第250章 人造栖息地
李水旺新一期视频：
我们曾经探讨过如何建造依靠旋转来产生重力的人造栖息地。
今天，我们要着眼于建造另一种人造栖息地，
这类栖息地的重力是单纯依靠自身巨大质量来提供的。
显然，建造一颗行星是一项规模相当浩大的工程，
而且会耗费海量的物质材料，
但这项工程本身并不像其他许多巨型建筑那样需要极高的技术水平。
它实际上更偏向于一种资源密集型的项目。
在地球上，每平方英尺的陆地下方，
都蕴藏着大约一百万吨的岩石和岩浆。
而对于旋转式栖息地来说，
即便是那种结构相当复杂、体积庞大的类型，
每平方英尺也只需要几吨的材料就足够了。
正因如此，这种人造行星通常被认为是不切实际的。
但在很多人看来，这类人造行星却有着更大的吸引力。
所以今天，我们要讨论这个概念的一个变体，
一种相对更具可行性的变体 —— 壳体世界。
壳体世界的设计理念是，
不必整个结构体都采用岩石和金属这类密度极大的物质来建造。
壳体世界是在某种填充材料的外围，
包裹一层由岩石、水和空气构成的薄层外壳。
这样一来，壳体世界的材料消耗量就和旋转式栖息地相差无几了。
额外需要的只有填充材料，
这种填充材料在低技术版本的壳体世界中可以是氢或氦，
而在技术更先进的版本里，则可以使用人造黑洞或者暗物质之类的物质，
关于这一点，我们稍后再详细说明。
壳体世界的另一大优势在于，
它能让我们建造出不同大小的人造行星，
同时还能保证其表面拥有和地球相同的重力环境。
你也可以根据需求，将重力调整得比地球重力更高或者更低。
但壳体世界真正的魅力在于，
从实际应用的角度来说，它能够完美复刻地球的环境。
那么，我们先来快速了解一下重力的相关知识。
当你处于一个球体的外部时，
这个球体对你产生的引力大小与它的总质量成正比，
与你和它之间距离的平方成反比。
也就是说，
如果球体的质量增加一倍，
它对你产生的引力也会随之增加一倍；
如果质量增加三倍，
引力同样会增加三倍。
反过来讲，
如果你的距离增加一倍，
受到的引力就会减弱至原来的四分之一；
距离增加三倍，
引力就会减弱至原来的九分之一；
距离增加十倍，
引力就只剩下原来的百分之一了。
但如果我们将一个类似地球的天体按比例放大，
比如把它的半径增加一倍，
那么它表面的重力就不会保持原来的水平了。
因为球体的体积与半径的立方成正比，
半径翻倍后，体积会变成原来的八倍，
质量也会随之增加到原来的八倍，
引力强度原本也应该变为原来的八倍。
但与此同时，
你和天体中心的距离也增加了一倍，
这会导致引力减弱至原来的四分之一。
用八乘以四分之一，结果是二，
所以这个被放大后的 “地球”，其表面重力会是原来的两倍。
这显然不是我们想要的结果。
要解决这个问题，
我们可以使用密度只有原来一半的填充材料，
这样就能让天体的总质量也减少一半。
同理，
如果你想建造一个半径只有地球一半大，
但表面重力却和地球相同的行星，
就需要使用密度是地球物质两倍的填充材料。
这就是氢或氦这类气体能够派上大用场的原因。
你可以通过改变气体的压力来调整它的密度。
如果操作得当，
甚至可以利用高温高压的气体来抵消外壳的重量，
这样一来，外壳就不需要具备特别高的强度了。
我有时会把壳体世界的这种变体称为 “气球世界”。
气球内部的气压高于外部的大气压，
以此来抵消气球橡胶壁的张力，
壳体世界的这个变体运用的正是同样的原理。
实际上，
如果设计合理，
你甚至可以在这样的壳体世界上形成巨大的板块构造。
但关键在于，
要想让壳体世界拥有和地球相同的重力，
填充材料的密度必须与它和地球的尺寸比例成反比。
无论壳体世界的直径或半径与地球相比是多少，
填充材料的密度都要与之成反比。
直径扩大到地球的三倍，
填充材料的密度就需要降到地球物质密度的三分之一；
建造一个直径只有地球十分之一的行星，
填充材料的密度就需要达到地球物质密度的十倍。
另外一点非常关键的是，
无论你建造的壳体世界体积是大是小，
它每平方英尺的居住面积所消耗的材料质量都是相同的，
都是一百万吨。
不管你的壳体世界直径只有几十英里，
还是像土星那么大，
每平方英尺的生活区都需要消耗一百万吨的物质。
土星就是一个绝佳的例子。
土星的质量大约是地球的一百倍，
直径大约是地球的十倍。
如果我们在土星外围建造一个壳体，
那么这个壳体表面的重力就会和地球重力完全相同，
而且这个行星的居住面积将是地球的一百倍。
实际上，
真正起决定性作用的是天体的平均密度。
构成天体的物质甚至可以全部集中在一个点上，
比如，你可以把一个人造黑洞放置在某个位置，
然后围绕它建造一个壳体外壳。
如果你建造的壳体没有内部压力来支撑，
那么它就必须具备极高的强度。
如果有非常坚硬且强度极高的材料可用，
那自然不成问题。
但在很多情况下，
壳体所需要的强度远远超出了目前人类已知的任何材料的承受范围。
这时候，
我们之前讨论过的轨道环就可以发挥作用了。
轨道环的原理是利用一群围绕行星运行的粒子流，
其运行模式和行星的环带类似，
通过磁力悬浮的方式，
就可以将壳体材料支撑在轨道环的上方。
建造轨道环的过程中，
它看起来是一个静止不动的固体结构，
但实际上，
它内部有大量物质在围绕行星高速运动，
就像一根被弯成圆环形状、装满了流动水的水管。
轨道环上承载的质量越大，
其内部物质的运动速度就需要越快，
才能支撑起这些重量。
你还可以在不同的角度建造另一个轨道环，
让它的位置比第一个轨道环稍高或者稍低一些。
这些轨道环其实不一定非要做成完美的圆形，
椭圆形也是可以的，
不过总体来说，圆形还是更合适一些。
毕竟我们最终要建造的是一个球体。
就这样，
你在不同的角度一个接一个地建造轨道环，
直到这些轨道环形成一个足够坚固的网状结构，
足以稳妥地支撑起整个壳体。
之后，你再在这个网状结构上铺上岩石、水和空气，
壳体世界的基础就搭建完成了。
不过，
除非人类已经掌握了可控核聚变技术，
否则建造这样一个壳体世界的可能性几乎为零。
这是因为，
首先，
建造这样的巨型结构以及维持轨道环的稳定运行，
都需要极其庞大的能源供应，
而可控核聚变正是这样一种理想的能源来源。
其次，
与旋转式栖息地相比，
建造壳体世界的物质消耗极其巨大，
只有可控核聚变技术，
或者人造黑洞技术的发展，
才能为这项浩大的工程提供合理的存在意义。
如果人类掌握了可控核聚变或者人造黑洞技术，
那么氢和氦这两种元素就会变得至关重要。
届时，
人类肯定希望能够将这些宝贵的资源储存在方便取用的地方。
我之前提到过，
无论壳体世界的规模大小，
每平方英尺的居住面积都需要消耗一百万吨的物质。
我们可以从能源的角度来换算一下这个概念。
如果你的填充材料完全由氢构成，
并且将这些氢全部转化为氦，
那么每一百万吨的氢就能释放出大约 6.3×10²³ 焦耳的能量。
而地球表面接收到的平均太阳辐射功率大约是每平方英尺 30 瓦，
换算下来，
每年每平方英尺的面积接收到的太阳能大约是十亿焦耳。
这就意味着，
壳体世界填充材料所蕴含的能量，
足以支撑这个栖息地运行大约 600 万亿年，
这个时间长度是太阳剩余寿命的十万倍还要多。
从本质上来说，
你其实是把填充材料当成了一个巨大的能量供应源。
你可以通过建造极高的 “灯塔” 来提供照明，
也可以在行星的内部放置一个人造太阳。
当填充材料的核聚变反应耗尽，
也就是 600 万亿年之后，
壳体世界的总质量会减少大约 7%，
相应地，
其表面的重力会降至原来的 99.3%。
这样微小的重力变化，
需要经过极其漫长的时间才会让生物产生适应的需求。
但如果你执意想要保持重力完全不变，
也可以缓慢地缩小壳体世界的体积来进行调整。
如果人类能够掌握黑洞或者暗物质的能量转换技术，
那么壳体世界的寿命还能再延长一百倍。
同时，
你可以通过持续缩小壳体的体积来维持重力稳定，
而体积的缩小又会降低栖息地运行所需的能量，
这会进一步延长壳体世界的寿命。
所以，
虽然壳体世界的物质消耗远远超过旋转式栖息地，
但从足够漫长的时间尺度来看，
壳体世界其实更加高效。
因为如果你的目标是建造一个能够延续万亿年的文明，
那么物质需求很大程度上就是为了满足能源供应。
我在讨论旋转式栖息地的时候曾经说过，
我们会将核聚变燃料储存在栖息地周围的非旋转储罐中，
这些储罐同时还能起到抵御辐射和陨石撞击的防护作用。
但如果你要建造的是一个能够延续万亿年的文明，
那么将燃料储存在栖息地内部会是更明智的选择，
因为这些燃料还能同时起到提供重力的作用。
你也可以在像火星这样已经存在的星球上建造壳体结构。
这种做法可以让你逐步开采星球内部的物质，
然后用充满高压气体的储罐或者深埋地下的轨道环来替代这些被开采的物质，
轨道环可以在需要的时候启动运行。
很多时候，
当我们谈论戴森球或者戴森云的时候，
总会有人问我，
人类最终是否会拆解地球来获取更多建造材料。
而我的答案是，
我认为人类很可能不会这么做，
取而代之的是将地球内部挖空，
然后改造成一个壳体世界。
这就引出了壳体世界的另一种变体 —— 马托沙壳体世界。
在这种设计中，
壳体世界并非只有一层外壳，
而是拥有多层结构。
我甚至认为，
地球本身最终也会朝着这个方向演变。
毕竟，人类对自己的母星有着深厚的情感羁绊。
你可以在第一层壳体的外围再建造一层壳体，
然后再建造下一层，
以此类推。
你也可以向内建造更多的壳体层。
要让每一层壳体表面都保持相同的重力，
其实并没有那么困难。
这里有一个很有趣的知识点：
当你处于一个球状壳体的内部时，
你不会受到这个壳体任何方向的引力作用，
因为壳体各个方向的引力会相互抵消。
所以，
对于你所居住的那一层壳体来说，
它上方的所有壳体层都不会对它产生任何引力影响。
相反，
你所居住的壳体层的质量，
会对其上方各层壳体产生引力作用。
因此，
你只需要确保每一层壳体的总质量，
都与它到中心的距离相匹配就可以了。
举个例子，
暂时忽略大气的影响，
如果我在距离地球表面 40 英里的高空建造一层壳体，
这个高度大约是地球半径的 1%，
那么在这个高度上，
地球的引力会比地表减弱大约 2%。
这就意味着，
我需要在这层壳体中增加相当于地球质量 2% 的物质，
才能让壳体表面的重力与地表相同。
如果在 80 英里的高空再建造一层壳体，
就需要增加相当于地球质量 4% 的物质。
不过，
低层壳体的质量可以计入高层壳体所需的总质量之中。
马托沙壳体世界的规模可以建造得非常巨大，
只要确保它的平均密度能够随着体积的增大而相应降低就行。
因为空气的密度大约是地球平均密度的五千分之一，
是水的密度的千分之一，
所以在密度成为限制因素之前，
你可以建造出体积极其庞大的壳体世界。
当然，
你不能只是简单地建造一个巨大的空气球，
而不通过加压来提高空气的密度。
但如果采用多层壳体的设计，
就可以避免这个问题。
而且，
如果各层壳体之间的距离足够远，
你甚至可以让靠近外层真空区域的壳体层保持较低的气体密度，
这和我们地球大气层的结构很相似，
海拔越高，空气密度就越低。
每一层壳体的高度可以根据实际需求来设计，
既可以只有几百英尺高，
也可以达到几百英里高。
当然，
如果建造的是这种多层结构的壳体世界，
就必须为其提供人工照明，
同时还要解决散热的问题。
实际上，
无论是植物的生长，
还是人类的视觉需求，
都不需要正午时分晴空万里下那么强的光照。
所以，
你可以将人工光源的亮度调低很多。
同时，
你也可以将热量向外排出。
这类壳体世界的许多设计方案中，
除了使用轨道环之外，
还会采用之前讨论过的太空喷泉技术，
来支撑各个壳体层。
而这些太空喷泉，
同时也可以作为散热的通道。
壳体世界最外层的壳体，
可以设计成和地球表面一样的自然景观。
不过，
你也可以选择将最外层壳体设计成一个高效的热泵系统，
并将其表面制作成凹凸不平的形状，
以此来最大化辐射散热的效率。
在一些以黑洞为核心的壳体世界设计方案中，
则可以采用另一种散热方式 ——
将热量直接排放到黑洞中。
不过，
这种做法是否可行，
很大程度上取决于黑洞的热力学特性。
而目前，
我们还无法确定是否真的可以像这样将热量直接倾倒入黑洞。
如果这种方法确实可行，
那么壳体世界的层数就几乎没有任何限制了。
但如果只能通过红外线辐射的方式来散热，
那么壳体的层数就会受到限制，
可能最多只能建造不到一百层。
有时候，
我们会思考人类能够建造的最大人造栖息地究竟有多大。
而壳体世界就是一个很好的例子。
你甚至可以围绕白矮星、中子星来建造壳体世界，
利用这些天体来获取能源。
你甚至可以围绕银河系中心的超大质量黑洞来建造。
银河系中心黑洞的质量大约是地球的万亿倍，
围绕它建造的壳体世界，
其居住面积也将是地球的万亿倍。
相比之下，
戴森球所能提供的居住面积也不过是地球的十亿倍左右，
而且壳体世界每增加一层，
居住面积就会翻倍。
这样的巨型壳体世界，
其直径甚至会超过冥王星的轨道直径。
不过，
它拥有相当于百万颗太阳的质量和能量，
足以支撑它运行的时间，
远远超过普通恒星的寿命。
我一直都很喜欢这个概念。
想象一下，
在银河系的中心，
存在着一个体积无比庞大的世界，
它的居住面积是地球的数万亿倍，
这样的世界，
似乎就是银河帝国首都的终极形态。
这类巨型建筑有一个共同的特点，
那就是它们拥有极其漫长的寿命。
甚至它们自身产生的重力，
也有助于防止气体泄漏，
避免物质的缓慢流失。
这也是我为什么会在讨论中提到白矮星、中子星和黑洞的原因。
除非你的目标是建造一个能够延续极长时间、
甚至比普通恒星寿命还要长的文明，
否则建造这样的壳体世界并没有太大的实际意义。
当然，
如果人类将来能够找到操控暗物质的方法，
那么壳体世界的建造将会迎来新的突破。
暗物质是宇宙中绝大多数物质的存在形式，
其总量远远超过岩石等普通物质。
它将成为一种极其理想的填充材料。
到目前为止，
我们对暗物质的了解还非常有限，
只知道它能够产生引力。
但如果我们能够收集并约束暗物质，
那么它很可能会有各种各样的用途。
不过，
我们目前唯一可以确定的用途，
就是将它作为壳体世界的填充材料来产生重力。
当然，
这也可能是它唯一的用途。
但以我们目前的科技水平，
还无法实现收集暗物质并将其封闭在壳体世界内部的目标。
或许，
这是一个永远都无法实现的目标。
不过，
壳体世界的概念在科幻作品中非常有趣，
但遗憾的是，
它在科幻作品中的出场率并不高。
毕竟，
我们这个系列节目，
既涉及纯粹的科学理论，
也包含科幻概念的探讨，
所以壳体世界绝对值得我们深入研究。
通常来说，
人们之所以不看好壳体世界，
认为它永远不会被真正建造出来，
是因为和旋转式栖息地相比，
它的物质消耗实在太过巨大。
但如果你追求的是万亿年尺度的文明延续，
或者你希望地球在基本保持原貌的前提下变得更大，
那么壳体世界就会开始变得具有现实可行性了。
所以，
壳体世界并不仅仅是一个 “人类有能力建造，所以才去建造” 的工程。
下一次，
我们将探讨一种真正意义上 “人类有能力建造，所以才去建造” 的巨型建筑 ——
扁平的圆盘状地球世界。
我们会尝试向大家证明，
这类建筑其实并没有人们想象的那么不切实际。
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