報告,我把太空站造得太像滾筒洗衣機了|劉洋專欄

報告,我把太空站造得太像滾筒洗衣機了|劉洋專欄

編者按:沒想到有一天,要證明自己生活在地球上,就像證明自己不是缸中的腦花一樣困難。

這裡日光強烈,水波溫柔,東風持續吹拂,黑暗與光明每24小時交替一次,表面積、重力、磁場等參數和地球相差無幾……劉洋老師在太空中造了這樣一個筒,但由於造得太像地球,連他自己也開始懷疑,我們依舊住在原處,還是一個《與拉瑪相會》和《極樂空間》裡那種緩緩自轉的滾筒狀太空站?

快,叫輛出租告訴師傅「去世界盡頭」,看會不會撞上一條隔離帶,上書大字:脫水中,請勿開蓋。

筒中的世界

作者 | 劉洋

遲早有一天,太陽會走到它作為一顆恒星的生命盡頭,短暫的爆發後,變成一顆紅巨星。爆發的過程會把整個地球軌道淹沒在其中,徹底摧毀這個星球上那讓人類賴以生存的生態環境。不過那是很久以後的事情了,在這之前,或許人類本身就會把整個地球搞得一團糟,以至於不得不離開地球另謀出路。劉慈欣在《流浪地球》裡設想將整個地球作為一艘巨大的飛船,推動著離開太陽系,但或許我們有另一個更為討巧的方法:既可以構造出一個和地球同等大小的生態圈,又可以極大地減少推動這個生態系統進行宇宙旅行所需的能量。

那就是構造一個巨大的滾筒狀的太空站,類似克拉克筆下的拉瑪系列飛船那樣,但我們的太空站要比拉瑪號大得多。這個太空站的圓筒半徑與地球相等,長度與地球的直徑一致,這樣構造出的圓筒狀太空站,其內表面面積(兩個圓形頂部除外)就等於地球的表面積——這保證了整個生態圈具有足夠的複雜度而不會在短期內陷入崩潰的境地。

報告,我把太空站造得太像滾筒洗衣機了|劉洋專欄

▲ 阿瑟·克拉克《與拉瑪相會》小說封面

報告,我把太空站造得太像滾筒洗衣機了|劉洋專欄

▲ 書中柱狀太空船「拉瑪」的內部想像圖(插畫家:Ignis Ferroque)

太空站繞著圓筒的軸線旋轉,從而在圓筒內壁上構造出與地球相等的人造重力。筒壁轉動的線速度為第一宇宙速度7.9km/s,轉動周期約為84分鐘。只要保持這個轉速,在筒壁上隨著其一起轉動的所有物體都將受到一個與地球的重力加速度相等的向心加速度,感覺上就像仍處於地球的引力圈中一樣。太空站的外壁上均勻地分布著眾多切向推進系統,當太空站的轉速與上面的值發生偏離時,從傳感器上傳來的修正信號會將其激活,從而及時地對太空站的轉速進行調整。

另一個與拉瑪飛船不同的是,我們的太空站事實上是由內外兩層圓筒組成的。人類生活在外面那層圓筒的內壁上,如果他們抬頭向「上」看去,他們不會看到處於圓筒另一側的「地面」,而是會看到「天空」——那是一個半徑小於外筒的圓柱狀滾筒。在內筒表面的一半區域,分布著模擬陽光的照明系統,在另一半區域則是黑暗的,以模擬黑夜下的環境狀態。內筒與外筒沿著同一個方向進行旋轉,但比外筒的轉速略慢——具體來說,它的轉速使得在24小時內,外筒剛好比內筒多轉了一圈。這樣,處於外筒內壁的人類會在24小時內經歷一個晝夜,以符合原來在地球上形成的生物鐘。

因此,在太空站上,外面的那個圓筒層通常被稱為「地殼」,它的內表面就是人類所生活的大地,而內層的圓筒則被稱為「天殼」,它構成了人們目力所及的天空。兩個殼層間的距離大約為20km,其中充滿了空氣,氣體總量和地球的大氣圈大致相當。

報告,我把太空站造得太像滾筒洗衣機了|劉洋專欄

▲ 太空站與地球對比圖

報告,我把太空站造得太像滾筒洗衣機了|劉洋專欄

▲ 根據劉洋老師的設計,桶內「天空」大概長這樣(popularmechanics.com)

在這個太空站裡,除了重力和晝夜之外,我們還可以模擬出大部分在地球上存在的地理特徵。比如,在這個新世界裡,仍然有「地磁場」存在。那是因為在宇宙輻射等因素的影響下,太空站的殼會無可避免地帶上靜電,再加上內外殼層均在不同轉速的旋轉之中,這樣在殼層間的區域內便會形成一個與圓柱的軸向平行的、強度均勻的磁場。如果我們仿照地球上的稱謂,根據磁場的方向,我們就可以把圓筒的一端叫做南極,另一端叫做北極——但是沒有極點的存在,因為磁場線並不會匯聚在圓筒盡頭處的某個點上。

如果我們調節人造日光的強度,讓南北兩極處的光照弱於圓筒中部的光照強度,那麼我們就可以模擬出寒帶、溫帶和熱帶等各種氣候帶:在圓筒兩側的是寒帶,往內依次為溫帶和熱帶,圓筒的中線處為赤道。這樣,人們就可以根據原來在地球上的居住地,選擇適合自己居住的氣候帶。

氣候帶間的溫差也帶來了大氣循環:在接近「天殼」的高空中,大氣從赤道往兩極處移動,而在地面上,大氣則從兩極高壓帶向赤道低壓帶移動。當然,除了南北方向具有空氣流動的特徵外,在東西方向(即垂直於圓筒軸線的方向)上也存在著空氣相對於「地殼」移動的現象。因為「天殼」和「地殼」的轉速不同,根據牛頓黏性定律,在兩個殼層間的空氣,可以看作是許多平行移動的空氣層,其各層流速不同,越接近地殼,空氣流速越快。以在地殼上生活的人類的角度來看,空氣是從東方向西方移動,也就是說終年都有著永不停歇的東風在吹著。因此,綜合來看,在新世界的北部(赤道以北),其主要的風向為東南風;在新世界的南部,其主要的風向為東北風。

報告,我把太空站造得太像滾筒洗衣機了|劉洋專欄

▲ 桶內氣候宜人,太陽強烈,水波溫柔(插畫家:Andre Freitas)

可以看到,在整個新世界裡,人們所感受到的環境幾乎和地球完全一致,因此,可以認為,人們的生活方式和社會組織形式,在從地球上遷移過來之後,應該也不會發生太大的變化。「地殼」上仍然有與地球上輪廓接近的大陸和海洋,國家和城市的分布也大致相同。在城市之間,高鐵是人們主要的交通工具。當然,如果你要進行長途旅行,比如從中國到美國,或者說從地殼的一側移動到對面的另一側,則需要依靠一種替代了飛機的新型交通工具——「天梯」。

從地殼上看去,天梯是一座座高聳入雲的高塔。它們實際上是一些貫通了整個太空站的超長電梯,其最大長度即為圓筒的直徑(12800公里)。人們乘坐天梯,從地殼往上,穿過大氣層,再穿過天殼層,進入到位於內殼中部的宇宙真空區域,之後在另一側重新穿越天殼層,回到生活區域,整個過程大致需要兩個小時。在旅程的前半部分,隨著電梯的上升,人們感受到的重力會逐漸減小,並在圓筒的軸心處經歷完全失重的狀態。因此,整個過程中——特別是在旅程中段——乘客必須系好安全帶,以便將身體固定在座位上。在後半程則剛好相反,「重力」會越來越大,而且方向和之前相反。因此,在後半程開始時,電梯會在上下方向上掉個頭,否則乘客就將頭朝下到站了。

報告,我把太空站造得太像滾筒洗衣機了|劉洋專欄

▲ 桶內看太空電梯的樣子(大霧)(《雲之彼端,約定的地方》巨塔概念圖)

討論至此,我們發現,除了天梯略微超出現代人的經驗以外,在太空站上的生活竟然沒有什麼新鮮和奇特的體驗。那麼,如果我們瞞著某個地球人,把他隱秘地帶到太空站上,他能否迅速地發現自己已經不在地球上了呢?這一點恐怕很難。

在地球上,觀察海平面盡頭處的帆船,它總是先露出桅桿的頂端,這是大地具有弧度的一個早期證據。可是如果在太空站上,向著海平面望去,其盡頭處會向天空的方向延伸,最後與天空連為一體。如果有帆船從遠方駛來,我們將首先在海天相接處發現它浸沒在水中的船殼,然後再逐漸往上,慢慢看到它的甲板和甲板上的桅桿。可是,這種方法需要我們能夠看到極為遙遠的區域,如果你在普通的生活區裡,恐怕很難做到這一點。

另外,從理論上講,在這樣的圓筒狀太空站裡,當你沿著或逆著其轉動方向以相同速度運動時,你所感受到的重力是不同的。當你沿著轉動方向運動時,「重力」會變大,反之,「重力」則會變小。這是因為我們的運動改變了我們相對於圓筒中軸線的線速度,從而影響了向心加速度的大小。可是,因為「地殼」旋轉的線速度太大了,一般的速度根本無法對「重力」造成可以讓人感覺到的改變。所以,想憑借這一點來判斷身處何地也是行不通的。

那麼,真的沒有一個簡單易行的方法來判斷我們到底身處何地了嗎?在「盜夢空間」裡,人們可以通過旋轉陀螺來判斷是否處於夢境之中。在太空站裡,其實也有很簡單的辦法可以判斷出我們感覺到的重力到底是真實的還是人造的。方法如下:

準備一個發球機,首先要仔細地調節其出球管道,讓其保持在豎直方向。這樣,從中發出的球就將沿著豎直方向做上拋運動。為了避免風力的影響,一定要挑一個無風的時間做這個實驗,並且選擇一種質地較為厚重的球類。啟動發球機,觀察小球落地的地點。如果在地球上,因為發球管道是豎直的,這個小球將落回原地,很大可能將擊中發球管道,或者是隨機分布在非常貼近管道的位置(考慮到發球時管道的無規則震動)。

然而,如果是在依靠旋轉產生人工重力的太空站上,實驗結果將很不一樣:你會看到,所有的小球都在水平方向上產生了一個位移,落在了位於拋出點正東方的某個點位。而且,這個水平位移的距離,還會隨著拋球速度的增加而迅速增大。比如,當拋球速度為20m/s時,這個水平位移的距離約為14公分,而當拋球速度增加為30m/s時,水平位移的距離已經增加到約47公分了。

各位讀者朋友,如果你現在身邊剛好有發球機或者類似的裝備的話,不妨立刻動手試一試。也許你會驚訝地發現,原來你早就已經不在地球上了……

註:本文首發於2016年8月刊《科幻世界》「不存在日報」專欄

關鍵字:#劉洋# #太空站# #地球# #阿瑟·克拉克#

責編:高小山、船長

作者:劉洋,三維宇宙的物理學博士,主要研究二維量子材料,同時也是一維科幻作家,因為一寫起科幻小說來,周圍的空間就不存在了,只剩下時間這一根軸。已出版科幻小說集《完美末日》。



你可能會想看: