3，当太阳风向太空电梯施加压力时，来自月球和太阳的重力作用将使绳索变得摇摆不定。这将有可能使太空电梯摇摆造成太空交通障碍。
4，太空电梯也可能会碰撞上人造卫星或者太空垃圾残骸，这样的碰撞将导致绳索断裂或太空电梯失事。为此，太空电梯必须在内部建造推进器，以稳定太空电梯致命的摇摆振动，但这又将增加电梯建造的难度和建造维护成本。
高度问题
“运载舱的最高速度能达到每小时500 公里，即使这样，到达太空电梯的同步轨道终点站也需68小时。”——《黑暗森林》
“这个车轮形状的空间站是太空电梯的一部分，位于电梯终点上方三百公里处，是作为电梯的平衡配重物建造的。”——《黑暗森林》
“太空电梯实是一颗运行于地球同步轨道的人造卫星，为了在运行中取得平衡，需要在轨道的外侧加上与电梯同等的重。”——《黑暗森林》
由以上三句话可以看出，黄河站位于34300千米的高度，低于地球同步轨道的高度35,786 千米。而这种情况实际上是不可能的。下面给出证明。
可以看出，“平衡物”只有在同步轨道上方，这个系统才能保持平衡。否则，除非电梯安装了类似掩体太空城的“位置维持发动机”，它受到的引力将大于旋转产生的离心力，将会下坠。
先问大家一个问题，你们认为太阳系舰队和三体第一舰队仅就航行能力来说那个更强大？
三体第一舰队
【原文】
“是的，那些宏伟的飞船都能达到十分之一光速。” ——《三体》
“由大型宇宙飞船组成的三体星际舰队质量巨大，加速十分缓慢，十分之一光速只是它们能够达到的最高速度，在这个速度上只能巡航很短的时间，就要开始减速。另外，三体飞船推进的动力是正反物质的湮灭，飞船前方有一个巨大的磁力场，形成一个漏斗形的磁罩，用于收集太空中的反物质粒子，这种收集过程十分缓慢，经过相当长的时间，才能得到供飞船进行一段时间加速的反物质数量，因此舰队的加速是间断进行的，很长时间的收集后才能进行一次。” ——《三体》
“知道三体舰队现在是个什么惨样儿吗？这两个世纪他们又过三次...啊...那叫雪地吧，就是太空尘埃。最近的一次听他们说是在四年前，望远镜观测到三舰队的队形变得稀稀拉拉，溃不成军，有一大半战舰早就停止了加速，穿过尘埃时又减速了不少，在慢慢爬呢。大概八百年也到不了太阳系，可能早就是坏掉的‘幽灵船’了。按现在的速度推算，两个世纪后能按时到达的不超过三百艘。” ——《黑暗森林》
可以看出，三体第一舰队采用的推进器实际上是巴萨德冲压发动机。即通过收集星际空间中的物质作为飞船的燃料。
人类对于恒星际航行的种种设想中当然也少不了这种续航能力极强的发动机。虽然这种物质密度极低（每立方厘米约有100个氢原子），但聊胜于无。如果能采集无处不在的星际物质作为发动机燃料，则飞船的理论续航能力可以达到无限远。由于现实世界与《三体》的设定不同，我们要收集的是氢而不是反物质。

目前得到公认的巴萨德冲压发动机是一种冲压核聚变反应堆，它利用巨大的电磁场（直径从数公里至数千公里不等）作为“漏斗”来收集并压缩星际物质中的氢，飞船前方的漏斗吸入沿途的星际物质，极高的相对速度和磁场作用使反应物质在核反应腔中压缩，直到温度和密度足以发生核聚变。这样产生的巨大能量再通过另一个磁场导引至发动机的排气方向，并借反作用力原理推进飞船。如果该飞船能够保持10米/秒2的加速度，不到一年时间，速度即可达到光速的77%。

这种发动机在原理上是已知的，不过至今没有实现的原因在于技术。无论是聚变反应堆本身，还是收集粒子的磁罩，或是如何使飞船前方的粒子带电以便收集，对人类来说都是大难题。
或许许多吧友认为三体第一舰队的装备十分落后，甚至有人还认为它战胜不了太阳系舰队。在我看来，第一舰队的实力必然远远在太阳系舰队之上，至少在星际航行能力上看是这样的。其强大的续航能力和后期的加速能力是人类飞船无法匹敌的。有人或许说三体第一舰队最高速度只有0.1c，而人类的战舰可以达到0.15c。其实不然，第一舰队的实际航行能力远远在其上，而人类则是勉强达到这一水平。以下是关于第一舰队飞船航行情况的计算，至于太阳系舰队的相关内容请看下一部分。

书中曾提到过，三体第一舰队在DX3906附近一百光年内建立了殖民地。也就是说他们在这400年时间里至少跨越了近200光年的距离（要注意到蓝色空间在燃料充足的情况下60年内也不过走过了一光年多）并找到了宜居星球（这个要求因该没有地球人苛刻，但也并非易事）。飞船上没有工业设施，即使有了技术也不可能大规模制造曲率引擎。在依靠冲压推进达到一定高速时配合智子光年级半径的探测，这大概就是三体第一舰队后期找到新世界的方法了吧。

“无工质辐射驱动”也是吧友们讨论了很久的话题。个人认为大刘这一部分处理的相当好，并没有什么硬伤。下面为大家解释。

【原文】
“工质推进飞船实际上就是化学火箭的变种，不过是以核聚变为能源而已......工质推进飞船不过是个大火箭，要用超过三分之二的运载能力运载推进工质，且工质消耗很快......”——《黑暗森林》

“‘自然选择’号是亚洲舰队第三分舰队的旗舰，无论是在吨位还是性能上，它都是舰队首屈一指的。它拥有最新一代的无工质聚变推进系统，全功率推进时，可以加速到光速的百分之十五。它的舰内生态循环系统十分完美，能够进行超长时间续航。事实上，这套生态系统的实验型号七十五年前就在月球上开始了试运行，到目前为止仍未出现任何大的故障和缺陷。“自然选择”号的武器系统也是舰队里最强大的，它那由伽马射线激光、电磁动能炮、高能粒子束和星际鱼雷所构成的四位一体的武器系统，能够单独摧毁一个地球大小的行星的表面。”——《黑暗森林》

首先来看看人类最有望利用的几个核聚变反应吧。从上表可以看出，最适合用于驱动飞船航行的当属第四个反应，即氘—氦3聚变，理由如下：
1，能量密度大。
2，生成物均为带电粒子，可以通过磁场进行聚焦。
3，燃料均没有放射性，不会衰变，可以长期贮存。
4，在气体巨行星上储量丰富，且氢和氦也是宇宙中含量最丰富的元素。

先来看两个概念
工质：工作介质，简称“工质”，是各种热机中借以完成能量转化的媒介物质。
辐射：能量以电磁波或粒子（如阿尔法粒子、贝塔粒子等）的形式向外扩散。

再看一个“核动力工质飞船”的例子
航天工程师，载人火星计划的大力鼓吹者罗伯特·祖布林提出了一种核盐水火箭的构思。这种火箭以溶解了含有钚或铀235的盐水作为燃料。这些含核燃料的盐水存储在特殊设计的容器内，通过几何构造或中子吸收的方法来保证其不达到核反应所需的临界质量。推力通过加热这些放射性盐水来产生核裂变，并通过喷嘴排出产生推力。水在这里既作为中子减速剂也被当作推进工质。

上面的例子中火箭除了携带核燃料以外还用水作为“工质”。而《三体》中人类的飞船则不需要。战舰只需要加注“燃料”而不需要加注“工质”。飞船依靠核聚变产生的高速氦核流与质子流等高能粒子作为动力（这显然符合上面对辐射的定义）。

而与之相对的“工质驱动”是依靠核聚变的热量加热携带工质使其急剧气化并以高速喷出，这个在技术上应该略简单一点，不用考虑粒子束聚焦等问题，但根据齐奥尔科夫斯基火箭方程（v=v0ln(M/m)），飞船最终速度仅与初末质量比与喷出速度相关。由于总能量一定，工质质量较大，喷出速度毫无疑问比粒子流速度慢了几个数量级，为弥补v0低下只能提升M/m，即携带大量燃料及工质，因此“就是一个大火箭”，不适合恒星际远航。

氘—氦3聚变产生的氦核与质子速度约为0..1c。根据齐奥尔科夫斯基火箭方程（v=v0ln(M/m)）的变形 1/(e^(v/v0))=m/M可以计算出飞船达到一定速度所消耗的燃料量。[图片]由上表可以看出飞船若想加速到0.15c，则需要携带船体质量近4倍的燃料。考虑到飞船上还搭载的大量武器、歼击机，以及发动机、生态系统、船体本身的质量，0.15c可能就是飞船的速度极限，即飞船消耗所有燃料可达到0.15c。
但它永远不可能达到这个速度。一旦达到，它将没有燃料进行减速、变轨、供应武器系统和生态系统，将丧失一切续航与作战能力。
如果飞船在加速后想要返航，则只能达到最高速度的1/4，即不到0.04c。考虑到飞船的各个系统都要消耗能量，作战速度的能也只有0.03c。
“蓝色空间”号在燃料充足的情况下航行了半个多世纪后到达奥尔特星云外，即用60年时间航行了超过1.8光年，其速度超过0.03c，但也不会比这快多少。
但即使这样，人类的飞船相对三体第一舰队的冲压飞船仍然在机动性上有着巨大的优势。受制于发动机原理，三体战舰不能随意进行加速减速，而人类飞船只要有燃料就可以进行120G的机动加速。
此外，有人可能会说，五分之四的质量都是燃料，这更是一个大火箭。但请注意，文中说的是“三分之二运载能力携带工质”，除此之外还要携带燃料加热工质，可能到最后实际运载能力只有总质量的十多分之一了。
附两枚火箭的数据
土星五号运载火箭
质量M=3039000kg
有效载荷m=119000kg
m/M=0.039
长征五号运载火箭
质量M=784500kg
有效载荷m=25000kg
m/M=0.032
【细节】大刘数学很好（斜眼）
“‘自然选择’号在沉默中持续加速到光速的百分之一后，它的聚变燃料的消耗已经越过折返点，凭自己的动力已经不可能返回太阳系，它成为了一艘永远在外太空流浪的孤舟。”——《黑暗森林》
“‘自然选择’号在起航时只加注了五分之一的聚变燃料。”——《黑暗森林》
“折返点”为加速到飞船现有燃料最高速度的四分之一所消耗的燃料量（飞船出发然后返航分为加速阶段、减速阶段、加速返航阶段、减速返航阶段，四个阶段速度的变化量相等），这说明加注了五分之一燃料的飞船可加速到0.04c。
设飞船加满燃料质量为1，由上表知，燃料质量为0.777，船体质量为0.223。现只加注五分之一燃料，即燃料质量为0.1554,飞船总质量为0.3784，可达到的最高速度为v
v=0.1c*ln(0.3784/0.223)=0.0528c;折返点速度v1=v/4=0.0132c,考虑到生态循环系统所消耗的燃料，会更低一点，基本与文中0.01c相吻合。
雷迪亚兹的计划
【原文】
“起爆倒计时数到零后，有一圈圈环形的波纹以爆心投影点为圆心向外扩散，-时间水星的大地似乎变得像绸缎般柔软，紧接着，爆心处出现了一座缓缓隆起的山峰，像一个苏醒的巨人的脊背。当峰顶升至三千米左右时，整座山峰爆发开来，亿万吨的泥土和岩石飞向空中，水星的大地上长出了一束冲天的怒发！随着地层被掀起，地下核火球的光芒暴露出来，照在空中飞散的岩土上，在水星漆黑的天空中形成了壮丽的焰火。火球持续了近五分钟才熄灭，这期间，岩块纷纷在核光芒的照耀中落下......还有一部分岩石达到了水星的第二宇宙速度，完全脱离水星，成为太阳的卫星，在水星的太阳轨道上形成了一条极其稀疏的小行星带。”——《黑暗森林》

“假设最后真的得到了那一百万颗甚至更多的恒星型氢弹，您就会像对PDC承诺的那样，把它们全部部署在水星上，如果在水星的地层中引爆这些氢弹，就会像一台超级发动机那样对这颗行星产生减速作用，最终会使水星失去维持其低轨道的速度，坠入太阳。”——《黑暗森林》

“这是一个蛇吞象的计划，人类没有能力制造出那样数量的恒星型氢弹，即使倾尽全部地球的工业资源，还是可能十分之一都生产不出来。把水星减速到坠入太阳，即使真有一百万颗恒星型氢弹，也远远不够。”——《黑暗森林》


那么这个计划是否真的不可行呢？即使人类倾尽一切资源孤注一掷又能否最终将水星推入太阳？答案是否定的。水星巨大的质量直接决定了推动它所消耗的能量之巨大。[图片][图片][图片]PDC的会议上，某代表曾说过这样一句话：“看来，面壁者雷迪亚兹不仅要制造出小太阳，还要创造一个银河系！”事实上，银河系中有2000亿颗恒星，即2×10^11颗，比需求氢弹量的百分之一还小。
【结论】雷迪亚兹不仅要造一个银河系，还要造一个星系团！需要的氢弹数量远远超出了人类的能力。所以，主不在乎！
【疑似bug】万有引力号启动广播时的位置
1，三体世界与太阳相距4.2光年；第一片尘埃云距太阳约4.2光年。
2，万有引力号比太阳系早40天观测到三体第二舰队在第一片尘埃云的航迹。
3，广播启动后一年三体世界接收到引力波信号。
仔细看看，会发现有什么不对的说（斜眼）
久违的更新
星际航行的燃料分配
【原文】“会上一致通过保持现有航向不变。这是章北海在起航时就为自然选择号设定的目标，航向指向天鹅座方向。精确目标是NH558J2恒星，这是距太阳系最近的带有行星的恒星之一，它带有两颗行星，都是类似于木星的气液态行星。不适合人类生存，但可以为飞船补充核聚变燃料。现在看来，选择这个目标是经过深思熟虑的，因为在不同方向有另一颗带行星的恒星，据观测其中的一颗行星的自然环境与地球类似，而距离与前一个目标相比只远了一点五光年。但这颗恒星只带有一颗行星，如果这个世界并不适合人类生存(可生存的世界条件十分苛刻，且跨越光年的观测总是有偏差)，那星舰地球就失去了补充燃料的机会。而到达NH558J2后，补充了燃料的飞船可以以最高航速更快地前往下一个目标。”——《黑暗森林》
“聚变燃料是飞船的唯一能源，还有其他地方要用：飞船的生态循环系统、可能的航向修正还有到达目标星系时的减速，NH558J2星比太阳的质量小得多，仅靠引力减速不能泊入轨道，要消耗大量燃料减速，否则就掠过了目标星系。”——《黑暗森林》

在星际航行中，飞船依靠燃料进行加速减速，同时又依赖燃料维持生态系统。如果加速消耗过多燃料，则生态循环系统可运行的时间就会相应变短；相反，如果加速消耗燃料较少，尽管剩余燃料可供生态系统长时间运转，但航行速度相对较低。因此，其中必然有一个极值点，消耗一定量的燃料达到一个速度，剩余燃料供给生态系统维持一定时间，以这个速度航行这样的时间航程最远，且仍能减速至零。下面我们将定量探讨这个问题。
为简化模型，我们只考虑飞船加速减速以及维持生态系统消耗的燃料。[图片]这个函数其实是可以求极值的，不过导函数太过复杂，楼主就偷懒不算了，不过带入具体数据后可以通过几何画板直观看出。
代入数据，设满载的“蓝色空间”号飞船质量为2000000t,其中燃料质量1700000t,聚变发动机的粒子流速度为0.1c，每年消耗100t燃料。
为使函数图象便于观察，将其中质量单位均设为万吨，时间单位均为年。[图片]可见当飞船加速至约11.4c时航程最远，可航行近121光年并减速至零。

如果考虑其他因素（如星际尘埃的阻力等），情况将复杂很多，不过只要得知基本参数并建立正确模型，“蓝色空间”上的超级计算机完全可以解决的。
不能发图什么的不要吐槽我。。。谁帮忙搬搬

这个写的 好认真