第259章 旋轉棲息地
李水旺新一期視頻：
今天的主題是旋轉棲息地，這一主題的內容會相當長，所以我們馬上切入正題。
我們今天的主題是旋轉棲息地，想要了解旋轉棲息地，首先要知道這類設施有著諸多選擇，而它們的唯一共同點就是離心力。
如果你身處一個沒有重力的地方，卻想獲得重力，目前我們能實現這一點的方法只有兩種：要麼聚集大量物質，利用其產生的自然重力；要麼通過旋轉模擬重力，說白了就是利用離心力來模仿重力的效果。
你大概率已經知道什麼是離心力了，我們在日常生活中總會遇到這種力。
你可能也聽過有人把它稱作假想力，更準確地說，在慣性參考系中，離心力並不存在，但從實際應用的角度來說，它的效果真實可循。
說它真實，是因為它能像重力一樣，把物體牢牢壓在表面上，即便實際的重力並不存在。
而且只要你讓旋轉的太空飛行器體積足夠大，基本上比足球場還大就行，這種模擬出來的重力，對於大多數生物活動來說都能達到實用效果。
所以我們可以打造一個巨大的環形、圓柱形、環形山狀的結構，或是任何具有徑向對稱性的物體，比如球體，讓它旋轉起來，其內壁就會成為可供行走的地面。
你甚至可以在上面跳上跳下，落地的位置也和預想的一致，因為這種模擬重力會一直起作用，即便你的腳離開地面也不例外。
由於科里奧利效應的存在，你下落的軌跡並不會是完全的垂直向下，但在規模合適的旋轉棲息地上，普通人的跳躍幅度根本無法察覺這種落點偏差，除非藉助高精度的儀器。
不過，這也讓我們發現了利用旋轉模擬重力的第一個問題：科里奧利效應可能會讓人感到不適，它會作用在人體上，引發頭暈和噁心。
就目前的研究來看，只要旋轉速度低於每分鐘兩轉，這種效應就不會對任何人產生影響，而且我們認為人類能夠適應每分鐘 20 轉甚至更高的旋轉速度。
這其實和暈動症的原理差不多。
問題在於，旋轉速度越慢，產生的模擬重力就越弱。
這一點在空間站上倒也無妨，我們可以挑選對科里奧利效應敏感度較低的太空人，採用低重力的設計方案。
比如打造一個直徑 30 英尺的金屬艙體，讓它以每分鐘 10 轉的速度在太空中旋轉，就能為太空人營造出半重力的環境。
對於火星任務來說，這樣的設計或許是可行的，畢竟太空人本就需要適應火星的低重力環境，而且也可以準備大量的暈動藥來應對可能出現的暈動反應。
但探討重點並非空間站或航天飛船，而是成熟完備的旋轉棲息地 —— 能讓人類舒適地體驗熟悉生活環境的地方。
因此，我們所關注的，是能以舒適的方式模擬出地球標準重力的設計，而非其他方案。
想要在低旋轉速度下獲得更強的模擬重力，就必須讓旋轉結構的直徑更大。
如果希望在每分鐘 2 轉的閾值下模擬出地球重力，那麼旋轉結構的直徑需要達到約 1500 英尺，也就是 457 米左右。
這基本是打造適宜人類居住環境的最低門檻，畢竟核心需求是居住的舒適性，結構可以做得更寬，但最好不要比這個尺寸更窄。
不過，結構的直徑也不能無限制擴大，因為在不降低模擬重力的前提下，直徑越大，結構所承受的應力就越大。
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以鋼材為例，通常認為其能支撐的旋轉結構直徑上限約為數英里；而對於凱夫拉縴維或碳納米管這類材料來說，這個上限會高得多。
簡單來說，一種材料在常規重力下的斷裂長度，決定了用該材料打造、模擬地球重力的環形棲息地的最大周長，原理其實是相通的。
而且由於是在太空的真空環境中運行，除了啟動旋轉所需的初始能量外，後續幾乎不需要額外補充能量就能維持旋轉。
這也是真空環境中的機械飛輪能成為極具吸引力的儲能電池方案的原因 —— 沒有空氣阻力帶來的減速，甚至還能在緊急情況下，利用一部分維持旋轉重力的能量來供電。
旋轉棲息地的直徑受建築材料的強度和所需模擬的重力大小限制，但其長度卻沒有這樣的約束，既可以是一個薄薄的環形結構，也可以是一個細長得超乎想像的圓柱體。
以上就是關於旋轉棲息地的基礎介紹，包括模擬重力的實現原理，以及設計時需要考慮的核心制約因素。
從長遠來看，旋轉棲息地的意義遠不止為太空人規避健康問題，我們要做的，是完成人類從未真正實現過的壯舉：創造更多的生存空間。
誠然，我們曾打造過人工島，也曾開山鑿石、向上建造高樓，但總的來說，儘管我們讓陸地和海洋變得更適合人類居住，卻從未真正拓展過地球的生存空間本身。
地球是我們唯一的家園，它的面積是固定不變的。
如果想要容納更多人口，只能依靠改進農業技術。
我們介紹過一些利用核聚變技術大幅提升地球人口承載能力的方法，在不破壞生態環境、不降低生活水平的前提下，實現人口的增長。
未來我們還會探討其他進一步提升人口承載能力的方式，但歸根結底，一顆星球能舒適容納的人口數量終究是有限的，總有耗盡空間的一天。
而旋轉棲息地，為我們提供了拓展生存空間的可能。
這類設施的經典設計是奧尼爾圓柱體，它的長度為 20 英里，直徑為 5 英里，這個直徑基本是鋼材能支撐的、讓人感到安全的最大尺寸。
這意味著它的內部表面積可達 314 平方英里，面積大約是關島的 1.5 倍，羅得島州的三分之一，長島的四分之一，與島國馬爾他的面積幾乎持平。
奧尼爾圓柱體絕對不是一個小物件。
如果使用鈦合金，其可支撐的直徑大約能達到鋼材的四倍；而石墨烯這類材料，理論上能讓我們打造出規模超乎想像的旋轉棲息地。
我們還可以將多個這樣的結構連接起來，像串香腸一樣排成一列，或是以其他各種方式組合。
因此，材料強度並非限制旋轉棲息地實際內部可用面積的關鍵因素，因為多個結構可以近乎無縫地連接在一起，形成一個更大的整體，只不過這個整體更像是群島，而非一片廣闊連續的平原。
不過，棲息地的層數也不能過多，因為即便只是為內部照明產生的廢熱，也會讓環境變得過於炎熱，即便在圓柱體上安裝大量的輻射散熱翅片，也難以解決這個問題。
在太空中，熱量只能通過輻射的方式散發出去，就像地球自身向外散發熱量的方式一樣。
以上就是旋轉棲息地的基本介紹，以及設計和建造這類設施需要面對的核心問題。
接下來，我們來聊聊其中更有趣的方面，還有一些需要攻克的挑戰。
第一個也是最顯而易見的大問題，就是成本。
目前，我們需要將每一份建築材料都耗費巨資運送到太空中，這讓旋轉棲息地的建造成本高得離譜。
太空中有大量小行星可供我們開採利用。
如果未來人類能發明核聚變技術，那麼自動化製造和 3D 列印技術也會得到極大的發展，再加上一種或多種低成本發射系統的建成，成本問題便可以暫時擱置。
毋庸置疑，從零開始打造新的生存空間是一項浩大的工程，但只要掌握了核聚變、先進位造技術和低成本發射技術這三項，實現這一目標就有了可能。
其實即便沒有核聚變技術也能建造旋轉棲息地，但核聚變技術能讓我們省去很多麻煩，比如無需藉助鏡子將陽光反射到棲息地內部，也無需設置透明區域，甚至可以將棲息地建在離太陽較遠的地方。
這意味著我們可以直接利用小行星帶的小行星資源，無需將其拖到太陽附近，也無需打造巨大的拋物面鏡來為棲息地採光。
在繼續探討之前，我們先來糾正一個關於旋轉棲息地的常見誤區：認為能看到這類設施在旋轉。
到目前為止，你在其他地方看到的內容，幾乎都把旋轉棲息地描繪成正在旋轉的樣子。
尤其是有人提到在中空的小行星內部建造旋轉棲息地時，總會說讓小行星本身旋轉起來，這種說法就大錯特錯了。
因為只有體積最大的那些小行星，才會產生些許可察覺的表面重力，而且所有小行星本質上都是由碎石鬆散聚集而成的，一旦為了模擬地球重力讓其旋轉，整個小行星都會分崩離析。
不過，利用中空小行星建造棲息地的思路本身是正確的，因為在你與太空之間的這些岩石層，能為你提供良好的輻射和隕石防護。
但關鍵在於，棲息地的防護層並不需要和內部的旋轉結構一起轉動，就像離心機或洗衣機的外殼不需要跟著內部一起旋轉一樣。
事實上，讓防護層隨旋轉結構一起轉動是非常愚蠢的做法。
帶有旋轉艙段的太空飛行器，從外部根本看不到一個巨大的、正在轉動的中心樞紐，能看到的只是嵌套在內部、不隨之一同旋轉的超級防護結構。
這樣一來，承擔防護作用的超級結構就不會因旋轉承受各種應力，即便遭受撞擊也能保持穩定。
更重要的是，任何物體撞擊旋轉的結構時，其相對撞擊速度都會因旋轉而加快或減慢，而撞擊造成的損傷幾乎與動能直接相關，而動能是與速度的平方成正比的。
即便有一半的物體撞擊速度稍慢，另一半稍快，整體遭受的損傷依然會更大。
因此，在旋轉棲息地內部，你會和結構一起旋轉，根本察覺不到它在轉動；而在外部，棲息地被不旋轉的超級防護結構包裹著，同樣看不到旋轉的跡象，甚至這些防護結構還可能以相當慢的速度向相反方向旋轉。
防護材料也不一定非得是岩石、冰或金屬，宇宙中最常見的氫和氦，也能成為防護材料。
按重量計算，氫是抵禦宇宙輻射的最佳材料之一。
所以我們可以在旋轉棲息地周圍，打造一個裝滿氫罐和其他防護層的非旋轉超級防護結構，具體的防護設計可以參照太空飛行器的標準。
這些氫還能當作燃料使用，我們的空氣和水資源儲備也能進一步增強防護效果 —— 輻射對空氣和水基本沒有影響，相比之下，讓微隕石撞毀部分儲備資源，總比傷及人類要好。
而在小行星採礦的背景下，我們大概率會利用採礦產生的礦渣來做防護材料。
不過，即便遇到太陽系中約一百萬顆直徑約一英里的小行星，我們也其實沒必要將其挖空。
這種做法其實並不划算，在即便有微弱重力的大型小行星上鏟運岩石，也像鏟運泡沫塑料一樣輕鬆；即便在穀神星 —— 如今被歸為矮行星而非小行星的最大天體上，你也能輕而易舉地舉起一輛卡車。
而對於那些更小的、直徑約一英里的小行星（這類小行星的數量是那些知名大行星的數千倍），你甚至能像踢皮球一樣挪動和房子一般大的岩石。
在小行星上採礦，最大的問題是需要搭建一個穹頂，防止碎石飄入太空。
小行星本質上也並非整塊的堅硬岩石，大多都是碎石堆聚而成的，所以開採時也無需進行大規模的挖掘作業。
在小行星內部建造設施，也不需要特別堅固的結構，因為這類天體體積小、重力極弱，即便在數百英尺的岩層之下，壓力也小到不足以壓碎一個空易拉罐。
因此，我們無需像在地球上採礦那樣，對隧道進行加固支撐。
那為什麼說挖空小行星的做法並不可取呢？
簡單來說，這種做法會造成極大的材料浪費。
假設你發現了一顆形狀規整的球形岩石小行星，直徑約一英里，想要用岩石作為防護材料。
事實上，十幾英尺厚的岩石層，就足以輕鬆抵禦微隕石的撞擊，並將宇宙輻射降低到接近地球表面的水平。
在地球上，我們頭頂的大氣層帶來的壓力約為每平方英寸 14 磅，也就是每平方米 10 噸，這相當於身處 10 米深的水下，或是 3 到 5 米厚的普通岩石層下所承受的物質質量。
也就是說，30 英尺厚的岩石層，能為你提供和地球大氣層相當的防護效果。
即便你想要更高的防護等級，設置 100 英尺厚的岩石層 —— 這個厚度足以抵禦除直接核打擊外的任何威脅，也只用到了這顆直徑一英里的小行星約 3% 到 4% 的物質，若是更大的小行星，這個比例會更低。
而挖空後剩下的空間，就只是被一層薄薄的岩石、水和鋼材包裹的空殼而已。
那剩下的這些原材料該如何處理呢？
你可以將其運到其他地方，但岩石只有在提煉出鉑、金、銥等貴金屬後才有價值，除此之外，其出口價值微乎其微。
說實話，對於這個尺寸的小行星，分散開採其實會更便捷。
因此，不如將整顆小行星改造成一個直徑擴大五到六倍的巨大中空球體，然後在接下來的數年裡，慢慢將開採出的岩石替換成氫罐。
從長遠來看，在核聚變經濟體系下，用多餘的礦產換取更多儲存在外部罐體內的氫，才是更划算的選擇，畢竟這些氫既能當作火箭燃料，又能起到防護作用。
僅僅是用於抵禦宇宙輻射的氫，其中一小部分就能為環形棲息地提供數十億年的照明和動力。
所以，我們可以將一顆小小的小行星，改造成一個內部帶有旋轉棲息地的巨大球體，球體的其餘空間可以用作零重力儲存區、工業區，或是建造更小的圓柱形設施，比如水培種植區。
如果面對的是更大的小行星，我們可以將其拆解，改造成多個較小的球體；如果不想打造更大的圓柱體，也可以將多個圓柱體以特定的幾何形狀排列，讓它們的端部相互接觸。
這也引出了另一個設計要點：旋轉棲息地的半徑並非必須全程保持一致，我們可以將其邊緣設計成錐形，這樣隨著直徑變小，模擬重力也會逐漸減弱。
我們還可以在棲息地的外殼上設計凹陷和凸起，這樣無需填充大量的土壤和水，就能打造出更高的山丘和更深的湖泊。
類似氣凝膠這類超輕且堅固的新型材料，也可以鋪在表層土壤之下，起到輔助支撐的作用。
在地球上，我們的挖掘深度一般不會超過幾米，大多數植物的根系也不會扎得太深，因此在旋轉棲息地中，也沒必要鋪設數百米厚的土壤和岩石。
棲息地內部的照明，既可以通過圓柱體兩端的鏡子引入陽光，更理想的方式則是使用核聚變供電的燈具，這類燈具可以只發出人類可見或植物生長所需的特定頻率光線，這樣能大幅減少廢熱產生，讓我們可以打造多層居住空間，同時不影響美觀。
至於視野中向上彎曲的地平線，一部分可以通過打造山丘和山谷來打破視覺上的平坦感，而在規模非常大的棲息地上，這種彎曲的差異幾乎是無法察覺的。
不過，有一個問題很難解決：這裡的天空並非地球那樣的藍天白雲，抬頭看到的會是相鄰的棲息地結構，而夜晚的星空，也會被其他棲息地的照明設備點亮。
我們可以通過設置大量湖泊來營造些許藍色調（畢竟水本身就是藍色的），而非大面積的草地和森林，但如果人們真的想要地球般的藍天效果，或許可以在棲息地內部嵌套一個更小、更薄的圓柱體來模擬天空，當然設計不能只是簡單地塗成藍色，這樣的設計理論上是可行的。
當你在厚厚的鋼製外殼上鋪設數米厚的土壤打造陸地時，在頭頂建造一個巨大的液晶顯示 「天空」，其實也並非什麼難事。
再說了，只要有核聚變技術提供充足的電力，這都不是問題。
這些旋轉棲息地可以建在太陽系的任何地方，比如行星周圍、小型衛星或行星環附近，也可以建在奧爾特雲，甚至是星際空間中。
它們的移動性也相當不錯，儘管由於為了保證居住舒適性，其結構帶有大量非必要的質量，並非理想的太空飛行器。
星際空間中遍布著各種天體，兩顆恆星之間的行星和小行星數量，可能比單顆恆星周圍的還要多，甚至多得多。
這些旋轉棲息地的規模，足以支撐起足夠的基因庫，即便相關技術還無法輕鬆解決基因瓶頸問題，也能滿足需求。
舉個例子，如果地球上某個意識形態或宗教團體，想要擁有一片屬於自己的獨立空間，他們可以選取太陽系中數百萬顆小行星或彗星中的任意一個，將其改造成旋轉棲息地，這樣的棲息地足以永久支撐約一百萬人生活，即便只是數千人，居住條件也會更加舒適。
只要掌握了相應的技術，這些棲息地其實也算是低配版的太空飛行器，你可以設定航線向深空進發，遠離其他人，如果覺得主流文明的生活方式難以接受，不想與其共處，這會是一個不錯的選擇。
而且，旋轉棲息地也無需一次性建成，我們可以先打造一個小型的圓柱體，之後隨著時間的推移將其延長，或是直接增加更多的圓柱體。
我們甚至可以將大部分預製的空圓柱體運到小行星附近，排列在其外部，然後在整個結構外圍打造一層薄薄的外殼，再拆解小行星，將其材料用作外部防護層，並篩選出適合棲息地使用的部分。
至於在太陽系中能建造多少這樣的旋轉棲息地，這完全取決於你希望鋪設的土壤厚度。
畢竟我們可以用氫作為主要的外部防護材料，如果將太陽系中所有的岩石行星拆解，用來打造鋪設了約 10 米厚土壤和水層的旋轉棲息地，那麼打造出的棲息地總面積，相當於數百萬個地球的居住面積。
土壤層越薄，可打造的居住面積就越大；土壤層越厚，居住面積則越小。
如果這些土壤主要用於種植糧食，而非以水培種植為主，那麼這樣的棲息地足以支撐的人口數量，是地球的數百萬倍；如果土壤只是用於打造花園、草坪，以及一些專門的野生生物棲息地，那麼人口密度甚至可以達到地球的數百倍。
好了，我們已經探討了這些相對可行的設計方案，最後再來回顧一些規模更大、也更為知名的設計。
正如我之前所說，使用鋼材甚至鈦合金這類金屬材料，能打造的旋轉棲息地直徑是有限的。
而自從發現了碳納米管和石墨烯後，設計的上限被大幅提高，由此誕生了兩種知名設計：畢肖普環和麥肯德里克圓柱體。
這些結構的周長可達數千英里，而非之前的十幾英里，其規模大到幾乎能被視作獨立的行星。
它們的設計原理和之前的旋轉棲息地一致，只是規模更大而已。
其實在發現碳納米管之前，就已經有兩個非常著名的科幻設計案例了。
其中規模較小、出現時間較晚、知名度也相對較低的一個，最早出現在伊恩・M・班克斯 1997 年的小說《腓尼基啟示錄》中，我們將其稱為班克斯環。
這個環形結構的特別之處，在於其特定的旋轉速度：它每 24 小時旋轉一周。
這意味著如果讓它的外側朝向太陽，無需人工照明或鏡子反光，就能模擬出地球正常的 24 小時晝夜循環，我們甚至可以給它設計一個輕微的傾斜角度，來模擬四季的變化。
當然，為了防止空氣從結構中逸出，我們需要建造一面高達數英里的氣牆，但由於這個結構的規模極其龐大，這面氣牆幾乎是看不到的，我們甚至可以將其塑造成人造山脈的樣子，融入整體環境。
在班克斯環上，你能看到和地球一樣的天空，體驗和地球一致的晝夜交替，而且由於地平線距離極其遙遠，中間的大氣層會將其遮擋，你抬頭只能看到頭頂上方一道細細的 「橋樑」。
想要實現 24 小時旋轉一周，同時模擬出地球般的重力，班克斯環的尺寸必須是特定的 —— 對於特定的行星重力和晝夜時長，只有一個唯一的直徑能滿足要求。
模擬地球重力和 24 小時晝夜的班克斯環，直徑約為 200 萬英里，其寬度可以任意設定，但寬度越大，夜晚的天空就會越亮，因為被陽光照射的一側會持續發光。
即便是寬度僅 1000 公里的班克斯環，其夜晚的亮度也會超過滿月，而這樣的班克斯環，居住面積相當於數百個地球。
當然，你可以繼續增加其寬度，但代價就是夜晚的天空會變得更亮。
而班克斯環的核心優勢，就是能高度還原地球的生存環境，既然一個這樣的結構，居住面積就已經是地球的數百倍，不如直接在旁邊再建一個細長的班克斯環，而非一味擴大單個結構的寬度。
建造班克斯環的最大問題，依然是材料的應力承受能力。
沒有任何一種材料，即便是石墨烯，能承受如此巨大的應力而不被撕裂，事實上，任何分子構成的材料都無法做到這一點。
理論上，像中子星物質這類依靠強核力（將原子核束縛在一起的力）結合的奇異材料，或許能滿足要求，但在科幻作品中，解決這一問題的常用方式，往往是藉助力場這種設定來一筆帶過。
而另一個更知名、出現時間更早、規模也更大的設計，是拉里・尼文提出的環形世界。
環形世界的直徑，幾乎是班克斯環的 100 倍，它能完整地環繞一顆恆星。
建造環形世界，需要比班克斯環更堅固的材料，而且由於它始終朝向太陽，必須在其外側設置遮陽板，這些遮陽板以特定的間距和速度繞恆星運行，以此模擬出 24 小時的晝夜循環。
不過這種設計的晝夜交替會非常急促，從正午直接過渡到午夜，但我們可以將遮陽板的邊緣設計成半透明的，尤其是讓紅光可以透過，以此模擬黎明和黃昏的效果。
班克斯環則不存在這個問題，它能自然實現晝夜交替，並有正常的黎明和黃昏，這也是儘管班克斯環的概念出現得更晚、規模更小，卻依然備受青睞的原因之一。
和畢肖普環一樣，環形世界也需要氣牆來鎖住大氣層，其寬度也可以任意設定，但通常認為其居住面積至少相當於一百萬個地球，甚至更多。
環形世界還存在穩定性問題，而且它的旋轉速度接近光速的 0.5%，這意味著必須格外警惕隕石撞擊帶來的危害。
但實事求是地說，既然人類有能力建造出這樣的結構，這些問題其實都算不上什麼大難題，就像在航空母艦上，擔心廚房的電源插座不夠用一樣 —— 雖然確實是個問題，但和讓十萬噸鋼鐵漂浮在水面上的浩大工程相比，根本不值一提。
班克斯環有一個環形世界無需擔心的問題，那就是潮汐力。
由於班克斯環的規模極大，靠近太陽的部分所受到的引力，會大於遠離太陽的部分，這就會產生潮汐力。
但這並非完全是壞事，因為潮汐力能讓班克斯環產生潮汐現象 —— 而其他旋轉棲息地，除非通過額外的裝置強行模擬，比如在棲息地中設置附屬水箱，按照特定的規律向棲息地中抽水或排水，否則都不會有潮汐現象。
這兩種設計都極具人氣，但在當前的科學認知下，它們都不具備實現的可能性。
有趣的是，在大多數太空歌劇和科幻作品中，比如《星際迷航》，建造這樣的結構卻是稀鬆平常的事。
這也讓很多人覺得難以理解：既然能打造出這樣的超級棲息地，為什麼這些角色還總是為了爭奪行星而爭鬥不休呢？
在當前科學認知下具備可行性，同時規模也同樣浩大的設計，還有另一種由拉里・尼文提出、並出現在班克斯小說中的結構：拓撲帕斯。
你可能還記得，我之前提到過，可以將旋轉棲息地像串香腸一樣首尾相連，而拓撲帕斯的設計則更進一步，規避了這種連接方式的一些問題。
它是一個超長的棲息地，既不是環形、圓柱形，也不是細杆狀，更像是一個巨大的毛線團，你可以將它繞著一顆恆星纏繞無數圈；如果並非依靠太陽能供電，也可以繞著其他天體，比如一顆可供開採氫元素的氣態巨行星，而這些氫元素可以作為核聚變反應堆的燃料，為這個巨大的結構提供照明和動力。
拓撲帕斯的直徑，若是用鋼材建造可達數英里，若是用石墨烯則可達數百英里，而其長度則可以無限延伸，直到耗盡所有的建築原材料。
它的設計原理，和奧尼爾圓柱體、麥肯德里克圓柱體毫無二致，不存在任何複雜的工程難題或特殊設計。
不過令人意外的是，這種設計在科幻作品中卻鮮有登場。
就我個人而言，總喜歡想像拓撲帕斯上有一條超級長河，沿著其整個長度流淌數百萬甚至數十億英里的畫面。
儘管這些超級棲息地，只有掌握了高科技甚至超高科技的文明才能建造，但人們總會下意識地認為，居住在裡面的是技術水平較低的文明，更偏向奇幻而非科幻風格，比如中世紀文明，而非高科技文明。
其實我也不例外，總覺得拓撲帕斯會是一條漫長的海岸線，沿岸遍布著港口城市。
拓撲帕斯，是人類在不突破現有科學理論的前提下，能打造的最大規模的一體式旋轉棲息地，但這並非人類探索的終點。
我之前展示過幾種將多個旋轉棲息地連接在一起的方式，你可能當時就發現了，這種直接的連接方式存在一些問題。
最明顯的一點是，如果將旋轉的圓柱體連接到一個不旋轉的球體上，很容易出現空氣泄漏，或是齒輪相互摩擦的問題，甚至兩種問題同時出現。
對於暴露在太空真空環境中的傳統旋轉棲息地來說，這是一個嚴重的問題，但有兩種方法可以解決。
第一種方法，是利用等離子體窗口或類似的技術 ——這種技術可以防止空氣泄漏到發射環末端的真空隧道中，反之，它也能阻止加壓隧道中的空氣泄漏到太空中。
第二種方法，我們稍後再談。
首先我要說明一點，如果將多個圓柱體連接到同一個連接球上，那麼這個連接球本身就不能通過旋轉產生重力，這也是為什麼我們通常會將圓柱體的端部設計成錐形，讓重力在進入球體的過程中逐漸減弱。
不過，我們可以在連接球中充滿空氣，這樣理論上鳥類可以在其中飛行，陸地生物也能慢慢適應在零重力環境中活動。
我們還可以在連接球的內壁鋪設易於抓握的材料，並設置持續的向外氣壓，將物體推回球壁。
但如果希望水生生物能在不同的棲息地之間遷徙，這種設計就無法滿足需求了。
不過我們一直認為，旋轉棲息地可以作為保護野生生物的絕佳保護區，因此解決這個問題是很有必要的。
我們幾乎需要在每個棲息地設置兩個大型管道，利用氣壓讓水從一個管道流入，從另一個管道流出，這樣水生生物就能在不同棲息地之間遊動了，當然這一設計是可以實現的，而且還能和模擬潮汐、洋流的裝置配合使用。
旋轉棲息地其實也並非打造深海環境的理想選擇，但海洋生物其實並不需要太強的重力，只要能保證物體的上下方向即可。
因此，我們可以設計旋轉速度更慢的棲息地，內部主要填充海水，打造更深的海洋環境 —— 由於模擬重力更低，海水的壓力上升速度也會更慢，因此可以打造更深的海域。
我們始終需要儲備大量的水資源，而水資源在宇宙中十分豐富，因此與其將水僅僅用作棲息地的防護冰殼，不如將其充分利用，打造出多樣化的生態環境。
而這層防護冰殼，也讓我們回到了另一個解決空氣和水泄漏問題的方法上。
要知道，我們的旋轉圓柱體並非直接暴露在太空中，其外部包裹著一層不旋轉的外殼，這層外殼可以和連接球完美密封連接。
既然外殼不旋轉，那麼旋轉艙段與連接球連接處即便出現少量的空氣泄漏，也無需過度擔心，因為我們可以通過真空泵，將旋轉艙段和固定外殼之間的間隙抽成近真空狀態，再補充少量能量，讓圓柱體保持旋轉，彌補因近真空中微弱的空氣阻力造成的轉速損失。
儘管這種做法需要消耗一定的能量，但和為棲息地提供照明和供暖所需的能量相比，這點消耗根本不值一提。
而且這些因摩擦和抽真空產生的熱量，最終也會散發到太空中。
有了這層外部外殼，我們就無需過度擔心活動部件連接處的泄漏問題，設計的可能性也因此變得更多。
我們不僅可以將棲息地連成長長的 「香腸串」，或是打造相對二維的布局，還能構建三維的空間結構。
只要在將圓柱體接入連接球之前，將其端部設計成錐形，就能實現緊密的拼接。
這些自身不產生重力的連接球，體積無需太大，還可以通過常規的氣閘裝置，實現與太空的外部連通。
從二維的角度來看，我們可以將多個棲息地排列成網狀的帶狀結構，在間隙中鋪設太陽能電池板。
如果人類還沒有掌握核聚變技術，或是想要充分利用太陽能這一免費能源，這種設計就非常合適。
這也是打造戴森球的一種方式，或是在原材料耗盡時打造部分戴森球 —— 只需將這些帶狀結構層層環繞恆星，再以不同的角度鋪設新的帶狀結構，直到形成一個完整的球體。
這類由多個旋轉棲息地組合而成的超級結構，其居住面積是行星的數千甚至數百萬倍。
這讓我們可以將整個區域專門劃分為野生生物棲息地，保護地球上的動植物，而絕大部分區域則用於滿足人類的各種需求。
而且相比行星，旋轉棲息地也更容易抵禦外來物種入侵，或是處理那些具有破壞性的外來生物。
最後，我們來做個總結：旋轉棲息地能為人類提供數百萬倍於地球的生存空間，遠超地球化改造其他行星所能實現的規模，而且其建造完全符合已知的科學規律。
此外，正如我們所探討的，旋轉棲息地能被打造成極度適合人類居住的環境，而且非常安全可靠，甚至可以說比行星更加安全。
與行星不同，在旋轉棲息地上，你可以自由選擇晝夜時長、溫度、氣候甚至重力大小。
當然，改造其他行星也能實現這些調整，但通過旋轉棲息地來實現，要容易得多。
這也是為什麼我們很多人認為，人類未來更有可能打造大規模的旋轉棲息地，而非對無數行星進行地球化改造。
今天的主題是旋轉棲息地，這一主題的內容會相當長，所以我們馬上切入正題。
我們今天的主題是旋轉棲息地，想要了解旋轉棲息地，首先要知道這類設施有著諸多選擇，而它們的唯一共同點就是離心力。
如果你身處一個沒有重力的地方，卻想獲得重力，目前我們能實現這一點的方法只有兩種：要麼聚集大量物質，利用其產生的自然重力；要麼通過旋轉模擬重力，說白了就是利用離心力來模仿重力的效果。
你大概率已經知道什麼是離心力了，我們在日常生活中總會遇到這種力。
你可能也聽過有人把它稱作假想力，更準確地說，在慣性參考系中，離心力並不存在，但從實際應用的角度來說，它的效果真實可循。
說它真實，是因為它能像重力一樣，把物體牢牢壓在表面上，即便實際的重力並不存在。
而且只要你讓旋轉的太空飛行器體積足夠大，基本上比足球場還大就行，這種模擬出來的重力，對於大多數生物活動來說都能達到實用效果。
所以我們可以打造一個巨大的環形、圓柱形、環形山狀的結構，或是任何具有徑向對稱性的物體，比如球體，讓它旋轉起來，其內壁就會成為可供行走的地面。
你甚至可以在上面跳上跳下，落地的位置也和預想的一致，因為這種模擬重力會一直起作用，即便你的腳離開地面也不例外。
由於科里奧利效應的存在，你下落的軌跡並不會是完全的垂直向下，但在規模合適的旋轉棲息地上，普通人的跳躍幅度根本無法察覺這種落點偏差，除非藉助高精度的儀器。
不過，這也讓我們發現了利用旋轉模擬重力的第一個問題：科里奧利效應可能會讓人感到不適，它會作用在人體上，引發頭暈和噁心。
就目前的研究來看，只要旋轉速度低於每分鐘兩轉，這種效應就不會對任何人產生影響，而且我們認為人類能夠適應每分鐘 20 轉甚至更高的旋轉速度。
這其實和暈動症的原理差不多。
問題在於，旋轉速度越慢，產生的模擬重力就越弱。
這一點在空間站上倒也無妨，我們可以挑選對科里奧利效應敏感度較低的太空人，採用低重力的設計方案。
比如打造一個直徑 30 英尺的金屬艙體，讓它以每分鐘 10 轉的速度在太空中旋轉，就能為太空人營造出半重力的環境。
對於火星任務來說，這樣的設計或許是可行的，畢竟太空人本就需要適應火星的低重力環境，而且也可以準備大量的暈動藥來應對可能出現的暈動反應。
但探討重點並非空間站或航天飛船，而是成熟完備的旋轉棲息地 —— 能讓人類舒適地體驗熟悉生活環境的地方。
因此，我們所關注的，是能以舒適的方式模擬出地球標準重力的設計，而非其他方案。
想要在低旋轉速度下獲得更強的模擬重力，就必須讓旋轉結構的直徑更大。
如果希望在每分鐘 2 轉的閾值下模擬出地球重力，那麼旋轉結構的直徑需要達到約 1500 英尺，也就是 457 米左右。
這基本是打造適宜人類居住環境的最低門檻，畢竟核心需求是居住的舒適性，結構可以做得更寬，但最好不要比這個尺寸更窄。
不過，結構的直徑也不能無限制擴大，因為在不降低模擬重力的前提下，直徑越大，結構所承受的應力就越大。
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以鋼材為例，通常認為其能支撐的旋轉結構直徑上限約為數英里；而對於凱夫拉縴維或碳納米管這類材料來說，這個上限會高得多。
簡單來說，一種材料在常規重力下的斷裂長度，決定了用該材料打造、模擬地球重力的環形棲息地的最大周長，原理其實是相通的。
而且由於是在太空的真空環境中運行，除了啟動旋轉所需的初始能量外，後續幾乎不需要額外補充能量就能維持旋轉。
這也是真空環境中的機械飛輪能成為極具吸引力的儲能電池方案的原因 —— 沒有空氣阻力帶來的減速，甚至還能在緊急情況下，利用一部分維持旋轉重力的能量來供電。
旋轉棲息地的直徑受建築材料的強度和所需模擬的重力大小限制，但其長度卻沒有這樣的約束，既可以是一個薄薄的環形結構，也可以是一個細長得超乎想像的圓柱體。
以上就是關於旋轉棲息地的基礎介紹，包括模擬重力的實現原理，以及設計時需要考慮的核心制約因素。
從長遠來看，旋轉棲息地的意義遠不止為太空人規避健康問題，我們要做的，是完成人類從未真正實現過的壯舉：創造更多的生存空間。
誠然，我們曾打造過人工島，也曾開山鑿石、向上建造高樓，但總的來說，儘管我們讓陸地和海洋變得更適合人類居住，卻從未真正拓展過地球的生存空間本身。
地球是我們唯一的家園，它的面積是固定不變的。
如果想要容納更多人口，只能依靠改進農業技術。
我們介紹過一些利用核聚變技術大幅提升地球人口承載能力的方法，在不破壞生態環境、不降低生活水平的前提下，實現人口的增長。
未來我們還會探討其他進一步提升人口承載能力的方式，但歸根結底，一顆星球能舒適容納的人口數量終究是有限的，總有耗盡空間的一天。
而旋轉棲息地，為我們提供了拓展生存空間的可能。
這類設施的經典設計是奧尼爾圓柱體，它的長度為 20 英里，直徑為 5 英里，這個直徑基本是鋼材能支撐的、讓人感到安全的最大尺寸。
這意味著它的內部表面積可達 314 平方英里，面積大約是關島的 1.5 倍，羅得島州的三分之一，長島的四分之一，與島國馬爾他的面積幾乎持平。
奧尼爾圓柱體絕對不是一個小物件。
如果使用鈦合金，其可支撐的直徑大約能達到鋼材的四倍；而石墨烯這類材料，理論上能讓我們打造出規模超乎想像的旋轉棲息地。
我們還可以將多個這樣的結構連接起來，像串香腸一樣排成一列，或是以其他各種方式組合。
因此，材料強度並非限制旋轉棲息地實際內部可用面積的關鍵因素，因為多個結構可以近乎無縫地連接在一起，形成一個更大的整體，只不過這個整體更像是群島，而非一片廣闊連續的平原。
不過，棲息地的層數也不能過多，因為即便只是為內部照明產生的廢熱，也會讓環境變得過於炎熱，即便在圓柱體上安裝大量的輻射散熱翅片，也難以解決這個問題。
在太空中，熱量只能通過輻射的方式散發出去，就像地球自身向外散發熱量的方式一樣。
以上就是旋轉棲息地的基本介紹，以及設計和建造這類設施需要面對的核心問題。
接下來，我們來聊聊其中更有趣的方面，還有一些需要攻克的挑戰。
第一個也是最顯而易見的大問題，就是成本。
目前，我們需要將每一份建築材料都耗費巨資運送到太空中，這讓旋轉棲息地的建造成本高得離譜。
太空中有大量小行星可供我們開採利用。
如果未來人類能發明核聚變技術，那麼自動化製造和 3D 列印技術也會得到極大的發展，再加上一種或多種低成本發射系統的建成，成本問題便可以暫時擱置。
毋庸置疑，從零開始打造新的生存空間是一項浩大的工程，但只要掌握了核聚變、先進位造技術和低成本發射技術這三項，實現這一目標就有了可能。
其實即便沒有核聚變技術也能建造旋轉棲息地，但核聚變技術能讓我們省去很多麻煩，比如無需藉助鏡子將陽光反射到棲息地內部，也無需設置透明區域，甚至可以將棲息地建在離太陽較遠的地方。
這意味著我們可以直接利用小行星帶的小行星資源，無需將其拖到太陽附近，也無需打造巨大的拋物面鏡來為棲息地採光。
在繼續探討之前，我們先來糾正一個關於旋轉棲息地的常見誤區：認為能看到這類設施在旋轉。
到目前為止，你在其他地方看到的內容，幾乎都把旋轉棲息地描繪成正在旋轉的樣子。
尤其是有人提到在中空的小行星內部建造旋轉棲息地時，總會說讓小行星本身旋轉起來，這種說法就大錯特錯了。
因為只有體積最大的那些小行星，才會產生些許可察覺的表面重力，而且所有小行星本質上都是由碎石鬆散聚集而成的，一旦為了模擬地球重力讓其旋轉，整個小行星都會分崩離析。
不過，利用中空小行星建造棲息地的思路本身是正確的，因為在你與太空之間的這些岩石層，能為你提供良好的輻射和隕石防護。
但關鍵在於，棲息地的防護層並不需要和內部的旋轉結構一起轉動，就像離心機或洗衣機的外殼不需要跟著內部一起旋轉一樣。
事實上，讓防護層隨旋轉結構一起轉動是非常愚蠢的做法。
帶有旋轉艙段的太空飛行器，從外部根本看不到一個巨大的、正在轉動的中心樞紐，能看到的只是嵌套在內部、不隨之一同旋轉的超級防護結構。
這樣一來，承擔防護作用的超級結構就不會因旋轉承受各種應力，即便遭受撞擊也能保持穩定。
更重要的是，任何物體撞擊旋轉的結構時，其相對撞擊速度都會因旋轉而加快或減慢，而撞擊造成的損傷幾乎與動能直接相關，而動能是與速度的平方成正比的。
即便有一半的物體撞擊速度稍慢，另一半稍快，整體遭受的損傷依然會更大。
因此，在旋轉棲息地內部，你會和結構一起旋轉，根本察覺不到它在轉動；而在外部，棲息地被不旋轉的超級防護結構包裹著，同樣看不到旋轉的跡象，甚至這些防護結構還可能以相當慢的速度向相反方向旋轉。
防護材料也不一定非得是岩石、冰或金屬，宇宙中最常見的氫和氦，也能成為防護材料。
按重量計算，氫是抵禦宇宙輻射的最佳材料之一。
所以我們可以在旋轉棲息地周圍，打造一個裝滿氫罐和其他防護層的非旋轉超級防護結構，具體的防護設計可以參照太空飛行器的標準。
這些氫還能當作燃料使用，我們的空氣和水資源儲備也能進一步增強防護效果 —— 輻射對空氣和水基本沒有影響，相比之下，讓微隕石撞毀部分儲備資源，總比傷及人類要好。
而在小行星採礦的背景下，我們大概率會利用採礦產生的礦渣來做防護材料。
不過，即便遇到太陽系中約一百萬顆直徑約一英里的小行星，我們也其實沒必要將其挖空。
這種做法其實並不划算，在即便有微弱重力的大型小行星上鏟運岩石，也像鏟運泡沫塑料一樣輕鬆；即便在穀神星 —— 如今被歸為矮行星而非小行星的最大天體上，你也能輕而易舉地舉起一輛卡車。
而對於那些更小的、直徑約一英里的小行星（這類小行星的數量是那些知名大行星的數千倍），你甚至能像踢皮球一樣挪動和房子一般大的岩石。
在小行星上採礦，最大的問題是需要搭建一個穹頂，防止碎石飄入太空。
小行星本質上也並非整塊的堅硬岩石，大多都是碎石堆聚而成的，所以開採時也無需進行大規模的挖掘作業。
在小行星內部建造設施，也不需要特別堅固的結構，因為這類天體體積小、重力極弱，即便在數百英尺的岩層之下，壓力也小到不足以壓碎一個空易拉罐。
因此，我們無需像在地球上採礦那樣，對隧道進行加固支撐。
那為什麼說挖空小行星的做法並不可取呢？
簡單來說，這種做法會造成極大的材料浪費。
假設你發現了一顆形狀規整的球形岩石小行星，直徑約一英里，想要用岩石作為防護材料。
事實上，十幾英尺厚的岩石層，就足以輕鬆抵禦微隕石的撞擊，並將宇宙輻射降低到接近地球表面的水平。
在地球上，我們頭頂的大氣層帶來的壓力約為每平方英寸 14 磅，也就是每平方米 10 噸，這相當於身處 10 米深的水下，或是 3 到 5 米厚的普通岩石層下所承受的物質質量。
也就是說，30 英尺厚的岩石層，能為你提供和地球大氣層相當的防護效果。
即便你想要更高的防護等級，設置 100 英尺厚的岩石層 —— 這個厚度足以抵禦除直接核打擊外的任何威脅，也只用到了這顆直徑一英里的小行星約 3% 到 4% 的物質，若是更大的小行星，這個比例會更低。
而挖空後剩下的空間，就只是被一層薄薄的岩石、水和鋼材包裹的空殼而已。
那剩下的這些原材料該如何處理呢？
你可以將其運到其他地方，但岩石只有在提煉出鉑、金、銥等貴金屬後才有價值，除此之外，其出口價值微乎其微。
說實話，對於這個尺寸的小行星，分散開採其實會更便捷。
因此，不如將整顆小行星改造成一個直徑擴大五到六倍的巨大中空球體，然後在接下來的數年裡，慢慢將開採出的岩石替換成氫罐。
從長遠來看，在核聚變經濟體系下，用多餘的礦產換取更多儲存在外部罐體內的氫，才是更划算的選擇，畢竟這些氫既能當作火箭燃料，又能起到防護作用。
僅僅是用於抵禦宇宙輻射的氫，其中一小部分就能為環形棲息地提供數十億年的照明和動力。
所以，我們可以將一顆小小的小行星，改造成一個內部帶有旋轉棲息地的巨大球體，球體的其餘空間可以用作零重力儲存區、工業區，或是建造更小的圓柱形設施，比如水培種植區。
如果面對的是更大的小行星，我們可以將其拆解，改造成多個較小的球體；如果不想打造更大的圓柱體，也可以將多個圓柱體以特定的幾何形狀排列，讓它們的端部相互接觸。
這也引出了另一個設計要點：旋轉棲息地的半徑並非必須全程保持一致，我們可以將其邊緣設計成錐形，這樣隨著直徑變小，模擬重力也會逐漸減弱。
我們還可以在棲息地的外殼上設計凹陷和凸起，這樣無需填充大量的土壤和水，就能打造出更高的山丘和更深的湖泊。
類似氣凝膠這類超輕且堅固的新型材料，也可以鋪在表層土壤之下，起到輔助支撐的作用。
在地球上，我們的挖掘深度一般不會超過幾米，大多數植物的根系也不會扎得太深，因此在旋轉棲息地中，也沒必要鋪設數百米厚的土壤和岩石。
棲息地內部的照明，既可以通過圓柱體兩端的鏡子引入陽光，更理想的方式則是使用核聚變供電的燈具，這類燈具可以只發出人類可見或植物生長所需的特定頻率光線，這樣能大幅減少廢熱產生，讓我們可以打造多層居住空間，同時不影響美觀。
至於視野中向上彎曲的地平線，一部分可以通過打造山丘和山谷來打破視覺上的平坦感，而在規模非常大的棲息地上，這種彎曲的差異幾乎是無法察覺的。
不過，有一個問題很難解決：這裡的天空並非地球那樣的藍天白雲，抬頭看到的會是相鄰的棲息地結構，而夜晚的星空，也會被其他棲息地的照明設備點亮。
我們可以通過設置大量湖泊來營造些許藍色調（畢竟水本身就是藍色的），而非大面積的草地和森林，但如果人們真的想要地球般的藍天效果，或許可以在棲息地內部嵌套一個更小、更薄的圓柱體來模擬天空，當然設計不能只是簡單地塗成藍色，這樣的設計理論上是可行的。
當你在厚厚的鋼製外殼上鋪設數米厚的土壤打造陸地時，在頭頂建造一個巨大的液晶顯示 「天空」，其實也並非什麼難事。
再說了，只要有核聚變技術提供充足的電力，這都不是問題。
這些旋轉棲息地可以建在太陽系的任何地方，比如行星周圍、小型衛星或行星環附近，也可以建在奧爾特雲，甚至是星際空間中。
它們的移動性也相當不錯，儘管由於為了保證居住舒適性，其結構帶有大量非必要的質量，並非理想的太空飛行器。
星際空間中遍布著各種天體，兩顆恆星之間的行星和小行星數量，可能比單顆恆星周圍的還要多，甚至多得多。
這些旋轉棲息地的規模，足以支撐起足夠的基因庫，即便相關技術還無法輕鬆解決基因瓶頸問題，也能滿足需求。
舉個例子，如果地球上某個意識形態或宗教團體，想要擁有一片屬於自己的獨立空間，他們可以選取太陽系中數百萬顆小行星或彗星中的任意一個，將其改造成旋轉棲息地，這樣的棲息地足以永久支撐約一百萬人生活，即便只是數千人，居住條件也會更加舒適。
只要掌握了相應的技術，這些棲息地其實也算是低配版的太空飛行器，你可以設定航線向深空進發，遠離其他人，如果覺得主流文明的生活方式難以接受，不想與其共處，這會是一個不錯的選擇。
而且，旋轉棲息地也無需一次性建成，我們可以先打造一個小型的圓柱體，之後隨著時間的推移將其延長，或是直接增加更多的圓柱體。
我們甚至可以將大部分預製的空圓柱體運到小行星附近，排列在其外部，然後在整個結構外圍打造一層薄薄的外殼，再拆解小行星，將其材料用作外部防護層，並篩選出適合棲息地使用的部分。
至於在太陽系中能建造多少這樣的旋轉棲息地，這完全取決於你希望鋪設的土壤厚度。
畢竟我們可以用氫作為主要的外部防護材料，如果將太陽系中所有的岩石行星拆解，用來打造鋪設了約 10 米厚土壤和水層的旋轉棲息地，那麼打造出的棲息地總面積，相當於數百萬個地球的居住面積。
土壤層越薄，可打造的居住面積就越大；土壤層越厚，居住面積則越小。
如果這些土壤主要用於種植糧食，而非以水培種植為主，那麼這樣的棲息地足以支撐的人口數量，是地球的數百萬倍；如果土壤只是用於打造花園、草坪，以及一些專門的野生生物棲息地，那麼人口密度甚至可以達到地球的數百倍。
好了，我們已經探討了這些相對可行的設計方案，最後再來回顧一些規模更大、也更為知名的設計。
正如我之前所說，使用鋼材甚至鈦合金這類金屬材料，能打造的旋轉棲息地直徑是有限的。
而自從發現了碳納米管和石墨烯後，設計的上限被大幅提高，由此誕生了兩種知名設計：畢肖普環和麥肯德里克圓柱體。
這些結構的周長可達數千英里，而非之前的十幾英里，其規模大到幾乎能被視作獨立的行星。
它們的設計原理和之前的旋轉棲息地一致，只是規模更大而已。
其實在發現碳納米管之前，就已經有兩個非常著名的科幻設計案例了。
其中規模較小、出現時間較晚、知名度也相對較低的一個，最早出現在伊恩・M・班克斯 1997 年的小說《腓尼基啟示錄》中，我們將其稱為班克斯環。
這個環形結構的特別之處，在於其特定的旋轉速度：它每 24 小時旋轉一周。
這意味著如果讓它的外側朝向太陽，無需人工照明或鏡子反光，就能模擬出地球正常的 24 小時晝夜循環，我們甚至可以給它設計一個輕微的傾斜角度，來模擬四季的變化。
當然，為了防止空氣從結構中逸出，我們需要建造一面高達數英里的氣牆，但由於這個結構的規模極其龐大，這面氣牆幾乎是看不到的，我們甚至可以將其塑造成人造山脈的樣子，融入整體環境。
在班克斯環上，你能看到和地球一樣的天空，體驗和地球一致的晝夜交替，而且由於地平線距離極其遙遠，中間的大氣層會將其遮擋，你抬頭只能看到頭頂上方一道細細的 「橋樑」。
想要實現 24 小時旋轉一周，同時模擬出地球般的重力，班克斯環的尺寸必須是特定的 —— 對於特定的行星重力和晝夜時長，只有一個唯一的直徑能滿足要求。
模擬地球重力和 24 小時晝夜的班克斯環，直徑約為 200 萬英里，其寬度可以任意設定，但寬度越大，夜晚的天空就會越亮，因為被陽光照射的一側會持續發光。
即便是寬度僅 1000 公里的班克斯環，其夜晚的亮度也會超過滿月，而這樣的班克斯環，居住面積相當於數百個地球。
當然，你可以繼續增加其寬度，但代價就是夜晚的天空會變得更亮。
而班克斯環的核心優勢，就是能高度還原地球的生存環境，既然一個這樣的結構，居住面積就已經是地球的數百倍，不如直接在旁邊再建一個細長的班克斯環，而非一味擴大單個結構的寬度。
建造班克斯環的最大問題，依然是材料的應力承受能力。
沒有任何一種材料，即便是石墨烯，能承受如此巨大的應力而不被撕裂，事實上，任何分子構成的材料都無法做到這一點。
理論上，像中子星物質這類依靠強核力（將原子核束縛在一起的力）結合的奇異材料，或許能滿足要求，但在科幻作品中，解決這一問題的常用方式，往往是藉助力場這種設定來一筆帶過。
而另一個更知名、出現時間更早、規模也更大的設計，是拉里・尼文提出的環形世界。
環形世界的直徑，幾乎是班克斯環的 100 倍，它能完整地環繞一顆恆星。
建造環形世界，需要比班克斯環更堅固的材料，而且由於它始終朝向太陽，必須在其外側設置遮陽板，這些遮陽板以特定的間距和速度繞恆星運行，以此模擬出 24 小時的晝夜循環。
不過這種設計的晝夜交替會非常急促，從正午直接過渡到午夜，但我們可以將遮陽板的邊緣設計成半透明的，尤其是讓紅光可以透過，以此模擬黎明和黃昏的效果。
班克斯環則不存在這個問題，它能自然實現晝夜交替，並有正常的黎明和黃昏，這也是儘管班克斯環的概念出現得更晚、規模更小，卻依然備受青睞的原因之一。
和畢肖普環一樣，環形世界也需要氣牆來鎖住大氣層，其寬度也可以任意設定，但通常認為其居住面積至少相當於一百萬個地球，甚至更多。
環形世界還存在穩定性問題，而且它的旋轉速度接近光速的 0.5%，這意味著必須格外警惕隕石撞擊帶來的危害。
但實事求是地說，既然人類有能力建造出這樣的結構，這些問題其實都算不上什麼大難題，就像在航空母艦上，擔心廚房的電源插座不夠用一樣 —— 雖然確實是個問題，但和讓十萬噸鋼鐵漂浮在水面上的浩大工程相比，根本不值一提。
班克斯環有一個環形世界無需擔心的問題，那就是潮汐力。
由於班克斯環的規模極大，靠近太陽的部分所受到的引力，會大於遠離太陽的部分，這就會產生潮汐力。
但這並非完全是壞事，因為潮汐力能讓班克斯環產生潮汐現象 —— 而其他旋轉棲息地，除非通過額外的裝置強行模擬，比如在棲息地中設置附屬水箱，按照特定的規律向棲息地中抽水或排水，否則都不會有潮汐現象。
這兩種設計都極具人氣，但在當前的科學認知下，它們都不具備實現的可能性。
有趣的是，在大多數太空歌劇和科幻作品中，比如《星際迷航》，建造這樣的結構卻是稀鬆平常的事。
這也讓很多人覺得難以理解：既然能打造出這樣的超級棲息地，為什麼這些角色還總是為了爭奪行星而爭鬥不休呢？
在當前科學認知下具備可行性，同時規模也同樣浩大的設計，還有另一種由拉里・尼文提出、並出現在班克斯小說中的結構：拓撲帕斯。
你可能還記得，我之前提到過，可以將旋轉棲息地像串香腸一樣首尾相連，而拓撲帕斯的設計則更進一步，規避了這種連接方式的一些問題。
它是一個超長的棲息地，既不是環形、圓柱形，也不是細杆狀，更像是一個巨大的毛線團，你可以將它繞著一顆恆星纏繞無數圈；如果並非依靠太陽能供電，也可以繞著其他天體，比如一顆可供開採氫元素的氣態巨行星，而這些氫元素可以作為核聚變反應堆的燃料，為這個巨大的結構提供照明和動力。
拓撲帕斯的直徑，若是用鋼材建造可達數英里，若是用石墨烯則可達數百英里，而其長度則可以無限延伸，直到耗盡所有的建築原材料。
它的設計原理，和奧尼爾圓柱體、麥肯德里克圓柱體毫無二致，不存在任何複雜的工程難題或特殊設計。
不過令人意外的是，這種設計在科幻作品中卻鮮有登場。
就我個人而言，總喜歡想像拓撲帕斯上有一條超級長河，沿著其整個長度流淌數百萬甚至數十億英里的畫面。
儘管這些超級棲息地，只有掌握了高科技甚至超高科技的文明才能建造，但人們總會下意識地認為，居住在裡面的是技術水平較低的文明，更偏向奇幻而非科幻風格，比如中世紀文明，而非高科技文明。
其實我也不例外，總覺得拓撲帕斯會是一條漫長的海岸線，沿岸遍布著港口城市。
拓撲帕斯，是人類在不突破現有科學理論的前提下，能打造的最大規模的一體式旋轉棲息地，但這並非人類探索的終點。
我之前展示過幾種將多個旋轉棲息地連接在一起的方式，你可能當時就發現了，這種直接的連接方式存在一些問題。
最明顯的一點是，如果將旋轉的圓柱體連接到一個不旋轉的球體上，很容易出現空氣泄漏，或是齒輪相互摩擦的問題，甚至兩種問題同時出現。
對於暴露在太空真空環境中的傳統旋轉棲息地來說，這是一個嚴重的問題，但有兩種方法可以解決。
第一種方法，是利用等離子體窗口或類似的技術 ——這種技術可以防止空氣泄漏到發射環末端的真空隧道中，反之，它也能阻止加壓隧道中的空氣泄漏到太空中。
第二種方法，我們稍後再談。
首先我要說明一點，如果將多個圓柱體連接到同一個連接球上，那麼這個連接球本身就不能通過旋轉產生重力，這也是為什麼我們通常會將圓柱體的端部設計成錐形，讓重力在進入球體的過程中逐漸減弱。
不過，我們可以在連接球中充滿空氣，這樣理論上鳥類可以在其中飛行，陸地生物也能慢慢適應在零重力環境中活動。
我們還可以在連接球的內壁鋪設易於抓握的材料，並設置持續的向外氣壓，將物體推回球壁。
但如果希望水生生物能在不同的棲息地之間遷徙，這種設計就無法滿足需求了。
不過我們一直認為，旋轉棲息地可以作為保護野生生物的絕佳保護區，因此解決這個問題是很有必要的。
我們幾乎需要在每個棲息地設置兩個大型管道，利用氣壓讓水從一個管道流入，從另一個管道流出，這樣水生生物就能在不同棲息地之間遊動了，當然這一設計是可以實現的，而且還能和模擬潮汐、洋流的裝置配合使用。
旋轉棲息地其實也並非打造深海環境的理想選擇，但海洋生物其實並不需要太強的重力，只要能保證物體的上下方向即可。
因此，我們可以設計旋轉速度更慢的棲息地，內部主要填充海水，打造更深的海洋環境 —— 由於模擬重力更低，海水的壓力上升速度也會更慢，因此可以打造更深的海域。
我們始終需要儲備大量的水資源，而水資源在宇宙中十分豐富，因此與其將水僅僅用作棲息地的防護冰殼，不如將其充分利用，打造出多樣化的生態環境。
而這層防護冰殼，也讓我們回到了另一個解決空氣和水泄漏問題的方法上。
要知道，我們的旋轉圓柱體並非直接暴露在太空中，其外部包裹著一層不旋轉的外殼，這層外殼可以和連接球完美密封連接。
既然外殼不旋轉，那麼旋轉艙段與連接球連接處即便出現少量的空氣泄漏，也無需過度擔心，因為我們可以通過真空泵，將旋轉艙段和固定外殼之間的間隙抽成近真空狀態，再補充少量能量，讓圓柱體保持旋轉，彌補因近真空中微弱的空氣阻力造成的轉速損失。
儘管這種做法需要消耗一定的能量，但和為棲息地提供照明和供暖所需的能量相比，這點消耗根本不值一提。
而且這些因摩擦和抽真空產生的熱量，最終也會散發到太空中。
有了這層外部外殼，我們就無需過度擔心活動部件連接處的泄漏問題，設計的可能性也因此變得更多。
我們不僅可以將棲息地連成長長的 「香腸串」，或是打造相對二維的布局，還能構建三維的空間結構。
只要在將圓柱體接入連接球之前，將其端部設計成錐形，就能實現緊密的拼接。
這些自身不產生重力的連接球，體積無需太大，還可以通過常規的氣閘裝置，實現與太空的外部連通。
從二維的角度來看，我們可以將多個棲息地排列成網狀的帶狀結構，在間隙中鋪設太陽能電池板。
如果人類還沒有掌握核聚變技術，或是想要充分利用太陽能這一免費能源，這種設計就非常合適。
這也是打造戴森球的一種方式，或是在原材料耗盡時打造部分戴森球 —— 只需將這些帶狀結構層層環繞恆星，再以不同的角度鋪設新的帶狀結構，直到形成一個完整的球體。
這類由多個旋轉棲息地組合而成的超級結構，其居住面積是行星的數千甚至數百萬倍。
這讓我們可以將整個區域專門劃分為野生生物棲息地，保護地球上的動植物，而絕大部分區域則用於滿足人類的各種需求。
而且相比行星，旋轉棲息地也更容易抵禦外來物種入侵，或是處理那些具有破壞性的外來生物。
最後，我們來做個總結：旋轉棲息地能為人類提供數百萬倍於地球的生存空間，遠超地球化改造其他行星所能實現的規模，而且其建造完全符合已知的科學規律。
此外，正如我們所探討的，旋轉棲息地能被打造成極度適合人類居住的環境，而且非常安全可靠，甚至可以說比行星更加安全。
與行星不同，在旋轉棲息地上，你可以自由選擇晝夜時長、溫度、氣候甚至重力大小。
當然，改造其他行星也能實現這些調整，但通過旋轉棲息地來實現，要容易得多。
這也是為什麼我們很多人認為，人類未來更有可能打造大規模的旋轉棲息地，而非對無數行星進行地球化改造。