轉載自百度三體吧@ZZ071612。

宇宙的熵在增加，有序度在降低；三體吧的水在增加，內容質量在降低。
看了星際迷航吧的那個帖子，感慨萬千。縱然那個吧主一直在找各種機會逗比似得黑三體簡直無下限掉節操，但不可否認我們的貼吧的確存在一些問題。從水貼泛濫到一些近乎弱智的帖子再到最近的政治風波，我們究竟在幹什麼？消除小學生的最好方法就是賦予他們中學甚至很高的科學知識。為此我決定寫此貼，算是盡量扭轉一下當前狀態，也算是向大劉致敬，順便練練手。同時也是在告訴其他某些吧：我們不只有小學生和熊孩子。
也許帝吧最終會死去，也許海吧最終會死去，但我相信物理吧，化學吧，一切自然科學相關的貼吧將會永生，那就讓三體吧向那個方向發展吧！
一切內容均出自《地球往事》三部曲。由於本人今年剛剛高一畢業，如有錯誤疏漏請指出，輕噴。
太空電梯
【原文】
「是的，那種超高強度的材料一旦能夠大規模生產，建設從地表直達地球同步軌道的太空電梯就有了技術基礎。對主而言，這只是一項很小的發明，但對地球人類卻意義重大。地球人類可以憑藉這項技術輕易地進入近地空間。在太空建立起大規模的防禦體系便成為可能。」 ——《三體》
「太空電梯其實就是一條運河，像巴拿馬運河連接了兩個大洋一樣，太空電梯將地球和太空連接起來……」——《三體》
「目前，所有的太空電梯都只鋪設了一條初級導軌，與設計中的四條導軌相比，運載能力小許多，但與化學火箭時代已不可同日而語，如果不考慮天梯的建造費用，現在進入太空的成本已經大大低於民航飛機了。」——《黑暗森林》
「天梯三號是唯一一部基點在海上的太空電梯，它的基點是在太平洋赤道上的一座人工浮島，浮島可以藉助自身的核動力在海上航行，因此可以報據需要沿著赤道改變太空電梯的位置。浮島是凡爾納筆下機器島的現實版，所以被命名為「凡爾納島」。從現在的電視畫面上根本看不到海，只有一座被鋼鐵城市圍繞著的金字塔形基座，基座的頂端就是即將升空的圓柱形運載艙。從這個距離是看不到向太空延伸的導軌的，它只有六十厘米寬，但有時可以看到夕陽在導軌上反射的弧光。」——《黑暗森林》
這個概念最早是齊奧爾科夫斯基，那個偉大的太空先驅提出來的。有了它人們可以方便地來往於地面與同步軌道之間，不需要用運載火箭那種龐大而又耗資的工具了。不僅如此，如果人們在地球同步軌道附近建立了太空基地，人們便真正意義上地走向了太陽系。在那裡，地球的引力充當向心力使物體處於平衡狀態，由於與地心距離較遠，在角速度一定的情況下擁有較大的線速度，也就意味著飛行器僅需稍稍（相對於地面）加速便可以達到衝破地球引力的第二宇宙速度，而相對於地面少克服的引力勢能的一部分能量則可以用來為飛船繼續加速以更快的速度航行。為了進行大規模的行星際航行，就必須在同步軌道上大規模地建設基地與太空工業等配套設施，而這一切的建設是離不開，或者說，儘可能地降低成本，是離不開太空電梯的。據估計，如今火箭發射或太空梭運送每公斤有效載荷約需2萬美元，而太空天梯運送每公斤物品僅需10美元。所以說危機紀元初的人類在太空技術開發上是明智的，把太空電梯與核聚變放在了首要的位置。

然而這個在理論上簡單得不能再簡單而又如此便利的工具為何至今還未建成？主要是技術和社會經濟因素兩個方面。在技術方面主要一下幾點：
1，現實中的「飛刃」 材料——碳奈米管尚不成熟，而建設太空電梯需要3萬多千米長的材料。
2，這種「太空電梯」一旦因嚴重事故崩塌，空中和地面的損失也將十分驚人。
3，當太陽風向太空電梯施加壓力時，來自月球和太陽的重力作用將使繩索變得搖擺不定。這將有可能使太空電梯搖擺造成太空交通障礙。
4，太空電梯也可能會碰撞上人造衛星或者太空垃圾殘骸，這樣的碰撞將導致繩索斷裂或太空電梯失事。為此，太空電梯必須在內部建造推進器，以穩定太空電梯致命的搖擺振動，但這又將增加電梯建造的難度和建造維護成本。
高度問題
「運載艙的最高速度能達到每小時500 公里，即使這樣，到達太空電梯的同步軌道終點站也需68小時。」——《黑暗森林》
「這個車輪形狀的太空站是太空電梯的一部分，位於電梯終點上方三百公里處，是作為電梯的平衡配重物建造的。」——《黑暗森林》
「太空電梯實是一顆運行於地球同步軌道的人造衛星，為了在運行中取得平衡，需要在軌道的外側加上與電梯同等的重。」——《黑暗森林》
由以上三句話可以看出，黃河站位於34300千米的高度，低於地球同步軌道的高度35,786 千米。而這種情況實際上是不可能的。下面給出證明。
可以看出，「平衡物」只有在同步軌道上方，這個系統才能保持平衡。否則，除非電梯安裝了類似掩體太空城的「位置維持發動機」，它受到的引力將大於旋轉產生的離心力，將會下墜。
先問大家一個問題，你們認為太陽系艦隊和三體第一艦隊僅就航行能力來說那個更強大？
三體第一艦隊
【原文】
「是的，那些宏偉的飛船都能達到十分之一光速。」 ——《三體》
「由大型宇宙飛船組成的三體星際艦隊質量巨大，加速十分緩慢，十分之一光速只是它們能夠達到的最高速度，在這個速度上只能巡航很短的時間，就要開始減速。另外，三體飛船推進的動力是正反物質的湮滅，飛船前方有一個巨大的磁力場，形成一個漏斗形的磁罩，用於收集太空中的反物質體子，這種收集過程十分緩慢，經過相當長的時間，才能得到供飛船進行一段時間加速的反物質數量，因此艦隊的加速是間斷進行的，很長時間的收集後才能進行一次。」 ——《三體》
「知道三體艦隊現在是個什麼慘樣兒嗎？這兩個世紀他們又過三次...啊...那叫雪地吧，就是太空塵埃。最近的一次聽他們說是在四年前，望遠鏡觀測到三艦隊的隊形變得稀稀拉拉，潰不成軍，有一大半戰艦早就停止了加速，穿過塵埃時又減速了不少，在慢慢爬呢。大概八百年也到不了太陽系，可能早就是壞掉的『幽靈船』了。按現在的速度推算，兩個世紀後能按時到達的不超過三百艘。」 ——《黑暗森林》
可以看出，三體第一艦隊採用的推進器實際上是巴薩德衝壓發動機。即通過收集星際空間中的物質作為飛船的燃料。
人類對於恆星際航行的種種設想中當然也少不了這種續航能力極強的發動機。雖然這種物質密度極低（每立方厘米約有100個氫原子），但聊勝於無。如果能採集無處不在的星際物質作為發動機燃料，則飛船的理論續航能力可以達到無限遠。由於現實世界與《三體》的設定不同，我們要收集的是氫而不是反物質。

目前得到公認的巴薩德衝壓發動機是一種衝壓核聚變反應爐，它利用巨大的電磁場（直徑從數公里至數千公里不等）作為「漏斗」來收集並壓縮星際物質中的氫，飛船前方的漏斗吸入沿途的星際物質，極高的相對速度和磁場作用使反應物質在核反應腔中壓縮，直到溫度和密度足以發生核聚變。這樣產生的巨大能量再通過另一個磁場導引至發動機的排氣方向，並借反作用力原理推進飛船。如果該飛船能夠保持10米/秒2的加速度，不到一年時間，速度即可達到光速的77%。

這種發動機在原理上是已知的，不過至今沒有實現的原因在於技術。無論是聚變反應爐本身，還是收集粒子的磁罩，或是如何使飛船前方的粒子帶電以便收集，對人類來說都是大難題。
或許許多吧友認為三體第一艦隊的裝備十分落後，甚至有人還認為它戰勝不了太陽系艦隊。在我看來，第一艦隊的實力必然遠遠在太陽系艦隊之上，至少在星際航行能力上看是這樣的。其強大的續航能力和後期的加速能力是人類飛船無法匹敵的。有人或許說三體第一艦隊最高速度只有0.1c，而人類的戰艦可以達到0.15c。其實不然，第一艦隊的實際航行能力遠遠在其上，而人類則是勉強達到這一水平。以下是關於第一艦隊飛船航行情況的計算，至於太陽系艦隊的相關內容請看下一部分。

書中曾提到過，三體第一艦隊在DX3906附近一百光年內建立了殖民地。也就是說他們在這400年時間裡至少跨越了近200光年的距離（要注意到藍色空間在燃料充足的情況下60年內也不過走過了一光年多）並找到了宜居星球（這個要求因該沒有地球人苛刻，但也並非易事）。飛船上沒有工業設施，即使有了技術也不可能大規模製造麯率引擎。在依靠衝壓推進達到一定高速時配合智子光年級半徑的探測，這大概就是三體第一艦隊後期找到新世界的方法了吧。

「無工質輻射驅動」也是吧友們討論了很久的話題。個人認為大劉這一部分處理的相當好，並沒有什麼硬傷。下面為大家解釋。

【原文】
「工質推進飛船實際上就是化學火箭的變種，不過是以核聚變為能源而已......工質推進飛船不過是個大火箭，要用超過三分之二的運載能力運載推進工質，且工質消耗很快......」——《黑暗森林》

「『自然選擇』號是亞洲艦隊第三分艦隊的旗艦，無論是在噸位還是性能上，它都是艦隊首屈一指的。它擁有最新一代的無工質聚變推進系統，全功率推進時，可以加速到光速的百分之十五。它的艦內生態循環系統十分完美，能夠進行超長時間續航。事實上，這套生態系統的實驗型號七十五年前就在月球上開始了試運行，到目前為止仍未出現任何大的故障和缺陷。「自然選擇」號的武器系統也是艦隊里最強大的，它那由伽馬射線雷射、電磁動能炮、高能粒子束和星際魚雷所構成的四位一體的武器系統，能夠單獨摧毀一個地球大小的行星的表面。」——《黑暗森林》

首先來看看人類最有望利用的幾個核聚變反應吧。從上表可以看出，最適合用於驅動飛船航行的當屬第四個反應，即氘—氦3聚變，理由如下：
1，能量密度大。
2，生成物均為帶電粒子，可以通過磁場進行聚焦。
3，燃料均沒有放射性，不會衰變，可以長期貯存。
4，在氣體巨行星上儲量豐富，且氫和氦也是宇宙中含量最豐富的元素。

先來看兩個概念
工質：工作介質，簡稱「工質」，是各種熱機中藉以完成能量轉化的媒介物質。
輻射：能量以電磁波或粒子（如阿爾法粒子、貝塔粒子等）的形式向外擴散。

再看一個「核動力工質飛船」的例子
太空工程師，載人火星計劃的大力鼓吹者羅伯特·祖布林提出了一種核鹽水火箭的構思。這種火箭以溶解了含有鈈或鈾235的鹽水作為燃料。這些含核燃料的鹽水存儲在特殊設計的容器內，通過幾何構造或中子吸收的方法來保證其不達到核反應所需的臨界質量。推力通過加熱這些放射性鹽水來產生核裂變，並通過噴嘴排出產生推力。水在這裡既作為中子減速劑也被當作推進工質。

上面的例子中火箭除了攜帶核燃料以外還用水作為「工質」。而《三體》中人類的飛船則不需要。戰艦隻需要加註「燃料」而不需要加註「工質」。飛船依靠核聚變產生的高速氦核流與質子流等高能粒子作為動力（這顯然符合上面對輻射的定義）。

而與之相對的「工質驅動」是依靠核聚變的熱量加熱攜帶工質使其急劇氣化並以高速噴出，這個在技術上應該略簡單一點，不用考慮粒子束聚焦等問題，但根據齊奧爾科夫斯基火箭方程（v=v0ln(M/m)），飛船最終速度僅與初末質量比與噴出速度相關。由於總能量一定，工質質量較大，噴出速度毫無疑問比粒子流速度慢了幾個數量級，為彌補v0低下只能提升M/m，即攜帶大量燃料及工質，因此「就是一個大火箭」，不適合恆星際遠航。

氘—氦3聚變產生的氦核與質子速度約為0..1c。根據齊奧爾科夫斯基火箭方程（v=v0ln(M/m)）的變形 1/(e^(v/v0))=m/M可以計算出飛船達到一定速度所消耗的燃料量。[圖片]由上表可以看出飛船若想加速到0.15c，則需要攜帶船體質量近4倍的燃料。考慮到飛船上還搭載的大量武器、殲擊機，以及發動機、生態系統、船體本身的質量，0.15c可能就是飛船的速度極限，即飛船消耗所有燃料可達到0.15c。
但它永遠不可能達到這個速度。一旦達到，它將沒有燃料進行減速、變軌、供應武器系統和生態系統，將喪失一切續航與作戰能力。
如果飛船在加速後想要返航，則只能達到最高速度的1/4，即不到0.04c。考慮到飛船的各個系統都要消耗能量，作戰速度的能也只有0.03c。
「藍色空間」號在燃料充足的情況下航行了半個多世紀後到達奧爾特星雲外，即用60年時間航行了超過1.8光年，其速度超過0.03c，但也不會比這快多少。
但即使這樣，人類的飛船相對三體第一艦隊的衝壓飛船仍然在機動性上有著巨大的優勢。受制於發動機原理，三體戰艦不能隨意進行加速減速，而人類飛船隻要有燃料就可以進行120G的機動加速。
此外，有人可能會說，五分之四的質量都是燃料，這更是一個大火箭。但請注意，文中說的是「三分之二運載能力攜帶工質」，除此之外還要攜帶燃料加熱工質，可能到最後實際運載能力只有總質量的十多分之一了。
附兩枚火箭的數據
土星五號運載火箭
質量M=3039000kg
有效載荷m=119000kg
m/M=0.039
長征五號運載火箭
質量M=784500kg
有效載荷m=25000kg
m/M=0.032
【細節】大劉數學很好（斜眼）
「『自然選擇』號在沉默中持續加速到光速的百分之一後，它的聚變燃料的消耗已經越過折返點，憑自己的動力已經不可能返回太陽系，它成為了一艘永遠在外太空流浪的孤舟。」——《黑暗森林》
「『自然選擇』號在起航時只加註了五分之一的聚變燃料。」——《黑暗森林》
「折返點」為加速到飛船現有燃料最高速度的四分之一所消耗的燃料量（飛船出發然後返航分為加速階段、減速階段、加速返航階段、減速返航階段，四個階段速度的變化量相等），這說明加註了五分之一燃料的飛船可加速到0.04c。
設飛船加滿燃料質量為1，由上表知，燃料質量為0.777，船體質量為0.223。現只加註五分之一燃料，即燃料質量為0.1554,飛船總質量為0.3784，可達到的最高速度為v
v=0.1c*ln(0.3784/0.223)=0.0528c;折返點速度v1=v/4=0.0132c,考慮到生態循環系統所消耗的燃料，會更低一點，基本與文中0.01c相吻合。
雷迪亞茲的計劃
【原文】
「起爆倒計時數到零後，有一圈圈環形的波紋以爆心投影點為圓心向外擴散，-時間水星的大地似乎變得像綢緞般柔軟，緊接著，爆心處出現了一座緩緩隆起的山峰，像一個蘇醒的巨人的脊背。當峰頂升至三千米左右時，整座山峰爆發開來，億萬噸的泥土和岩石飛向空中，水星的大地上長出了一束衝天的怒發！隨著地層被掀起，地下核火球的光芒暴露出來，照在空中飛散的岩土上，在水星漆黑的天空中形成了壯麗的焰火。火球持續了近五分鐘才熄滅，這期間，岩塊紛紛在核光芒的照耀中落下......還有一部分岩石達到了水星的第二宇宙速度，完全脫離水星，成為太陽的衛星，在水星的太陽軌道上形成了一條極其稀疏的小行星帶。」——《黑暗森林》

「假設最後真的得到了那一百萬顆甚至更多的恆星型氫彈，您就會像對PDC承諾的那樣，把它們全部部署在水星上，如果在水星的地層中引爆這些氫彈，就會像一台超級發動機那樣對這顆行星產生減速作用，最終會使水星失去維持其低軌道的速度，墜入太陽。」——《黑暗森林》

「這是一個蛇吞象的計劃，人類沒有能力製造出那樣數量的恆星型氫彈，即使傾盡全部地球的工業資源，還是可能十分之一都生產不出來。把水星減速到墜入太陽，即使真有一百萬顆恆星型氫彈，也遠遠不夠。」——《黑暗森林》


那麼這個計劃是否真的不可行呢？即使人類傾盡一切資源孤注一擲又能否最終將水星推入太陽？答案是否定的。水星巨大的質量直接決定了推動它所消耗的能量之巨大。[圖片][圖片][圖片]PDC的會議上，某代表曾說過這樣一句話：「看來，面壁者雷迪亞茲不僅要製造出小太陽，還要創造一個銀河系！」事實上，銀河系中有2000億顆恆星，即2×10^11顆，比需求氫彈量的百分之一還小。
【結論】雷迪亞茲不僅要造一個銀河系，還要造一個星系團！需要的氫彈數量遠遠超出了人類的能力。所以，主不在乎！
【疑似bug】萬有引力號啟動廣播時的位置
1，三體世界與太陽相距4.2光年；第一片塵埃雲距太陽約4.2光年。
2，萬有引力號比太陽系早40天觀測到三體第二艦隊在第一片塵埃雲的航跡。
3，廣播啟動後一年三體世界接收到引力波信號。
仔細看看，會發現有什麼不對的說（斜眼）
久違的更新
星際航行的燃料分配
【原文】「會上一致通過保持現有航向不變。這是章北海在起航時就為自然選擇號設定的目標，航向指向天鵝座方向。精確目標是NH558J2恆星，這是距太陽系最近的帶有行星的恆星之一，它帶有兩顆行星，都是類似於木星的氣液態行星。不適合人類生存，但可以為飛船補充核聚變燃料。現在看來，選擇這個目標是經過深思熟慮的，因為在不同方向有另一顆帶行星的恆星，據觀測其中的一顆行星的自然環境與地球類似，而距離與前一個目標相比只遠了一點五光年。但這顆恆星只帶有一顆行星，如果這個世界並不適合人類生存(可生存的世界條件十分苛刻，且跨越光年的觀測總是有偏差)，那星艦地球就失去了補充燃料的機會。而到達NH558J2後，補充了燃料的飛船可以以最高航速更快地前往下一個目標。」——《黑暗森林》
「聚變燃料是飛船的唯一能源，還有其他地方要用：飛船的生態循環系統、可能的航向修正還有到達目標星系時的減速，NH558J2星比太陽的質量小得多，僅靠引力減速不能泊入軌道，要消耗大量燃料減速，否則就掠過了目標星系。」——《黑暗森林》

在星際航行中，飛船依靠燃料進行加速減速，同時又依賴燃料維持生態系統。如果加速消耗過多燃料，則生態循環系統可運行的時間就會相應變短；相反，如果加速消耗燃料較少，儘管剩餘燃料可供生態系統長時間運轉，但航行速度相對較低。因此，其中必然有一個極值點，消耗一定量的燃料達到一個速度，剩餘燃料供給生態系統維持一定時間，以這個速度航行這樣的時間航程最遠，且仍能減速至零。下面我們將定量探討這個問題。
為簡化模型，我們只考慮飛船加速減速以及維持生態系統消耗的燃料。[圖片]這個函數其實是可以求極值的，不過導函數太過複雜，樓主就偷懶不算了，不過帶入具體數據後可以通過幾何畫板直觀看出。
代入數據，設滿載的「藍色空間」號飛船質量為2000000t,其中燃料質量1700000t,聚變發動機的粒子流速度為0.1c，每年消耗100t燃料。
為使函數圖象便於觀察，將其中質量單位均設為萬噸，時間單位均為年。[圖片]可見當飛船加速至約11.4c時航程最遠，可航行近121光年並減速至零。

如果考慮其他因素（如星際塵埃的阻力等），情況將複雜很多，不過只要得知基本參數並建立正確模型，「藍色空間」上的超級計算機完全可以解決的。
不能發圖什麼的不要吐槽我。。。誰幫忙搬搬

這個寫的 好認真