編者按：沒(méi)想到有一天，要證明自己生活在地球上，就像證明自己不是缸中的腦花一樣困難。
這里日光強(qiáng)烈，水波溫柔，東風(fēng)持續(xù)吹拂，黑暗與光明每24小時(shí)交替一次，表面積、重力、磁場(chǎng)等參數(shù)和地球相差無(wú)幾……劉洋老師在太空中造了這樣一個(gè)筒，但由于造得太像地球，連他自己也開始懷疑，我們依舊住在原處，還是一個(gè)《與拉瑪相會(huì)》和《極樂(lè)空間》里那種緩緩自轉(zhuǎn)的滾筒狀太空站？
快，叫輛出租告訴師傅“去世界盡頭”，看會(huì)不會(huì)撞上一條隔離帶，上書大字：脫水中，請(qǐng)勿開蓋。
筒中的世界
作者 | 劉洋
遲早有一天，太陽(yáng)會(huì)走到它作為一顆恒星的生命盡頭，短暫的爆發(fā)后，變成一顆紅巨星。爆發(fā)的過(guò)程會(huì)把整個(gè)地球軌道淹沒(méi)在其中，徹底摧毀這個(gè)星球上那讓人類賴以生存的生態(tài)環(huán)境。不過(guò)那是很久以后的事情了，在這之前，或許人類本身就會(huì)把整個(gè)地球搞得一團(tuán)糟，以至于不得不離開地球另謀出路。劉慈欣在《流浪地球》里設(shè)想將整個(gè)地球作為一艘巨大的飛船，推動(dòng)著離開太陽(yáng)系，但或許我們有另一個(gè)更為討巧的方法：既可以構(gòu)造出一個(gè)和地球同等大小的生態(tài)圈，又可以極大地減少推動(dòng)這個(gè)生態(tài)系統(tǒng)進(jìn)行宇宙旅行所需的能量。
那就是構(gòu)造一個(gè)巨大的滾筒狀的太空站，類似克拉克筆下的拉瑪系列飛船那樣，但我們的太空站要比拉瑪號(hào)大得多。這個(gè)太空站的圓筒半徑與地球相等，長(zhǎng)度與地球的直徑一致，這樣構(gòu)造出的圓筒狀太空站，其內(nèi)表面面積（兩個(gè)圓形頂部除外）就等于地球的表面積——這保證了整個(gè)生態(tài)圈具有足夠的復(fù)雜度而不會(huì)在短期內(nèi)陷入崩潰的境地。
太空站繞著圓筒的軸線旋轉(zhuǎn)，從而在圓筒內(nèi)壁上構(gòu)造出與地球相等的人造重力。筒壁轉(zhuǎn)動(dòng)的線速度為第一宇宙速度7.9km/s，轉(zhuǎn)動(dòng)周期約為84分鐘。只要保持這個(gè)轉(zhuǎn)速，在筒壁上隨著其一起轉(zhuǎn)動(dòng)的所有物體都將受到一個(gè)與地球的重力加速度相等的向心加速度，感覺上就像仍處于地球的引力圈中一樣。太空站的外壁上均勻地分布著眾多切向推進(jìn)系統(tǒng)，當(dāng)太空站的轉(zhuǎn)速與上面的值發(fā)生偏離時(shí)，從傳感器上傳來(lái)的修正信號(hào)會(huì)將其激活，從而及時(shí)地對(duì)太空站的轉(zhuǎn)速進(jìn)行調(diào)整。
另一個(gè)與拉瑪飛船不同的是，我們的太空站事實(shí)上是由內(nèi)外兩層圓筒組成的。人類生活在外面那層圓筒的內(nèi)壁上，如果他們抬頭向“上”看去，他們不會(huì)看到處于圓筒另一側(cè)的“地面”，而是會(huì)看到“天空”——那是一個(gè)半徑小于外筒的圓柱狀滾筒。在內(nèi)筒表面的一半?yún)^(qū)域，分布著模擬陽(yáng)光的照明系統(tǒng)，在另一半?yún)^(qū)域則是黑暗的，以模擬黑夜下的環(huán)境狀態(tài)。內(nèi)筒與外筒沿著同一個(gè)方向進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，但比外筒的轉(zhuǎn)速略慢——具體來(lái)說(shuō)，它的轉(zhuǎn)速使得在24小時(shí)內(nèi)，外筒剛好比內(nèi)筒多轉(zhuǎn)了一圈。這樣，處于外筒內(nèi)壁的人類會(huì)在24小時(shí)內(nèi)經(jīng)歷一個(gè)晝夜，以符合原來(lái)在地球上形成的生物鐘。
因此，在太空站上，外面的那個(gè)圓筒層通常被稱為“地殼”，它的內(nèi)表面就是人類所生活的大地，而內(nèi)層的圓筒則被稱為“天殼”，它構(gòu)成了人們目力所及的天空。兩個(gè)殼層間的距離大約為20km，其中充滿了空氣，氣體總量和地球的大氣圈大致相當(dāng)。
在這個(gè)太空站里，除了重力和晝夜之外，我們還可以模擬出大部分在地球上存在的地理特征。比如，在這個(gè)新世界里，仍然有“地磁場(chǎng)”存在。那是因?yàn)樵谟钪孑椛涞纫蛩氐挠绊懴拢照镜臍?huì)無(wú)可避免地帶上靜電，再加上內(nèi)外殼層均在不同轉(zhuǎn)速的旋轉(zhuǎn)之中，這樣在殼層間的區(qū)域內(nèi)便會(huì)形成一個(gè)與圓柱的軸向平行的、強(qiáng)度均勻的磁場(chǎng)。如果我們仿照地球上的稱謂，根據(jù)磁場(chǎng)的方向，我們就可以把圓筒的一端叫做南極，另一端叫做北極——但是沒(méi)有極點(diǎn)的存在，因?yàn)榇艌?chǎng)線并不會(huì)匯聚在圓筒盡頭處的某個(gè)點(diǎn)上。
如果我們調(diào)節(jié)人造日光的強(qiáng)度，讓南北兩極處的光照弱于圓筒中部的光照強(qiáng)度，那么我們就可以模擬出寒帶、溫帶和熱帶等各種氣候帶：在圓筒兩側(cè)的是寒帶，往內(nèi)依次為溫帶和熱帶，圓筒的中線處為赤道。這樣，人們就可以根據(jù)原來(lái)在地球上的居住地，選擇適合自己居住的氣候帶。
氣候帶間的溫差也帶來(lái)了大氣循環(huán)：在接近“天殼”的高空中，大氣從赤道往兩極處移動(dòng)，而在地面上，大氣則從兩極高壓帶向赤道低壓帶移動(dòng)。當(dāng)然，除了南北方向具有空氣流動(dòng)的特征外，在東西方向（即垂直于圓筒軸線的方向）上也存在著空氣相對(duì)于“地殼”移動(dòng)的現(xiàn)象。因?yàn)椤疤鞖ぁ焙汀暗貧ぁ钡霓D(zhuǎn)速不同，根據(jù)牛頓粘性定律，在兩個(gè)殼層間的空氣，可以看作是許多平行移動(dòng)的空氣層，其各層流速不同，越接近地殼，空氣流速越快。以在地殼上生活的人類的角度來(lái)看，空氣是從東方向西方移動(dòng)，也就是說(shuō)終年都有著永不停歇的東風(fēng)在吹著。因此，綜合來(lái)看，在新世界的北部（赤道以北），其主要的風(fēng)向?yàn)闁|南風(fēng)；在新世界的南部，其主要的風(fēng)向?yàn)闁|北風(fēng)。
可以看到，在整個(gè)新世界里，人們所感受到的環(huán)境幾乎和地球完全一致，因此，可以認(rèn)為，人們的生活方式和社會(huì)組織形式，在從地球上遷移過(guò)來(lái)之后，應(yīng)該也不會(huì)發(fā)生太大的變化。“地殼”上仍然有與地球上輪廓接近的大陸和海洋，國(guó)家和城市的分布也大致相同。在城市之間，高鐵是人們主要的交通工具。當(dāng)然，如果你要進(jìn)行長(zhǎng)途旅行，比如從中國(guó)到美國(guó)，或者說(shuō)從地殼的一側(cè)移動(dòng)到對(duì)面的另一側(cè)，則需要依靠一種替代了飛機(jī)的新型交通工具——“天梯”。
從地殼上看去，天梯是一座座高聳入云的高塔。它們實(shí)際上是一些貫通了整個(gè)太空站的超長(zhǎng)電梯，其最大長(zhǎng)度即為圓筒的直徑（12800公里）。人們乘坐天梯，從地殼往上，穿過(guò)大氣層，再穿過(guò)天殼層，進(jìn)入到位于內(nèi)殼中部的宇宙真空區(qū)域，之后在另一側(cè)重新穿越天殼層，回到生活區(qū)域，整個(gè)過(guò)程大致需要兩個(gè)小時(shí)。在旅程的前半部分，隨著電梯的上升，人們感受到的重力會(huì)逐漸減小，并在圓筒的軸心處經(jīng)歷完全失重的狀態(tài)。因此，整個(gè)過(guò)程中——特別是在旅程中段——乘客必須系好安全帶，以便將身體固定在座位上。在后半程則剛好相反，“重力”會(huì)越來(lái)越大，而且方向和之前相反。因此，在后半程開始時(shí)，電梯會(huì)在上下方向上掉個(gè)頭，否則乘客就將頭朝下到站了。
討論至此，我們發(fā)現(xiàn)，除了天梯略微超出現(xiàn)代人的經(jīng)驗(yàn)以外，在太空站上的生活竟然沒(méi)有什么新鮮和奇特的體驗(yàn)。那么，如果我們瞞著某個(gè)地球人，把他隱秘地帶到太空站上，他能否迅速地發(fā)現(xiàn)自己已經(jīng)不在地球上了呢？這一點(diǎn)恐怕很難。
??
在地球上，觀察海平面盡頭處的帆船，它總是先露出桅桿的頂端，這是大地具有弧度的一個(gè)早期證據(jù)。可是如果在太空站上，向著海平面望去，其盡頭處會(huì)向天空的方向延伸，最后與天空連為一體。如果有帆船從遠(yuǎn)方駛來(lái)，我們將首先在海天相接處發(fā)現(xiàn)它浸沒(méi)在水中的船殼，然后再逐漸往上，慢慢看到它的甲板和甲板上的桅桿。可是，這種方法需要我們能夠看到極為遙遠(yuǎn)的區(qū)域，如果你在普通的生活區(qū)里，恐怕很難做到這一點(diǎn)。
另外，從理論上講，在這樣的圓筒狀太空站里，當(dāng)你沿著或逆著其轉(zhuǎn)動(dòng)方向以相同速度運(yùn)動(dòng)時(shí)，你所感受到的重力是不同的。當(dāng)你沿著轉(zhuǎn)動(dòng)方向運(yùn)動(dòng)時(shí)，“重力”會(huì)變大，反之，“重力”則會(huì)變小。這是因?yàn)槲覀兊倪\(yùn)動(dòng)改變了我們相對(duì)于圓筒中軸線的線速度，從而影響了向心加速度的大小。可是，因?yàn)椤暗貧ぁ毙D(zhuǎn)的線速度太大了，一般的速度根本無(wú)法對(duì)“重力”造成可以讓人感覺到的改變。所以，想憑借這一點(diǎn)來(lái)判斷身處何地也是行不通的。
那么，真的沒(méi)有一個(gè)簡(jiǎn)單易行的方法來(lái)判斷我們到底身處何地了嗎？在“盜夢(mèng)空間”里，人們可以通過(guò)旋轉(zhuǎn)陀螺來(lái)判斷是否處于夢(mèng)境之中。在太空站里，其實(shí)也有很簡(jiǎn)單的辦法可以判斷出我們感覺到的重力到底是真實(shí)的還是人造的。方法如下：
準(zhǔn)備一個(gè)發(fā)球機(jī)，首先要仔細(xì)地調(diào)節(jié)其出球管道，讓其保持在豎直方向。這樣，從中發(fā)出的球就將沿著豎直方向做上拋運(yùn)動(dòng)。為了避免風(fēng)力的影響，一定要挑一個(gè)無(wú)風(fēng)的時(shí)間做這個(gè)實(shí)驗(yàn)，并且選擇一種質(zhì)地較為厚重的球類。啟動(dòng)發(fā)球機(jī)，觀察小球落地的地點(diǎn)。如果在地球上，因?yàn)榘l(fā)球管道是豎直的，這個(gè)小球?qū)⒙浠卦兀艽罂赡軐糁邪l(fā)球管道，或者是隨機(jī)分布在非常貼近管道的位置（考慮到發(fā)球時(shí)管道的無(wú)規(guī)則震動(dòng)）。
然而，如果是在依靠旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生人工重力的太空站上，實(shí)驗(yàn)結(jié)果將很不一樣：你會(huì)看到，所有的小球都在水平方向上產(chǎn)生了一個(gè)位移，落在了位于拋出點(diǎn)正東方的某個(gè)點(diǎn)位。而且，這個(gè)水平位移的距離，還會(huì)隨著拋球速度的增加而迅速增大。比如，當(dāng)拋球速度為20m/s時(shí)，這個(gè)水平位移的距離約為14厘米，而當(dāng)拋球速度增加為30m/s時(shí)，水平位移的距離已經(jīng)增加到約47厘米了。
各位讀者朋友，如果你現(xiàn)在身邊剛好有發(fā)球機(jī)或者類似的裝備的話，不妨立刻動(dòng)手試一試。也許你會(huì)驚訝地發(fā)現(xiàn)，原來(lái)你早就已經(jīng)不在地球上了……
注：本文首發(fā)于2016年8月刊《科幻世界》“不存在日?qǐng)?bào)”專欄
關(guān)鍵字：#劉洋# #太空站# #地球# #阿瑟·克拉克#
??責(zé)編：高小山、船長(zhǎng)
??作者：劉洋，三維宇宙的物理學(xué)博士，主要研究二維量子材料，同時(shí)也是一維科幻作家，因?yàn)橐粚?/b>起科幻小說(shuō)來(lái)，周圍的空間就不存在了，只剩下時(shí)間這一根軸。已出版科幻小說(shuō)集《完美末日》。
