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 9.8 米 / 秒 ²）。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 ×100 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。
奥尼尔圆柱体空间站
这些通常被称为 “奥尼尔圆柱体空间站”，以杰拉德・奥尼尔的名字命名。其设计理念是利用当地恒星的光线供电，直径达数公里或数英里，可容纳数千、数万甚至数十万人。
巴比伦 5 号空间站
科幻作品中一个广为人知的例子是电视节目《巴比伦 5 号》中的空间站。这些设计基于一个前提：使用普通金属建造的空间站，直径超过约 10 公里后就会开始解体。
伊诺克城项目空间站
这是伊诺克城项目中的另一个例子，你可以在他们的脸书主页上了解更多相关信息。
到目前为止，我们所讨论的都是相对较小的物体，接下来我们将介绍更大的结构，这类结构只有在 20 世纪 90 年代中期发现碳纳米管和石墨烯后才得以构想。这些材料你可能已经听说过很多，它们让我们产生了太空电梯等想法。此时，我们讨论的不再是仅能容纳数千人的小型结构，也不是城市或大都市规模的物体，而是相当于大国面积的巨型结构。
这张图片中的英国是按比例呈现的，英国从北到南约 1000 公里，而图中的这个结构宽约 500 公里，直径约 2000 公里，其内部陆地面积实际上与美国东部地区相当。
毕肖普环
但毕肖普环仅仅是利用石墨烯和碳纳米管所能实现的众多构想的冰山一角。
麦肯德里圆柱体空间站
接下来是更大的麦肯德里圆柱体空间站，它的长度达数千公里，宽度与毕肖普环相当。这个物体有潜力容纳接近一个行星规模的人口，其宜居性人口指数为 IX（即 9），可以舒适地容纳 10 亿人。它的长度通常为 7000 公里，体积极为庞大，而且还可以设置多个层级。我们通常将其想象为只有一个面向天空的层级，但实际上它可以有很多很多层。例如，在这张图片中，与行星对比的并非麦肯德里圆柱体空间站的特写，而是其实际尺寸比例 —— 它长达数千公里。此外，它不一定需要那些吸光圆盘，这只是基于没有其他能源来模拟阳光的假设。
如前所述，使用传统材料建造这类结构时，其尺寸会受到一定限制，但你仍然可以将其作为一个整体结构不断扩大规模。梯次结构
一个例子是梯次结构，这个看似围绕圆周排列的 “梯子” 上的每一个小横档，都可能是奥尼尔圆柱体空间站或麦肯德里圆柱体空间站大小的物体。因此，这个结构的规模可能相当于多个行星，甚至可以环绕整个恒星。
班克斯轨道栖息地
一个特别值得一提的轨道栖息地是班克斯轨道栖息地，以已故的伟大作家 Iain M. Banks 的名字命名，他创作了《文明》系列作品。这种轨道栖息地的半径经过特殊设计，能够产生与地球相似的重力，其长度与它所环绕的恒星的轨道周期完全一致。它的直径达数百万公里，建成后通常相当于数百个地球的大小，不过你也可以将它建造得更厚。但对于特定的昼夜长度和重力条件，它只有一个精确的尺寸能够满足这种配置要求。
环形世界
接下来是一个非常受欢迎的结构 —— 环形世界，由拉里・尼文在其同名小说中推广开来。这是一种环绕恒星运行的轨道栖息地，通常位于与地球到太阳距离相当的位置，其规模约为数百万个地球大小。
托皮斯（面条世界）
同样来自这位作家，但不太为人所知的是托皮斯（也称为面条世界）。这是一种细长的旋转栖息地，长度极长，可以环绕恒星多圈。只要它的长度远大于宽度，就可以像绳子一样轻松旋转，即使环绕恒星也是如此，因此它的长度几乎可以不受限制。
多面体栖息地（幸运栖息地）
还有一些例子，如旺格世界或托皮斯，属于多面体栖息地，有时也被称为幸运栖息地。它们可以非常巨大，环绕多颗恒星运行，但本质上是由多个圆柱形栖息地连接而成，这些圆柱形栖息地既可以是麦肯德里圆柱体空间站大小，也可以是奥尼尔圆柱体空间站大小。再次说明一下，麦肯德里圆柱体空间站的长度通常为数千公里，而奥尼尔圆柱体空间站的长度通常为数十公里。
球形重力（经典重力）类结构
现在，我们来介绍下一类 —— 球形重力（经典重力）类结构。
首先，我想介绍一个混合例子。很多时候，在月球基地或空间站等场所，重力确实存在且较为明显，但并不符合人类的需求。在虚构作品中，人们通常只能接受这种情况，但实际上并非如此。你可以将旋转重力与球形重力（经典重力）结合起来，就像洗衣机放水后旋转会形成抛物线一样，你可以将栖息地的侧面设计成倾斜的形状。这样一来，当栖息地旋转时，当地质量产生的重力与旋转产生的重力相结合，就能产生与地球相当的重力。如果是在月球这样的真空环境中，没有理由不这样做 —— 虽然过程有些麻烦，也比较耗能，但实际上并非难以实现。
我们的下一个主要类别是球形重力（经典重力）类结构。这个类别实际上比你最初想象的要广泛得多，我们谈论的不仅仅是大型卫星和经典行星，还包括壳层世界。
壳层世界
壳层世界的例子包括围绕大型天体（如黑洞 —— 可能比行星小，也可能更大，因为它可能是人造黑洞；或气态巨行星；甚至只是压缩气体）构建的世界。这并不严格局限于使用超强度材料来制造相当于多个行星大小的刚性外壳，而是可以采用一种名为 “主动支撑” 的技术。理解主动支撑最简单的方式是想象一根两端都连接着泵的水管，打开泵后，水管会立即呈圆形展开。你可以利用磁驱动的微小粒子（即运动的质量流）来实现这一点，从而制造出巨大的圆形刚性物体。我们称之为主动支撑，是因为无论这个系统的效率有多高，都会存在一定的能量损耗，因此你需要不断为系统补充能量，以维持星球的结构稳定，防止其坍塌。这在科学上是完全可行的，只是目前我们的技术还无法实现，因为它需要巨大的能量消耗，但它确实是太空电梯的一种替代方案。你可以制造一个这样的环形结构，使其悬停在行星大气层上方，然后通过数英里高的短系绳与行星表面连接。
套娃式壳层世界
另一个自然重力类结构的例子是套娃式壳层世界，它就像俄罗斯套娃一样，由一层又一层同心球体嵌套而成。你需要为这些层级提供人工照明，并且需要巨大的 “枕头” 来支撑 “天空”。这是一个非常类似 “阿特拉斯扛天” 的例子 —— 每一层的重力要么随着向外延伸而略有增加，要么如果各层之间距离足够远，你可以通过调整每层的距离，使各层保持稳定且相同的重力。
需要注意的是，不要将其与我们稍后会讨论的另一种结构 —— 套娃大脑混淆。套娃大脑这个术语你可能会听到得更多。
环形世界 / 金牛座世界（甜甜圈世界）
另一个例子是环形世界 / 金牛座世界（也可称为甜甜圈世界）。在这个例子中，该结构的规模约为地球的 10 倍。只要环形的直径远大于环本身的宽度，其表面就会有完全正常的重力。
微重力栖息地类结构
我们的下一个类别是微重力栖息地类结构。这类结构的形状几乎不受限制，既包括空间站或航天飞机，也包括充满空气的独立封闭世界。
烟环世界
这是另一种由拉里・尼文推广的人造世界，弗里曼・戴森博士和保罗・伯奇等人也参与提出了几乎所有这类构想，非常令人印象深刻。他提出的烟环世界例子，实际上是在整个恒星周围形成一个巨大的、松散的大气层，呈大型环形；但也存在独立封闭的变体，例如球体栖息地—— 它的外部有广告标识，内部则是低重力环境，空气充足、温度适宜，但需要人工照明，且属于零重力环境。
圆盘世界
一些更受欢迎的例子包括圆盘世界，如图所示，这个圆盘世界的直径达数千公里。在这里，人类生活在一个 “平地球” 的一侧或两侧。如果它足够大，自身可以产生重力，但我们通常认为这类结构采用的是人工重力。这个概念最著名的虚构例子是特里・普拉切特的《碟形世界》系列奇幻讽刺小说，以及奥森圆盘。
通常来说，奥森圆盘并不被认为是一个非常实用的结构，人们喜欢它只是因为它体型巨大 —— 它环绕整个恒星，但几乎始终处于永恒的暮色之中，无法获得充足的光线。不过，你可以通过在恒星上方漂浮镜子来解决这个问题，从而建立昼夜循环。这就涉及到我们稍后会提到的另一个概念 ——静态卫星。
静态卫星
静态卫星类似于太阳帆，依靠太阳光的推力移动，但它被精确放置在太阳压力与重力相互平衡的位置，因此不会坠入太阳，也不会远离太阳。利用静态卫星，你可以在太阳上方漂浮一面大镜子，或者数百面小镜子。
恒星发动机类结构
现在，我们来介绍 “恒星发动机” 类结构，其中最经典的例子是戴森球。
戴森球
戴森球的陆地表面积约为地球的数十亿倍，不过实际的戴森球可能会比地球到太阳的距离更远一些，这是为了实现昼夜循环 —— 你可能需要在周围放置一些静态卫星镜子来模拟昼夜交替。地球有昼夜两面，而如果在地球到太阳的距离处，一直处于日光照射下，你很快就会被融化，因此需要将戴森球放置在更远的位置。
从本质上讲，戴森球本身并不是一个稳定的物体，它甚至可能会飘向其环绕的恒星，并且需要人工重力。因此，我们通常讨论的是戴森群，它与戴森场基本相同，只是由数百万、数十亿甚至数万亿个旋转栖息地或静态卫星组成。
戴森群的另一个特点是不需要完全封闭，可以分阶段建造。例如，你可以先建造一个仅能吸收 1% 恒星光线的戴森群，利用当地材料建造会比建造一个真正的戴森球容易得多 —— 因为要建造一个厚实的戴森球外壳，我们可能没有足够的物质。
戴森群也存在一定的不稳定性，因此我们有时也会讨论詹金群，它是一个围绕恒星运行的大型环形结构，由各种群状物体和旋转天体组成。不过，这些天体并不沿圆形轨道运行，而是沿略微椭圆的轨道运行，使其与太阳的距离时近时远，你可以利用这一点来模拟季节变化。
套娃大脑
我们之前提到过套娃大脑，它本质上是一个戴森球或戴森群，但并非用于人类居住，而是利用收集到的能量来运行一台巨大的超级计算机。戴森球在可容纳人口数量方面已经大到令人难以想象，而套娃大脑在计算能力方面则更是如此 —— 尤其是假设它由比我们目前先进得多的微型计算机运行。如果将套娃大脑视为一个人类大脑，它的运算速度可能是人类大脑的数万亿亿亿倍。
恒星提升群 / 恒星提升环
恒星发动机的另一类是旨在从恒星中提取物质的结构 —— 恒星提升群或恒星提升环。这基本上是一种 “杀死” 恒星的方式，但并非作为武器使用。这需要大量的基础设施，主要依靠恒星的磁场，在恒星周围设置一个反向旋转的环或群，从而剥离恒星物质，并使其从恒星的南北两极喷射出去。恒星的磁场非常强烈，通过设置一个作为超导磁体旋转的环，你可以从恒星上剥离数千亿吨物质，最终可能将恒星完全耗尽。
大质量恒星的寿命较短，氢燃料的燃烧比例也小得多。因此，有理由认为，你可以选取一颗比太阳更大的黄色恒星，剥离其物质，使其寿命延长；甚至可以剥离太阳的物质，将其转化为红矮星 —— 红矮星的寿命长达数千亿甚至数万亿年，几乎能耗尽所有氢燃料，因此可以被视为更长久、更高效的 “发动机”。
奇卡塔推进器
如果你真的想移动一颗恒星或整个太阳系，就需要用到奇卡塔推进器。它基本上是一个环绕恒星的半面镜子，通常比戴森场更靠近恒星 —— 只要确保它不会被融化即可。这可以是一个静态卫星或一群静态卫星，光线从一个方向撞击它们，然后被反射到相反方向。恒星发出的光线朝一个大致方向射出，这会对镜子、恒星以及整个太阳系产生一个推力，使其缓慢加速到高速。要移动到任何有意义的距离需要数百万年，要在星系尺度上移动则需要数十亿年，但这种方式在理论上是完全可行的。
需要注意的是，其加速度与恒星的光度和质量有关：恒星越亮，移动速度越快；质量越大，移动速度越慢。但恒星的光度增长速度远快于其质量增长速度，大约是质量的三次方或四次方。因此，像可能发生超新星爆发的极亮恒星，是奇卡塔推进器的理想目标，因为你可以让它移动得非常快；相反，红矮星通过这种方式加速则需要很长时间。
以上就是恒星发动机类结构的相关介绍。
但这还不是全部，人们还构想了许多更大的、星系尺度的结构。我想简要提及的一个例子是保罗・伯奇提出的构想：以一个星系大小的黑洞（这里指质量达数百万倍太阳质量的黑洞，就像你在星系中心发现的那种）为核心，围绕它建造一个壳层，就像我们之前讨论的超大型壳层世界或套娃式壳层世界，然后在这个壳层外面再建造另一个壳层，一层又一层，不断嵌套。显然，这些壳层必须依靠主动支撑。你可以设置如此多的层级，以至于它不仅仅是一个戴森场，其规模相对于戴森球而言，就如同戴森球相对于地球一样庞大。你甚至可以在这个结构内部居住，拥有无数层壳层世界或轨道栖息地，其可居住面积相当于数万亿个地球。有趣的是，由于引力扭曲效应，最低层级的时间流逝速度比最高层级慢，而且不会有潮汐力将你撕裂 —— 最低层级的时间过得较慢，最高层级的时间则正常流逝。据我所知，这是人类能够构想的、可供普通人居住的最大结构。我个人对它特别感兴趣，不仅因为它比戴森球还要巨大得多，还因为它位于星系中心，似乎是银河帝国的绝佳首都。