第250章 人造棲息地
李水旺新一期視頻：
我們曾經探討過如何建造依靠旋轉來產生重力的人造棲息地。
今天，我們要著眼於建造另一種人造棲息地，
這類棲息地的重力是單純依靠自身巨大質量來提供的。
顯然，建造一顆行星是一項規模相當浩大的工程，
而且會耗費海量的物質材料，
但這項工程本身並不像其他許多巨型建築那樣需要極高的技術水平。
它實際上更偏向於一種資源密集型的項目。
在地球上，每平方英尺的陸地下方，
都蘊藏著大約一百萬噸的岩石和岩漿。
而對於旋轉式棲息地來說，
即便是那種結構相當複雜、體積龐大的類型，
每平方英尺也只需要幾噸的材料就足夠了。
正因如此，這種人造行星通常被認為是不切實際的。
但在很多人看來，這類人造行星卻有著更大的吸引力。
所以今天，我們要討論這個概念的一個變體，
一種相對更具可行性的變體 —— 殼體世界。
殼體世界的設計理念是，
不必整個結構體都採用岩石和金屬這類密度極大的物質來建造。
殼體世界是在某種填充材料的外圍，
包裹一層由岩石、水和空氣構成的薄層外殼。
這樣一來，殼體世界的材料消耗量就和旋轉式棲息地相差無幾了。
額外需要的只有填充材料，
這種填充材料在低技術版本的殼體世界中可以是氫或氦，
而在技術更先進的版本里，則可以使用人造黑洞或者暗物質之類的物質，
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關於這一點，我們稍後再詳細說明。
殼體世界的另一大優勢在於，
它能讓我們建造出不同大小的人造行星，
同時還能保證其表面擁有和地球相同的重力環境。
你也可以根據需求，將重力調整得比地球重力更高或者更低。
但殼體世界真正的魅力在於，
從實際應用的角度來說，它能夠完美復刻地球的環境。
那麼，我們先來快速了解一下重力的相關知識。
當你處於一個球體的外部時，
這個球體對你產生的引力大小與它的總質量成正比，
與你和它之間距離的平方成反比。
也就是說，
如果球體的質量增加一倍，
它對你產生的引力也會隨之增加一倍；
如果質量增加三倍，
引力同樣會增加三倍。
反過來講，
如果你的距離增加一倍，
受到的引力就會減弱至原來的四分之一；
距離增加三倍，
引力就會減弱至原來的九分之一；
距離增加十倍，
引力就只剩下原來的百分之一了。
但如果我們將一個類似地球的天體按比例放大，
比如把它的半徑增加一倍，
那麼它表面的重力就不會保持原來的水平了。
因為球體的體積與半徑的立方成正比，
半徑翻倍後，體積會變成原來的八倍，
質量也會隨之增加到原來的八倍，
引力強度原本也應該變為原來的八倍。
但與此同時，
你和天體中心的距離也增加了一倍，
這會導致引力減弱至原來的四分之一。
用八乘以四分之一，結果是二，
所以這個被放大後的 「地球」，其表面重力會是原來的兩倍。
這顯然不是我們想要的結果。
要解決這個問題，
我們可以使用密度只有原來一半的填充材料，
這樣就能讓天體的總質量也減少一半。
同理，
如果你想建造一個半徑只有地球一半大，
但表面重力卻和地球相同的行星，
就需要使用密度是地球物質兩倍的填充材料。
這就是氫或氦這類氣體能夠派上大用場的原因。
你可以通過改變氣體的壓力來調整它的密度。
如果操作得當，
甚至可以利用高溫高壓的氣體來抵消外殼的重量，
這樣一來，外殼就不需要具備特別高的強度了。
我有時會把殼體世界的這種變體稱為 「氣球世界」。
氣球內部的氣壓高於外部的大氣壓，
以此來抵消氣球橡膠壁的張力，
殼體世界的這個變體運用的正是同樣的原理。
實際上，
如果設計合理，
你甚至可以在這樣的殼體世界上形成巨大的板塊構造。
但關鍵在於，
要想讓殼體世界擁有和地球相同的重力，
填充材料的密度必須與它和地球的尺寸比例成反比。
無論殼體世界的直徑或半徑與地球相比是多少，
填充材料的密度都要與之成反比。
直徑擴大到地球的三倍，
填充材料的密度就需要降到地球物質密度的三分之一；
建造一個直徑只有地球十分之一的行星，
填充材料的密度就需要達到地球物質密度的十倍。
另外一點非常關鍵的是，
無論你建造的殼體世界體積是大是小，
它每平方英尺的居住面積所消耗的材料質量都是相同的，
都是一百萬噸。
不管你的殼體世界直徑只有幾十英里，
還是像土星那麼大，
每平方英尺的生活區都需要消耗一百萬噸的物質。
土星就是一個絕佳的例子。
土星的質量大約是地球的一百倍，
直徑大約是地球的十倍。
如果我們在土星外圍建造一個殼體，
那麼這個殼體表面的重力就會和地球重力完全相同，
而且這個行星的居住面積將是地球的一百倍。
實際上，
真正起決定性作用的是天體的平均密度。
構成天體的物質甚至可以全部集中在一個點上，
比如，你可以把一個人造黑洞放置在某個位置，
然後圍繞它建造一個殼體外殼。
如果你建造的殼體沒有內部壓力來支撐，
那麼它就必須具備極高的強度。
如果有非常堅硬且強度極高的材料可用，
那自然不成問題。
但在很多情況下，
殼體所需要的強度遠遠超出了目前人類已知的任何材料的承受範圍。
這時候，
我們之前討論過的軌道環就可以發揮作用了。
軌道環的原理是利用一群圍繞行星運行的粒子流，
其運行模式和行星的環帶類似，
通過磁力懸浮的方式，
就可以將殼體材料支撐在軌道環的上方。
建造軌道環的過程中，
它看起來是一個靜止不動的固體結構，
但實際上，
它內部有大量物質在圍繞行星高速運動，
就像一根被彎成圓環形狀、裝滿了流動水的水管。
軌道環上承載的質量越大，
其內部物質的運動速度就需要越快，
才能支撐起這些重量。
你還可以在不同的角度建造另一個軌道環，
讓它的位置比第一個軌道環稍高或者稍低一些。
這些軌道環其實不一定非要做成完美的圓形，
橢圓形也是可以的，
不過總體來說，圓形還是更合適一些。
畢竟我們最終要建造的是一個球體。
就這樣，
你在不同的角度一個接一個地建造軌道環，
直到這些軌道環形成一個足夠堅固的網狀結構，
足以穩妥地支撐起整個殼體。
之後，你再在這個網狀結構上鋪上岩石、水和空氣，
殼體世界的基礎就搭建完成了。
不過，
除非人類已經掌握了可控核聚變技術，
否則建造這樣一個殼體世界的可能性幾乎為零。
這是因為，
首先，
建造這樣的巨型結構以及維持軌道環的穩定運行，
都需要極其龐大的能源供應，
而可控核聚變正是這樣一種理想的能源來源。
其次，
與旋轉式棲息地相比，
建造殼體世界的物質消耗極其巨大，
只有可控核聚變技術，
或者人造黑洞技術的發展，
才能為這項浩大的工程提供合理的存在意義。
如果人類掌握了可控核聚變或者人造黑洞技術，
那麼氫和氦這兩種元素就會變得至關重要。
屆時，
人類肯定希望能夠將這些寶貴的資源儲存在方便取用的地方。
我之前提到過，
無論殼體世界的規模大小，
每平方英尺的居住面積都需要消耗一百萬噸的物質。
我們可以從能源的角度來換算一下這個概念。
如果你的填充材料完全由氫構成，
並且將這些氫全部轉化為氦，
那麼每一百萬噸的氫就能釋放出大約 6.3×10²³ 焦耳的能量。
而地球表面接收到的平均太陽輻射功率大約是每平方英尺 30 瓦，
換算下來，
每年每平方英尺的面積接收到的太陽能大約是十億焦耳。
這就意味著，
殼體世界填充材料所蘊含的能量，
足以支撐這個棲息地運行大約 600 萬億年，
這個時間長度是太陽剩餘壽命的十萬倍還要多。
從本質上來說，
你其實是把填充材料當成了一個巨大的能量供應源。
你可以通過建造極高的 「燈塔」 來提供照明，
也可以在行星的內部放置一個人造太陽。
當填充材料的核聚變反應耗盡，
也就是 600 萬億年之後，
殼體世界的總質量會減少大約 7%，
相應地，
其表面的重力會降至原來的 99.3%。
這樣微小的重力變化，
需要經過極其漫長的時間才會讓生物產生適應的需求。
但如果你執意想要保持重力完全不變，
也可以緩慢地縮小殼體世界的體積來進行調整。
如果人類能夠掌握黑洞或者暗物質的能量轉換技術，
那麼殼體世界的壽命還能再延長一百倍。
同時，
你可以通過持續縮小殼體的體積來維持重力穩定，
而體積的縮小又會降低棲息地運行所需的能量，
這會進一步延長殼體世界的壽命。
所以，
雖然殼體世界的物質消耗遠遠超過旋轉式棲息地，
但從足夠漫長的時間尺度來看，
殼體世界其實更加高效。
因為如果你的目標是建造一個能夠延續萬億年的文明，
那麼物質需求很大程度上就是為了滿足能源供應。
我在討論旋轉式棲息地的時候曾經說過，
我們會將核聚變燃料儲存在棲息地周圍的非旋轉儲罐中，
這些儲罐同時還能起到抵禦輻射和隕石撞擊的防護作用。
但如果你要建造的是一個能夠延續萬億年的文明，
那麼將燃料儲存在棲息地內部會是更明智的選擇，
因為這些燃料還能同時起到提供重力的作用。
你也可以在像火星這樣已經存在的星球上建造殼體結構。
這種做法可以讓你逐步開採星球內部的物質，
然後用充滿高壓氣體的儲罐或者深埋地下的軌道環來替代這些被開採的物質，
軌道環可以在需要的時候啟動運行。
很多時候，
當我們談論戴森球或者戴森雲的時候，
總會有人問我，
人類最終是否會拆解地球來獲取更多建造材料。
而我的答案是，
我認為人類很可能不會這麼做，
取而代之的是將地球內部挖空，
然後改造成一個殼體世界。
這就引出了殼體世界的另一種變體 —— 馬托沙殼體世界。
在這種設計中，
殼體世界並非只有一層外殼，
而是擁有多層結構。
我甚至認為，
地球本身最終也會朝著這個方向演變。
畢竟，人類對自己的母星有著深厚的情感羈絆。
你可以在第一層殼體的外圍再建造一層殼體，
然後再建造下一層，
以此類推。
你也可以向內建造更多的殼體層。
要讓每一層殼體表面都保持相同的重力，
其實並沒有那麼困難。
這裡有一個很有趣的知識點：
當你處於一個球狀殼體的內部時，
你不會受到這個殼體任何方向的引力作用，
因為殼體各個方向的引力會相互抵消。
所以，
對於你所居住的那一層殼體來說，
它上方的所有殼體層都不會對它產生任何引力影響。
相反，
你所居住的殼體層的質量，
會對其上方各層殼體產生引力作用。
因此，
你只需要確保每一層殼體的總質量，
都與它到中心的距離相匹配就可以了。
舉個例子，
暫時忽略大氣的影響，
如果我在距離地球表面 40 英里的高空建造一層殼體，
這個高度大約是地球半徑的 1%，
那麼在這個高度上，
地球的引力會比地表減弱大約 2%。
這就意味著，
我需要在這層殼體中增加相當於地球質量 2% 的物質，
才能讓殼體表面的重力與地表相同。
如果在 80 英里的高空再建造一層殼體，
就需要增加相當於地球質量 4% 的物質。
不過，
低層殼體的質量可以計入高層殼體所需的總質量之中。
馬托沙殼體世界的規模可以建造得非常巨大，
只要確保它的平均密度能夠隨著體積的增大而相應降低就行。
因為空氣的密度大約是地球平均密度的五千分之一，
是水的密度的千分之一，
所以在密度成為限制因素之前，
你可以建造出體積極其龐大的殼體世界。
當然，
你不能只是簡單地建造一個巨大的空氣球，
而不通過加壓來提高空氣的密度。
但如果採用多層殼體的設計，
就可以避免這個問題。
而且，
如果各層殼體之間的距離足夠遠，
你甚至可以讓靠近外層真空區域的殼體層保持較低的氣體密度，
這和我們地球大氣層的結構很相似，
海拔越高，空氣密度就越低。
每一層殼體的高度可以根據實際需求來設計，
既可以只有幾百英尺高，
也可以達到幾百英里高。
當然，
如果建造的是這種多層結構的殼體世界，
就必須為其提供人工照明，
同時還要解決散熱的問題。
實際上，
無論是植物的生長，
還是人類的視覺需求，
都不需要正午時分晴空萬里下那麼強的光照。
所以，
你可以將人工光源的亮度調低很多。
同時，
你也可以將熱量向外排出。
這類殼體世界的許多設計方案中，
除了使用軌道環之外，
還會採用之前討論過的太空噴泉技術，
來支撐各個殼體層。
而這些太空噴泉，
同時也可以作為散熱的通道。
殼體世界最外層的殼體，
可以設計成和地球表面一樣的自然景觀。
不過，
你也可以選擇將最外層殼體設計成一個高效的熱泵系統，
並將其表面製作成凹凸不平的形狀，
以此來最大化輻射散熱的效率。
在一些以黑洞為核心的殼體世界設計方案中，
則可以採用另一種散熱方式 ——
將熱量直接排放到黑洞中。
不過，
這種做法是否可行，
很大程度上取決於黑洞的熱力學特性。
而目前，
我們還無法確定是否真的可以像這樣將熱量直接傾倒入黑洞。
如果這種方法確實可行，
那麼殼體世界的層數就幾乎沒有任何限制了。
但如果只能通過紅外線輻射的方式來散熱，
那麼殼體的層數就會受到限制，
可能最多只能建造不到一百層。
有時候，
我們會思考人類能夠建造的最大人造棲息地究竟有多大。
而殼體世界就是一個很好的例子。
你甚至可以圍繞白矮星、中子星來建造殼體世界，
利用這些天體來獲取能源。
你甚至可以圍繞銀河系中心的超大質量黑洞來建造。
銀河系中心黑洞的質量大約是地球的萬億倍，
圍繞它建造的殼體世界，
其居住面積也將是地球的萬億倍。
相比之下，
戴森球所能提供的居住面積也不過是地球的十億倍左右，
而且殼體世界每增加一層，
居住面積就會翻倍。
這樣的巨型殼體世界，
其直徑甚至會超過冥王星的軌道直徑。
不過，
它擁有相當於百萬顆太陽的質量和能量，
足以支撐它運行的時間，
遠遠超過普通恆星的壽命。
我一直都很喜歡這個概念。
想像一下，
在銀河系的中心，
存在著一個體積無比龐大的世界，
它的居住面積是地球的數萬億倍，
這樣的世界，
似乎就是銀河帝國首都的終極形態。
這類巨型建築有一個共同的特點，
那就是它們擁有極其漫長的壽命。
甚至它們自身產生的重力，
也有助於防止氣體泄漏，
避免物質的緩慢流失。
這也是我為什麼會在討論中提到白矮星、中子星和黑洞的原因。
除非你的目標是建造一個能夠延續極長時間、
甚至比普通恆星壽命還要長的文明，
否則建造這樣的殼體世界並沒有太大的實際意義。
當然，
如果人類將來能夠找到操控暗物質的方法，
那麼殼體世界的建造將會迎來新的突破。
暗物質是宇宙中絕大多數物質的存在形式，
其總量遠遠超過岩石等普通物質。
它將成為一種極其理想的填充材料。
到目前為止，
我們對暗物質的了解還非常有限，
只知道它能夠產生引力。
但如果我們能夠收集並約束暗物質，
那麼它很可能會有各種各樣的用途。
不過，
我們目前唯一可以確定的用途，
就是將它作為殼體世界的填充材料來產生重力。
當然，
這也可能是它唯一的用途。
但以我們目前的科技水平，
還無法實現收集暗物質並將其封閉在殼體世界內部的目標。
或許，
這是一個永遠都無法實現的目標。
不過，
殼體世界的概念在科幻作品中非常有趣，
但遺憾的是，
它在科幻作品中的出場率並不高。
畢竟，
我們這個系列節目，
既涉及純粹的科學理論，
也包含科幻概念的探討，
所以殼體世界絕對值得我們深入研究。
通常來說，
人們之所以不看好殼體世界，
認為它永遠不會被真正建造出來，
是因為和旋轉式棲息地相比，
它的物質消耗實在太過巨大。
但如果你追求的是萬億年尺度的文明延續，
或者你希望地球在基本保持原貌的前提下變得更大，
那麼殼體世界就會開始變得具有現實可行性了。
所以，
殼體世界並不僅僅是一個 「人類有能力建造，所以才去建造」 的工程。
下一次，
我們將探討一種真正意義上 「人類有能力建造，所以才去建造」 的巨型建築 ——
扁平的圓盤狀地球世界。
我們會嘗試向大家證明，
這類建築其實並沒有人們想像的那麼不切實際。
我們曾經探討過如何建造依靠旋轉來產生重力的人造棲息地。
今天，我們要著眼於建造另一種人造棲息地，
這類棲息地的重力是單純依靠自身巨大質量來提供的。
顯然，建造一顆行星是一項規模相當浩大的工程，
而且會耗費海量的物質材料，
但這項工程本身並不像其他許多巨型建築那樣需要極高的技術水平。
它實際上更偏向於一種資源密集型的項目。
在地球上，每平方英尺的陸地下方，
都蘊藏著大約一百萬噸的岩石和岩漿。
而對於旋轉式棲息地來說，
即便是那種結構相當複雜、體積龐大的類型，
每平方英尺也只需要幾噸的材料就足夠了。
正因如此，這種人造行星通常被認為是不切實際的。
但在很多人看來，這類人造行星卻有著更大的吸引力。
所以今天，我們要討論這個概念的一個變體，
一種相對更具可行性的變體 —— 殼體世界。
殼體世界的設計理念是，
不必整個結構體都採用岩石和金屬這類密度極大的物質來建造。
殼體世界是在某種填充材料的外圍，
包裹一層由岩石、水和空氣構成的薄層外殼。
這樣一來，殼體世界的材料消耗量就和旋轉式棲息地相差無幾了。
額外需要的只有填充材料，
這種填充材料在低技術版本的殼體世界中可以是氫或氦，
而在技術更先進的版本里，則可以使用人造黑洞或者暗物質之類的物質，
【記住本站域名 TW 看書網解書荒，𝔰𝔥𝔲.𝔱𝔴超實用 】
關於這一點，我們稍後再詳細說明。
殼體世界的另一大優勢在於，
它能讓我們建造出不同大小的人造行星，
同時還能保證其表面擁有和地球相同的重力環境。
你也可以根據需求，將重力調整得比地球重力更高或者更低。
但殼體世界真正的魅力在於，
從實際應用的角度來說，它能夠完美復刻地球的環境。
那麼，我們先來快速了解一下重力的相關知識。
當你處於一個球體的外部時，
這個球體對你產生的引力大小與它的總質量成正比，
與你和它之間距離的平方成反比。
也就是說，
如果球體的質量增加一倍，
它對你產生的引力也會隨之增加一倍；
如果質量增加三倍，
引力同樣會增加三倍。
反過來講，
如果你的距離增加一倍，
受到的引力就會減弱至原來的四分之一；
距離增加三倍，
引力就會減弱至原來的九分之一；
距離增加十倍，
引力就只剩下原來的百分之一了。
但如果我們將一個類似地球的天體按比例放大，
比如把它的半徑增加一倍，
那麼它表面的重力就不會保持原來的水平了。
因為球體的體積與半徑的立方成正比，
半徑翻倍後，體積會變成原來的八倍，
質量也會隨之增加到原來的八倍，
引力強度原本也應該變為原來的八倍。
但與此同時，
你和天體中心的距離也增加了一倍，
這會導致引力減弱至原來的四分之一。
用八乘以四分之一，結果是二，
所以這個被放大後的 「地球」，其表面重力會是原來的兩倍。
這顯然不是我們想要的結果。
要解決這個問題，
我們可以使用密度只有原來一半的填充材料，
這樣就能讓天體的總質量也減少一半。
同理，
如果你想建造一個半徑只有地球一半大，
但表面重力卻和地球相同的行星，
就需要使用密度是地球物質兩倍的填充材料。
這就是氫或氦這類氣體能夠派上大用場的原因。
你可以通過改變氣體的壓力來調整它的密度。
如果操作得當，
甚至可以利用高溫高壓的氣體來抵消外殼的重量，
這樣一來，外殼就不需要具備特別高的強度了。
我有時會把殼體世界的這種變體稱為 「氣球世界」。
氣球內部的氣壓高於外部的大氣壓，
以此來抵消氣球橡膠壁的張力，
殼體世界的這個變體運用的正是同樣的原理。
實際上，
如果設計合理，
你甚至可以在這樣的殼體世界上形成巨大的板塊構造。
但關鍵在於，
要想讓殼體世界擁有和地球相同的重力，
填充材料的密度必須與它和地球的尺寸比例成反比。
無論殼體世界的直徑或半徑與地球相比是多少，
填充材料的密度都要與之成反比。
直徑擴大到地球的三倍，
填充材料的密度就需要降到地球物質密度的三分之一；
建造一個直徑只有地球十分之一的行星，
填充材料的密度就需要達到地球物質密度的十倍。
另外一點非常關鍵的是，
無論你建造的殼體世界體積是大是小，
它每平方英尺的居住面積所消耗的材料質量都是相同的，
都是一百萬噸。
不管你的殼體世界直徑只有幾十英里，
還是像土星那麼大，
每平方英尺的生活區都需要消耗一百萬噸的物質。
土星就是一個絕佳的例子。
土星的質量大約是地球的一百倍，
直徑大約是地球的十倍。
如果我們在土星外圍建造一個殼體，
那麼這個殼體表面的重力就會和地球重力完全相同，
而且這個行星的居住面積將是地球的一百倍。
實際上，
真正起決定性作用的是天體的平均密度。
構成天體的物質甚至可以全部集中在一個點上，
比如，你可以把一個人造黑洞放置在某個位置，
然後圍繞它建造一個殼體外殼。
如果你建造的殼體沒有內部壓力來支撐，
那麼它就必須具備極高的強度。
如果有非常堅硬且強度極高的材料可用，
那自然不成問題。
但在很多情況下，
殼體所需要的強度遠遠超出了目前人類已知的任何材料的承受範圍。
這時候，
我們之前討論過的軌道環就可以發揮作用了。
軌道環的原理是利用一群圍繞行星運行的粒子流，
其運行模式和行星的環帶類似，
通過磁力懸浮的方式，
就可以將殼體材料支撐在軌道環的上方。
建造軌道環的過程中，
它看起來是一個靜止不動的固體結構，
但實際上，
它內部有大量物質在圍繞行星高速運動，
就像一根被彎成圓環形狀、裝滿了流動水的水管。
軌道環上承載的質量越大，
其內部物質的運動速度就需要越快，
才能支撐起這些重量。
你還可以在不同的角度建造另一個軌道環，
讓它的位置比第一個軌道環稍高或者稍低一些。
這些軌道環其實不一定非要做成完美的圓形，
橢圓形也是可以的，
不過總體來說，圓形還是更合適一些。
畢竟我們最終要建造的是一個球體。
就這樣，
你在不同的角度一個接一個地建造軌道環，
直到這些軌道環形成一個足夠堅固的網狀結構，
足以穩妥地支撐起整個殼體。
之後，你再在這個網狀結構上鋪上岩石、水和空氣，
殼體世界的基礎就搭建完成了。
不過，
除非人類已經掌握了可控核聚變技術，
否則建造這樣一個殼體世界的可能性幾乎為零。
這是因為，
首先，
建造這樣的巨型結構以及維持軌道環的穩定運行，
都需要極其龐大的能源供應，
而可控核聚變正是這樣一種理想的能源來源。
其次，
與旋轉式棲息地相比，
建造殼體世界的物質消耗極其巨大，
只有可控核聚變技術，
或者人造黑洞技術的發展，
才能為這項浩大的工程提供合理的存在意義。
如果人類掌握了可控核聚變或者人造黑洞技術，
那麼氫和氦這兩種元素就會變得至關重要。
屆時，
人類肯定希望能夠將這些寶貴的資源儲存在方便取用的地方。
我之前提到過，
無論殼體世界的規模大小，
每平方英尺的居住面積都需要消耗一百萬噸的物質。
我們可以從能源的角度來換算一下這個概念。
如果你的填充材料完全由氫構成，
並且將這些氫全部轉化為氦，
那麼每一百萬噸的氫就能釋放出大約 6.3×10²³ 焦耳的能量。
而地球表面接收到的平均太陽輻射功率大約是每平方英尺 30 瓦，
換算下來，
每年每平方英尺的面積接收到的太陽能大約是十億焦耳。
這就意味著，
殼體世界填充材料所蘊含的能量，
足以支撐這個棲息地運行大約 600 萬億年，
這個時間長度是太陽剩餘壽命的十萬倍還要多。
從本質上來說，
你其實是把填充材料當成了一個巨大的能量供應源。
你可以通過建造極高的 「燈塔」 來提供照明，
也可以在行星的內部放置一個人造太陽。
當填充材料的核聚變反應耗盡，
也就是 600 萬億年之後，
殼體世界的總質量會減少大約 7%，
相應地，
其表面的重力會降至原來的 99.3%。
這樣微小的重力變化，
需要經過極其漫長的時間才會讓生物產生適應的需求。
但如果你執意想要保持重力完全不變，
也可以緩慢地縮小殼體世界的體積來進行調整。
如果人類能夠掌握黑洞或者暗物質的能量轉換技術，
那麼殼體世界的壽命還能再延長一百倍。
同時，
你可以通過持續縮小殼體的體積來維持重力穩定，
而體積的縮小又會降低棲息地運行所需的能量，
這會進一步延長殼體世界的壽命。
所以，
雖然殼體世界的物質消耗遠遠超過旋轉式棲息地，
但從足夠漫長的時間尺度來看，
殼體世界其實更加高效。
因為如果你的目標是建造一個能夠延續萬億年的文明，
那麼物質需求很大程度上就是為了滿足能源供應。
我在討論旋轉式棲息地的時候曾經說過，
我們會將核聚變燃料儲存在棲息地周圍的非旋轉儲罐中，
這些儲罐同時還能起到抵禦輻射和隕石撞擊的防護作用。
但如果你要建造的是一個能夠延續萬億年的文明，
那麼將燃料儲存在棲息地內部會是更明智的選擇，
因為這些燃料還能同時起到提供重力的作用。
你也可以在像火星這樣已經存在的星球上建造殼體結構。
這種做法可以讓你逐步開採星球內部的物質，
然後用充滿高壓氣體的儲罐或者深埋地下的軌道環來替代這些被開採的物質，
軌道環可以在需要的時候啟動運行。
很多時候，
當我們談論戴森球或者戴森雲的時候，
總會有人問我，
人類最終是否會拆解地球來獲取更多建造材料。
而我的答案是，
我認為人類很可能不會這麼做，
取而代之的是將地球內部挖空，
然後改造成一個殼體世界。
這就引出了殼體世界的另一種變體 —— 馬托沙殼體世界。
在這種設計中，
殼體世界並非只有一層外殼，
而是擁有多層結構。
我甚至認為，
地球本身最終也會朝著這個方向演變。
畢竟，人類對自己的母星有著深厚的情感羈絆。
你可以在第一層殼體的外圍再建造一層殼體，
然後再建造下一層，
以此類推。
你也可以向內建造更多的殼體層。
要讓每一層殼體表面都保持相同的重力，
其實並沒有那麼困難。
這裡有一個很有趣的知識點：
當你處於一個球狀殼體的內部時，
你不會受到這個殼體任何方向的引力作用，
因為殼體各個方向的引力會相互抵消。
所以，
對於你所居住的那一層殼體來說，
它上方的所有殼體層都不會對它產生任何引力影響。
相反，
你所居住的殼體層的質量，
會對其上方各層殼體產生引力作用。
因此，
你只需要確保每一層殼體的總質量，
都與它到中心的距離相匹配就可以了。
舉個例子，
暫時忽略大氣的影響，
如果我在距離地球表面 40 英里的高空建造一層殼體，
這個高度大約是地球半徑的 1%，
那麼在這個高度上，
地球的引力會比地表減弱大約 2%。
這就意味著，
我需要在這層殼體中增加相當於地球質量 2% 的物質，
才能讓殼體表面的重力與地表相同。
如果在 80 英里的高空再建造一層殼體，
就需要增加相當於地球質量 4% 的物質。
不過，
低層殼體的質量可以計入高層殼體所需的總質量之中。
馬托沙殼體世界的規模可以建造得非常巨大，
只要確保它的平均密度能夠隨著體積的增大而相應降低就行。
因為空氣的密度大約是地球平均密度的五千分之一，
是水的密度的千分之一，
所以在密度成為限制因素之前，
你可以建造出體積極其龐大的殼體世界。
當然，
你不能只是簡單地建造一個巨大的空氣球，
而不通過加壓來提高空氣的密度。
但如果採用多層殼體的設計，
就可以避免這個問題。
而且，
如果各層殼體之間的距離足夠遠，
你甚至可以讓靠近外層真空區域的殼體層保持較低的氣體密度，
這和我們地球大氣層的結構很相似，
海拔越高，空氣密度就越低。
每一層殼體的高度可以根據實際需求來設計，
既可以只有幾百英尺高，
也可以達到幾百英里高。
當然，
如果建造的是這種多層結構的殼體世界，
就必須為其提供人工照明，
同時還要解決散熱的問題。
實際上，
無論是植物的生長，
還是人類的視覺需求，
都不需要正午時分晴空萬里下那麼強的光照。
所以，
你可以將人工光源的亮度調低很多。
同時，
你也可以將熱量向外排出。
這類殼體世界的許多設計方案中，
除了使用軌道環之外，
還會採用之前討論過的太空噴泉技術，
來支撐各個殼體層。
而這些太空噴泉，
同時也可以作為散熱的通道。
殼體世界最外層的殼體，
可以設計成和地球表面一樣的自然景觀。
不過，
你也可以選擇將最外層殼體設計成一個高效的熱泵系統，
並將其表面製作成凹凸不平的形狀，
以此來最大化輻射散熱的效率。
在一些以黑洞為核心的殼體世界設計方案中，
則可以採用另一種散熱方式 ——
將熱量直接排放到黑洞中。
不過，
這種做法是否可行，
很大程度上取決於黑洞的熱力學特性。
而目前，
我們還無法確定是否真的可以像這樣將熱量直接傾倒入黑洞。
如果這種方法確實可行，
那麼殼體世界的層數就幾乎沒有任何限制了。
但如果只能通過紅外線輻射的方式來散熱，
那麼殼體的層數就會受到限制，
可能最多只能建造不到一百層。
有時候，
我們會思考人類能夠建造的最大人造棲息地究竟有多大。
而殼體世界就是一個很好的例子。
你甚至可以圍繞白矮星、中子星來建造殼體世界，
利用這些天體來獲取能源。
你甚至可以圍繞銀河系中心的超大質量黑洞來建造。
銀河系中心黑洞的質量大約是地球的萬億倍，
圍繞它建造的殼體世界，
其居住面積也將是地球的萬億倍。
相比之下，
戴森球所能提供的居住面積也不過是地球的十億倍左右，
而且殼體世界每增加一層，
居住面積就會翻倍。
這樣的巨型殼體世界，
其直徑甚至會超過冥王星的軌道直徑。
不過，
它擁有相當於百萬顆太陽的質量和能量，
足以支撐它運行的時間，
遠遠超過普通恆星的壽命。
我一直都很喜歡這個概念。
想像一下，
在銀河系的中心，
存在著一個體積無比龐大的世界，
它的居住面積是地球的數萬億倍，
這樣的世界，
似乎就是銀河帝國首都的終極形態。
這類巨型建築有一個共同的特點，
那就是它們擁有極其漫長的壽命。
甚至它們自身產生的重力，
也有助於防止氣體泄漏，
避免物質的緩慢流失。
這也是我為什麼會在討論中提到白矮星、中子星和黑洞的原因。
除非你的目標是建造一個能夠延續極長時間、
甚至比普通恆星壽命還要長的文明，
否則建造這樣的殼體世界並沒有太大的實際意義。
當然，
如果人類將來能夠找到操控暗物質的方法，
那麼殼體世界的建造將會迎來新的突破。
暗物質是宇宙中絕大多數物質的存在形式，
其總量遠遠超過岩石等普通物質。
它將成為一種極其理想的填充材料。
到目前為止，
我們對暗物質的了解還非常有限，
只知道它能夠產生引力。
但如果我們能夠收集並約束暗物質，
那麼它很可能會有各種各樣的用途。
不過，
我們目前唯一可以確定的用途，
就是將它作為殼體世界的填充材料來產生重力。
當然，
這也可能是它唯一的用途。
但以我們目前的科技水平，
還無法實現收集暗物質並將其封閉在殼體世界內部的目標。
或許，
這是一個永遠都無法實現的目標。
不過，
殼體世界的概念在科幻作品中非常有趣，
但遺憾的是，
它在科幻作品中的出場率並不高。
畢竟，
我們這個系列節目，
既涉及純粹的科學理論，
也包含科幻概念的探討，
所以殼體世界絕對值得我們深入研究。
通常來說，
人們之所以不看好殼體世界，
認為它永遠不會被真正建造出來，
是因為和旋轉式棲息地相比，
它的物質消耗實在太過巨大。
但如果你追求的是萬億年尺度的文明延續，
或者你希望地球在基本保持原貌的前提下變得更大，
那麼殼體世界就會開始變得具有現實可行性了。
所以，
殼體世界並不僅僅是一個 「人類有能力建造，所以才去建造」 的工程。
下一次，
我們將探討一種真正意義上 「人類有能力建造，所以才去建造」 的巨型建築 ——
扁平的圓盤狀地球世界。
我們會嘗試向大家證明，
這類建築其實並沒有人們想像的那麼不切實際。