第252章 巨型建築
李水旺新一期視頻：
所以今天我們意外地回到了
巨型建築系列，
來看看那些形狀像
甜甜圈或圓環的假想巨型建築 ——「甜甜圈行星」 這個說法似乎不夠正式，所以 「圓環世界」 這個術語就流傳了下來。我私下裡叫它們 「玩具滾筒世界」—— 但這並不
完全準確。環面是指任何通過將一個曲面繞著一個圓旋轉而形成的物體，
所以最終會得到一種環形結構。圓環面則是指那個旋轉的曲面本身是一個圓，
而且它還有一些不那麼顯而易見的起源。圓環面有兩種半徑：長半徑，
即旋轉時圍繞的半徑；
短半徑，
即構成圓環面的那個圓的半徑。
它還有一些特殊的變體，比如紡錘形圓環面 —— 當長半徑小於短半徑時，
形狀更像一個蘋果，
如果長半徑為 0，
它就會變成一個球體；還有角形圓環面，
即長半徑和短半徑相等的情況。
但我們感興趣的是環形結構，
特別是長半徑不僅大於短半徑，
而且要大得多的那種，「圓環世界」 這個概念正好符合這一點。
實際上，
這種形狀的行星在自然界中是有可能存在的 —— 雖然可能性極低，
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但並非完全不可能。
它要麼起源於雙行星（這是下周宜居行星系列要討論的主題），
要麼是一顆旋轉速度極快的橢球形行星解體後形成的圓環。
以紡錘形圓環面為例，
它已經非常接近一顆高速旋轉的行星可能呈現的樣子。
我見過一些關於這類行星可能自然形成的有趣討論，
但這是巨型建築系列，
所以自然界的情況可以先放一放（畢竟摩天大樓從某種意義上說也是自然存在的，
不是嗎？）。
而建造圓環世界也可以利用同樣的基本原理：
利用旋轉速度極快的軌道質量產生的離心力來防止結構坍塌，
同時在其上方通過磁懸浮技術搭建一個不旋轉的靜止層 —— 我們可以在這個層上建造行星，
我稱之為 「外殼」。
需要說明的是，
巨型建築系列並不是一個獨立完整的系列，
我們會大量引用之前的概念，
尤其是在這一期中。
所以你可能需要回頭去看看那些科普和講解，
以更好地理解。
在某些方面，
建造這樣一個圓環世界實際上更容易，
因為它的外殼本身就相當接近穩定狀態。
圓環世界雖然不是穩定的自然行星形態，
但已經非常接近了，
所以我們的人造版本只需要額外付出一點努力就能確保其穩定性。
本質上，
你是在建造一個巨大的圓環，
其軌道產生的離心力與試圖讓它坍塌的引力相互抵消。
這和土星的行星環沒有什麼不同，
只是圓環世界是實心的，
而且質量要大得多 —— 通常在質量和居住面積上都是地球的十幾倍左右。
像土星環這樣的行星環在天文時間尺度上並不是非常穩定，
碰撞和引力擾動往往會慢慢消耗它們。
土星並不總是有這麼大的環，
將來也不會一直擁有。
地球可能也曾多次擁有過行星環，
而且可能比土星的環厚得多，
只是其中一部分聚合成了月球，
其餘的要麼落到了地球上，
要麼被甩出了地球的引力範圍。
在很多方面，
圓環世界其實就是一個保持實心且穩定的行星環。
事實上，
這可能是改造海王星或天王星這類氣態巨行星的一個不錯的方法：
利用它們的岩石金屬核心作為外部外殼，
氣態部分作為填充材料，
為外殼上的居民產生引力，
同時防止外殼坍塌。
如果你在設計時考慮到這一點，
這樣的結構還能產生極強的磁場，
保護這個世界免受許多有害輻射的侵襲，
並留住大氣層。
就像我們在行星改造那次討論過的，
如果你想讓一個地方長期宜居，
你要麼讓它自身產生強大的磁場，
要麼在它周圍建造一個人造磁場，
要麼就不要讓大氣層暴露在外 —— 比如像封閉棲息地那樣，
一切都密封在內部。
而一個擁有熔融核心或高速旋轉填充材料的圓環世界，
將會產生非常強大的磁場，
足以抵禦更活躍的恆星和銀河系中環境最惡劣區域的輻射。
所以，
雖然圓環世界表面上看起來比圓盤世界更鋪張、
更不切實際，
甚至比殼層世界還要誇張，
但在很多情況下，
它們會具有顯著的優勢。
和殼層世界一樣，
但與圓盤世界不同的是，
如果圓環世界的自轉軸相對於太陽傾斜，
它不僅會有季節變化，
還會有熱帶和寒帶區域。
此外，
在圓環的正中心，
你可以放置一個物體讓它上下擺動，
不過它的周期更接近月球，
而不是太陽 —— 這可不是放置人造太陽來提供光照的好地方。
因為人造太陽要想提供足夠的光照，
就必須升到足夠高的位置，
而在圓環內部上下擺動一次的時間太長了。
不過，
在圓環中心放置一顆月球倒是個不錯的選擇，
儘管它需要穩定 —— 尤其是當圓環的自轉軸相對於太陽傾斜時（否則就沒有光照了，
就像在宇宙空間中一樣），
但這樣一來，
你就可以同時擁有月球和有趣的時間周期。
有趣的是，
很多老式電子遊戲中的地圖其實就對應著圓環面的形狀：
如果你一直向東、向西、向北或向南走，
最終會在同一個位置從另一邊出現。
如果你玩過很多這類遊戲，
尤其是任天堂的角色扮演遊戲，
你可能還記得這一點。
但一直讓我覺得有趣的是，
有些遊戲中還會有一個位於下方的 「地下世界」—— 雖然在殼層世界中也可以設置這樣的結構，
但它們只是位於上方，
並不會像 「空心地球」 模型那樣上下顛倒。
而圓環世界的酷炫之處在於，
你實際上可以通過一個巨大的內部懸浮棲息地來實現這種上下顛倒的結構 —— 有點像一個巨大的 「時間海洋」，
連接這兩個部分很簡單：
確保連接通道能讓你在下方達到與旋轉部分相匹配的速度，
然後通過一個氣閘裝置進入上方的 「外殼」—— 當然，
這個內部世界需要人工照明，
但這樣一來，
你的陸地面積就翻倍了。
另外，
就像殼層世界一樣，
如果採用人工照明，
你還可以在圓環上設置更多嵌套層。
而且，
既然已經使用了大量的主動支撐結構，
你還可以將多個這樣的圓環世界組合成一個鏈條。
這些圓環的中心沒有引力，
而且越靠近中心，
引力就越弱，
所以你可以把更多的圓環放在那裡，
或者採用更經典的鏈條式布局 —— 如果你在赤道周圍設置某種虛構的 「牽引帶」，
並像我們上次討論的那樣，
用一種強度極高的 「石質阿特拉斯支柱」 固定住，
防止各個圓環相互碰撞，
你就可以建造一個環繞整個恆星的長長的圓環鏈條。
現在我們需要談談引力和季節的問題。
引力問題相當複雜。
所有對稱物體的正中心引力都為零，
但只有空心球體的內部各處引力都為零。
對於常規的圓環面來說，
當你從中心向外徑向移動時，
引力會越來越大，
將你拉向圓環的內側。
這就是為什麼在圓環中心放置月球會非常棘手 —— 它很容易受到擾動，
最終撞上圓環的內壁。
如果你從中心的引力平衡點向上或向下移動，
引力會將你拉回中間，
但只有當你正對著中心上下移動時，
引力才會直接指向中間。
而在圓環的邊緣或附近，
引力的方向基本上是正確的 —— 指向圓環的內側，
但內側的引力比外側弱，
極點處的引力更強。
計算圓環世界的引力沒有簡單的公式，
它取決於圓環面的長半徑和短半徑的具體數值，
但我們只需從概念上理解即可。
在內部赤道處，
由於圓環世界的旋轉產生晝夜交替，
離心力會與引力同向，
所以這裡的引力比外部赤道處稍強；
而在外部赤道處，
離心力與引力方向相反，
導致引力較弱。
極點附近的引力問題尤其複雜，
特別是內側極點，
離心力會增強而非抵消正常的引力。
圓環世界可能會有非常壯觀的極光現象。
值得注意的是，
由於這類天體的半徑極大，
其地球同步軌道會非常低，
所以在圓環世界上建造太空電梯會相當簡單，
而且長度大約只有地球上太空電梯的十分之一左右。
雖然圓環中心的引力平衡點並不十分穩定，
但你仍然可以從那裡建造太空電梯，
並通過從中心樞紐延伸出三條纜線來穩定它 —— 因為圓周率大約是 3，
而周長等於圓周率乘以直徑，
三條纜線應該是你可能需要建造的最大數量了，
這樣可以方便地在圓環周圍移動。
好的，
再來談談天氣和季節。
我們可以像地球一樣讓圓環世界的自轉軸傾斜，
這樣當它圍繞太陽公轉時，
傾斜朝向太陽的一側會獲得更多光照，
就像地球的南北半球在一年中各有半年會獲得更多光照一樣 —— 我猜這裡應該稱之為 「傾斜的圓環」。
其次，
與圓盤世界不同，
但與其他正常的球形行星一樣，
圓環世界的赤道和我們姑且稱之為 「極點」 的區域（或許應該叫南北環帶更合適）之間會存在溫差 —— 這也符合你的預期，
赤道比南北區域更溫暖，
但這隻適用於外部赤道，
內部赤道因為獲得的光照較少，
會相對涼爽。
圓環世界的天氣很難預測，
因為引力會隨著緯度的變化而顯著變化，
而且圓環世界有更強的離心力和科里奧利力驅動天氣系統，
所以天氣會相當多變，
但總體來說，
只要條件適宜，
是可以達到類地環境的。
而且，
只要圓環世界每 24 小時旋轉一周，
你就能找到適合所有地球生物居住的地方。
這個概念還有很多值得探討的地方，
所以今天我們意外地回到了
巨型建築系列，
來看看那些形狀像
甜甜圈或圓環的假想巨型建築 ——「甜甜圈行星」 這個說法似乎不夠正式，所以 「圓環世界」 這個術語就流傳了下來。我私下裡叫它們 「玩具滾筒世界」—— 但這並不
完全準確。環面是指任何通過將一個曲面繞著一個圓旋轉而形成的物體，
所以最終會得到一種環形結構。圓環面則是指那個旋轉的曲面本身是一個圓，
而且它還有一些不那麼顯而易見的起源。圓環面有兩種半徑：長半徑，
即旋轉時圍繞的半徑；
短半徑，
即構成圓環面的那個圓的半徑。
它還有一些特殊的變體，比如紡錘形圓環面 —— 當長半徑小於短半徑時，
形狀更像一個蘋果，
如果長半徑為 0，
它就會變成一個球體；還有角形圓環面，
即長半徑和短半徑相等的情況。
但我們感興趣的是環形結構，
特別是長半徑不僅大於短半徑，
而且要大得多的那種，「圓環世界」 這個概念正好符合這一點。
實際上，
這種形狀的行星在自然界中是有可能存在的 —— 雖然可能性極低，
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但並非完全不可能。
它要麼起源於雙行星（這是下周宜居行星系列要討論的主題），
要麼是一顆旋轉速度極快的橢球形行星解體後形成的圓環。
以紡錘形圓環面為例，
它已經非常接近一顆高速旋轉的行星可能呈現的樣子。
我見過一些關於這類行星可能自然形成的有趣討論，
但這是巨型建築系列，
所以自然界的情況可以先放一放（畢竟摩天大樓從某種意義上說也是自然存在的，
不是嗎？）。
而建造圓環世界也可以利用同樣的基本原理：
利用旋轉速度極快的軌道質量產生的離心力來防止結構坍塌，
同時在其上方通過磁懸浮技術搭建一個不旋轉的靜止層 —— 我們可以在這個層上建造行星，
我稱之為 「外殼」。
需要說明的是，
巨型建築系列並不是一個獨立完整的系列，
我們會大量引用之前的概念，
尤其是在這一期中。
所以你可能需要回頭去看看那些科普和講解，
以更好地理解。
在某些方面，
建造這樣一個圓環世界實際上更容易，
因為它的外殼本身就相當接近穩定狀態。
圓環世界雖然不是穩定的自然行星形態，
但已經非常接近了，
所以我們的人造版本只需要額外付出一點努力就能確保其穩定性。
本質上，
你是在建造一個巨大的圓環，
其軌道產生的離心力與試圖讓它坍塌的引力相互抵消。
這和土星的行星環沒有什麼不同，
只是圓環世界是實心的，
而且質量要大得多 —— 通常在質量和居住面積上都是地球的十幾倍左右。
像土星環這樣的行星環在天文時間尺度上並不是非常穩定，
碰撞和引力擾動往往會慢慢消耗它們。
土星並不總是有這麼大的環，
將來也不會一直擁有。
地球可能也曾多次擁有過行星環，
而且可能比土星的環厚得多，
只是其中一部分聚合成了月球，
其餘的要麼落到了地球上，
要麼被甩出了地球的引力範圍。
在很多方面，
圓環世界其實就是一個保持實心且穩定的行星環。
事實上，
這可能是改造海王星或天王星這類氣態巨行星的一個不錯的方法：
利用它們的岩石金屬核心作為外部外殼，
氣態部分作為填充材料，
為外殼上的居民產生引力，
同時防止外殼坍塌。
如果你在設計時考慮到這一點，
這樣的結構還能產生極強的磁場，
保護這個世界免受許多有害輻射的侵襲，
並留住大氣層。
就像我們在行星改造那次討論過的，
如果你想讓一個地方長期宜居，
你要麼讓它自身產生強大的磁場，
要麼在它周圍建造一個人造磁場，
要麼就不要讓大氣層暴露在外 —— 比如像封閉棲息地那樣，
一切都密封在內部。
而一個擁有熔融核心或高速旋轉填充材料的圓環世界，
將會產生非常強大的磁場，
足以抵禦更活躍的恆星和銀河系中環境最惡劣區域的輻射。
所以，
雖然圓環世界表面上看起來比圓盤世界更鋪張、
更不切實際，
甚至比殼層世界還要誇張，
但在很多情況下，
它們會具有顯著的優勢。
和殼層世界一樣，
但與圓盤世界不同的是，
如果圓環世界的自轉軸相對於太陽傾斜，
它不僅會有季節變化，
還會有熱帶和寒帶區域。
此外，
在圓環的正中心，
你可以放置一個物體讓它上下擺動，
不過它的周期更接近月球，
而不是太陽 —— 這可不是放置人造太陽來提供光照的好地方。
因為人造太陽要想提供足夠的光照，
就必須升到足夠高的位置，
而在圓環內部上下擺動一次的時間太長了。
不過，
在圓環中心放置一顆月球倒是個不錯的選擇，
儘管它需要穩定 —— 尤其是當圓環的自轉軸相對於太陽傾斜時（否則就沒有光照了，
就像在宇宙空間中一樣），
但這樣一來，
你就可以同時擁有月球和有趣的時間周期。
有趣的是，
很多老式電子遊戲中的地圖其實就對應著圓環面的形狀：
如果你一直向東、向西、向北或向南走，
最終會在同一個位置從另一邊出現。
如果你玩過很多這類遊戲，
尤其是任天堂的角色扮演遊戲，
你可能還記得這一點。
但一直讓我覺得有趣的是，
有些遊戲中還會有一個位於下方的 「地下世界」—— 雖然在殼層世界中也可以設置這樣的結構，
但它們只是位於上方，
並不會像 「空心地球」 模型那樣上下顛倒。
而圓環世界的酷炫之處在於，
你實際上可以通過一個巨大的內部懸浮棲息地來實現這種上下顛倒的結構 —— 有點像一個巨大的 「時間海洋」，
連接這兩個部分很簡單：
確保連接通道能讓你在下方達到與旋轉部分相匹配的速度，
然後通過一個氣閘裝置進入上方的 「外殼」—— 當然，
這個內部世界需要人工照明，
但這樣一來，
你的陸地面積就翻倍了。
另外，
就像殼層世界一樣，
如果採用人工照明，
你還可以在圓環上設置更多嵌套層。
而且，
既然已經使用了大量的主動支撐結構，
你還可以將多個這樣的圓環世界組合成一個鏈條。
這些圓環的中心沒有引力，
而且越靠近中心，
引力就越弱，
所以你可以把更多的圓環放在那裡，
或者採用更經典的鏈條式布局 —— 如果你在赤道周圍設置某種虛構的 「牽引帶」，
並像我們上次討論的那樣，
用一種強度極高的 「石質阿特拉斯支柱」 固定住，
防止各個圓環相互碰撞，
你就可以建造一個環繞整個恆星的長長的圓環鏈條。
現在我們需要談談引力和季節的問題。
引力問題相當複雜。
所有對稱物體的正中心引力都為零，
但只有空心球體的內部各處引力都為零。
對於常規的圓環面來說，
當你從中心向外徑向移動時，
引力會越來越大，
將你拉向圓環的內側。
這就是為什麼在圓環中心放置月球會非常棘手 —— 它很容易受到擾動，
最終撞上圓環的內壁。
如果你從中心的引力平衡點向上或向下移動，
引力會將你拉回中間，
但只有當你正對著中心上下移動時，
引力才會直接指向中間。
而在圓環的邊緣或附近，
引力的方向基本上是正確的 —— 指向圓環的內側，
但內側的引力比外側弱，
極點處的引力更強。
計算圓環世界的引力沒有簡單的公式，
它取決於圓環面的長半徑和短半徑的具體數值，
但我們只需從概念上理解即可。
在內部赤道處，
由於圓環世界的旋轉產生晝夜交替，
離心力會與引力同向，
所以這裡的引力比外部赤道處稍強；
而在外部赤道處，
離心力與引力方向相反，
導致引力較弱。
極點附近的引力問題尤其複雜，
特別是內側極點，
離心力會增強而非抵消正常的引力。
圓環世界可能會有非常壯觀的極光現象。
值得注意的是，
由於這類天體的半徑極大，
其地球同步軌道會非常低，
所以在圓環世界上建造太空電梯會相當簡單，
而且長度大約只有地球上太空電梯的十分之一左右。
雖然圓環中心的引力平衡點並不十分穩定，
但你仍然可以從那裡建造太空電梯，
並通過從中心樞紐延伸出三條纜線來穩定它 —— 因為圓周率大約是 3，
而周長等於圓周率乘以直徑，
三條纜線應該是你可能需要建造的最大數量了，
這樣可以方便地在圓環周圍移動。
好的，
再來談談天氣和季節。
我們可以像地球一樣讓圓環世界的自轉軸傾斜，
這樣當它圍繞太陽公轉時，
傾斜朝向太陽的一側會獲得更多光照，
就像地球的南北半球在一年中各有半年會獲得更多光照一樣 —— 我猜這裡應該稱之為 「傾斜的圓環」。
其次，
與圓盤世界不同，
但與其他正常的球形行星一樣，
圓環世界的赤道和我們姑且稱之為 「極點」 的區域（或許應該叫南北環帶更合適）之間會存在溫差 —— 這也符合你的預期，
赤道比南北區域更溫暖，
但這隻適用於外部赤道，
內部赤道因為獲得的光照較少，
會相對涼爽。
圓環世界的天氣很難預測，
因為引力會隨著緯度的變化而顯著變化，
而且圓環世界有更強的離心力和科里奧利力驅動天氣系統，
所以天氣會相當多變，
但總體來說，
只要條件適宜，
是可以達到類地環境的。
而且，
只要圓環世界每 24 小時旋轉一周，
你就能找到適合所有地球生物居住的地方。
這個概念還有很多值得探討的地方，