正文 第251章 巨型结构
李水旺新一期视频：
我们将介绍各种类型的巨型结构、人造世界及建筑，这些你可能在科学领域或科幻作品中有所耳闻。我们会涵盖从可能仅容纳十几人的近地轨道类型，到行星大小甚至太阳系规模的物体，比如戴森球。为此，我们采用了一套临时分类系统，大致基于巨型结构分类法。现在，让我们开始介绍我们的分类系统。
重力类型分类
首先是重力类型分类，包括无适用人工重力的情况、旋转重力、球形重力或经典重力，以及零重力或微重力。
人工重力
说到人工重力，这是你在科幻电影中最常见的场景。由于无法在零重力或微重力环境下拍摄电影，所以在电视和电影中，它们通常会设定某种形式的人工重力。我们不会过多列举这类例子，但值得将其作为一个分类提及，后续我们也会看到少数相关案例。
无适用重力的情况
此外，还有很多无适用重力的情况，比如轨道发射环，其所在位置的重力与物体本身并无关联；或者像巨型太空炮或轨道炮这类物体，重力与其用途毫无关系，我们无需关注其重力情况。
旋转重力
我们将重点关注的是旋转重力。这是一种自旋重力，人们感受到的重力是由离心力将其固定在地板上而产生的。我们有很多这类例子，之后会逐一介绍，它可能占据了我们要讨论的大部分案例。我们尽量避免涉及过多复杂的数学知识，但有一个与旋转栖息地相关的重要方程需要提及：加速度（若要模拟地球重力，加速度需为98米/秒??）。要实现这一加速度，需要根据空间站的半径，以特定速度旋转空间站，其计算公式为速度的平方除以半径。
球形重力或经典重力
接下来是球形重力或经典重力，这并不局限于行星或小行星，但它们是最常见的例子。这是你所体验到的真实重力，其产生不一定源于经典意义上的行星。在许多情况下，你可以创造出因质量而产生重力的环境，但这类天体的大小可能与地球不同，或者其起源并非天然的类地天体。它们的形状和大小几乎与旋转环形栖息地一样丰富多样，我们也会介绍不少这类例子。
零重力或微重力
最后一类是零重力或微重力。在这种情况下，栖息地、空间站或人造世界内部的人们除了会感受到极微弱的重力外，几乎没有明显的重力体验。除了空间站，还可能存在一些大型充气球体，内部充满空气，这类结构也属于零重力或微重力环境。
尺寸分类
我们分类系统的下一个类别是尺寸。这些物体的尺寸范围极广，从小型空间站一直到太阳系大小的天体。因此，我们采用了一套数量级尺度来划分，用数字n表示，其中n代表10的n次方米（即物体的宽度以米为单位，n=1表示10米，n=2表示100米，n=3表示1000米，n=6表示100万米，以此类推）。
尺寸与上述重力类型的组合方式如下：z1代表直径约10米的零重力环境，例如空间站；长度达数英里的大型旋转栖息地可表示为r4；像地球以及几乎所有你通常认为适合人类居住的行星，可表示为s7，其中s代表球形重力，其直径约为10000公里（即1000万米）；而a11则代表与地球绕太阳轨道大小相当的人工重力环境，例如戴森场。
宜居性分类
最后一个分类是宜居性。为了方便计算，我们假设1公顷（即100米x100米的区域，大约相当于1英亩）的面积，足以让一个人种植所有所需的食物，并有一些森林和花园区域。这是一个非常粗略的估算，但地球的陆地面积约为140亿公顷，其中包括沙漠和极地等不适宜居住的区域，而地球人口约为70亿（大致为10的10次方）。这恰好为我们提供了宜居性指数x=10，我们采用同样的10的n次方系统来表示。x值适用于地球和其他行星，s7x则代表完全人口化的典型行星。
这个图表是我们的实用指南，我们使用该分类时仅作大致参考。例如，狩猎采集文明的宜居性指数可能会低两个等级，他们每人不需要1公顷的土地，大约需要100公顷；相反，通过高密度水培法、气培法和人工照明，1公顷的土地可以轻松养活100人。在某些科幻设定或人类未来场景中，人类甚至可能不需要进食，而是依靠电力生存。因此，这只是一个大致的尺度，x值大致相当于一颗行星的人口数量。我们仅将该指数用于那些本身虽不算特别巨大，但大致能实现自给自足、类似人造行星的场所。在很多情况下，宜居性指数并不适用；而对于适用的情况，其分类形式如下：z1i或z11代表空间站，上面的人口非常少；r4v或r45代表可容纳约10万人的区域；s7x（再次以地球为例）代表可容纳数十亿人口的场所；而戴森球这类结构，其内部空间与地球相当，可容纳数千亿亿人口。
由于无适用人工重力类别的物体没有特定形状，且种类繁多，我们将从旋转重力类物体开始，作为具体例子进行介绍。
此外，需要明确的是，当涉及飞船或空间站时，这些物体的外部不一定是圆柱形。就产生重力的部分而言，它们是圆柱形的，但外部可能有一个不旋转的外壳；或者，你甚至可以将它们直接嵌入小行星内部。不过，有一点需要注意，有时人们会说“把小行星挖空然后旋转它”，但实际上你永远不会这样做。这些物体所受的重力会随着离旋转轴距离的增加而增大，而大多数小行星是由松散的碎石构成的，其表面重力非常微弱。如果真的以产生人类所需人工重力的速度旋转整个小行星，它会立刻解体。而且，你也不需要旋转整个小行星，只需确保旋转物体与你在小行星内部构建的外壳之间有几米的空隙即可。
另外需要注意的是，这类结构的半径或直径受限于材料的承受能力，就像悬索桥的长度不能无限延长一样，许多材料无法承受数英里长的周长所带来的应力。
现在，让我们来具体介绍各种例子。
冯??布劳恩空间站
这是1952年的冯??布劳恩空间站，是最早的设计之一，看起来也相当眼熟。它体积不大，直径不到100米，可容纳不到100人。美国国家航空航天局（nasa）在20世纪50年代末和60年代初制作了不少这类模型。
六边形旋转充气空间站
这是20世纪60年代初设计的一款六边形旋转充气空间站。不久之后，人们开始构想更大的空间，这些空间不再是类似南极科考站那样狭窄封闭的工作场所，而是真正适合人类居住的地方。
斯坦福金牛座空间站与博纳球体空间站
其中最早的一批构想包括斯坦福金牛座空间站和同一时期的博纳球体空间站。这些设计均假设使用钢材建造，并利用当地恒星的光线提供能量。它们的直径达数公里或数英里，可容纳数千、数万甚至数十万人。
我们将介绍各种类型的巨型结构、人造世界及建筑，这些你可能在科学领域或科幻作品中有所耳闻。我们会涵盖从可能仅容纳十几人的近地轨道类型，到行星大小甚至太阳系规模的物体，比如戴森球。为此，我们采用了一套临时分类系统，大致基于巨型结构分类法。现在，让我们开始介绍我们的分类系统。
重力类型分类
首先是重力类型分类，包括无适用人工重力的情况、旋转重力、球形重力或经典重力，以及零重力或微重力。
人工重力
说到人工重力，这是你在科幻电影中最常见的场景。由于无法在零重力或微重力环境下拍摄电影，所以在电视和电影中，它们通常会设定某种形式的人工重力。我们不会过多列举这类例子，但值得将其作为一个分类提及，后续我们也会看到少数相关案例。
无适用重力的情况
此外，还有很多无适用重力的情况，比如轨道发射环，其所在位置的重力与物体本身并无关联；或者像巨型太空炮或轨道炮这类物体，重力与其用途毫无关系，我们无需关注其重力情况。
旋转重力
我们将重点关注的是旋转重力。这是一种自旋重力，人们感受到的重力是由离心力将其固定在地板上而产生的。我们有很多这类例子，之后会逐一介绍，它可能占据了我们要讨论的大部分案例。我们尽量避免涉及过多复杂的数学知识，但有一个与旋转栖息地相关的重要方程需要提及：加速度（若要模拟地球重力，加速度需为98米/秒??）。要实现这一加速度，需要根据空间站的半径，以特定速度旋转空间站，其计算公式为速度的平方除以半径。
球形重力或经典重力
接下来是球形重力或经典重力，这并不局限于行星或小行星，但它们是最常见的例子。这是你所体验到的真实重力，其产生不一定源于经典意义上的行星。在许多情况下，你可以创造出因质量而产生重力的环境，但这类天体的大小可能与地球不同，或者其起源并非天然的类地天体。它们的形状和大小几乎与旋转环形栖息地一样丰富多样，我们也会介绍不少这类例子。
零重力或微重力
最后一类是零重力或微重力。在这种情况下，栖息地、空间站或人造世界内部的人们除了会感受到极微弱的重力外，几乎没有明显的重力体验。除了空间站，还可能存在一些大型充气球体，内部充满空气，这类结构也属于零重力或微重力环境。
尺寸分类
我们分类系统的下一个类别是尺寸。这些物体的尺寸范围极广，从小型空间站一直到太阳系大小的天体。因此，我们采用了一套数量级尺度来划分，用数字n表示，其中n代表10的n次方米（即物体的宽度以米为单位，n=1表示10米，n=2表示100米，n=3表示1000米，n=6表示100万米，以此类推）。
尺寸与上述重力类型的组合方式如下：z1代表直径约10米的零重力环境，例如空间站；长度达数英里的大型旋转栖息地可表示为r4；像地球以及几乎所有你通常认为适合人类居住的行星，可表示为s7，其中s代表球形重力，其直径约为10000公里（即1000万米）；而a11则代表与地球绕太阳轨道大小相当的人工重力环境，例如戴森场。
宜居性分类
最后一个分类是宜居性。为了方便计算，我们假设1公顷（即100米x100米的区域，大约相当于1英亩）的面积，足以让一个人种植所有所需的食物，并有一些森林和花园区域。这是一个非常粗略的估算，但地球的陆地面积约为140亿公顷，其中包括沙漠和极地等不适宜居住的区域，而地球人口约为70亿（大致为10的10次方）。这恰好为我们提供了宜居性指数x=10，我们采用同样的10的n次方系统来表示。x值适用于地球和其他行星，s7x则代表完全人口化的典型行星。
这个图表是我们的实用指南，我们使用该分类时仅作大致参考。例如，狩猎采集文明的宜居性指数可能会低两个等级，他们每人不需要1公顷的土地，大约需要100公顷；相反，通过高密度水培法、气培法和人工照明，1公顷的土地可以轻松养活100人。在某些科幻设定或人类未来场景中，人类甚至可能不需要进食，而是依靠电力生存。因此，这只是一个大致的尺度，x值大致相当于一颗行星的人口数量。我们仅将该指数用于那些本身虽不算特别巨大，但大致能实现自给自足、类似人造行星的场所。在很多情况下，宜居性指数并不适用；而对于适用的情况，其分类形式如下：z1i或z11代表空间站，上面的人口非常少；r4v或r45代表可容纳约10万人的区域；s7x（再次以地球为例）代表可容纳数十亿人口的场所；而戴森球这类结构，其内部空间与地球相当，可容纳数千亿亿人口。
由于无适用人工重力类别的物体没有特定形状，且种类繁多，我们将从旋转重力类物体开始，作为具体例子进行介绍。
此外，需要明确的是，当涉及飞船或空间站时，这些物体的外部不一定是圆柱形。就产生重力的部分而言，它们是圆柱形的，但外部可能有一个不旋转的外壳；或者，你甚至可以将它们直接嵌入小行星内部。不过，有一点需要注意，有时人们会说“把小行星挖空然后旋转它”，但实际上你永远不会这样做。这些物体所受的重力会随着离旋转轴距离的增加而增大，而大多数小行星是由松散的碎石构成的，其表面重力非常微弱。如果真的以产生人类所需人工重力的速度旋转整个小行星，它会立刻解体。而且，你也不需要旋转整个小行星，只需确保旋转物体与你在小行星内部构建的外壳之间有几米的空隙即可。
另外需要注意的是，这类结构的半径或直径受限于材料的承受能力，就像悬索桥的长度不能无限延长一样，许多材料无法承受数英里长的周长所带来的应力。
现在，让我们来具体介绍各种例子。
冯??布劳恩空间站
这是1952年的冯??布劳恩空间站，是最早的设计之一，看起来也相当眼熟。它体积不大，直径不到100米，可容纳不到100人。美国国家航空航天局（nasa）在20世纪50年代末和60年代初制作了不少这类模型。
六边形旋转充气空间站
这是20世纪60年代初设计的一款六边形旋转充气空间站。不久之后，人们开始构想更大的空间，这些空间不再是类似南极科考站那样狭窄封闭的工作场所，而是真正适合人类居住的地方。
斯坦福金牛座空间站与博纳球体空间站
其中最早的一批构想包括斯坦福金牛座空间站和同一时期的博纳球体空间站。这些设计均假设使用钢材建造，并利用当地恒星的光线提供能量。它们的直径达数公里或数英里，可容纳数千、数万甚至数十万人。
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