第251章 巨型結構
李水旺新一期視頻：
我們將介紹各種類型的巨型結構、人造世界及建築，這些你可能在科學領域或科幻作品中有所耳聞。我們會涵蓋從可能僅容納十幾人的近地軌道類型，到行星大小甚至太陽系規模的物體，比如戴森球。為此，我們採用了一套臨時分類系統，大致基於巨型結構分類法。現在，讓我們開始介紹我們的分類系統。
重力類型分類
首先是重力類型分類，包括無適用人工重力的情況、旋轉重力、球形重力或經典重力，以及零重力或微重力。
人工重力
說到人工重力，這是你在科幻電影中最常見的場景。由於無法在零重力或微重力環境下拍攝電影，所以在電視和電影中，它們通常會設定某種形式的人工重力。我們不會過多列舉這類例子，但值得將其作為一個分類提及，後續我們也會看到少數相關案例。
無適用重力的情況
此外，還有很多無適用重力的情況，比如軌道發射環，其所在位置的重力與物體本身並無關聯；或者像巨型太空炮或軌道炮這類物體，重力與其用途毫無關係，我們無需關注其重力情況。
旋轉重力
我們將重點關注的是旋轉重力。這是一種自旋重力，人們感受到的重力是由離心力將其固定在地板上而產生的。我們有很多這類例子，之後會逐一介紹，它可能占據了我們要討論的大部分案例。我們儘量避免涉及過多複雜的數學知識，但有一個與旋轉棲息地相關的重要方程需要提及：加速度（若要模擬地球重力，加速度需為 9.8 米 / 秒 ²）。要實現這一加速度，需要根據空間站的半徑，以特定速度旋轉空間站，其計算公式為速度的平方除以半徑。
球形重力或經典重力
接下來是球形重力或經典重力，這並不局限於行星或小行星，但它們是最常見的例子。這是你所體驗到的真實重力，其產生不一定源於經典意義上的行星。在許多情況下，你可以創造出因質量而產生重力的環境，但這類天體的大小可能與地球不同，或者其起源並非天然的類地天體。它們的形狀和大小几乎與旋轉環形棲息地一樣豐富多樣，我們也會介紹不少這類例子。
零重力或微重力
最後一類是零重力或微重力。在這種情況下，棲息地、空間站或人造世界內部的人們除了會感受到極微弱的重力外，幾乎沒有明顯的重力體驗。除了空間站，還可能存在一些大型充氣球體，內部充滿空氣，這類結構也屬於零重力或微重力環境。
尺寸分類
我們分類系統的下一個類別是尺寸。這些物體的尺寸範圍極廣，從小型空間站一直到太陽系大小的天體。因此，我們採用了一套數量級尺度來劃分，用數字 n 表示，其中 n 代表 10 的 n 次方米（即物體的寬度以米為單位，n=1 表示 10 米，n=2 表示 100 米，n=3 表示 1000 米，n=6 表示 100 萬米，以此類推）。
尺寸與上述重力類型的組合方式如下：Z1 代表直徑約 10 米的零重力環境，例如空間站；長度達數英里的大型旋轉棲息地可表示為 R4；像地球以及幾乎所有你通常認為適合人類居住的行星，可表示為 S7，其中 S 代表球形重力，其直徑約為 10000 公里（即 1000 萬米）；而 A11 則代表與地球繞太陽軌道大小相當的人工重力環境，例如戴森場。
宜居性分類
最後一個分類是宜居性。為了方便計算，我們假設 1 公頃（即 100 米 ×100 米的區域，大約相當於 1 英畝）的面積，足以讓一個人種植所有所需的食物，並有一些森林和花園區域。這是一個非常粗略的估算，但地球的陸地面積約為 140 億公頃，其中包括沙漠和極地等不適宜居住的區域，而地球人口約為 70 億（大致為 10 的 10 次方）。這恰好為我們提供了宜居性指數 X=10，我們採用同樣的 10 的 n 次方系統來表示。X 值適用於地球和其他行星，S7X 則代表完全人口化的典型行星。
這個圖表是我們的實用指南，我們使用該分類時僅作大致參考。例如，狩獵採集文明的宜居性指數可能會低兩個等級，他們每人不需要 1 公頃的土地，大約需要 100 公頃；相反，通過高密度水培法、氣培法和人工照明，1 公頃的土地可以輕鬆養活 100 人。在某些科幻設定或人類未來場景中，人類甚至可能不需要進食，而是依靠電力生存。因此，這只是一個大致的尺度，X 值大致相當於一顆行星的人口數量。我們僅將該指數用於那些本身雖不算特別巨大，但大致能實現自給自足、類似人造行星的場所。在很多情況下，宜居性指數並不適用；而對於適用的情況，其分類形式如下：Z1I 或 Z11 代表空間站，上面的人口非常少；R4V 或 R45 代表可容納約 10 萬人的區域；S7X（再次以地球為例）代表可容納數十億人口的場所；而戴森球這類結構，其內部空間與地球相當，可容納數千億億人口。
由於無適用人工重力類別的物體沒有特定形狀，且種類繁多，我們將從旋轉重力類物體開始，作為具體例子進行介紹。
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此外，需要明確的是，當涉及飛船或空間站時，這些物體的外部不一定是圓柱形。就產生重力的部分而言，它們是圓柱形的，但外部可能有一個不旋轉的外殼；或者，你甚至可以將它們直接嵌入小行星內部。不過，有一點需要注意，有時人們會說 「把小行星挖空然後旋轉它」，但實際上你永遠不會這樣做。這些物體所受的重力會隨著離旋轉軸距離的增加而增大，而大多數小行星是由鬆散的碎石構成的，其表面重力非常微弱。如果真的以產生人類所需人工重力的速度旋轉整個小行星，它會立刻解體。而且，你也不需要旋轉整個小行星，只需確保旋轉物體與你在小行星內部構建的外殼之間有幾米的空隙即可。
另外需要注意的是，這類結構的半徑或直徑受限於材料的承受能力，就像懸索橋的長度不能無限延長一樣，許多材料無法承受數英里長的周長所帶來的應力。
現在，讓我們來具體介紹各種例子。
馮・布勞恩空間站
這是 1952 年的馮・布勞恩空間站，是最早的設計之一，看起來也相當眼熟。它體積不大，直徑不到 100 米，可容納不到 100 人。美國國家航空航天局（NASA）在 20 世紀 50 年代末和 60 年代初製作了不少這類模型。
六邊形旋轉充氣空間站
這是 20 世紀 60 年代初設計的一款六邊形旋轉充氣空間站。不久之後，人們開始構想更大的空間，這些空間不再是類似南極科考站那樣狹窄封閉的工作場所，而是真正適合人類居住的地方。
斯坦福金牛座空間站與博納球體空間站
其中最早的一批構想包括斯坦福金牛座空間站和同一時期的博納球體空間站。這些設計均假設使用鋼材建造，並利用當地恆星的光線提供能量。它們的直徑達數公里或數英里，可容納數千、數萬甚至數十萬人。
奧尼爾圓柱體空間站
這些通常被稱為 「奧尼爾圓柱體空間站」，以傑拉德・奧尼爾的名字命名。其設計理念是利用當地恆星的光線供電，直徑達數公里或數英里，可容納數千、數萬甚至數十萬人。
巴比倫 5 號空間站
科幻作品中一個廣為人知的例子是電視節目《巴比倫 5 號》中的空間站。這些設計基於一個前提：使用普通金屬建造的空間站，直徑超過約 10 公里後就會開始解體。
伊諾克城項目空間站
這是伊諾克城項目中的另一個例子，你可以在他們的臉書主頁上了解更多相關信息。
到目前為止，我們所討論的都是相對較小的物體，接下來我們將介紹更大的結構，這類結構只有在 20 世紀 90 年代中期發現碳納米管和石墨烯後才得以構想。這些材料你可能已經聽說過很多，它們讓我們產生了太空電梯等想法。此時，我們討論的不再是僅能容納數千人的小型結構，也不是城市或大都市規模的物體，而是相當於大國面積的巨型結構。
這張圖片中的英國是按比例呈現的，英國從北到南約 1000 公里，而圖中的這個結構寬約 500 公里，直徑約 2000 公里，其內部陸地面積實際上與美國東部地區相當。
畢肖普環
但畢肖普環僅僅是利用石墨烯和碳納米管所能實現的眾多構想的冰山一角。
麥肯德里圓柱體空間站
接下來是更大的麥肯德里圓柱體空間站，它的長度達數千公里，寬度與畢肖普環相當。這個物體有潛力容納接近一個行星規模的人口，其宜居性人口指數為 IX（即 9），可以舒適地容納 10 億人。它的長度通常為 7000 公里，體積極為龐大，而且還可以設置多個層級。我們通常將其想像為只有一個面向天空的層級，但實際上它可以有很多很多層。例如，在這張圖片中，與行星對比的並非麥肯德里圓柱體空間站的特寫，而是其實際尺寸比例 —— 它長達數千公里。此外，它不一定需要那些吸光圓盤，這只是基於沒有其他能源來模擬陽光的假設。
如前所述，使用傳統材料建造這類結構時，其尺寸會受到一定限制，但你仍然可以將其作為一個整體結構不斷擴大規模。梯次結構
一個例子是梯次結構，這個看似圍繞圓周排列的 「梯子」 上的每一個小橫檔，都可能是奧尼爾圓柱體空間站或麥肯德里圓柱體空間站大小的物體。因此，這個結構的規模可能相當於多個行星，甚至可以環繞整個恆星。
班克斯軌道棲息地
一個特別值得一提的軌道棲息地是班克斯軌道棲息地，以已故的偉大作家 Iain M. Banks 的名字命名，他創作了《文明》系列作品。這種軌道棲息地的半徑經過特殊設計，能夠產生與地球相似的重力，其長度與它所環繞的恆星的軌道周期完全一致。它的直徑達數百萬公里，建成後通常相當於數百個地球的大小，不過你也可以將它建造得更厚。但對於特定的晝夜長度和重力條件，它只有一個精確的尺寸能夠滿足這種配置要求。
環形世界
接下來是一個非常受歡迎的結構 —— 環形世界，由拉里・尼文在其同名小說中推廣開來。這是一種環繞恆星運行的軌道棲息地，通常位於與地球到太陽距離相當的位置，其規模約為數百萬個地球大小。
托皮斯（麵條世界）
同樣來自這位作家，但不太為人所知的是托皮斯（也稱為麵條世界）。這是一種細長的旋轉棲息地，長度極長，可以環繞恆星多圈。只要它的長度遠大於寬度，就可以像繩子一樣輕鬆旋轉，即使環繞恆星也是如此，因此它的長度幾乎可以不受限制。
多面體棲息地（幸運棲息地）
還有一些例子，如旺格世界或托皮斯，屬於多面體棲息地，有時也被稱為幸運棲息地。它們可以非常巨大，環繞多顆恆星運行，但本質上是由多個圓柱形棲息地連接而成，這些圓柱形棲息地既可以是麥肯德里圓柱體空間站大小，也可以是奧尼爾圓柱體空間站大小。再次說明一下，麥肯德里圓柱體空間站的長度通常為數千公里，而奧尼爾圓柱體空間站的長度通常為數十公里。
球形重力（經典重力）類結構
現在，我們來介紹下一類 —— 球形重力（經典重力）類結構。
首先，我想介紹一個混合例子。很多時候，在月球基地或空間站等場所，重力確實存在且較為明顯，但並不符合人類的需求。在虛構作品中，人們通常只能接受這種情況，但實際上並非如此。你可以將旋轉重力與球形重力（經典重力）結合起來，就像洗衣機放水後旋轉會形成拋物線一樣，你可以將棲息地的側面設計成傾斜的形狀。這樣一來，當棲息地旋轉時，當地質量產生的重力與旋轉產生的重力相結合，就能產生與地球相當的重力。如果是在月球這樣的真空環境中，沒有理由不這樣做 —— 雖然過程有些麻煩，也比較耗能，但實際上並非難以實現。
我們的下一個主要類別是球形重力（經典重力）類結構。這個類別實際上比你最初想像的要廣泛得多，我們談論的不僅僅是大型衛星和經典行星，還包括殼層世界。
殼層世界
殼層世界的例子包括圍繞大型天體（如黑洞 —— 可能比行星小，也可能更大，因為它可能是人造黑洞；或氣態巨行星；甚至只是壓縮氣體）構建的世界。這並不嚴格局限於使用超強度材料來製造相當於多個行星大小的剛性外殼，而是可以採用一種名為 「主動支撐」 的技術。理解主動支撐最簡單的方式是想像一根兩端都連接著泵的水管，打開泵後，水管會立即呈圓形展開。你可以利用磁驅動的微小粒子（即運動的質量流）來實現這一點，從而製造出巨大的圓形剛性物體。我們稱之為主動支撐，是因為無論這個系統的效率有多高，都會存在一定的能量損耗，因此你需要不斷為系統補充能量，以維持星球的結構穩定，防止其坍塌。這在科學上是完全可行的，只是目前我們的技術還無法實現，因為它需要巨大的能量消耗，但它確實是太空電梯的一種替代方案。你可以製造一個這樣的環形結構，使其懸停在行星大氣層上方，然後通過數英里高的短繫繩與行星表面連接。
套娃式殼層世界
另一個自然重力類結構的例子是套娃式殼層世界，它就像俄羅斯套娃一樣，由一層又一層同心球體嵌套而成。你需要為這些層級提供人工照明，並且需要巨大的 「枕頭」 來支撐 「天空」。這是一個非常類似 「阿特拉斯扛天」 的例子 —— 每一層的重力要麼隨著向外延伸而略有增加，要麼如果各層之間距離足夠遠，你可以通過調整每層的距離，使各層保持穩定且相同的重力。
需要注意的是，不要將其與我們稍後會討論的另一種結構 —— 套娃大腦混淆。套娃大腦這個術語你可能會聽到得更多。
環形世界 / 金牛座世界（甜甜圈世界）
另一個例子是環形世界 / 金牛座世界（也可稱為甜甜圈世界）。在這個例子中，該結構的規模約為地球的 10 倍。只要環形的直徑遠大於環本身的寬度，其表面就會有完全正常的重力。
微重力棲息地類結構
我們的下一個類別是微重力棲息地類結構。這類結構的形狀幾乎不受限制，既包括空間站或太空梭，也包括充滿空氣的獨立封閉世界。
煙環世界
這是另一種由拉里・尼文推廣的人造世界，弗里曼・戴森博士和保羅・伯奇等人也參與提出了幾乎所有這類構想，非常令人印象深刻。他提出的煙環世界例子，實際上是在整個恆星周圍形成一個巨大的、鬆散的大氣層，呈大型環形；但也存在獨立封閉的變體，例如球體棲息地—— 它的外部有廣告標識，內部則是低重力環境，空氣充足、溫度適宜，但需要人工照明，且屬於零重力環境。
圓盤世界
一些更受歡迎的例子包括圓盤世界，如圖所示，這個圓盤世界的直徑達數千公里。在這裡，人類生活在一個 「平地球」 的一側或兩側。如果它足夠大，自身可以產生重力，但我們通常認為這類結構採用的是人工重力。這個概念最著名的虛構例子是特里・普拉切特的《碟形世界》系列奇幻諷刺小說，以及奧森圓盤。
通常來說，奧森圓盤並不被認為是一個非常實用的結構，人們喜歡它只是因為它體型巨大 —— 它環繞整個恆星，但幾乎始終處於永恆的暮色之中，無法獲得充足的光線。不過，你可以通過在恆星上方漂浮鏡子來解決這個問題，從而建立晝夜循環。這就涉及到我們稍後會提到的另一個概念 ——靜態衛星。
靜態衛星
靜態衛星類似於太陽帆，依靠太陽光的推力移動，但它被精確放置在太陽壓力與重力相互平衡的位置，因此不會墜入太陽，也不會遠離太陽。利用靜態衛星，你可以在太陽上方漂浮一面大鏡子，或者數百面小鏡子。
恆星發動機類結構
現在，我們來介紹 「恆星發動機」 類結構，其中最經典的例子是戴森球。
戴森球
戴森球的陸地表面積約為地球的數十億倍，不過實際的戴森球可能會比地球到太陽的距離更遠一些，這是為了實現晝夜循環 —— 你可能需要在周圍放置一些靜態衛星鏡子來模擬晝夜交替。地球有晝夜兩面，而如果在地球到太陽的距離處，一直處於日光照射下，你很快就會被融化，因此需要將戴森球放置在更遠的位置。
從本質上講，戴森球本身並不是一個穩定的物體，它甚至可能會飄向其環繞的恆星，並且需要人工重力。因此，我們通常討論的是戴森群，它與戴森場基本相同，只是由數百萬、數十億甚至數萬億個旋轉棲息地或靜態衛星組成。
戴森群的另一個特點是不需要完全封閉，可以分階段建造。例如，你可以先建造一個僅能吸收 1% 恆星光線的戴森群，利用當地材料建造會比建造一個真正的戴森球容易得多 —— 因為要建造一個厚實的戴森球外殼，我們可能沒有足夠的物質。
戴森群也存在一定的不穩定性，因此我們有時也會討論詹金群，它是一個圍繞恆星運行的大型環形結構，由各種群狀物體和旋轉天體組成。不過，這些天體並不沿圓形軌道運行，而是沿略微橢圓的軌道運行，使其與太陽的距離時近時遠，你可以利用這一點來模擬季節變化。
套娃大腦
我們之前提到過套娃大腦，它本質上是一個戴森球或戴森群，但並非用於人類居住，而是利用收集到的能量來運行一台巨大的超級計算機。戴森球在可容納人口數量方面已經大到令人難以想像，而套娃大腦在計算能力方面則更是如此 —— 尤其是假設它由比我們目前先進得多的微型計算機運行。如果將套娃大腦視為一個人類大腦，它的運算速度可能是人類大腦的數萬億億億倍。
恆星提升群 / 恆星提升環
恆星發動機的另一類是旨在從恆星中提取物質的結構 —— 恆星提升群或恆星提升環。這基本上是一種 「殺死」 恆星的方式，但並非作為武器使用。這需要大量的基礎設施，主要依靠恆星的磁場，在恆星周圍設置一個反向旋轉的環或群，從而剝離恆星物質，並使其從恆星的南北兩極噴射出去。恆星的磁場非常強烈，通過設置一個作為超導磁體旋轉的環，你可以從恆星上剝離數千億噸物質，最終可能將恆星完全耗盡。
大質量恆星的壽命較短，氫燃料的燃燒比例也小得多。因此，有理由認為，你可以選取一顆比太陽更大的黃色恆星，剝離其物質，使其壽命延長；甚至可以剝離太陽的物質，將其轉化為紅矮星 —— 紅矮星的壽命長達數千億甚至數萬億年，幾乎能耗盡所有氫燃料，因此可以被視為更長久、更高效的 「發動機」。
奇卡塔推進器
如果你真的想移動一顆恆星或整個太陽系，就需要用到奇卡塔推進器。它基本上是一個環繞恆星的半面鏡子，通常比戴森場更靠近恆星 —— 只要確保它不會被融化即可。這可以是一個靜態衛星或一群靜態衛星，光線從一個方向撞擊它們，然後被反射到相反方向。恆星發出的光線朝一個大致方向射出，這會對鏡子、恆星以及整個太陽系產生一個推力，使其緩慢加速到高速。要移動到任何有意義的距離需要數百萬年，要在星系尺度上移動則需要數十億年，但這種方式在理論上是完全可行的。
需要注意的是，其加速度與恆星的光度和質量有關：恆星越亮，移動速度越快；質量越大，移動速度越慢。但恆星的光度增長速度遠快於其質量增長速度，大約是質量的三次方或四次方。因此，像可能發生超新星爆發的極亮恆星，是奇卡塔推進器的理想目標，因為你可以讓它移動得非常快；相反，紅矮星通過這種方式加速則需要很長時間。
以上就是恆星發動機類結構的相關介紹。
但這還不是全部，人們還構想了許多更大的、星系尺度的結構。我想簡要提及的一個例子是保羅・伯奇提出的構想：以一個星系大小的黑洞（這裡指質量達數百萬倍太陽質量的黑洞，就像你在星系中心發現的那種）為核心，圍繞它建造一個殼層，就像我們之前討論的超大型殼層世界或套娃式殼層世界，然後在這個殼層外面再建造另一個殼層，一層又一層，不斷嵌套。顯然，這些殼層必須依靠主動支撐。你可以設置如此多的層級，以至於它不僅僅是一個戴森場，其規模相對於戴森球而言，就如同戴森球相對於地球一樣龐大。你甚至可以在這個結構內部居住，擁有無數層殼層世界或軌道棲息地，其可居住面積相當於數萬億個地球。有趣的是，由於引力扭曲效應，最低層級的時間流逝速度比最高層級慢，而且不會有潮汐力將你撕裂 —— 最低層級的時間過得較慢，最高層級的時間則正常流逝。據我所知，這是人類能夠構想的、可供普通人居住的最大結構。我個人對它特別感興趣，不僅因為它比戴森球還要巨大得多，還因為它位於星系中心，似乎是銀河帝國的絕佳首都。
我們將介紹各種類型的巨型結構、人造世界及建築，這些你可能在科學領域或科幻作品中有所耳聞。我們會涵蓋從可能僅容納十幾人的近地軌道類型，到行星大小甚至太陽系規模的物體，比如戴森球。為此，我們採用了一套臨時分類系統，大致基於巨型結構分類法。現在，讓我們開始介紹我們的分類系統。
重力類型分類
首先是重力類型分類，包括無適用人工重力的情況、旋轉重力、球形重力或經典重力，以及零重力或微重力。
人工重力
說到人工重力，這是你在科幻電影中最常見的場景。由於無法在零重力或微重力環境下拍攝電影，所以在電視和電影中，它們通常會設定某種形式的人工重力。我們不會過多列舉這類例子，但值得將其作為一個分類提及，後續我們也會看到少數相關案例。
無適用重力的情況
此外，還有很多無適用重力的情況，比如軌道發射環，其所在位置的重力與物體本身並無關聯；或者像巨型太空炮或軌道炮這類物體，重力與其用途毫無關係，我們無需關注其重力情況。
旋轉重力
我們將重點關注的是旋轉重力。這是一種自旋重力，人們感受到的重力是由離心力將其固定在地板上而產生的。我們有很多這類例子，之後會逐一介紹，它可能占據了我們要討論的大部分案例。我們儘量避免涉及過多複雜的數學知識，但有一個與旋轉棲息地相關的重要方程需要提及：加速度（若要模擬地球重力，加速度需為 9.8 米 / 秒 ²）。要實現這一加速度，需要根據空間站的半徑，以特定速度旋轉空間站，其計算公式為速度的平方除以半徑。
球形重力或經典重力
接下來是球形重力或經典重力，這並不局限於行星或小行星，但它們是最常見的例子。這是你所體驗到的真實重力，其產生不一定源於經典意義上的行星。在許多情況下，你可以創造出因質量而產生重力的環境，但這類天體的大小可能與地球不同，或者其起源並非天然的類地天體。它們的形狀和大小几乎與旋轉環形棲息地一樣豐富多樣，我們也會介紹不少這類例子。
零重力或微重力
最後一類是零重力或微重力。在這種情況下，棲息地、空間站或人造世界內部的人們除了會感受到極微弱的重力外，幾乎沒有明顯的重力體驗。除了空間站，還可能存在一些大型充氣球體，內部充滿空氣，這類結構也屬於零重力或微重力環境。
尺寸分類
我們分類系統的下一個類別是尺寸。這些物體的尺寸範圍極廣，從小型空間站一直到太陽系大小的天體。因此，我們採用了一套數量級尺度來劃分，用數字 n 表示，其中 n 代表 10 的 n 次方米（即物體的寬度以米為單位，n=1 表示 10 米，n=2 表示 100 米，n=3 表示 1000 米，n=6 表示 100 萬米，以此類推）。
尺寸與上述重力類型的組合方式如下：Z1 代表直徑約 10 米的零重力環境，例如空間站；長度達數英里的大型旋轉棲息地可表示為 R4；像地球以及幾乎所有你通常認為適合人類居住的行星，可表示為 S7，其中 S 代表球形重力，其直徑約為 10000 公里（即 1000 萬米）；而 A11 則代表與地球繞太陽軌道大小相當的人工重力環境，例如戴森場。
宜居性分類
最後一個分類是宜居性。為了方便計算，我們假設 1 公頃（即 100 米 ×100 米的區域，大約相當於 1 英畝）的面積，足以讓一個人種植所有所需的食物，並有一些森林和花園區域。這是一個非常粗略的估算，但地球的陸地面積約為 140 億公頃，其中包括沙漠和極地等不適宜居住的區域，而地球人口約為 70 億（大致為 10 的 10 次方）。這恰好為我們提供了宜居性指數 X=10，我們採用同樣的 10 的 n 次方系統來表示。X 值適用於地球和其他行星，S7X 則代表完全人口化的典型行星。
這個圖表是我們的實用指南，我們使用該分類時僅作大致參考。例如，狩獵採集文明的宜居性指數可能會低兩個等級，他們每人不需要 1 公頃的土地，大約需要 100 公頃；相反，通過高密度水培法、氣培法和人工照明，1 公頃的土地可以輕鬆養活 100 人。在某些科幻設定或人類未來場景中，人類甚至可能不需要進食，而是依靠電力生存。因此，這只是一個大致的尺度，X 值大致相當於一顆行星的人口數量。我們僅將該指數用於那些本身雖不算特別巨大，但大致能實現自給自足、類似人造行星的場所。在很多情況下，宜居性指數並不適用；而對於適用的情況，其分類形式如下：Z1I 或 Z11 代表空間站，上面的人口非常少；R4V 或 R45 代表可容納約 10 萬人的區域；S7X（再次以地球為例）代表可容納數十億人口的場所；而戴森球這類結構，其內部空間與地球相當，可容納數千億億人口。
由於無適用人工重力類別的物體沒有特定形狀，且種類繁多，我們將從旋轉重力類物體開始，作為具體例子進行介紹。
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此外，需要明確的是，當涉及飛船或空間站時，這些物體的外部不一定是圓柱形。就產生重力的部分而言，它們是圓柱形的，但外部可能有一個不旋轉的外殼；或者，你甚至可以將它們直接嵌入小行星內部。不過，有一點需要注意，有時人們會說 「把小行星挖空然後旋轉它」，但實際上你永遠不會這樣做。這些物體所受的重力會隨著離旋轉軸距離的增加而增大，而大多數小行星是由鬆散的碎石構成的，其表面重力非常微弱。如果真的以產生人類所需人工重力的速度旋轉整個小行星，它會立刻解體。而且，你也不需要旋轉整個小行星，只需確保旋轉物體與你在小行星內部構建的外殼之間有幾米的空隙即可。
另外需要注意的是，這類結構的半徑或直徑受限於材料的承受能力，就像懸索橋的長度不能無限延長一樣，許多材料無法承受數英里長的周長所帶來的應力。
現在，讓我們來具體介紹各種例子。
馮・布勞恩空間站
這是 1952 年的馮・布勞恩空間站，是最早的設計之一，看起來也相當眼熟。它體積不大，直徑不到 100 米，可容納不到 100 人。美國國家航空航天局（NASA）在 20 世紀 50 年代末和 60 年代初製作了不少這類模型。
六邊形旋轉充氣空間站
這是 20 世紀 60 年代初設計的一款六邊形旋轉充氣空間站。不久之後，人們開始構想更大的空間，這些空間不再是類似南極科考站那樣狹窄封閉的工作場所，而是真正適合人類居住的地方。
斯坦福金牛座空間站與博納球體空間站
其中最早的一批構想包括斯坦福金牛座空間站和同一時期的博納球體空間站。這些設計均假設使用鋼材建造，並利用當地恆星的光線提供能量。它們的直徑達數公里或數英里，可容納數千、數萬甚至數十萬人。
奧尼爾圓柱體空間站
這些通常被稱為 「奧尼爾圓柱體空間站」，以傑拉德・奧尼爾的名字命名。其設計理念是利用當地恆星的光線供電，直徑達數公里或數英里，可容納數千、數萬甚至數十萬人。
巴比倫 5 號空間站
科幻作品中一個廣為人知的例子是電視節目《巴比倫 5 號》中的空間站。這些設計基於一個前提：使用普通金屬建造的空間站，直徑超過約 10 公里後就會開始解體。
伊諾克城項目空間站
這是伊諾克城項目中的另一個例子，你可以在他們的臉書主頁上了解更多相關信息。
到目前為止，我們所討論的都是相對較小的物體，接下來我們將介紹更大的結構，這類結構只有在 20 世紀 90 年代中期發現碳納米管和石墨烯後才得以構想。這些材料你可能已經聽說過很多，它們讓我們產生了太空電梯等想法。此時，我們討論的不再是僅能容納數千人的小型結構，也不是城市或大都市規模的物體，而是相當於大國面積的巨型結構。
這張圖片中的英國是按比例呈現的，英國從北到南約 1000 公里，而圖中的這個結構寬約 500 公里，直徑約 2000 公里，其內部陸地面積實際上與美國東部地區相當。
畢肖普環
但畢肖普環僅僅是利用石墨烯和碳納米管所能實現的眾多構想的冰山一角。
麥肯德里圓柱體空間站
接下來是更大的麥肯德里圓柱體空間站，它的長度達數千公里，寬度與畢肖普環相當。這個物體有潛力容納接近一個行星規模的人口，其宜居性人口指數為 IX（即 9），可以舒適地容納 10 億人。它的長度通常為 7000 公里，體積極為龐大，而且還可以設置多個層級。我們通常將其想像為只有一個面向天空的層級，但實際上它可以有很多很多層。例如，在這張圖片中，與行星對比的並非麥肯德里圓柱體空間站的特寫，而是其實際尺寸比例 —— 它長達數千公里。此外，它不一定需要那些吸光圓盤，這只是基於沒有其他能源來模擬陽光的假設。
如前所述，使用傳統材料建造這類結構時，其尺寸會受到一定限制，但你仍然可以將其作為一個整體結構不斷擴大規模。梯次結構
一個例子是梯次結構，這個看似圍繞圓周排列的 「梯子」 上的每一個小橫檔，都可能是奧尼爾圓柱體空間站或麥肯德里圓柱體空間站大小的物體。因此，這個結構的規模可能相當於多個行星，甚至可以環繞整個恆星。
班克斯軌道棲息地
一個特別值得一提的軌道棲息地是班克斯軌道棲息地，以已故的偉大作家 Iain M. Banks 的名字命名，他創作了《文明》系列作品。這種軌道棲息地的半徑經過特殊設計，能夠產生與地球相似的重力，其長度與它所環繞的恆星的軌道周期完全一致。它的直徑達數百萬公里，建成後通常相當於數百個地球的大小，不過你也可以將它建造得更厚。但對於特定的晝夜長度和重力條件，它只有一個精確的尺寸能夠滿足這種配置要求。
環形世界
接下來是一個非常受歡迎的結構 —— 環形世界，由拉里・尼文在其同名小說中推廣開來。這是一種環繞恆星運行的軌道棲息地，通常位於與地球到太陽距離相當的位置，其規模約為數百萬個地球大小。
托皮斯（麵條世界）
同樣來自這位作家，但不太為人所知的是托皮斯（也稱為麵條世界）。這是一種細長的旋轉棲息地，長度極長，可以環繞恆星多圈。只要它的長度遠大於寬度，就可以像繩子一樣輕鬆旋轉，即使環繞恆星也是如此，因此它的長度幾乎可以不受限制。
多面體棲息地（幸運棲息地）
還有一些例子，如旺格世界或托皮斯，屬於多面體棲息地，有時也被稱為幸運棲息地。它們可以非常巨大，環繞多顆恆星運行，但本質上是由多個圓柱形棲息地連接而成，這些圓柱形棲息地既可以是麥肯德里圓柱體空間站大小，也可以是奧尼爾圓柱體空間站大小。再次說明一下，麥肯德里圓柱體空間站的長度通常為數千公里，而奧尼爾圓柱體空間站的長度通常為數十公里。
球形重力（經典重力）類結構
現在，我們來介紹下一類 —— 球形重力（經典重力）類結構。
首先，我想介紹一個混合例子。很多時候，在月球基地或空間站等場所，重力確實存在且較為明顯，但並不符合人類的需求。在虛構作品中，人們通常只能接受這種情況，但實際上並非如此。你可以將旋轉重力與球形重力（經典重力）結合起來，就像洗衣機放水後旋轉會形成拋物線一樣，你可以將棲息地的側面設計成傾斜的形狀。這樣一來，當棲息地旋轉時，當地質量產生的重力與旋轉產生的重力相結合，就能產生與地球相當的重力。如果是在月球這樣的真空環境中，沒有理由不這樣做 —— 雖然過程有些麻煩，也比較耗能，但實際上並非難以實現。
我們的下一個主要類別是球形重力（經典重力）類結構。這個類別實際上比你最初想像的要廣泛得多，我們談論的不僅僅是大型衛星和經典行星，還包括殼層世界。
殼層世界
殼層世界的例子包括圍繞大型天體（如黑洞 —— 可能比行星小，也可能更大，因為它可能是人造黑洞；或氣態巨行星；甚至只是壓縮氣體）構建的世界。這並不嚴格局限於使用超強度材料來製造相當於多個行星大小的剛性外殼，而是可以採用一種名為 「主動支撐」 的技術。理解主動支撐最簡單的方式是想像一根兩端都連接著泵的水管，打開泵後，水管會立即呈圓形展開。你可以利用磁驅動的微小粒子（即運動的質量流）來實現這一點，從而製造出巨大的圓形剛性物體。我們稱之為主動支撐，是因為無論這個系統的效率有多高，都會存在一定的能量損耗，因此你需要不斷為系統補充能量，以維持星球的結構穩定，防止其坍塌。這在科學上是完全可行的，只是目前我們的技術還無法實現，因為它需要巨大的能量消耗，但它確實是太空電梯的一種替代方案。你可以製造一個這樣的環形結構，使其懸停在行星大氣層上方，然後通過數英里高的短繫繩與行星表面連接。
套娃式殼層世界
另一個自然重力類結構的例子是套娃式殼層世界，它就像俄羅斯套娃一樣，由一層又一層同心球體嵌套而成。你需要為這些層級提供人工照明，並且需要巨大的 「枕頭」 來支撐 「天空」。這是一個非常類似 「阿特拉斯扛天」 的例子 —— 每一層的重力要麼隨著向外延伸而略有增加，要麼如果各層之間距離足夠遠，你可以通過調整每層的距離，使各層保持穩定且相同的重力。
需要注意的是，不要將其與我們稍後會討論的另一種結構 —— 套娃大腦混淆。套娃大腦這個術語你可能會聽到得更多。
環形世界 / 金牛座世界（甜甜圈世界）
另一個例子是環形世界 / 金牛座世界（也可稱為甜甜圈世界）。在這個例子中，該結構的規模約為地球的 10 倍。只要環形的直徑遠大於環本身的寬度，其表面就會有完全正常的重力。
微重力棲息地類結構
我們的下一個類別是微重力棲息地類結構。這類結構的形狀幾乎不受限制，既包括空間站或太空梭，也包括充滿空氣的獨立封閉世界。
煙環世界
這是另一種由拉里・尼文推廣的人造世界，弗里曼・戴森博士和保羅・伯奇等人也參與提出了幾乎所有這類構想，非常令人印象深刻。他提出的煙環世界例子，實際上是在整個恆星周圍形成一個巨大的、鬆散的大氣層，呈大型環形；但也存在獨立封閉的變體，例如球體棲息地—— 它的外部有廣告標識，內部則是低重力環境，空氣充足、溫度適宜，但需要人工照明，且屬於零重力環境。
圓盤世界
一些更受歡迎的例子包括圓盤世界，如圖所示，這個圓盤世界的直徑達數千公里。在這裡，人類生活在一個 「平地球」 的一側或兩側。如果它足夠大，自身可以產生重力，但我們通常認為這類結構採用的是人工重力。這個概念最著名的虛構例子是特里・普拉切特的《碟形世界》系列奇幻諷刺小說，以及奧森圓盤。
通常來說，奧森圓盤並不被認為是一個非常實用的結構，人們喜歡它只是因為它體型巨大 —— 它環繞整個恆星，但幾乎始終處於永恆的暮色之中，無法獲得充足的光線。不過，你可以通過在恆星上方漂浮鏡子來解決這個問題，從而建立晝夜循環。這就涉及到我們稍後會提到的另一個概念 ——靜態衛星。
靜態衛星
靜態衛星類似於太陽帆，依靠太陽光的推力移動，但它被精確放置在太陽壓力與重力相互平衡的位置，因此不會墜入太陽，也不會遠離太陽。利用靜態衛星，你可以在太陽上方漂浮一面大鏡子，或者數百面小鏡子。
恆星發動機類結構
現在，我們來介紹 「恆星發動機」 類結構，其中最經典的例子是戴森球。
戴森球
戴森球的陸地表面積約為地球的數十億倍，不過實際的戴森球可能會比地球到太陽的距離更遠一些，這是為了實現晝夜循環 —— 你可能需要在周圍放置一些靜態衛星鏡子來模擬晝夜交替。地球有晝夜兩面，而如果在地球到太陽的距離處，一直處於日光照射下，你很快就會被融化，因此需要將戴森球放置在更遠的位置。
從本質上講，戴森球本身並不是一個穩定的物體，它甚至可能會飄向其環繞的恆星，並且需要人工重力。因此，我們通常討論的是戴森群，它與戴森場基本相同，只是由數百萬、數十億甚至數萬億個旋轉棲息地或靜態衛星組成。
戴森群的另一個特點是不需要完全封閉，可以分階段建造。例如，你可以先建造一個僅能吸收 1% 恆星光線的戴森群，利用當地材料建造會比建造一個真正的戴森球容易得多 —— 因為要建造一個厚實的戴森球外殼，我們可能沒有足夠的物質。
戴森群也存在一定的不穩定性，因此我們有時也會討論詹金群，它是一個圍繞恆星運行的大型環形結構，由各種群狀物體和旋轉天體組成。不過，這些天體並不沿圓形軌道運行，而是沿略微橢圓的軌道運行，使其與太陽的距離時近時遠，你可以利用這一點來模擬季節變化。
套娃大腦
我們之前提到過套娃大腦，它本質上是一個戴森球或戴森群，但並非用於人類居住，而是利用收集到的能量來運行一台巨大的超級計算機。戴森球在可容納人口數量方面已經大到令人難以想像，而套娃大腦在計算能力方面則更是如此 —— 尤其是假設它由比我們目前先進得多的微型計算機運行。如果將套娃大腦視為一個人類大腦，它的運算速度可能是人類大腦的數萬億億億倍。
恆星提升群 / 恆星提升環
恆星發動機的另一類是旨在從恆星中提取物質的結構 —— 恆星提升群或恆星提升環。這基本上是一種 「殺死」 恆星的方式，但並非作為武器使用。這需要大量的基礎設施，主要依靠恆星的磁場，在恆星周圍設置一個反向旋轉的環或群，從而剝離恆星物質，並使其從恆星的南北兩極噴射出去。恆星的磁場非常強烈，通過設置一個作為超導磁體旋轉的環，你可以從恆星上剝離數千億噸物質，最終可能將恆星完全耗盡。
大質量恆星的壽命較短，氫燃料的燃燒比例也小得多。因此，有理由認為，你可以選取一顆比太陽更大的黃色恆星，剝離其物質，使其壽命延長；甚至可以剝離太陽的物質，將其轉化為紅矮星 —— 紅矮星的壽命長達數千億甚至數萬億年，幾乎能耗盡所有氫燃料，因此可以被視為更長久、更高效的 「發動機」。
奇卡塔推進器
如果你真的想移動一顆恆星或整個太陽系，就需要用到奇卡塔推進器。它基本上是一個環繞恆星的半面鏡子，通常比戴森場更靠近恆星 —— 只要確保它不會被融化即可。這可以是一個靜態衛星或一群靜態衛星，光線從一個方向撞擊它們，然後被反射到相反方向。恆星發出的光線朝一個大致方向射出，這會對鏡子、恆星以及整個太陽系產生一個推力，使其緩慢加速到高速。要移動到任何有意義的距離需要數百萬年，要在星系尺度上移動則需要數十億年，但這種方式在理論上是完全可行的。
需要注意的是，其加速度與恆星的光度和質量有關：恆星越亮，移動速度越快；質量越大，移動速度越慢。但恆星的光度增長速度遠快於其質量增長速度，大約是質量的三次方或四次方。因此，像可能發生超新星爆發的極亮恆星，是奇卡塔推進器的理想目標，因為你可以讓它移動得非常快；相反，紅矮星通過這種方式加速則需要很長時間。
以上就是恆星發動機類結構的相關介紹。
但這還不是全部，人們還構想了許多更大的、星系尺度的結構。我想簡要提及的一個例子是保羅・伯奇提出的構想：以一個星系大小的黑洞（這裡指質量達數百萬倍太陽質量的黑洞，就像你在星系中心發現的那種）為核心，圍繞它建造一個殼層，就像我們之前討論的超大型殼層世界或套娃式殼層世界，然後在這個殼層外面再建造另一個殼層，一層又一層，不斷嵌套。顯然，這些殼層必須依靠主動支撐。你可以設置如此多的層級，以至於它不僅僅是一個戴森場，其規模相對於戴森球而言，就如同戴森球相對於地球一樣龐大。你甚至可以在這個結構內部居住，擁有無數層殼層世界或軌道棲息地，其可居住面積相當於數萬億個地球。有趣的是，由於引力扭曲效應，最低層級的時間流逝速度比最高層級慢，而且不會有潮汐力將你撕裂 —— 最低層級的時間過得較慢，最高層級的時間則正常流逝。據我所知，這是人類能夠構想的、可供普通人居住的最大結構。我個人對它特別感興趣，不僅因為它比戴森球還要巨大得多，還因為它位於星系中心，似乎是銀河帝國的絕佳首都。