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[打听，小资料] “自然运算”的抗干扰能力与“长途星际航行”
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[笔记，请教，原创] “自然运算”的抗干扰能力与“长途星际航行”
我不愿意揭露别人的短处。但是出于对真理负责，也出于对人类科技进步的考虑，隐讳不是好主意。
下面主要用于自己整理研究思路。感谢您的指教！
您的指教，将使我今后少走弯路！！
图1 为了提示下文所属的领域，借用这幅图片，感谢！来自：
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https://www.waseda.jp/top/en/news/76603
该图片与下文内容没有直接的关系。
巴贝奇 Charles Babbage, 1791-12-26 ~ 1871-10-18
https://cdn.britannica.com/98/170698-050-95B7AC71/Charles-Babbage-1871.jpg
https://www.britannica.com/biography/Charles-Babbage
一、集成电路：“宇宙线”会使集成电路产生致命的故障
太阳宇宙射线/solar cosmic ray：
在太阳活动极大年期间，特别是太阳耀斑发生时，太阳宇宙线的强度急剧增加，耀斑期间的通量可达109厘米2/秒，使卫星中的集成电路产生致命的故障，甚至能够干扰地面的电子系统的正常工作。
https://www.zgbk.com/ecph/words?SiteID=1&ID=579556&Type=bkzyb&SubID=198134
地球辐射带/radiation belt of the Earth：
特别是高能粒子同航天器作用会产生电离、原子位移、化学反应、核反应和轫致辐射，损坏航天器上的太阳电池、集成电路和传感器，并对航天员造成辐射损伤。因此研制卫星时必须考虑其器壁的辐射加固。高能粒子（尤其是重离子）通过二进制触发器时很容易使电路翻转，导致逻辑系统紊乱，这是引起卫星故障的又一重要原因。
https://www.zgbk.com/ecph/words?SiteID=1&ID=580767&Type=bkzyb&SubID=157242
空间环境对飞行体的影响/effects of space environment on spacecraft：
电荷沉积密度与宇宙线粒子的原子数的平方成正比，因此重粒子可以在集成电路的灵敏区中沉积足够的电荷而使半导体记忆单元的状态发生变化，从而造成存储信息的错误，也可能导致产生一个错误命令。这种软错误一般被称为单粒子翻转（SEU）。有时单个粒子还可以造成多个记忆单元状态变化，叫多位翻转（MBU）。这种软错误可以通过软件纠错算法加以修正，但若单粒子翻转引发一些关键的航天器操控指令的错误，则所造成的后果是难以预料的。
https://www.zgbk.com/ecph/words?SiteID=1&ID=195550&Type=bkzyb&SubID=139839
空间辐射环境/space radiation environment：
如图所示，地球外层空间存在的粒子可能导致卫星系统中电子器件发生单粒子翻转、单粒子闩锁、单粒子瞬态等瞬时损伤或扰动及总剂量效应、位移损伤等累积性能退化；空间中存在的带电等离子体可能导致卫星在磁暴期间壳体表面充电，随之而来的放电可能严重干扰卫星的正常工作；空间中存在的低能等离子体可能导致功率器件或系统发生故障。
图2 空间辐射环境与可能产生的危害，引用自《中国大百科全书》
https://www.zgbk.com/ecph/words?SiteID=1&ID=301864&Type=bkzyb&SubID=217838
二、[小资料] 宇宙线、银河宇宙线、太阳宇宙射线、太阳风
系统间干扰/inter-system interference：
自然干扰源：大气干扰、雷电干扰、沉降静电、电离层干扰、宇宙干扰、热噪声。
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宇宙线/cosmic ray：
来自宇宙空间的各种高能微观粒子，主要是质子（氢原子核），其次是α粒子（氦原子核），还有少量其他各种原子核，以及电子、中微子和高能光子（X射线和γ射线）构成的射流。
宇宙线中存在能量极高的粒子，已观测到的最高能量达1020电子伏以上。
初级宇宙线主要由各种原子核以及电子、中微子、X射线和γ射线光子构成。
原子核
大部分（约87%）是氢原子核——质子，约12%是氦原子核——α粒子，少量锂、铍、硼和碳、氮、氧的原子核，还有极少量的重元素原子核。
一般认为，大多数宇宙线荷电粒子来源于超新星爆发，以及爆发后形成的超新星遗迹。
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宇宙线/cosmic ray：
泛指一切来自地球之外的高能粒子、高能射线乃至现在还未知的各种粒子，比如可能存在的暗物质粒子等。
已知的宇宙线主要由原子核构成，86%为氢原子核（质子），12%为氦原子核，1%为碳、氮、氧及铁的原子核，还有1%的电子，是初级宇宙线。
https://www.zgbk.com/ecph/words?SiteID=1&ID=143886&Type=bkzyb&SubID=105134
宇宙线/cosmic ray：
分类
按起源，宇宙线可分为起源于日球层之外的银河宇宙线、起源于太阳的太阳宇宙线和起源于日球层边界的异常宇宙线。宇宙线的能量可以超过1020电子伏特，远超过地球上的粒子加速器可以达到的1012～1013电子伏特。
https://www.zgbk.com/ecph/words?SiteID=1&ID=195648&Type=bkzyb&SubID=139744
银河宇宙线/galactic cosmic rays：
日球层外，银河系的高能粒子。
宇宙射线基本上包括元素周期表中的所有元素：约89％的原子核是氢（质子），约10%为氦和约1%的重元素。常见的重元素（如碳、氮、氧、镁、硅、铁）与太阳系（日球层）中的相对丰度大致相同，
https://www.zgbk.com/ecph/words?SiteID=1&ID=195649&Type=bkzyb&SubID=139745
太阳宇宙射线/solar cosmic rays：
出现太阳耀斑、日冕物质抛射等爆发性太阳活动时发射出的短时存在的高能带电粒子。
主要是质子，其次是α粒子、电子和少量重离子。
https://www.zgbk.com/ecph/words?SiteID=1&ID=68702&Type=bkzyb&SubID=84233
太阳宇宙射线/solar cosmic ray：
其主要成分是质子和α粒子，能量从10兆电子伏到10吉电子伏，通量很高，达到10厘米2/秒。由于其带电粒子绝大部分由质子组成，故又称太阳质子事件。太阳宇宙射线呈现以11年为周期的活动规律。
太阳风的粒子密度大约为30个/厘米3，主要包括95%的质子、大约4%的氦离子、不到1%的带多电荷的重离子和维持太阳风电中性的电子。
在太阳活动极大年期间，特别是太阳耀斑发生时，太阳宇宙线的强度急剧增加，耀斑期间的通量可达109厘米2/秒，使卫星中的集成电路产生致命的故障，甚至能够干扰地面的电子系统的正常工作。
https://www.zgbk.com/ecph/words?SiteID=1&ID=579556&Type=bkzyb&SubID=198134
空间辐射粒子/space radiation particles：
宇宙空间环境中的各种高能射线粒子流。
按照辐射带分布和辐射来源，空间辐射粒子主要分为地球辐射带粒子、太阳宇宙射线和银河宇宙射线。主要能段的各种粒子通量大致分布如图所示。
银河宇宙射线受到太阳活动影响，太阳活动强烈时，银河宇宙射线会受到抑制；太阳活动平静时，银河宇宙射线会更强。
空间环境中充满着各种能量的粒子，这些“密布”的、潜在的粒子严重威胁着空间电子仪器中超大规模集成电路的可靠性。
图3 不同能段的各种粒子通量分布示意图，引用自《中国大百科全书》
https://www.zgbk.com/ecph/words?SiteID=1&ID=579522&Type=bkzyb&SubID=198097
行星际介质/interplanetary medium：
充满行星际空间的稀薄物质。
行星际介质的时空分布是不均匀的，包括太阳风等离子体、行星际尘埃、宇宙射线。①太阳风的数密度随着与日心距离的增加而迅速减小，在地球轨道附近的电子（质子）数密度为每立方厘米5～10个。太阳风密度的时空变化还会受到磁场或日冕物质抛射的影响，在地球轨道附近可高达每立方厘米100个。②宇宙射线包括源自太阳、日球层边界和宇宙的高能电子、质子和重离子。③
https://www.zgbk.com/ecph/words?SiteID=1&ID=195645&Type=bkzyb&SubID=139741
太阳风/solar wind：
从太阳外层大气连续向外流动并加速到超声速的等离子体流。
在地球轨道附近，太阳风的平均速度约为450千米/秒。主要成分是质子和电子，也有少量的氦离子，以及含量甚微的重元素。太阳风的概念应用到恒星际称为恒星风，应用到星系称为星系风。
https://www.zgbk.com/ecph/words?SiteID=1&ID=195587&Type=bkzyb&SubID=139738
太阳风/solar wind：
从太阳上层大气射出的超声速等离子体带电粒子流。
太阳风与地球上的空气不同，不是由气体的分子组成，而是由更简单的比原子还小一个层次的基本粒子—质子和电子等组成。它们流动时所产生的效应与空气流动十分相似，所以称为太阳风。
https://www.zgbk.com/ecph/words?SiteID=1&ID=579536&Type=bkzyb&SubID=198136
三、“自然运算”：寻找适合长途星际航行的计算机
3.1 长途星际航行是历史的必然
人类文明终会向银河系、宇宙更深处进军。
研制适合在星际间长期运行的信息设备（包括计算机），是“自然运算”的目标之一。
如果某些“自然运算”采用的客观存在与材料，对各类“宇宙线”的不利影响不敏感，则可以有效提高该类“信息处理设备（计算机）”在宇宙探索与航行中的作用。如，利用宏观“机械作用”的计算机（安提基特拉机构 antikythera mechanism）。如利用“压电晶体”的计算机，会比纯粹的“电磁”计算机具有更好的宇航前景。
半导体材料已经发展到第三代。因此，寻找适合不同目的“自然运算”的新材料、新原理、新工艺……，应该是很正常的事情。
3.2 [小资料] 三代半导体材料
半导体敏感材料/semiconductor materials for transducer：
能将各种非电物理量如力学量、光学量、热学量、磁学量和生物量等转换成电物理量的半导体材料。又称传感器半导体材料。
①力敏半导体材料。具有较强的压阻效应，能将各种力学量如作用力、加速度、流量等转变为电信号。压阻效应是指半导体晶体在受到压力作用时，晶体的对称性会发生变化，导电机制也随之变化，从而使电阻值改变的物理现象。半导体的应变系数（压阻系数）可达100～200，而金属的应变系数只有2～3，这种差异主要归因于半导体能带结构的各向异性。这类材料主要有单晶硅、多晶硅、硅外延薄膜、硅/尖晶石和硅/蓝宝石等。
https://www.zgbk.com/ecph/words?SiteID=1&ID=140549&Type=bkzyb&SubID=109349
半导体材料/semiconductor materials：
半导体材料已经历了三代发展，以单晶硅与多晶硅及其外延材料锗为代表的第一代晶体；以砷化镓和磷化铟为代表的第二代半导体材料；以氮化镓、碳化硅和氧化锌为代表的宽带隙耐高温第三代半导体材料以及低维半导体材料，即纳米半导体材料；以敏感陶瓷为代表的陶瓷半导体材料以及有机半导体材料等。
https://www.zgbk.com/ecph/words?SiteID=1&ID=407022&Type=bkzyb&SubID=202982
3.3 利用宏观“机械作用”的计算机
当然，我们未来不大会简单重复“安提基特拉机构”。但寻找对“带电重粒子”不敏感的新型信息处理设备，是可以追寻到 2100年前的古人的。实际上，巴贝奇（Charles Babbage, 1791-12-26 ~ 1871-10-18）的计算机，原本就是“宏观机械”的。
“宏观”的直观含义：参加“运算”的客体的量，明显超过预定抵抗的“宇宙线、重粒子”的量。这样，“带电重粒子”就难以导致运算结果的错误。当然，这是一种自然的底线思维。其它的思路还有：差动放大器（differential amplifier）利用“两个几乎一样的错误相减”，也可以得到几乎正确的结果。……
丢掉束缚，打开思路。
图4 巴贝奇的差分引擎的完成部分，1832年。
https://www.britannica.com/biography/Charles-Babbage
[小资料] 安提基特拉机构/antikythera mechanism：
1900年10月，在希腊安提基特拉岛海滩外的一艘古希腊沉船上找到的一个让世界震惊的古代机械残骸（图1）。该船沉没于公元前80年。该机构依其发现地被命名为安提基特拉机构，科学家根据该装置上的文字和刻线将其诞生的日期推到公元前150～前100
年。
它可以显示太阳、月球和其他行星的行走轨迹，可以预测恒星和行星的位置，也能预测月食和日食。由于这种神奇的功能，它被誉为最早的模拟计算机。
https://www.zgbk.com/ecph/words?SiteID=1&ID=75653&Type=bkzyb&SubID=80092
感谢朱老师前几天给我讲的故事！
参考资料：
[1] 2023-08-29，系统间干扰/inter-system interference/刘秀成，中国大百科全书，第三版网络版[DB/OL]
https://www.zgbk.com/ecph/words?SiteID=1&ID=399062&Type=bkzyb&SubID=134216
[2] 2023-03-17，宇宙线/cosmic ray/李惕碚，中国大百科全书，第三版网络版[DB/OL]
https://www.zgbk.com/ecph/words?SiteID=1&ID=146953&Type=bkzyb&SubID=87362
[3] 2022-12-23，宇宙线/cosmic ray/胡红波，中国大百科全书，第三版网络版[DB/OL]
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[4] 2023-05-17，宇宙线/cosmic ray/王玲华，中国大百科全书，第三版网络版[DB/OL]
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[5] 2022-01-20，银河宇宙线/galactic cosmic rays/王玲华，中国大百科全书，第三版网络版[DB/OL]
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[6] 2022-01-21，太阳宇宙射线/solar cosmic rays/陈伟、丁李利，中国大百科全书，第三版网络版[DB/OL]
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主要是质子，其次是α粒子、电子和少量重离子。
[7] 2022-12-23，太阳宇宙射线/solar cosmic ray/毕潇，中国大百科全书，第三版网络版[DB/OL]
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[8] 2023-02-08，空间辐射粒子/space radiation particles/李哲，中国大百科全书，第三版网络版[DB/OL]
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[9] 2022-01-20，行星际介质/interplanetary medium/王玲华，中国大百科全书，第三版网络版[DB/OL]
https://www.zgbk.com/ecph/words?SiteID=1&ID=195645&Type=bkzyb&SubID=139741
[10] 2023-06-11，太阳风/solar wind/林元章，中国大百科全书，第三版网络版[DB/OL]
https://www.zgbk.com/ecph/words?SiteID=1&ID=50801&Type=bkzyb&SubID=87386
1962年发射的旨在探测金星的宇宙飞船“水手”2号首先发现，地球附近的行星际空间存在来自太阳方向的不间断的超声速等离子体流，其成分主要为质子和电子，以及少量α粒子（占3%～4%），从而证实了E.N.帕克（Eugene Newman Parker，1927-06～2022-03-15）于1958年提出的预言太阳风存在及其基本特性的理论。
[11] 2023-10-17，太阳风/solar wind/宋礼庭，中国大百科全书，第三版网络版[DB/OL]
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[12] 2023-01-10，太阳风/solar wind/毕潇，中国大百科全书，第三版网络版[DB/OL]
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[13] 2023-04-20，地球辐射带/radiation belt of the Earth/濮祖荫，中国大百科全书，第三版网络版[DB/OL]
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[14] 2023-05-09，空间环境对飞行体的影响/effects of space environment on spacecraft/贾向红，中国大百科全书，第三版网络版[DB/OL]
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[15] 2022-12-23，空间辐射环境/space radiation environment/胡文涛、陈伟丁、李利，中国大百科全书，第三版网络版[DB/OL]
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空间天然和人工产生的电离辐射和非电离辐射环境。
[16] 2023-06-09，地外文明/extraterrestrial civilization /李宗伟、王素，中国大百科全书，第三版网络版[DB/OL]
https://www.zgbk.com/ecph/words?SiteID=1&ID=225334&Type=bkzyb&SubID=140854
地球以外的天体上可能存在的智慧生物及其文明。
根据确信生命的起源和演化是宇宙中的一个普遍规律的理念，一些天文学家认为生命的出现和存在、生物的栖息和繁衍也都是普遍规律。只要具备适合的条件和环境就会有生命诞生，只要有可以能存活生物的天体，就可能出现智慧生物和文明社会。
[17] 2022-01-20，半导体敏感材料/semiconductor materials for transducer/陈克铭，中国大百科全书，第三版网络版[DB/OL]
https://www.zgbk.com/ecph/words?SiteID=1&ID=140549&Type=bkzyb&SubID=109349
[18] 2023-11-30，半导体材料/semiconductor materials /刘虎，中国大百科全书，第三版网络版[DB/OL]
https://www.zgbk.com/ecph/words?SiteID=1&ID=407022&Type=bkzyb&SubID=202982
[19] 2022-01-20，安提基特拉机构/antikythera mechanism/卜炎，中国大百科全书，第三版网络版[DB/OL]
https://www.zgbk.com/ecph/words?SiteID=1&ID=75653&Type=bkzyb&SubID=80092
1900年10月，在希腊安提基特拉岛海滩外的一艘古希腊沉船上找到的一个让世界震惊的古代机械残骸（图1）。该船沉没于公元前80年。该机构依其发现地被命名为安提基特拉机构，科学家根据该装置上的文字和刻线将其诞生的日期推到公元前150～前100。
[20] 2023-09-27，古代机械史/ancient history of machinery/张策，中国大百科全书，第三版网络版[DB/OL]
https://www.zgbk.com/ecph/words?SiteID=1&ID=75614&Type=bkzyb&SubID=80083
1900年，在希腊安提基特拉岛（Antikythera）附近的沉船里，发现了古代青铜仪器——安提基特拉机构的残骸。据考证，它是一个预测天体位置的太阳系仪。
[21] 2023-08-10，克莱门特，J. /Joseph Clement/孙烈，中国大百科全书，第三版网络版[DB/OL]
https://www.zgbk.com/ecph/words?SiteID=1&ID=229791&Type=bkzyb&SubID=63254
1823年克莱门特与数学家、工程师C.巴贝奇（Charles Babbage，1791～1871）合作，发明了可做多项式计算的差分机。他设计、制造的高精度机床，以及齿轮、凸轮和轴承等精密部件发挥了重要作用。克莱门特甚至被认为是第一位计算机工程师。
相关链接：
[1] 2023-12-26，[优先权？] “自然运算”原理示意图（草图，2023-12-20 绘制）
https://blog.sciencenet.cn/blog-107667-1415467.html
[2] 2023-12-27，[笔记，请教，原创] “自然运算”有什么创新？
https://blog.sciencenet.cn/blog-107667-1415592.html
[3] 2023-02-22，[小科普] 卡尔达肖夫文明指数 Kardashev Scale
https://blog.sciencenet.cn/blog-107667-1377431.html
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